CN105823549A - 基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器及其监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，包括底座和安装在底座上的外壳身，在外壳身的内部安装有固定磁铁，固定磁铁的下方为传感器内部线圈出口，传感器内部线圈出口与主板连接，底座上设置有传感器数据输入输出端口，固定磁铁的上方设置有悬浮磁铁，两者并不接触；在悬浮磁铁的上方是内芯和外壳帽，外壳帽与外壳身固定连接，悬浮磁铁的一侧位于外壳身内部的位置设置有标尺计数器，解决了现有技术中杆塔振动导致输电线路运行故障的问题。本发明还公开了利用该输电线杆塔振动传感器的监测系统和检测方法。

Description

基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器及其监测系统和方法

技术领域

本发明属于输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，本发明还涉及利用该输电线杆塔振动传感器的监测系统，本发明还涉及该利用检测系统的监测方法。

背景技术

输电线路杆塔疲劳度问题对于电力系统和电网线路的正常输电运行有着很大的影响。随着社会经济的发展以及电力用户的电力需求不断增长，输电线路杆塔在电力运行输送中应用数量越来越多，因此输电线路杆塔疲劳对于电网线路运行安全影响越来越大。目前，在超高压和特高压输电线路的建设中，不可避免地经过煤炭开采区、软土质地区、山坡地、河床、重覆冰、大风等特殊地带，在恶劣自然环境和外界条件的激励下，杆塔很容易发生振动疲劳。尤其是2008年，一场特大冰雪灾害席卷全国，在华中、华东、南方地区输电导线严重覆冰，出现大面积杆塔倾倒事故，严重影响电网安全和人民生活秩序，灾后的事故统计显示，90％以上的倒塔事故都和脱冰引起的输电线路振动有关；另外舞动、微风振动引起的线塔体系疲劳破坏对输电线路安全运行构成了严重威胁。鉴于杆塔振动导致输电线路运行故障的问题，本发明设计了一种磁阻尼杆塔振动状态传感器，实时的监测杆塔的振动情况，提前发现杆塔的疲劳损害程度而采取一定的措施。避免输电线路杆塔因疲劳损害而造成杆塔倾斜、开裂、变形等，杜绝塔基沉陷、杆塔倾倒等事故的发生。

目前，输电线路杆塔振动监测有如下三种方法：①人工巡检法：可以通过工作人员按时按地的对杆塔进行巡逻，观察杆塔振动情况。但是，由于地形地貌各异，人员行驶出行相当不方便，维修巡逻难度更大；其次，单纯依靠人力效率低，维护成本较高；②视频图像监测法：视频图像法是通过在杆塔上安装视频装置观察杆塔状态的实时图像。采用视频图像观测杆塔状态，直观方便,但是只能作为一种辅助监测手段。③直接测杆塔的倾斜角：通过提前在杆塔上安装倾角传感器来测杆塔的倾斜角，目的是来观察杆塔中心偏离铅垂位置的层度，可以提前防止发生倒塔的可能，但是该方法测出的是杆塔的倾角，未能测出杆塔的振动频率和振幅。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，解决了现有技术中杆塔振动导致输电线路运行故障的问题。

本发明所采用的技术方案是：基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，包括底座和安装在底座上的外壳身，在外壳身的内部安装有固定磁铁，固定磁铁的下方为传感器内部线圈出口，传感器内部线圈出口与主板连接，底座上设置有传感器数据输入输出端口，固定磁铁的上方设置有悬浮磁铁，两者并不接触；在悬浮磁铁的上方是内芯和外壳帽，外壳帽与外壳身固定连接，悬浮磁铁的一侧位于外壳身内部的位置设置有标尺计数器。

本发明的特点还在于：

主板的结构，包括磁感应电动势接口和与之相连的前置电压放大器电路，前置电压放大器电路、供电电源和数据存储器均分别与微控制单元连接，微控制单元和输电线路杆塔振动在线监测终端通过RS485连接。

前置电压放大器电路的电路，由两级同向比例放大器电路和有源滤波器电路两部分组成。

前置电压放大器电路的电路，由两级同向比例放大器电路和有源滤波器电路两部分组成。

本发明的另一目的是提供一种利用该输电线杆塔振动传感器的监测系统。

本发明的另一技术方案是，一种利用该基于磁阻尼的杆塔振动状态传感器而组成的一种输电线路杆塔振动监测系统，包括杆塔和安装在杆塔上的磁阻尼杆塔振动状态传感器，杆塔上还安装有在线监测终端，磁阻尼杆塔振动状态传感器通过RS485总线与在线监测终端连接，监测终端还与监控中心后台系统通过GPRS/OPGW/3G信号连接。

本发明的特征还在于，

在线监测终端，包括微控制器单元和与之相连的数据存储模块，微控制器单元的型号为STM32F407ZGT6，数据存储模块，监控中心后台系统，磁阻尼杆塔振动状态传感器和供电电源组成。

本发明的第三个目的是提供利用上述输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法。

本发明的第三个技术方案是，一种利用输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，电动势变化信号的采集，

步骤2，信号放大滤波处理，将步骤1中测得的感应电动势信号即电压信号，E＝U_i，传递给主板的前置电压放大器电路，对其电压信号进行放大滤波处理，

步骤3，信号传输分析，信号放大滤波处理后的电压经过MCU的内部12位AD进行转换，后通过软件编程算法进行快速傅里叶变换，计算出该电压信号的振动频率和幅值。

本发明的特征还在于，

步骤1的具体步骤为：

步骤1.1，当有杆塔产生振动时，传感器中悬浮磁铁m偏离平衡位置的位移为X，也就是标尺计数器记录的位移X的变化量，

步骤1.2，建立函数关系，

首先，当线圈在磁场中切割磁力线运动时或者穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势E，即计算公式如下，

ΔB＝B_t-B₀

式中，E为感应电动势，单位为伏特(V)，为线圈的磁通，单位为韦伯(Wb)，N为线圈匝数，S是悬浮磁铁和固定磁铁的相对表面积，单位为平方米(m²)，B₀为磁场强度的初始值，B_t为发生变化后某时间段的磁感应强度，ΔB为变化前后的磁感应强度变化量，单位为特斯拉(T)，ΔT为变化过程的时间，单位s；

当悬浮磁铁在磁场力和重力作用下处于平衡位置，设此时系统平衡时两磁铁相距为X₀

则：

$\frac{u_0{B}_0}{4{\mathrm{\πX}}_0^2}-mg=0$

其中，m表示悬浮磁铁的质量，当悬浮磁铁偏离平衡位置的位移为X时，也就是标尺计数器记录的位移变化量为X时，

X＝ΔX＝X₀-X_t

$\frac{u_0(B_t-B_0)}{4\mathrm{\π}{\left(X\right)}^2}-mg=ma=m\stackrel{\·\·}{X}$

$B_t-B_0=\frac{4\mathrm{\π}{\left(X\right)}^2(m\stackrel{\·\·}{X}+mg)}{u_0}$

式中，u₀为常数，X₀为平衡位置的位移，X_t为发生变化后的位移，X(ΔX)为悬浮磁铁和固定磁铁之间的位移变化量，单位为米，m为悬浮磁铁的质量，单位为千克；

因此，得出在发生振动后，根据两个磁铁之间距离的变化，进而计算出的电动势的变化值为

本发明的有益效果是：本发明设计了一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动状态传感器，实时的监测杆塔的振动情况，提前发现杆塔的疲劳损害程度而采取一定的措施。避免输电线路杆塔因疲劳损害而造成杆塔倾斜、开裂、变形等，杜绝塔基沉陷、杆塔倾倒等事故的发生。

附图说明

图1是本发明一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器的整体结构图；

图2是本发明一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器的整体结构图的简化示意图；

图3是本发明一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器中的原理主板框图；

图4是本发明的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器中前置电压放大器电路图；

图5是本发明一种利用基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器的杆塔输电线路杆塔振动监测系统的整体结构示意图；

图6是本发明中涉及的输电线杆塔振动在线监测终端框图。

图中，1.监控中心后台系统，2.磁阻尼杆塔振动状态传感器，3.在线监测终端，3-1.数据存储模块，3-2.微处理器单元，3-3.磁阻尼杆塔振动状态传感器，3-4.供电电源，4.杆塔，5.外壳帽，6.内芯，7.感应线圈，8.悬浮磁铁，9.外壳身，10.固定磁铁，11.底座，12.传感器数据输入输出端口，13.传感器内部线圈出口，14.主板，14-1.磁感应电动势接口，14-2.前置电压放大器电路，14-3.供电电源，14-4.微控制单元，14-5.数据存储器，15.磁场区域，16.标尺计数器，17.两级同向比例放大器电路，17-1.运算放大器A，17-2运算放大器B，18.有源滤波器电路，18-1.运算放大器C。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，如图1所示，包括底座11和安装在底座11上的外壳身9，在外壳身9的内部安装有固定磁铁10，固定磁铁10的下方为传感器内部线圈出口13，传感器内部线圈出口13与主板14连接，底座11上设置有传感器数据输入输出端口12，固定磁铁10的上方设置有悬浮磁铁8，两者并不接触；在悬浮磁铁8的上方是内芯6和外壳帽5，外壳帽5与外壳身9固定连接，悬浮磁铁8的一侧位于外壳身内部的位置设置有标尺计数器16。

图2所示的是本发明基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器的结构简化示意图，图中，在固定磁铁10和悬浮磁铁8之间形成磁场区域15，其强度为B，

主板14的结构如图3所示，包括磁感应电动势接口14-1和与之相连的前置电压放大器电路14-2，前置电压放大器电路14-2、供电电源14-3和数据存储器14-5均分别与微控制单元(MCU)14-4连接，微控制单元(MCU)14-4和输电线路杆塔振动在线监测终端3通过RS485连接，微控制单元(MCU)14-4为MSP430F5438芯片。

前置电压放大器电路14-2的电路结构图如图4所示，由两级同向比例放大器电路17和有源滤波器电路18两部分组成，其中，两级同向比例放大器电路17，对电压的进行放大，其结构为，第一级同向比例放大器包括电阻R、R₁、R₂和运算放大器B17-2，电阻R一端连接运算放大器B17-2的同向端，电阻R的另一端连接电压信号的输入端U_i，电阻R₁一端连接运算放大器B17-2的反向端和R₂的一端，电阻R₁的另一端连接接地端，电阻R₂一端连接运算放大器B17-2的输出反馈端，电阻R₂的另一端连接运算放大器B17-2的反向端和R₁的一端；

第二级同向比例放大器是由电阻R’、R₃和R₄，运算放大器A17-1组成，电阻R’一端连接运算放大器A17-1的同向端，另一端连接第一级同向比例放大器的输出端，电阻R₃一端连接运算放大器A17-1的反向端和R₄的一端，电阻R₃另一端连接接地端，电阻R₄一端连接运算放大器A17-1的输出反馈端U_i1，另一端连接运算放大器A17-1的反向端和R₃的一端；

另一部分是有源滤波器电路18，包括：运算放大器C18-1，电阻R₅、R₆、R₇和R₈，电容C₁和C₂，电阻R₅一端连接第二级同向比例放大器的输出端U_i1，另一端连接R₆和C₂的一端，电阻R₆一端连接R₅和C₂的一端，另一端连接运算放大器C18-1的同向端和C₁的一端，电阻R₇一端连接接地端，另一端连接运算放大器C18-1的反向端和R₈的一端，电阻R₈一端连接.运算放大器C18-1的输出端U₀，另一端连接运算放大器C18-1的反向端和R₇的一端，电容C₁一端连接接地端，另一端连接运算放大器C18-1的同向端和R₆的一端，电容C₂一端连接R₅和R₆的一端，另一端连接运算放大器C18-1的输出端U₀。

当信号通过该前置电压放大器电路14-2后，滤去所有的杂波和外部干扰，由于杆塔振动很微弱，磁场感应出的电动势也很微弱，所以需要由14-2前置电压放大器对其电动势进行处理，有缘滤波器电路18为Sallen-key型二阶低通RC有源滤波器电路。

本发明的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，其工作原理和过程为，装置中的固定磁铁10和悬浮磁铁8为两块同性的永久磁铁，其中固定磁铁10固定在传感器外壳底部，另一块悬浮磁铁8是质量为m的永久磁铁，依托磁场斥力悬浮在固定磁铁10的上边，两者之间形成的磁场区域15，当杆塔因导线微风振动、舞动和风偏等自然激励而发生微弱振动时，外壳被迫振动，同时8悬浮磁铁也开始向下运动，8悬浮磁铁和10固定磁铁之间的距离减小，斥力增强，使8悬浮磁铁向上运动。就这样一直往复运动，使线圈做切割磁感线运动，同而产生变化的感应电动势。产生的感应电动势通过感应电动势接口14-1传递至前置放大器电路14-2进行处理后，再由14-4(MCU)MSP430F5438芯片内部AD对其放大滤波处理后的电压信号进行模数转化，并通过软件编程算法对其进行快速傅里叶变换(FFT)，计算出该电压信号的振动频率和幅值，并对其数据进行存储和发送。该芯片的14-3供电电源采用的是太阳能加蓄电池，输出的12V电压,再经过TPS5430芯片转化成3.3V，直接给14-4MSP430F5438芯片供电。数据存储器14-5的芯片选用AT24C32芯片，该芯片只需18～36V电源并支持32字节页写模式，此外，还具有硬件数据保护、软件数据保护、数据查询和自举模块等其他功能。AT24C32的结构采用两线串行接口，支持双向数据传输协议，它有1条串行数据线(SDA)、1条串行时钟线(SCL)、1条写保护线(WP)、3条地址线(A0、A1、A2)以及电源、地线共8个引脚。它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。

本发明利用基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器而组成的一种输电线路杆塔振动监测系统，其整体结构如图5所示，包括杆塔4和安装在杆塔上的磁阻尼杆塔振动状态传感器2，杆塔4上还安装有在线监测终端3，磁阻尼杆塔振动状态传感器2通过RS485总线与在线监测终端3连接，监测终端3还与监控中心后台系统1通过GPRS/OPGW/3G信号连接。

在线监测终端的结构，如图6所示，包括微控制器单元3-2和与之相连的数据存储模块3-1，微控制器单元3-2的型号为STM32F407ZGT6，数据存储模块3-1，监控中心后台系统1，磁阻尼杆塔振动状态传感器3-3和供电电源3-4组成。

供电电源3-4包括互相连接的太阳能电池板和蓄电池。太阳能电池板产生的电能由蓄电池进行存储，整个设备所需的电能由蓄电池提供。

整个系统的工作过程是：由安装在杆塔4上的磁阻尼杆塔振动状态传感器2来定时进行采集杆塔4的振动频率、振幅等数据；然后，把采集的数据通过RS485总线发给输电线路杆塔振动在线监测终端3，并通过对其进行处理和计算，最后通过无线网GPRS/OPGW/3G发送到1监控中心后台系统。具体来说，首先，通过提前安装在杆塔上的3-3磁阻尼的杆塔振动状态传感器获得杆塔的振动情况，并通过RS485发送到3输电线路杆塔振动在线监测终端，并通过相应算法对其进行处理和计算。微处理器3-2采用STM32F407ZGT6芯片，其内部具有1M的FLASH存储器，采用18V～36V的低电压供电，并且功耗较低，适合程序量和运算量以及数据量较大的系统开发。对本系统来说，采用STM32F407ZGT6芯片后不需要扩展存储器，降低了硬件复杂度和系统功耗，提高了系统稳定性。考虑到系统处理的实时性能和高速性能要求，控制器的时钟由25MHz外部晶振提供，然后，把两传感器处理后的数据通过GPRS/OPGW/3G无线网发送给监控中心后台系统1由后台软件系统对其进行分析、处理和显示。

本发明一种利用输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，电动势变化信号的采集：

步骤1.1，当有杆塔产生振动时，传感器中悬浮磁铁m偏离平衡位置的位移为X，也就是标尺计数器16记录的位移X的变化量，

步骤1.2，建立函数关系，

首先，当线圈在磁场中切割磁力线运动时或者穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势E，即计算公式如下，

ΔB＝B_t-B₀

式中，E为感应电动势，单位为伏特(V)，为线圈的磁通，单位为韦伯(Wb)，N为线圈匝数，S是悬浮磁铁和固定磁铁的相对表面积，单位为平方米(m²)，B₀为磁场强度的初始值，B_t为发生变化后某时间段的磁感应强度，ΔB为变化前后的磁感应强度变化量，单位为特斯拉(T)，ΔT为变化过程的时间，单位s。

从图2的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器的整体结构图的简化示意图，可知当悬浮磁铁8在磁场力和重力作用下处于平衡位置，设此时系统平衡时两磁铁相距为X₀

则：

$\frac{u_0{B}_0}{4{\mathrm{\πX}}_0^2}-mg=0$

其中，m表示悬浮磁铁8的质量，

当悬浮磁铁偏离平衡位置的位移为X时，也就是标尺计数器记录的位移变化量为X时，

X＝ΔX＝X₀-X_t

$\frac{u_0(B_t-B_0)}{4\mathrm{\π}{\left(X\right)}^2}-mg=ma=m\stackrel{\·\·}{X}$

$B_t-B_0=\frac{4\mathrm{\π}{\left(X\right)}^2(m\stackrel{\·\·}{X}+mg)}{u_0}$

式中，u₀为常数，X₀为平衡位置的位移，X_t为发生变化后的位移，X(ΔX)为悬浮磁铁和固定磁铁之间的位移变化量，单位为米(m)，m为悬浮磁铁的质量，单位为千克(kg)。

因此，得出在发生振动后，根据两个磁铁之间距离的变化，进而计算出的电动势的变化值为

步骤2，信号放大滤波处理

将步骤1中测得的感应电动势信号即电压信号，E＝U_i，传递给主板的前置电压放大器电路14，对其电压信号进行放大滤波处理，详细过程如下：

首先，通过两级同向比例放大器电路17对电压信号进行放大，即放大后的电压U_i1为：

$U_{i1}=(1+\frac{R2}{R1})(1+\frac{R4}{R3})U_i$

然后，再通过Sallen-key型二阶低通RC有源滤波器电路对信号进行处理，具体的传递函数为：

$A\left(s\right)=\frac{U_0}{U_{i1}}=\frac{A}{w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2{s}^2+w_c\[C_1(R_5+R_6)+(1-A)R_5{C}_2\]s+1}$

即化简可得：

$A\left(s\right)=\frac{A/w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2}{s^2+w_c\[C_1(R_5+R_6)/w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2+\frac{(1-A)R_5{C}_2}{w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2}\]s+1/w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2}$

其中，通道增益：

截止频率：

电路中的固有角频率：

电路的阻尼系数为：

将ξ、w_c和s＝jw代入A(s)得其幅频特性：

$\left|A\left(jw\right)\right|=\frac{{\mathrm{Aw}}_c^2}{\sqrt{{(w_c^2+w^2)}^2+{\left(2{\mathrm{\ξw}}_{c}w\right)}^2}}=\frac{A}{\sqrt{(1-{\mathrm{\λ}}^2)+{\left(2\mathrm{\ξ}\mathrm{\λ}\right)}^2}}$

式中

当λ＝1时的频率为截止频率

当时，幅频特性曲线最平坦，只有当信号频率小于滤波器的截止频率时，幅度才能无失真传输。

令该式中A＝1，

即R₇＝0，R₈＝∞，

同时取R₅＝R₆，此时有：

$\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{C_2}{C_1}}$

显然取C₂＝2C₁＝2C时，阻尼系数ξ就取得0.707的最佳值，其截止频率为

当电阻选择R₅＝R₆，R₇＝0，R₈＝∞，C₂＝2C₁＝2C时，阻尼系数ξ取到0.707的最佳值，达到低通滤波的最佳效果，从而比较准确的实现杆塔振动的监测。

步骤3，信号传输分析

信号放大滤波处理后的电压经过MCU(MSP430F5438)的内部12位AD进行转换，后通过软件编程算法进行快速傅里叶变换(FFT)，计算出该电压信号的振动频率和幅值，具体计算方法如下：

首先，12位AD进行转换后的原始信号，含有采样频率为1024Hz，经过均值处理得到512个数的样本，对这些样本进行512点的FFT，得到512个点的复数序列，每一个复数可以表示信号在某一个频率下的特征，如下式

$f_n=(n-1)\×\frac{f_s}{N_1},$

式中，f_n为信号频率，f_s为采样频率，单位为赫兹(Hz)，n为代表第n个点，n＝1，2，3…N₁，N₁为FFT的变化点数。

该点的模值就是该频率下的模值如下：

$A=\frac{\sqrt{p^2+q^2}}{256}$

式中，A为信号振幅，p、q分别为复数的实部和虚部。

再次，对计算出的振幅A和频率f_n进行存储，并通过12.传感器数据输入输出端口通过RS485总线发送给3.输电线路杆塔振动在线监测终端，并通过专家软件对其进行处理和计算，最后通过无线网GPRS/OPGW/3G发送到监控中心1后台系统，完成监测。

产生的感应电动势，经过传感器内部线圈出口12，将其感应电动势传给10.主板的前置电压放大器电路，对其电压信号进行放大滤波进行处理，并对处理电压经过MCU(MSP430F5438)的内部12位AD转换并通过编程软件对其进行快速傅里叶变换(FFT),计算出该电压信号的振动频率和幅值，并对其数据进行存储，后由9.传感器数据输入输出端口通过RS485总线发送给输电线路杆塔振动在线监测终端。

本发明的步骤2的目的是对采集的微弱信号进行放大滤波处理，首先，放大就是把微弱的电压信号进行放大，此处通过两级同向比例放大器电路17对电压信号进行放大，结果就是把微弱的信号通过放大处理后达到可进行处理的电压信号，使电压信号范围保持在0V～3.3V之间变化；再次，滤波处理就是把放大处理后的电压信号进行滤波，结果是把电磁干扰带来的的杂波、外界环境带的噪音波以及电路本身内部产生的各种干扰波等，通过Sallen-key型二阶低通RC有源滤波器电路进行滤波处理，此处滤波通过计算得出，滤波电路中，电阻参数选择R₅＝R₆，R₇＝0，R₈＝∞，电容选择C₂＝2C₁＝2C，使阻尼系数ξ取到0.707的最佳值，只有这样选择参数时，才能使该处的电压信号达到低通滤波的最佳效果。

Claims (10)

1.一种基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，其特征在于，包括底座(11)和安装在底座(11)上的外壳身(9)，在外壳身(9)的内部安装有固定磁铁(10)，所述的固定磁铁(10)的下方为传感器内部线圈出口(13)，所述的传感器内部线圈出口(13)与主板(14)连接，所述的底座(11)上设置有传感器数据输入输出端口(12)，所述的固定磁铁(10)的上方设置有悬浮磁铁(8)，两者并不接触；在悬浮磁铁(8)的上方是内芯(6)和外壳帽(5)，所述的外壳帽(5)与外壳身(9)固定连接，所述的悬浮磁铁(8)的一侧位于外壳身内部的位置设置有标尺计数器(16)。

2.根据权利要求1所述的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，其特征在于，所述的主板(14)的结构，包括磁感应电动势接口(14-1)和与之相连的前置电压放大器电路(14-2)，前置电压放大器电路(14-2)、供电电源(14-3)和数据存储器(14-5)均分别与微控制单元(14-4)连接，微控制单元(14-4)和输电线路杆塔振动在线监测终端(3)通过RS485连接。

3.根据权利要求2所述的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，其特征在于，所述的前置电压放大器电路(14-2)的电路，由两级同向比例放大器电路(17)和有源滤波器电路(18)两部分组成。

4.根据权利要求2所述的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器，其特征在于，所述的前置电压放大器电路(14-2)的电路，由两级同向比例放大器电路(17)和有源滤波器电路(18)两部分组成。

5.一种利用权利要求1所述的基于磁阻尼的输电线杆塔振动传感器而组成的一种输电线杆塔振动监测系统，其特征在于，包括杆塔(4)和安装在杆塔上的磁阻尼杆塔振动状态传感器(2)，所述的杆塔(4)上还安装有在线监测终端(3)，所述的磁阻尼杆塔振动状态传感器(2)通过RS485总线与在线监测终端(3)连接，所述的监测终端(3)还与监控中心后台系统(1)通过GPRS/OPGW/3G信号连接。

6.根据权利要求5所述的输电线杆塔振动监测系统，其特征在于，所述的在线监测终端，包括微控制器单元(3-2)和与之相连的数据存储模块(3-1)，所述的微控制器单元(3-2)的型号为STM32F407ZGT6，数据存储模块(3-1)，监控中心后台系统(1)，所述的磁阻尼杆塔振动状态传感器(3-3)和供电电源(3-4)组成。

7.一种利用输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，电动势变化信号的采集，

步骤2，信号放大滤波处理，将步骤1中测得的感应电动势信号即电压信号，E＝U_i，传递给主板的前置电压放大器电路(14)，对其电压信号进行放大滤波处理，

步骤3，信号传输分析，信号放大滤波处理后的电压经过MCU的内部12位AD进行转换，后通过软件编程算法进行快速傅里叶变换，计算出该电压信号的振动频率和幅值。

8.根据权利要求7所述的一种利用输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤1的具体步骤为：

步骤1.1，当有杆塔产生振动时，传感器中悬浮磁铁m偏离平衡位置的位移为X，也就是标尺计数器(16)记录的位移X的变化量，

步骤1.2，建立函数关系，

首先，当线圈在磁场中切割磁力线运动时或者穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势E，即计算公式如下，

ΔB＝B_t-B₀

式中，E为感应电动势，单位为伏特，为线圈的磁通，单位为韦伯，N为线圈匝数，S是悬浮磁铁和固定磁铁的相对表面积，单位为平方米，B₀为磁场强度的初始值，B_t为发生变化后某时间段的磁感应强度，ΔB为变化前后的磁感应强度变化量，单位为特斯拉，ΔT为变化过程的时间，单位s；

当悬浮磁铁8在磁场力和重力作用下处于平衡位置，设此时系统平衡时两磁铁相距为X₀

则：

$\frac{u_0{B}_0}{4{\mathrm{\πX}}_0^2}-mg=0$

其中，m表示悬浮磁铁(8)的质量，

当悬浮磁铁偏离平衡位置的位移为X时，也就是标尺计数器记录的位移变化量为X时，

X＝ΔX＝X₀-X_t

$\frac{u_0(B_t-B_0)}{4\mathrm{\π}{\left(X\right)}^2}-mg=ma=m\stackrel{\·\·}{X}$

$B_t-B_0=\frac{4\mathrm{\π}{\left(X\right)}^2(m\stackrel{\·\·}{X}+mg)}{u_0}$

式中，u₀为常数，X₀为平衡位置的位移，X_t为发生变化后的位移，X(ΔX)为悬浮磁铁和固定磁铁之间的位移变化量，单位为米，m为悬浮磁铁的质量，单位为千克；

因此，得出在发生振动后，根据两个磁铁之间距离的变化，进而计算出的电动势的变化值为

9.根据权利要求7所述的一种利用输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤2的具体方法是：

首先，通过两级同向比例放大器电路(17)对电压信号进行放大，即放大后的电压U_i1为：

$U_{i1}=(1+\frac{R2}{R1})(1+\frac{R4}{R3})U_i$

然后，再通过Sallen-key型二阶低通RC有源滤波器电路对信号进行处理，具体的传递函数为：

$A\left(s\right)=\frac{U_0}{U_{i1}}=\frac{A}{w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2{s}^2+w_c\[C_1(R_5+R_6)+(1-A)R_5{C}_2\]s+1}$

即化简可得：

$A\left(s\right)=\frac{A/w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2}{s^2+w_c\[C_1(R_5+R_6)/w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2+\frac{(1-A)R_5{C}_2}{w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2})s+1/w_c^2{R}_5{R}_6{C}_1{C}_2}$

其中，通道增益：

截止频率：

电路中的固有角频率：

电路的阻尼系数为：

将ξ、w_c和s＝jw代入A(s)得其幅频特性：

$\left|A\left(jw\right)\right|=\frac{{\mathrm{Aw}}_c^2}{\sqrt{{(w_c^2+w^2)}^2+{\left(2{\mathrm{\ξw}}_{c}w\right)}^2}}=\frac{A}{\sqrt{(1-{\mathrm{\λ}}^2)+{\left(2\mathrm{\ξ}\mathrm{\λ}\right)}^2}}$

式中

当λ＝1时的频率为截止频率

当时，幅频特性曲线最平坦，只有当信号频率小于滤波器的截止频率时，幅度才能无失真传输；

令该式中A＝1，

即R₇＝0，R₈＝∞，

同时取R₅＝R₆，此时有：

$\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{C_2}{C_1}}$

显然取C₂＝2C₁＝2C时，阻尼系数ξ就取得0.707的最佳值，其截止频率为

10.根据权利要求7所述的一种利用输电线杆塔振动监测系统进行监测的方法，其特征在于，所述的步骤3的具体步骤为：

首先，12位AD进行转换后的原始信号，含有采样频率为1024Hz，经过均值处理得到512个数的样本，对这些样本进行512点的FFT，得到512个点的复数序列，每一个复数可以表示信号在某一个频率下的特征，如下式

$f_n=(n-1)\×\frac{f_s}{N_1},$

式中，f_n为信号频率，f_s为采样频率，单位为赫兹(Hz)，n为代表第n个点，n＝1，2，3…N₁，N₁为FFT的变化点数；

该点的模值就是该频率下的模值如下：

$A=\frac{\sqrt{p^2+q^2}}{256}$

式中，A为信号振幅，p、q分别为复数的实部和虚部；

再次，对计算出的振幅A和频率f_n进行存储，并通过传感器数据输入输出端口(12)通过RS485总线发送给3.输电线路杆塔振动在线监测终端，并通过专家软件对其进行处理和计算，最后通过无线网GPRS/OPGW/3G发送到监控中心(1)后台系统，完成监测。