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CN114414364B - 基于2d激光的导地线单丝力学强度测试系统及方法 - Google Patents

基于2d激光的导地线单丝力学强度测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统及方法，所述测试系统包括控制模块、数据采集模块、数据分析模块和操作模块，控制模块和数据分析模块均与数据采集模块连接，操作模块包括夹持臂和激光探测头，夹持臂和激光探测头均与控制模块连接。所述测试方法具体为获取导地线参数和拉伸能量损耗数据，确定夹持动作数据，夹持臂对导地线进行拉伸，采集夹持力数据和变形位移数据，并在拉伸过程中实时采集导地线状态，当检测到导地线发生断裂时，夹持臂停止拉伸，激光探测头采集断裂后的导地线参数，根据采集到的数据计算导地线的力学强度。本发明能够有效降低人为因素对测试过程的干扰，保证测试精度的同时提高测试结果的准确性。

Description

基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统及方法
技术领域
本发明涉及导电线缆检测技术领域，尤其是指一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统及方法。
背景技术
随着导电线缆的使用需求量越来越大，国内的生产厂家也越来越多，所生产的导电线缆的质量也参差不齐，无法保证所有生产出的导电线缆均能满足使用需求以及达到质量标准。为了保障输电线路的运行安全，需要通过高效率高精度的检测来保证导电线缆的质量，从而防止因导电线缆的质量问题导致输电线路故障。线缆类导地线广泛应用于输变电线路中，由于其数量巨大，因此当导地线出现力学拉伤或过度弯曲缠绕等问题时，会出现导地线失效的情况，输变电线路会遭到重大损失，因此对于导地线的力学强度测试显得尤为重要。现有技术中在导地线单丝力学性能试验测试时，效率很低。在试验过程中，首先利用千分尺或数显游标卡尺进行尺寸测量，若测量小截面样品，其测量结果无法满足精度要求。在测量时，需要先进行单丝直径的测量，然后进行截面的计算，最后将单丝安装到电子万能试验机上进行拉伸，之后再计算结果，中间环节有过多的人为因素干扰，测试结果的准确性不高。在直径测量时，由于需要通过千分尺或数显游标卡尺测量，测试精度不高的同时，测试效率也很低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统及方法。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试方法，包括以下步骤：
步骤一，夹持臂夹持导地线，获取导地线参数，控制模块根据导地线参数获取对应的拉伸能量损耗数据；
步骤二，控制模块根据拉伸能量损耗数据以及导地线参数确定导地线拉伸的夹持动作数据，夹持臂根据夹持动作数据对导地线进行拉伸，数据采集模块实时采集拉伸过程中的夹持力数据以及对应的变形位移数据，数据采集模块将拉伸过程中夹持力数据以及对应的变形位移数据实时传输至数据分析模块；
步骤三，通过激光探测头采集导地线状态，当激光探测头检测到导地线发生断裂时，控制模块向夹持臂发送停止拉伸命令，夹持臂停止拉伸，激光探测头采集断裂后的导地线参数并反馈至数据分析模块；
步骤四，数据分析模块根据夹持力数据、变形位移数据以及断裂后导地线参数计算导地线的力学强度。
进一步的，所述导地线对应的拉伸能量损耗数据通过导地线拉伸仿真模型获取，所述导地线拉伸仿真模型获取拉伸能量损耗数据的具体过程为：获取导地线的材料类型，根据导地线的材料类型建立金属多晶模型，基于建立的金属多晶模型建立慢拉伸MD模拟模型，设置慢拉伸MD模拟模型的模拟参数，通过慢拉伸MD模拟模型获取若干种截面尺寸的导地线在拉伸过程中对应的原子运动状态及应力变化，根据每种截面尺寸的导地线的原子运动状态及应力变化获取对应的拉伸能量损耗数据。
进一步的，所述模拟参数包括边界条件、势函数、温度以及时间步，所述边界条件为周期性边界条件。
进一步的，所述导地线参数包括导地线截面尺寸、导地线材料和标距，夹持动作数据包括夹持臂的拉伸速率。
进一步的，通过激光探测头获取导地线截面尺寸，所述激光探测头获取导地线截面尺寸的具体过程为：激光探测头的单色激光器发射激光到旋转棱镜上，通过电机带动旋转棱镜，激光通过旋转棱镜反射至发射透镜，获取扫描平行光束带，导地线通过平行光束带，测量激光遮挡时间，并通过激光遮挡时间以及平行光束带的扫描速度获取导地线的直径值，根据直径值获取导地线的截面尺寸。
一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统，包括控制模块、数据采集模块、数据分析模块和操作模块，所述控制模块与数据采集模块连接，所述控制模块用于控制夹持臂，所述数据采集模块用于采集拉伸过程中的夹持力数据以及对应的变形位移数据，所述数据分析模块与数据采集模块连接，所述数据分析模块用于计算导地线的力学强度，所述操作模块包括夹持臂和激光探测头，所述夹持臂和激光探测头均与控制模块连接，所述夹持臂用于拉伸导地线，所述激光探测头用于测量导地线截面尺寸，所述激光探测头还用于采集导地线状态。
进一步的，所述控制模块包括鲁棒控制器和PLC控制器，所述鲁棒控制器以及PLC控制器均用于控制夹持臂制动器，所述鲁棒控制器用于对夹持臂的位移距离进行控制，所述PLC控制器用于对夹持臂的夹持力进行控制。
进一步的，所述数据采集模块包括位移传感器和夹持力传感器，所述位移传感器和夹持力传感器均设置在夹持臂上。
本发明的有益效果是：
通过导地线参数制定测试拉伸过程中夹持臂的动作，能够根据不同尺寸的导地线进行调整，不需要人为制定夹持臂的动作，提高了后续测试的效率。且将导地线测试过程中的能量损耗也考虑至夹持臂动作制定中，能够通过对夹持臂夹持力的控制来降低导地线表面存在的缺陷导致的拉伸过程中的波动，进一步提高测试精度。通过激光探测头获取导地线参数，相较于传统的利用千分尺或数显游标卡尺测量的方法，能够保证测试精度，同时还能降低测试过程中的人为因素干扰，提高测试结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的一种流程示意图；
其中：1、控制模块，2、数据采集模块，3、数据分析模块，4、操作模块，41、夹持臂，42、激光探测头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例：
一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统，如图1所示，包括控制模块1、数据采集模块2、数据分析模块3和操作模块4，所述控制模块1与数据采集模块2连接，所述控制模块1用于控制夹持臂41，所述数据采集模块2用于采集拉伸过程中的夹持力数据以及对应的变形位移数据，所述数据分析模块3与数据采集模块2连接，所述数据分析模块3用于计算导地线的力学强度，所述操作模块4包括夹持臂41和激光探测头42，所述夹持臂41和激光探测头42均与控制模块1连接，所述夹持臂41用于拉伸导地线，所述激光探测头42用于测量导地线截面尺寸，所述激光探测头42还用于采集导地线状态。
所述控制模块1包括鲁棒控制器和PLC控制器，所述鲁棒控制器以及PLC控制器均用于控制夹持臂41制动器，所述鲁棒控制器用于对夹持臂41的位移距离进行控制，所述PLC控制器用于对夹持臂41的夹持力进行控制。
所述数据采集模块2包括位移传感器和夹持力传感器，所述位移传感器和夹持力传感器均设置在夹持臂41上。
一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一，夹持臂41夹持导地线，获取导地线参数，控制模块1根据导地线参数获取对应的拉伸能量损耗数据；
步骤二，控制模块1根据拉伸能量损耗数据以及导地线参数确定导地线拉伸的夹持动作数据，夹持臂41根据夹持动作数据对导地线进行拉伸，数据采集模块2实时采集拉伸过程中的夹持力数据以及对应的变形位移数据，数据采集模块2将拉伸过程中夹持力数据以及对应的变形位移数据实时传输至数据分析模块3；
步骤三，通过激光探测头42采集导地线状态，当激光探测头42检测到导地线发生断裂时，控制模块1向夹持臂41发送停止拉伸命令，夹持臂41停止拉伸，激光探测头42采集断裂后的导地线参数并反馈至数据分析模块3；
步骤四，数据分析模块3根据夹持力数据、变形位移数据以及断裂后导地线参数计算导地线的力学强度。
在夹持臂41夹持导地线的时候，直接进行导地线参数的获取，相较于在夹持前进行尺寸测量，能够尽可能降低人工干预对于测试结果的干扰，提高测试结果的准确性。且通过激光探测头42实时检测导线的状态，在出现断裂情况时，能够及时停止夹持臂41的拉伸，并记录导地线此时的状态，从而保证导地线的力学强度计算准确性。
所述导地线对应的拉伸能量损耗数据通过导地线拉伸仿真模型获取，所述导地线拉伸仿真模型获取拉伸能量损耗数据的具体过程为：获取导地线的材料类型，根据导地线的材料类型建立金属多晶模型，基于建立的金属多晶模型建立慢拉伸MD模拟模型，设置慢拉伸MD模拟模型的模拟参数，通过慢拉伸MD模拟模型获取若干种截面尺寸的导地线在拉伸过程中对应的原子运动状态及应力变化，根据每种截面尺寸的导地线的原子运动状态及应力变化获取对应的拉伸能量损耗数据。
所述模拟参数包括边界条件、势函数、温度以及时间步，所述边界条件为周期性边界条件。慢拉伸MD模拟模型各个方向的边界条件都设置为周期性边界条件，因为建立的慢拉伸MD模拟模型与实际慢拉伸所采用试样并不一定在一个尺度范围内，所以当模型的尺度范围较小时，边界处的原子占整个系统的比例就较大，而这在慢拉伸过程中会对模型的变形机理产生重要影响。为了解决这一问题引入了周期性边界条件，它相当于在边界外围添加了无数个虚拟的原子，在计算边界原子的运动状态时，会考虑这些虚拟原子对边界原子的作用，从而去除边界效应对计算结果的影响。MD模拟是在每个时间步中将作用力视为常量来分别求解系统原子的运动状态，为了保证模拟结果的准确性，时间步的设定不能太大。
通过LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator，大规模原子分子并行模拟器)创建金属单晶模型。
通过慢拉伸MD模拟模型能够找出不同截面尺寸的金属材料在慢拉伸过程中的能量损耗的变化规律，能够为后续夹持臂41的动作制定提供能量损耗数据，从而更加精准地控制夹持臂41动作，提高导地线力学强度测试结果的准确性。
所述导地线参数包括导地线截面尺寸、导地线材料和标距，夹持动作数据包括夹持臂41的拉伸速率。
其中导地线截面尺寸以及标距均通过激光探测头42进行实时的测量更新。
激光探测头42包括发射光源和接收器件，发射光源和接收器件间为待测线缆，发射光源有单色激光器、旋转棱镜以及发射透镜组成，旋转棱镜处于发射透镜焦点位置。接收器件则起到了分析遮挡时间的作用。
通过激光探测头42获取导地线截面尺寸，所述激光探测头42获取导地线截面尺寸的具体过程为：激光探测头42的单色激光器发射激光到旋转棱镜上，通过电机带动旋转棱镜，激光通过旋转棱镜反射至发射透镜，获取扫描平行光束带，导地线通过平行光束带，测量激光遮挡时间，并通过激光遮挡时间以及平行光束带的扫描速度获取导地线的直径值，根据直径值获取导地线的截面尺寸。直径值通过遮挡时间乘以平行光带的扫描速度获取。
在激光探测头42扫描测量时，导地线处于前进状态，会导致扫描测量出的导地线截面不是圆截面而是斜截面，因此将扫描速度设置在200m/s以上，被测导地线的运行速度远低于扫描速度，以此降低影响。
将导地线放置于夹持臂41上再通过激光探测头42进行截面尺寸的测量，能够有效降低测试过程中人工参与的干扰，保证测试结果的准确性。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，夹持臂夹持导地线，获取导地线参数，控制模块根据导地线参数获取对应的拉伸能量损耗数据；
步骤二，控制模块根据拉伸能量损耗数据以及导地线参数确定导地线拉伸的夹持动作数据，夹持臂根据夹持动作数据对导地线进行拉伸，数据采集模块实时采集拉伸过程中的夹持力数据以及对应的变形位移数据，数据采集模块将拉伸过程中夹持力数据以及对应的变形位移数据实时传输至数据分析模块；
步骤三，通过激光探测头采集导地线状态，当激光探测头检测到导地线发生断裂时，控制模块向夹持臂发送停止拉伸命令，夹持臂停止拉伸，激光探测头采集断裂后的导地线参数并反馈至数据分析模块；
步骤四，数据分析模块根据夹持力数据、变形位移数据以及断裂后导地线参数计算导地线的力学强度；
所述导地线对应的拉伸能量损耗数据通过导地线拉伸仿真模型获取，所述导地线拉伸仿真模型获取拉伸能量损耗数据的具体过程为：获取导地线的材料类型，根据导地线的材料类型建立金属多晶模型，基于建立的金属多晶模型建立慢拉伸MD模拟模型，设置慢拉伸MD模拟模型的模拟参数，通过慢拉伸MD模拟模型获取若干种截面尺寸的导地线在拉伸过程中对应的原子运动状态及应力变化，根据每种截面尺寸的导地线的原子运动状态及应力变化获取对应的拉伸能量损耗数据；
且将导地线测试过程中的能量损耗也考虑至夹持臂动作制定中，能够通过对夹持臂夹持力的控制来降低导地线表面存在的缺陷导致的拉伸过程中的波动；
所述导地线参数包括导地线截面尺寸、导地线材料和标距，夹持动作数据包括夹持臂的拉伸速率。
2.根据权利要求1所述的一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试方法，其特征在于，所述模拟参数包括边界条件、势函数、温度以及时间步，所述边界条件为周期性边界条件。
3.根据权利要求1所述的一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试方法，其特征在于，通过激光探测头获取导地线截面尺寸，所述激光探测头获取导地线截面尺寸的具体过程为：激光探测头的单色激光器发射激光到旋转棱镜上，通过电机带动旋转棱镜，激光通过旋转棱镜反射至发射透镜，获取扫描平行光束带，导地线通过平行光束带，测量激光遮挡时间，并通过激光遮挡时间以及平行光束带的扫描速度获取导地线的直径值，根据直径值获取导地线的截面尺寸。
4.一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统，用于执行上述权利要求1-3任意一项所述的一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试方法，其特征在于，包括控制模块、数据采集模块、数据分析模块和操作模块，所述控制模块与数据采集模块连接， 所述控制模块用于控制夹持臂，所述数据采集模块用于采集拉伸过程中的夹持力数据以及对应的变形位移数据，所述数据分析模块与数据采集模块连接，所述数据分析模块用于计算导地线的力学强度，所述操作模块包括夹持臂和激光探测头，所述夹持臂和激光探测头均与控制模块连接，所述夹持臂用于拉伸导地线，所述激光探测头用于测量导地线截面尺寸，所述激光探测头还用于采集导地线状态。
5.根据权利要求4所述的一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统，其特征在于，所述控制模块包括鲁棒控制器和PLC控制器，所述鲁棒控制器以及PLC控制器均用于控制夹持臂制动器，所述鲁棒控制器用于对夹持臂的位移距离进行控制，所述PLC控制器用于对夹持臂的夹持力进行控制。
6.根据权利要求4所述的一种基于2D激光的导地线单丝力学强度测试系统，其特征在于，所述数据采集模块包括位移传感器和夹持力传感器，所述位移传感器和夹持力传感器均设置在夹持臂上。
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