FAST主动反射面健康监测系统设计与应用研究

王晓琳 李东平 朱明 周庠天 王雄彪 黄汉斌

摘 要：对500 m口径球面射电望远镜主动反射面健康监测系统设计与应用进行了研究.确定了主要监测内容，设计了系统整体架构，并对硬件所涉及的传感器技术、电磁兼容进行了研究.基于美国NI公司labwindows /CVI平台开发了软件系统，选用MySQL数据库建立数据管理系统.研究了数据采集、数据处理及预警方法.并成功在FAST工程施工期、服役期实际应用.

关键词：FAST；主动反射面；健康监测；安全预警；传感器

中图分类号：TU311 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.014

0 引言

中国科学院国家天文台500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，简称FAST）工程建设于贵州省某地，2016年9月投入使用，FAST效果图如图1所示.FAST利用山区凹地建造世界最大口径射电望远镜，其主动反射面系统是一个口径500 m的球面，包含圈梁、主索网、反射面、促动器、下拉索、地锚等构件.主索网与环形圈梁相连接，有2 000多个核心节点，在主索网上安装有约4 000多个反射面单元，每个节点下方连接一个下拉索，下拉索通过促动器与地锚连接，通过控制促动器，实现瞬时抛物面，从而进行天文观测[1]. 结构示意图如图2所示.

FAST 圈梁与格构柱钢结构为大跨度空间钢结构，体系庞大，且因为格构柱高度差异的影响，导致整体结构受力非常复杂.在FAST 服役过程中，索网结构变位，导致圈梁与格构柱的结构形态、构件应力变化.在圈梁与格构柱钢结构施工完成、索网张拉成型后，吊装设备会利用圈梁做为轨道吊装反射面板.这些因素都加剧了结构的复杂性，因此，对FAST 圈梁与格构柱钢结构进行施工过程以及服役过程的健康监测是非常有必要的.构建健康监测系统可以同时为FAST 施工期和服役期提供技术支持，实时反馈的结构状态，掌控FAST 整体的运行安全性.本文主要对主动反射面健康监测系统进行了设计与应用研究.

1 系统架构

1.1 监测内容

FAST主动反射面健康监测系统的监测项主要包括主动反射面系统自主监测项和FAST 测控系统获取监测数据的监测项两个部分.监测期分为施工期与服役期两个阶段.监测项内容如表1所示.

1.2 系统架构

如1.1所述，系统监测内容主要包括结构应变、主索索力、环境荷载（风速风向）、圈梁牵索板节点位置、促动器相关信息（油温、油压、气温、气压、位置、下拉索索力）、节点位移等相关参数.为便于利用FAST工程环网，系统可采用分布式架构，所有采集设备应采用就近原则，利用现场的12个中继室进行布置；所有光纤传感器都接入7#-12#共6个中继室内的光纤采集子站.主索振弦传感器都接至1#、2#、6#共3个中继室采集子站.风速风向传感器采用光纤传输至12#中继室.监测系统可分为传感器层、数据采集层和数据处理层，架构图如图3所示.

2 系统硬件

FAST工程传感器及仪器的选型主要从先进性、可靠性、耐久性、可维护性、精度适中以及防电磁干扰等因素考虑[2].测控系统监测项直接从总控系统数据库读取数据，本文不做考虑.自主监测项主要包括主索索力监测、圈梁格构柱应变监测、环境温度监测、圈梁风速风向监测4个监测参数.

2.1 主索索力

从科学经济的角度考虑，不可能对每一根主索的索力都进行监控，只能选择部分代表性的、风险较大的拉索布设监测传感器.设计时主要从4个方面考虑：1）边缘区域拉索；2）应力幅变化较大的拉索；3）内力较大的拉索；4）对称布设.

目前较为成熟的拉索索力测量的方法有振弦传感法[3]、光纤光栅传感法[4]、磁通量法[5].结合3种不同技术的原理、传输距离、测量精度及电磁屏蔽方式的特点，选择在大窝凼锅底部位传输距离较近的位置的拉索安装振弦传感器，在边缘主索部位精度要求高的位置同时安装光纤光栅传感器和磁通量传感器，其余中间部位传输距离较长的关键拉索安装光纤光栅传感器.

1）振弦传感法

振弦式应变计监测原理：在两块安装块之间张拉一根钢弦，在待测拉索锚头部位沿轴向表面焊接两个安装块.拉索索力的变化会引起锚杯表面处应力变化，使得两个安装块相对运动，从而导致钢弦张拉力的变化，用紧贴钢弦的电磁线圈激励钢弦并测量出其共振频率，共振频率与钢弦张力成比例关系，根据这个原理测量出拉索索力[6].如图4所示.

2）光纤光栅法

光纤光栅传感器测量原理：主要是光纤光栅传感器反射的中心波长会随着应力的变化而漂移，通过获取光栅反射的中心波长的变化值而间接地测量其应力值[7].使用定制的安装底座将光纤光栅传感器轴向安装于拉索锚头线性应变部位，并通过保护外罩将补偿光纤光栅温度计与应变计一并进行固定及保护，提高了传感器的耐久性，解决了应变计与温度计的温度一致性.使用温度-应变补偿方法来解决存在的应变温度交叉敏感问题[8].如图5所示.

3）磁通量法

磁通量传感器的监测原理：当铁材质的拉索受到外界荷载作用时，其内部将会产生机械应力，相应地磁导率会发生改变，通过测量磁导率变化来反映应力的变化.在同一温度条件下，铁磁材料内应力与磁导率变化存在一定的规律，利用拉索的磁导率-应力关系曲线，从而可以测量出拉索索力[9]，如图6所示.磁通量传感器安装方式为直接袖套在拉索上面.考虑到其电磁干扰的影响，不纳入在线监测系统中，后期采用人工巡检方式进行测量，安装图如图7所示.

2.2 圈梁及格构柱应力应变

圈梁与格构柱钢结构的应变监测测点布置结合钢结构的施工过程、服役环境、结构特点及受力特性进行了综合考虑.从50个格构柱中对称选择关键的10个格构柱以及对应的圈梁段进行监测，监测点分布如图8所示.将传感器焊接在相应的格构柱水平拉杆、柱底柱肢、圈梁的斜腹杆、下弦杆、内側环向弦杆.

圈梁与格构柱钢结构的应变监测也选用光纤光栅应变计和振弦应变计，其测量原理与拉索索力测量原理类似.

2.3 圈梁风速风向

基于电磁屏蔽的考虑，圈梁风速风向监测选用光纤光栅传感原理.风速传感器基于风杯的转速与风速成正比的原理.风向传感器是通过风向标的旋转角度可以确定风向，通过换能元件把风向标角度的变化及时准确地传递给光纤光栅，使得光纤光栅中心波长移位，利用光纤光栅中心波长变化量可得出风向标旋转角度[10].传感器采用法兰安装方法安装在圈梁上.风速风向实物如图9所示.

2.4 环境温度

FAST工程为大型索网结构，直接暴露在室外，环境温度的测量受周围环境温度变化影响非常显著[11].本系统布设的传感器均有温度补偿用温度计，共计600余支，并均匀分布在FAST各索网上，满足温度场的监测.故不需单独再布设温度计.

2.5 电磁屏蔽

监测系统使用诸多仪器仪表、传感器等电子设备，其产生的电磁辐射可能会通过空间辐射或线路传导的方式被FAST接收，当干扰信号强度超过FAST接收灵敏度时，就会影响到正常观测.基于以上的情况，监测系统必须要考虑电磁屏蔽.

监测系统主要的采集仪器有：光纤光栅解调仪、振弦传感器采集仪、磁弹仪、风速风向采集仪等.光纤光栅解调仪直接布设在中继室内，振弦传感器采集仪器需要在中继室外单独布设保护机柜，将电信号转换为光纤信号后，再接入到中继室内部.中继室整体做电磁屏蔽处理.磁通量传感器做为离线检测设备，FAST进行观测时不采集数据.故不考虑其电磁屏蔽.采集仪器保护机柜按照军标C级屏蔽柜标准设计，并通过EMC测试.机柜的整体设计示意图如图10所示，电磁兼容试验示意图见图11.

3 系统软件

3.1 软件架构

监测系统软件选用美国NI公司labwindows/ CVI平台开发，数据库选用由瑞典的AB 公司研发的开源的关系型数据库MySQL.采用Datasocket通信技术实现各中继室终端之间的数据实时交互及分布式管理的.

軟件系统主要包括工况信息管理、硬件设备参数管理、数据采集及管理、数据分析处理、结构状态评定及预警、系统管理等功能.如图12—图14所示.

3.2 数据库

监测系统数据可分为系统管理数据、原始监测数据、分析后监测数据、特征数据（阈值）、极值监测数据、工况维护数据6大类.针对监测点、安装部位、传感器类型、传感器参数、测量值以及观测工况之间的逻辑关系，设计了数据库逻辑图，如图15所示.

系统原始监测数据主要包括各监测点不同时间的环境温度、环境荷载（风速风向）、应变、索力以及测控系统提供数据等.系统对采集到的原始数据按不同时间周期（如日、月、季度、年）进行存储及分析处理.并对处理前后的数据分开存储，以便后期分析故障或报警原因时数据可回溯.并通过对原始信号的时域分析、频域分析，建立特征数据表.

3.3 数据分析

监测系统在数据采集过程中因为一些信号干扰，会出现异常值.假如将这些数据直接去评估或预警，将会错误地触发预警阈值.软件设计采用了3种数据处理方式：

1）采用带通滤波的方式，对超出传感器正常数值范围之外的数据进行剔除.

2）采用拉依达（PauTa）准则剔除异常值[12].先计算测量值Xi（i=1，2，…，n）的均值[X]以及残余误差Ui=Xi-[X]，并且按照贝塞尔公式计算出测量值的标准差S，如果某测量值Xd的残余误差Ud=Xd-[X]（1≤d≤n）满足公式|Ud|>3 S，可以认为Xd是异常值，需剔除.

3）剔除了粗差后会出现某一时间缺少测量值，采用全段拉格朗日一次插值法进行补差[13].处理前后效果见图16、图17所示.

选取A017#—A023# 拉索，2017年5月23日—2017年6月4日采集到了3 009个索力及温度样本数据进行分析.温度与索力存在正相关性，相关系数为0.587 4.通过观测发现，促动器的动作和环境温度的变化是FAST索网索力变化最关键的两个因素.如图18所示.

3.4 评估与预警

系统结合FAST工程设计单位建模分析后提供的各测点预警值信息.如表2所示.

本文研究设计了自动报警软件.在软件设置报警相关参数，运营期如有异常，将会按对应等级的报警信息发送至总控系统，总控系统根据报警等级，再下发控制指令.并能对对应的管理人员信箱发送报警信息.系统也定期自动出具固定格式的周、月、年监测报告.

4 结论

1）主要结合FAST工程特点，设计了监测系统的架构，确定了监测的对象.对监测点布置进行了设计.设计了分布式架构的FAST结构健康监测系统.

2）基于Labwindows/CVI平台和MySQL数据库平台开发了系统软件，研究了数据处理方法、评估预警方法，并成功在FAST工程中实现施工阶段、服役阶段的监测应用.

3）系统实现了数据采集、数据分析管理及报警等功能，但还需结合FAST有限元模型以及FAST测控系统、馈源支撑系统等监测到的相关数据对结构综合评估方面做进一步研究.

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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

（学科编辑：张玉凤）