FAST主動反射面健康監測系統設計與應用研究

王曉琳 李東平 朱明 周庠天 王雄彪 黃漢斌

摘 要：對500 m口徑球面射電望遠鏡主動反射面健康監測系統設計與應用進行了研究.確定了主要監測內容，設計了系統整體架構，并對硬件所涉及的傳感器技術、電磁兼容進行了研究.基于美國NI公司labwindows /CVI平臺開發了軟件系統，選用MySQL數據庫建立數據管理系統.研究了數據采集、數據處理及預警方法.并成功在FAST工程施工期、服役期實際應用.

關鍵詞：FAST；主動反射面；健康監測；安全預警；傳感器

中圖分類號：TU311 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.014

0 引言

中國科學院國家天文臺500 m口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，簡稱FAST）工程建設于貴州省某地，2016年9月投入使用，FAST效果圖如圖1所示.FAST利用山區凹地建造世界最大口徑射電望遠鏡，其主動反射面系統是一個口徑500 m的球面，包含圈梁、主索網、反射面、促動器、下拉索、地錨等構件.主索網與環形圈梁相連接，有2 000多個核心節點，在主索網上安裝有約4 000多個反射面單元，每個節點下方連接一個下拉索，下拉索通過促動器與地錨連接，通過控制促動器，實現瞬時拋物面，從而進行天文觀測[1]. 結構示意圖如圖2所示.

FAST 圈梁與格構柱鋼結構為大跨度空間鋼結構，體系龐大，且因為格構柱高度差異的影響，導致整體結構受力非常復雜.在FAST 服役過程中，索網結構變位，導致圈梁與格構柱的結構形態、構件應力變化.在圈梁與格構柱鋼結構施工完成、索網張拉成型后，吊裝設備會利用圈梁做為軌道吊裝反射面板.這些因素都加劇了結構的復雜性，因此，對FAST 圈梁與格構柱鋼結構進行施工過程以及服役過程的健康監測是非常有必要的.構建健康監測系統可以同時為FAST 施工期和服役期提供技術支持，實時反饋的結構狀態，掌控FAST 整體的運行安全性.本文主要對主動反射面健康監測系統進行了設計與應用研究.

1 系統架構

1.1 監測內容

FAST主動反射面健康監測系統的監測項主要包括主動反射面系統自主監測項和FAST 測控系統獲取監測數據的監測項兩個部分.監測期分為施工期與服役期兩個階段.監測項內容如表1所示.

1.2 系統架構

如1.1所述，系統監測內容主要包括結構應變、主索索力、環境荷載（風速風向）、圈梁牽索板節點位置、促動器相關信息（油溫、油壓、氣溫、氣壓、位置、下拉索索力）、節點位移等相關參數.為便于利用FAST工程環網，系統可采用分布式架構，所有采集設備應采用就近原則，利用現場的12個中繼室進行布置；所有光纖傳感器都接入7#-12#共6個中繼室內的光纖采集子站.主索振弦傳感器都接至1#、2#、6#共3個中繼室采集子站.風速風向傳感器采用光纖傳輸至12#中繼室.監測系統可分為傳感器層、數據采集層和數據處理層，架構圖如圖3所示.

2 系統硬件

FAST工程傳感器及儀器的選型主要從先進性、可靠性、耐久性、可維護性、精度適中以及防電磁干擾等因素考慮[2].測控系統監測項直接從總控系統數據庫讀取數據，本文不做考慮.自主監測項主要包括主索索力監測、圈梁格構柱應變監測、環境溫度監測、圈梁風速風向監測4個監測參數.

2.1 主索索力

從科學經濟的角度考慮，不可能對每一根主索的索力都進行監控，只能選擇部分代表性的、風險較大的拉索布設監測傳感器.設計時主要從4個方面考慮：1）邊緣區域拉索；2）應力幅變化較大的拉索；3）內力較大的拉索；4）對稱布設.

目前較為成熟的拉索索力測量的方法有振弦傳感法[3]、光纖光柵傳感法[4]、磁通量法[5].結合3種不同技術的原理、傳輸距離、測量精度及電磁屏蔽方式的特點，選擇在大窩凼鍋底部位傳輸距離較近的位置的拉索安裝振弦傳感器，在邊緣主索部位精度要求高的位置同時安裝光纖光柵傳感器和磁通量傳感器，其余中間部位傳輸距離較長的關鍵拉索安裝光纖光柵傳感器.

1）振弦傳感法

振弦式應變計監測原理：在兩塊安裝塊之間張拉一根鋼弦，在待測拉索錨頭部位沿軸向表面焊接兩個安裝塊.拉索索力的變化會引起錨杯表面處應力變化，使得兩個安裝塊相對運動，從而導致鋼弦張拉力的變化，用緊貼鋼弦的電磁線圈激勵鋼弦并測量出其共振頻率，共振頻率與鋼弦張力成比例關系，根據這個原理測量出拉索索力[6].如圖4所示.

2）光纖光柵法

光纖光柵傳感器測量原理：主要是光纖光柵傳感器反射的中心波長會隨著應力的變化而漂移，通過獲取光柵反射的中心波長的變化值而間接地測量其應力值[7].使用定制的安裝底座將光纖光柵傳感器軸向安裝于拉索錨頭線性應變部位，并通過保護外罩將補償光纖光柵溫度計與應變計一并進行固定及保護，提高了傳感器的耐久性，解決了應變計與溫度計的溫度一致性.使用溫度-應變補償方法來解決存在的應變溫度交叉敏感問題[8].如圖5所示.

3）磁通量法

磁通量傳感器的監測原理：當鐵材質的拉索受到外界荷載作用時，其內部將會產生機械應力，相應地磁導率會發生改變，通過測量磁導率變化來反映應力的變化.在同一溫度條件下，鐵磁材料內應力與磁導率變化存在一定的規律，利用拉索的磁導率-應力關系曲線，從而可以測量出拉索索力[9]，如圖6所示.磁通量傳感器安裝方式為直接袖套在拉索上面.考慮到其電磁干擾的影響，不納入在線監測系統中，后期采用人工巡檢方式進行測量，安裝圖如圖7所示.

2.2 圈梁及格構柱應力應變

圈梁與格構柱鋼結構的應變監測測點布置結合鋼結構的施工過程、服役環境、結構特點及受力特性進行了綜合考慮.從50個格構柱中對稱選擇關鍵的10個格構柱以及對應的圈梁段進行監測，監測點分布如圖8所示.將傳感器焊接在相應的格構柱水平拉桿、柱底柱肢、圈梁的斜腹桿、下弦桿、內側環向弦桿.

圈梁與格構柱鋼結構的應變監測也選用光纖光柵應變計和振弦應變計，其測量原理與拉索索力測量原理類似.

2.3 圈梁風速風向

基于電磁屏蔽的考慮，圈梁風速風向監測選用光纖光柵傳感原理.風速傳感器基于風杯的轉速與風速成正比的原理.風向傳感器是通過風向標的旋轉角度可以確定風向，通過換能元件把風向標角度的變化及時準確地傳遞給光纖光柵，使得光纖光柵中心波長移位，利用光纖光柵中心波長變化量可得出風向標旋轉角度[10].傳感器采用法蘭安裝方法安裝在圈梁上.風速風向實物如圖9所示.

2.4 環境溫度

FAST工程為大型索網結構，直接暴露在室外，環境溫度的測量受周圍環境溫度變化影響非常顯著[11].本系統布設的傳感器均有溫度補償用溫度計，共計600余支，并均勻分布在FAST各索網上，滿足溫度場的監測.故不需單獨再布設溫度計.

2.5 電磁屏蔽

監測系統使用諸多儀器儀表、傳感器等電子設備，其產生的電磁輻射可能會通過空間輻射或線路傳導的方式被FAST接收，當干擾信號強度超過FAST接收靈敏度時，就會影響到正常觀測.基于以上的情況，監測系統必須要考慮電磁屏蔽.

監測系統主要的采集儀器有：光纖光柵解調儀、振弦傳感器采集儀、磁彈儀、風速風向采集儀等.光纖光柵解調儀直接布設在中繼室內，振弦傳感器采集儀器需要在中繼室外單獨布設保護機柜，將電信號轉換為光纖信號后，再接入到中繼室內部.中繼室整體做電磁屏蔽處理.磁通量傳感器做為離線檢測設備，FAST進行觀測時不采集數據.故不考慮其電磁屏蔽.采集儀器保護機柜按照軍標C級屏蔽柜標準設計，并通過EMC測試.機柜的整體設計示意圖如圖10所示，電磁兼容試驗示意圖見圖11.

3 系統軟件

3.1 軟件架構

監測系統軟件選用美國NI公司labwindows/ CVI平臺開發，數據庫選用由瑞典的AB 公司研發的開源的關系型數據庫MySQL.采用Datasocket通信技術實現各中繼室終端之間的數據實時交互及分布式管理的.

軟件系統主要包括工況信息管理、硬件設備參數管理、數據采集及管理、數據分析處理、結構狀態評定及預警、系統管理等功能.如圖12—圖14所示.

3.2 數據庫

監測系統數據可分為系統管理數據、原始監測數據、分析后監測數據、特征數據（閾值）、極值監測數據、工況維護數據6大類.針對監測點、安裝部位、傳感器類型、傳感器參數、測量值以及觀測工況之間的邏輯關系，設計了數據庫邏輯圖，如圖15所示.

系統原始監測數據主要包括各監測點不同時間的環境溫度、環境荷載（風速風向）、應變、索力以及測控系統提供數據等.系統對采集到的原始數據按不同時間周期（如日、月、季度、年）進行存儲及分析處理.并對處理前后的數據分開存儲，以便后期分析故障或報警原因時數據可回溯.并通過對原始信號的時域分析、頻域分析，建立特征數據表.

3.3 數據分析

監測系統在數據采集過程中因為一些信號干擾，會出現異常值.假如將這些數據直接去評估或預警，將會錯誤地觸發預警閾值.軟件設計采用了3種數據處理方式：

1）采用帶通濾波的方式，對超出傳感器正常數值范圍之外的數據進行剔除.

2）采用拉依達（PauTa）準則剔除異常值[12].先計算測量值Xi（i=1，2，…，n）的均值[X]以及殘余誤差Ui=Xi-[X]，并且按照貝塞爾公式計算出測量值的標準差S，如果某測量值Xd的殘余誤差Ud=Xd-[X]（1≤d≤n）滿足公式|Ud|>3 S，可以認為Xd是異常值，需剔除.

3）剔除了粗差后會出現某一時間缺少測量值，采用全段拉格朗日一次插值法進行補差[13].處理前后效果見圖16、圖17所示.

選取A017#—A023# 拉索，2017年5月23日—2017年6月4日采集到了3 009個索力及溫度樣本數據進行分析.溫度與索力存在正相關性，相關系數為0.587 4.通過觀測發現，促動器的動作和環境溫度的變化是FAST索網索力變化最關鍵的兩個因素.如圖18所示.

3.4 評估與預警

系統結合FAST工程設計單位建模分析后提供的各測點預警值信息.如表2所示.

本文研究設計了自動報警軟件.在軟件設置報警相關參數，運營期如有異常，將會按對應等級的報警信息發送至總控系統，總控系統根據報警等級，再下發控制指令.并能對對應的管理人員信箱發送報警信息.系統也定期自動出具固定格式的周、月、年監測報告.

4 結論

1）主要結合FAST工程特點，設計了監測系統的架構，確定了監測的對象.對監測點布置進行了設計.設計了分布式架構的FAST結構健康監測系統.

2）基于Labwindows/CVI平臺和MySQL數據庫平臺開發了系統軟件，研究了數據處理方法、評估預警方法，并成功在FAST工程中實現施工階段、服役階段的監測應用.

3）系統實現了數據采集、數據分析管理及報警等功能，但還需結合FAST有限元模型以及FAST測控系統、饋源支撐系統等監測到的相關數據對結構綜合評估方面做進一步研究.

參考文獻

[1]NAN R，REN G，ZHU W，et al. Adaptive cable-mesh reflector for the FAST[J]. Acta Astronomica Sinica，2003，44（2）：13-18.

[2]范峰，王化杰，錢宏亮，等. FAST健康監測數據采集系統開發研究[J].哈爾濱工業大學學報，2010，42（8）：1177-1182.

[3]蔡永壯，王振龍，季英瑞. 振弦式壓力傳感器在橋梁索力監測中的應用[J]. 筑路機械與施工機械化，2009，26（1）：62-64.

[4]ZHOU Z，OU J. Development of FBG sensors for structural health monitoring in civil infrastructures[C]//Sensing issues in civil structural health monitoring. Springer Netherlands，2005：197-207.

[5]王曉琳，周庠天. 磁通量傳感器在高邊坡預應力錨索索力監測中的應用[J]. 江西建材，2015（18）：212-213.

[6]毛良明. 振弦式傳感器在橋梁安全監測系統中的應用[J]. 傳感器世界，2001，7（6）：30-32.

[7]童崢嶸. 光纖光柵傳感網絡及解調技術的研究[D]. 天津：南開大學，2003.

[8]金秀梅. 光纖光柵應變、溫度交叉敏感問題研究現狀分析[J]. 石家莊鐵路職業技術學院學報，2011，10（2）：53-56.

[9]WANG M L，WANG G，ZHAO Y. Application of EM Stress sensors in large steel cables[M].Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring. Springer Netherlands，2005：155-169.

[10]王敏吉. 光纖Bragg光柵動態風速風向儀的研制[D]. 昆明：昆明理工大學，2014.

[11]吳振，龍躍，章陳瀑. 持荷狀態下鋼絞線腐蝕及性能退化研究[J]. 廣西工學院學報，2011，22（1）：23-26.

[12]張敏，袁輝. 拉依達（PauTa）準則與異常值剔除[J]. 鄭州大學學報（工學版），1997（1）：84-88.

[13]王曉琳，鄧年春. 基于Labwindows/cvi的斜拉橋健康監測系統[J]. 預應力技術，2011，88（5）：37-40.

Design and application of health monitoring system of main reflector system for FAST

WANG Xiaolin1， LI Dongping1， ZHU Ming2， ZHOU Xiangtian1， WANG Xiongbiao1， HUANG Hanbin1

（1. Liuzhou OVM Structural Insepection Technology Co.， LTD.， Liuzhou 545006， China； 2. National Astronomical Observatories of China， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100039， China ）

Abstract：The design and application of health monitoring system of main reflector system for the five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope （FAST） was researched. The main monitoring content was determined and the overall architecture of the system was designed. The sensor technology and electromagnetic compatibility of the hardware were researched. Based on the NI company labwindows/CVI platform， the software system was developed， and MySQL database was used to establish the data management system. Data acquisition， data processing and early warning methods were studied. The system was applied in the construction and operation of the FAST project.

Key words： FAST； active reflector system； health monitoring； safety warning； sensor

（學科編輯：張玉鳳）