CN111898720A - 一种具备形变监测功能的物联网感知标签 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备形变监测功能的物联网感知标签，包括物联网感知标签本体和形变传感器弹性体，所述物联网感知标签本体包括MCU微控制器，RFID芯片，GSM/NB‑IoT通讯电路，供电电池，所述形变传感器弹性体两侧的上表面为平面，下表面为弧面，所述形变传感器弹性体在两侧45度处厚度最小，在形变传感器弹性体上设置第一至第四应变片，所述第一至第四应变片电连接成惠斯通全桥形式，并通过物联网感知标签的电池进行供电，该物联网感知标签形变监测装置与设备的电子标签有机结合，实现实时感知形变数据及设备运行状态。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术和电子标签技术，主要涉及到电力设备形变监测技术。
背景技术
随着电网设备规模持续快速发展，在长距离输电通道沿途，覆冰、大风、泥石流等自然灾害和外力破坏引发大面积停电的风险因素长期存在，给电网的稳定运行带来极大安全隐患，因此需要对电网进行有效监测和检修。然而，传统运检模式效率较低、信息来源单一，已难以满足智能电网的发展要求，需要通过在线监测手段对输电线路运行状态进行实时感知、监视预警。
就目前的风险隐患而言，无论是覆冰、大风等引起的导线张力变化，还是滑坡、泥石流、外力破坏等灾害导致的输变电设备损坏，大部分风险最终都会体现在输变电设备的形变上。输电线路不可避免地经过采空区、山坡地等特殊地带，容易造成杆塔倾斜、基础开裂、变形。同时，杆塔倾斜、导线覆冰、舞动等受力情况，会导致塔脚构件应变异常。而在变电环节，变电站引下线接线端子应力的突变表征着引下线受力异常；电容器容量大，重心高，质量大，具较高的易损性，需关注其鼓包形变情况。同时，对于GIS设备，伸缩节的形变可缓解由于地基沉降、地震等影响下的设备位移问题，防止破坏性损坏的发生。故只有及时地了解和掌握GIS设备伸缩节尺寸变化情况，才能为设备的状态检修提供决策依据。
因此，针对输变电设备的形变状况进行有效监测，可及时掌握设备运行风险。而研制出能够针对各种输变电设备的形变进行长期、有效监测的监测传感装置是最重要一环，更是解决目前状态监测实际问题和迫切需求的一大关键。
同时，传统的物联网技术采用的是对物品做唯一性EPC(电子物品编码)编码，并将编码写入电子标签中，通过电子标签读写设备识别物品上的电子标签，将物品的信息采集到信息***。而物联网感知标签的实质是一个由电池供电的嵌入式***，在具备普通电子标签功能的同时，还具备窄带物联网(NB-IoT)的主动通信功能。
针对电力设备形变监测需求，亦亟需实时感知形变数据及设备运行状态。但目前形变监测装置但都是孤立的，未与设备编码统一相关联，大幅占用物理空间，增加安装维护成本、影响美观。将传统电子标签与设备形变监测功能有机结合，实现标签及对应电力设备形变状态的实时在线，可有力解决上述不足。
另外，电子标签作为电力设备重要的监测元件，对电力设备的安全运行起着至关重要的作用，因此，一定要防止非法地将其移动位置，而现有的电子标签普遍不具备该功能。
发明内容
本发明在于提供一种物联网感知标签，将形变监测装置与设备的电子标签一体设计，可对电力设备的形变状况进行有效监测，同时监测信息可通过物联网感知标签的射频通信方法或NB-IoT通信方法进行数据交互，以及时掌握设备运行风险。
一种具备形变监测功能的物联网感知标签，包括物联网感知标签本体和形变传感器弹性体，所述物联网感知标签本体包括MCU微控制器，RFID芯片，GSM/NB-IoT通讯电路，供电电池，所述形变传感器弹性体两侧的上表面为平面，下表面为弧面，所述形变传感器弹性体在两侧45度处厚度最小，在形变传感器弹性体左侧的平面中部设置有第一应变片，形变传感器弹性体右侧的平面中部设置有第二应变片，形变传感器弹性体右侧的弧面中部设置有第三应变片，形变传感器弹性体左侧的弧面中部设置有第四应变片,所述第一至第四应变片电连接成惠斯通全桥形式，并通过物联网感知标签的电池进行供电。
进一步的技术方案，所述形变传感器弹性体两侧具备定位固定孔，用以将物联网感知标签固定在电力设备需进行形变监测的表面上。
进一步的技术方案，所述形变传感器弹性体还包括胶带块，在胶带块中设置有导电薄片，导电薄片两端设置有引线，该引线与任一个应变片的引线电连接，所述胶带块设置在形变传感器弹性体的两侧用于与电力设备进行固定的平板下部，通过上述胶带块将物联网感知标签固定在电力设备需进行形变监测的表面上。
进一步的技术方案，所述第一至第四应变片为电阻式单轴应变片。
进一步的技术方案，所述MCU微控制器侦测到形变传感器的输出电压信号后，可通过GSM/NB-IoT远程方式或RFID近场通信方式两种方法发送报警数据。
进一步的技术方案，在人员巡检时，可通过RFID手持机进行一段时间内形变数据的读取。
进一步的技术方案，在巡检间隔期，可通过窄带物联网(NB-IoT)将设备编码结合形变数据远程发送，实现电力设备的实时在控。
进一步的技术方案，所述物联网感知标签本体和所述形变传感器弹性体一体成形。
本发明的有益效果是：
克服目前的形变监测装置与设备的电子标签相互孤立的缺点，将二者一体设计，将形变监测装置与设备编码统一关联，实时感知形变数据及设备运行状态，可大幅减少装置物理空间，降低安装维护成本。
同时该物联网感知标签还可以被设计成一旦被非法移动，则其电路结构将被破坏，该标签不再发挥作用，从而实现防止该物联网感知标签被非法移动位置的功能。
附图说明
图1为物联网感知标签三个方向的正视图；
图2为第一至第四应变片的电路连接结构图；
图3为物联网感知标签电路结构示意图；
图4为实施例2中胶带块的电连接结构示意图；
其中，1-物联网感知标签本体，2-形变传感器弹性体，3-第一应变片，4-第二应变片，5-第三应变片，6-第四应变片，7-胶带块，8-导电薄片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明的物联网感知标签的硬件由MCU、数据通信模块、电池、RFID芯片和形变传感器等组成，本发明根据物联网感知标签中所结合的形变传感器感知到的数据对其进行实时分析并计算，从而实现标签固定位置的设备形变监测。
物联网感知标签的形变传感器设计基础为八角环弹性体结构，将形变传感器与物联网感知标签本体结合固定或是一体成形，即形成用于设备形变监测的物联网感知标签，如图1所示，所述物联网感知标签包括物联网感知标签本体1和形变传感器弹性体2，物联网感知标签本体1包括MCU微控制器，RFID芯片，GSM/NB-IoT通讯电路，供电电池等电路器件，所述形变传感器弹性体2两侧具备定位固定孔，用以将整体结构固定在电力设备需进行形变监测的表面上，所述形变传感器弹性体2两侧为八角环结构的变形，其上表面为平面，下表面为弧形，在两侧45度处的上下表面处厚度最薄，以达到形变最大效果，在形变传感器弹性体2左侧的平面中部设置有第一应变片3，形变传感器弹性体2右侧的平面中部设置有第二应变片4，形变传感器弹性体2右侧的弧面中部设置有第三应变片5，形变传感器弹性体2左侧的弧面中部设置有第四应变片6，所述应变片3-6为电阻式单轴应变片。四个应变片连成惠斯通全桥形式，并通过物联网感知标签电池进行供电。
应变片连接形式如图2所示，当设备表面发生形变时，则两侧定位孔会发生相对移动。当弹性体向两侧受拉伸时，应变片附着部位产生应力集中现象，R1与R2表面为压应力；R3与R4表面为拉应力。相应地，R1与R2阻值减小，R3与R4阻值增大。在电桥两端施加一定的激励电压，同时监测惠斯通桥臂间的电压，即可感知到设备形变变化。由于四个应变片采用全桥接线方法，故其输出电压V为：
其中U为激励电压，R1为应变片3的电阻，R2为应变片4的电阻，R3为应变片5的电阻，R4为应变片6的电阻。
可以看出，输出电压随着应变片阻值变化而变化，且R1、R4永远大小相反。因此，此种桥接方法具有最大灵敏度。能够敏感电力设备表面形变状况。
物联网感知标签为一个嵌入式***，其内部电路硬件结构如图3所示，其中，供电电池用于嵌入式***供电，同时作为形变传感器的激励电压源U。MCU侦测到形变传感器的输出电压信号后，可通过GSM/NB-IoT远程方式或RFID近场通信方式两种方法发送报警数据。在人员巡检时，可通过RFID手持机进行一段时间内形变数据的读取；在巡检间隔期，可通过窄带物联网(NB-IoT)将设备编码结合形变数据远程发送，实现电力设备的实时在控。
如图4所示，作为上述实施例1进一步的改进，实施例2还提出了一种与应变片电连接的胶带块7，在胶带块7中设置有导电薄片8，导电薄片8两端设置有引线，该引线与任一个应变片的引线电连接，胶带块7设置在形变传感器弹性体2的两侧用于与电力设备进行固定的平板下部，设置在左侧的胶带块7与第一应变片3或第四应变片6电连接，设置在右侧的胶带块7与第二应变片4或第三应变片5电连接，四个应变片相互的接线方法与上一个实施例相同，图4中的R代表相连接的应变片的电阻，当需要安装该物联网感知标签时，将胶带块7底侧的保护片去掉，露出胶粘部，将该胶粘部粘贴于电力设备需进行形变监测的表面上，同上一个实施例，在电桥两端施加一定的激励电压，同时监测惠斯通桥臂间的电压，即可感知到设备形变变化，当有人要非法移动该物联网感知标签时，需要将胶带块7破坏才能将该物联网感知标签移动，但是破坏该胶带块7时，胶带块7中的导电薄片8一同被破坏掉，从而四个应变片的电路连接结构被破坏，形变传感器不能正常进行工作，MCU侦测不到形变传感器的信号，判断出物联网感知标签已被非法移动，从而不再进行正常工作，该实施例2可以防止物联网感知标签被人非法用于别的设备监测，实施例2除了增加胶带块7外，其余结构与实施例1相同。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明内，本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种具备形变监测功能的物联网感知标签，其特征在于，包括物联网感知标签本体和形变传感器弹性体，所述物联网感知标签本体包括MCU微控制器，RFID芯片，GSM/NB-IoT通讯电路，供电电池，所述形变传感器弹性体两侧的上表面为平面，下表面为弧面，所述形变传感器弹性体在两侧45度处厚度最小，在形变传感器弹性体左侧的平面中部设置有第一应变片，形变传感器弹性体右侧的平面中部设置有第二应变片，形变传感器弹性体右侧的弧面中部设置有第三应变片，形变传感器弹性体左侧的弧面中部设置有第四应变片,所述第一至第四应变片电连接成惠斯通全桥形式，并通过物联网感知标签的电池进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种物联网感知标签，其特征在于，所述形变传感器弹性体两侧具备定位固定孔，用以将物联网感知标签固定在电力设备需进行形变监测的表面上。
3.根据权利要求1所述的一种物联网感知标签，其特征在于，所述形变传感器弹性体还包括胶带块，在胶带块中设置有导电薄片，导电薄片两端设置有引线，该引线与任一个应变片的引线电连接，所述胶带块设置在形变传感器弹性体的两侧用于与电力设备进行固定的平板下部，通过上述胶带块将物联网感知标签固定在电力设备需进行形变监测的表面上。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的物联网感知标签，其特征在于，所述第一至第四应变片为电阻式单轴应变片。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的物联网感知标签，其特征在于，所述MCU微控制器侦测到形变传感器的输出电压信号后，可通过GSM/NB-IoT远程方式或RFID近场通信方式两种方法发送报警数据。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的物联网感知标签，其特征在于，在人员巡检时，可通过RFID手持机进行一段时间内形变数据的读取。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的物联网感知标签，其特征在于，在巡检间隔期，可通过窄带物联网(NB-IoT)将设备编码结合形变数据远程发送，实现电力设备的实时在控。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的物联网感知标签，其特征在于，所述物联网感知标签本体和所述形变传感器弹性体一体成形。
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