基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，包括底座和安裝在底座上的外殼身，在外殼身的內(nèi)部安裝有固定磁鐵，固定磁鐵的下方為傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口，傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口與主板連接，底座上設(shè)置有傳感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口，固定磁鐵的上方設(shè)置有懸浮磁鐵，兩者并不接觸；在懸浮磁鐵的上方是內(nèi)芯和外殼帽，外殼帽與外殼身固定連接，懸浮磁鐵的一側(cè)位于外殼身內(nèi)部的位置設(shè)置有標(biāo)尺計(jì)數(shù)器，解決了現(xiàn)有技術(shù)中桿塔振動(dòng)導(dǎo)致輸電線(xiàn)路運(yùn)行故障的問(wèn)題。本發(fā)明還公開(kāi)了利用該輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔 振動(dòng)傳感器，本發(fā)明還設(shè)及利用該輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明還設(shè)及該利 用檢測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 輸電線(xiàn)路桿塔疲勞度問(wèn)題對(duì)于電力系統(tǒng)和電網(wǎng)線(xiàn)路的正常輸電運(yùn)行有著很大的 影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展W及電力用戶(hù)的電力需求不斷增長(zhǎng)，輸電線(xiàn)路桿塔在電力運(yùn)行 輸送中應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多，因此輸電線(xiàn)路桿塔疲勞對(duì)于電網(wǎng)線(xiàn)路運(yùn)行安全影響越來(lái)越大。 目前，在超高壓和特高壓輸電線(xiàn)路的建設(shè)中，不可避免地經(jīng)過(guò)煤炭開(kāi)采區(qū)、軟±質(zhì)地區(qū)、山 坡地、河床、重覆冰、大風(fēng)等特殊地帶，在惡劣自然環(huán)境和外界條件的激勵(lì)下，桿塔很容易發(fā) 生振動(dòng)疲勞。尤其是2008年，一場(chǎng)特大冰雪災(zāi)害席卷全國(guó)，在華中、華東、南方地區(qū)輸電導(dǎo)線(xiàn) 嚴(yán)重覆冰，出現(xiàn)大面積桿塔傾倒事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全和人民生活秩序，災(zāi)后的事故統(tǒng)計(jì) 顯示，90% W上的倒塔事故都和脫冰引起的輸電線(xiàn)路振動(dòng)有關(guān);另外舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)引起的 線(xiàn)塔體系疲勞破壞對(duì)輸電線(xiàn)路安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。鑒于桿塔振動(dòng)導(dǎo)致輸電線(xiàn)路運(yùn)行 故障的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)桿塔的振動(dòng)情況， 提前發(fā)現(xiàn)桿塔的疲勞損害程度而采取一定的措施。避免輸電線(xiàn)路桿塔因疲勞損害而造成桿 塔傾斜、開(kāi)裂、變形等，杜絕塔基沉陷、桿塔傾倒等事故的發(fā)生。
[0003] 目前，輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)有如下Ξ種方法:①人工巡檢法:可W通過(guò)工作人員 按時(shí)按地的對(duì)桿塔進(jìn)行巡邏，觀察桿塔振動(dòng)情況。但是，由于地形地貌各異，人員行駛出行 相當(dāng)不方便，維修巡邏難度更大;其次，單純依靠人力效率低，維護(hù)成本較高;②視頻圖像監(jiān) 測(cè)法:視頻圖像法是通過(guò)在桿塔上安裝視頻裝置觀察桿塔狀態(tài)的實(shí)時(shí)圖像。采用視頻圖像 觀測(cè)桿塔狀態(tài)，直觀方便，但是只能作為一種輔助監(jiān)測(cè)手段。③直接測(cè)桿塔的傾斜角:通過(guò) 提前在桿塔上安裝傾角傳感器來(lái)測(cè)桿塔的傾斜角，目的是來(lái)觀察桿塔中屯、偏離鉛垂位置的 層度，可W提前防止發(fā)生倒塔的可能，但是該方法測(cè)出的是桿塔的傾角，未能測(cè)出桿塔的振 動(dòng)頻率和振幅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，解決了現(xiàn)有技術(shù) 中桿塔振動(dòng)導(dǎo)致輸電線(xiàn)路運(yùn)行故障的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，包括底座和 安裝在底座上的外殼身，在外殼身的內(nèi)部安裝有固定磁鐵，固定磁鐵的下方為傳感器內(nèi)部 線(xiàn)圈出口，傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口與主板連接，底座上設(shè)置有傳感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口，固定 磁鐵的上方設(shè)置有懸浮磁鐵，兩者并不接觸;在懸浮磁鐵的上方是內(nèi)忍和外殼帽，外殼帽與 外殼身固定連接，懸浮磁鐵的一側(cè)位于外殼身內(nèi)部的位置設(shè)置有標(biāo)尺計(jì)數(shù)器。
[0006] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：
[0007] 主板的結(jié)構(gòu)，包括磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接口和與之相連的前置電壓放大器電路，前置電 壓放大器電路、供電電源和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均分別與微控制單元連接，微控制單元和輸電線(xiàn)路 桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)RS485連接。
[0008] 前置電壓放大器電路的電路，由兩級(jí)同向比例放大器電路和有源濾波器電路兩部 分組成。
[0009] 前置電壓放大器電路的電路，由兩級(jí)同向比例放大器電路和有源濾波器電路兩部 分組成。
[0010] 本發(fā)明的另一目的是提供一種利用該輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的另一技術(shù)方案是，一種利用該基于磁阻尼的桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器而組成 的一種輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括桿塔和安裝在桿塔上的磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感 器，桿塔上還安裝有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端，磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器通過(guò)RS485總線(xiàn)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè) 終端連接，監(jiān)測(cè)終端還與監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)GPRS/0PGW/3G信號(hào)連接。
[0012] 本發(fā)明的特征還在于，
[0013] 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端，包括微控制器單元和與之相連的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，微控制器單元的 型號(hào)為STM32F407ZGT6，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng)，磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器和 供電電源組成。
[0014] 本發(fā)明的第Ξ個(gè)目的是提供利用上述輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。
[0015] 本發(fā)明的第Ξ個(gè)技術(shù)方案是，一種利用輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方 法，具體按照W下步驟實(shí)施：
[0016] 步驟1，電動(dòng)勢(shì)變化信號(hào)的采集，
[0017] 步驟2,信號(hào)放大濾波處理，將步驟1中測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即電壓信號(hào)，E =化， 傳遞給主板的前置電壓放大器電路，對(duì)其電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，
[0018] 步驟3,信號(hào)傳輸分析，信號(hào)放大濾波處理后的電壓經(jīng)過(guò)MCU的內(nèi)部12位AD進(jìn)行轉(zhuǎn) 換，后通過(guò)軟件編程算法進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算出該電壓信號(hào)的振動(dòng)頻率和幅值。
[0019] 本發(fā)明的特征還在于，
[0020] 步驟1的具體步驟為：
[0021 ]步驟1.1，當(dāng)有桿塔產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，傳感器中懸浮磁鐵m偏離平衡位置的位移為X，也 就是標(biāo)尺計(jì)數(shù)器記錄的位移X的變化量，
[0022] 步驟1.2,建立函數(shù)關(guān)系，
[0023] 首先，當(dāng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)或者穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn) 圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，即計(jì)算公式如下，
[0024] AB = Bt-Bo
[0025]
[00%]式中，E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為伏特(V)，$^為線(xiàn)圈的磁通，單位為韋伯(師），N為線(xiàn)圈 應(yīng)數(shù)，S是懸浮磁鐵和固定磁鐵的相對(duì)表面積，單位為平方米(m2)，B〇為磁場(chǎng)強(qiáng)度的初始值， Bt為發(fā)生變化后某時(shí)間段的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Δ B為變化前后的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，單位為特斯 拉(T)，Δ T為變化過(guò)程的時(shí)間，單位S;
[0027]當(dāng)懸浮磁鐵在磁場(chǎng)力和重力作用下處于平衡位置，設(shè)此時(shí)系統(tǒng)平衡時(shí)兩磁鐵相距 為Xo
[002引 貝 Ij:
[0029]
[0030] 其中，m表示懸浮磁鐵的質(zhì)量，當(dāng)懸浮磁鐵偏離平衡位置的位移為別寸，也就是標(biāo)尺 計(jì)數(shù)器記錄的位移變化量為別寸，
[0031] X= AX=X〇-Xt
[0034] 式中，uo為常數(shù)，Xo為平衡位置的位移，Xt為發(fā)生變化后的位移，Χ(ΔΧ)為懸浮磁鐵 和固定磁鐵之間的位移變化量，單位為米，m為懸浮磁鐵的質(zhì)量，單位為千克；
[0035] 因此，得出在發(fā)生振動(dòng)后，根據(jù)兩個(gè)磁鐵之間距離的變化，進(jìn)而計(jì)算出的電動(dòng)勢(shì)的 變化值為
[0036] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感 器，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)桿塔的振動(dòng)情況，提前發(fā)現(xiàn)桿塔的疲勞損害程度而采取一定的措施。避免輸 電線(xiàn)路桿塔因疲勞損害而造成桿塔傾斜、開(kāi)裂、變形等，杜絕塔基沉陷、桿塔傾倒等事故的 發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是本發(fā)明一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0038] 圖2是本發(fā)明一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化示意 圖；
[0039] 圖3是本發(fā)明一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器中的原理主板框圖；
[0040] 圖4是本發(fā)明的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器中前置電壓放大器電路圖；
[0041] 圖5是本發(fā)明一種利用基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的桿塔輸電線(xiàn)路桿塔 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖6是本發(fā)明中設(shè)及的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端框圖。
[0043] 圖中，1.監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng)，2.磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器，3 .在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端，3- 1. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，3-2.微處理器單元，3-3.磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器，3-4.供電電源，4. 桿塔，5.外殼帽，6.內(nèi)忍，7.感應(yīng)線(xiàn)圈，8.懸浮磁鐵，9.外殼身，10.固定磁鐵，11.底座，12.傳 感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口，13 .傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口，14.主板，14-1.磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接口，14- 2. 前置電壓放大器電路，14-3.供電電源，14-4.微控制單元，14-5.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，15.磁場(chǎng)區(qū) 域，16.標(biāo)尺計(jì)數(shù)器，17.兩級(jí)同向比例放大器電路，17-1.運(yùn)算放大器A，17-2運(yùn)算放大器B， 18.有源濾波器電路，18-1.運(yùn)算放大器C。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0045] 本發(fā)明的一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，如圖1所示，包括底座11和安 裝在底座11上的外殼身9,在外殼身9的內(nèi)部安裝有固定磁鐵10,固定磁鐵10的下方為傳感 器內(nèi)部線(xiàn)圈出口 13,傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口 13與主板14連接，底座11上設(shè)置有傳感器數(shù)據(jù)輸 入輸出端口 12,固定磁鐵10的上方設(shè)置有懸浮磁鐵8,兩者并不接觸;在懸浮磁鐵8的上方是 內(nèi)忍6和外殼帽5,外殼帽5與外殼身9固定連接，懸浮磁鐵8的一側(cè)位于外殼身內(nèi)部的位置設(shè) 置有標(biāo)尺計(jì)數(shù)器16。
[0046] 圖2所示的是本發(fā)明基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖，圖 中，在固定磁鐵10和懸浮磁鐵8之間形成磁場(chǎng)區(qū)域15,其強(qiáng)度為B，
[0047] 主板14的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接口 14-1和與之相連的前置電壓放 大器電路14-2,前置電壓放大器電路14-2、供電電源14-3和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14-5均分別與微控 制單元(MCU )14-4連接，微控制單元(MCU) 14-4和輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端3通過(guò) RS485連接，微控制單元(MCU) 14-4為MSP430巧438忍片。
[0048] 前置電壓放大器電路14-2的電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，由兩級(jí)同向比例放大器電路 17和有源濾波器電路18兩部分組成，其中，兩級(jí)同向比例放大器電路17,對(duì)電壓的進(jìn)行放 大，其結(jié)構(gòu)為，第一級(jí)同向比例放大器包括電阻R、化、R2和運(yùn)算放大器B17-2，電阻R-端連接 運(yùn)算放大器B17-2的同向端，電阻R的另一端連接電壓信號(hào)的輸入端化，電阻化一端連接運(yùn)算 放大器B17-2的反向端和R2的一端，電阻Ri的另一端連接接地端，電阻R2-端連接運(yùn)算放大 器B17-2的輸出反饋端，電阻R2的另一端連接運(yùn)算放大器B17-2的反向端和化的一端；
[0049] 第二級(jí)同向比例放大器是由電阻R'、R3和R4,運(yùn)算放大器A17-1組成，電阻R'一端連 接運(yùn)算放大器A17-1的同向端，另一端連接第一級(jí)同向比例放大器的輸出端，電阻R3-端連 接運(yùn)算放大器A17-1的反向端和R4的一端，電阻R3另一端連接接地端，電阻R4-端連接運(yùn)算 放大器A17-1的輸出反饋端化1，另一端連接運(yùn)算放大器A17-1的反向端和化的一端；
[0050] 另一部分是有源濾波器電路18,包括:運(yùn)算放大器C18-1，電阻化、R6、化和Rs，電容Cl 和C2，電阻Rs-端連接第二級(jí)同向比例放大器的輸出端化1，另一端連接Rs和C2的一端，電阻 Re一端連接Rs和C2的一端，另一端連接運(yùn)算放大器C18-1的同向端和Cl的一端，電阻R?-端連 接接地端，另一端連接運(yùn)算放大器C18-1的反向端和Rs的一端，電阻R8-端連接.運(yùn)算放大器 C18-1的輸出端化，另一端連接運(yùn)算放大器C18-1的反向端和R?的一端，電容Cl 一端連接接地 端，另一端連接運(yùn)算放大器C18-1的同向端和Rs的一端，電容C2-端連接化和Rs的一端，另一 端連接運(yùn)算放大器C18-1的輸出端化。
[0051] 當(dāng)信號(hào)通過(guò)該前置電壓放大器電路14-2后，濾去所有的雜波和外部干擾，由于桿 塔振動(dòng)很微弱，磁場(chǎng)感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)也很微弱，所W需要由14-2前置電壓放大器對(duì)其電動(dòng) 勢(shì)進(jìn)行處理，有緣濾波器電路18為Sallen-k巧型二階低通RC有源濾波器電路。
[0052] 本發(fā)明的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，其工作原理和過(guò)程為，裝置中的 固定磁鐵10和懸浮磁鐵8為兩塊同性的永久磁鐵，其中固定磁鐵10固定在傳感器外殼底部， 另一塊懸浮磁鐵8是質(zhì)量為m的永久磁鐵，依托磁場(chǎng)斥力懸浮在固定磁鐵10的上邊，兩者之 間形成的磁場(chǎng)區(qū)域15，當(dāng)桿塔因?qū)Ь€(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)和風(fēng)偏等自然激勵(lì)而發(fā)生微弱振動(dòng)時(shí)， 外殼被迫振動(dòng)，同時(shí)8懸浮磁鐵也開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，8懸浮磁鐵和10固定磁鐵之間的距離減小， 斥力增強(qiáng)，使8懸浮磁鐵向上運(yùn)動(dòng)。就運(yùn)樣一直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使線(xiàn)圈做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同而產(chǎn) 生變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接口 14-1傳遞至前置放大器電路 14-2進(jìn)行處理后，再由14-4(MCU)MSP430F5438忍片內(nèi)部AD對(duì)其放大濾波處理后的電壓信號(hào) 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，并通過(guò)軟件編程算法對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，計(jì)算出該電壓信號(hào)的 振動(dòng)頻率和幅值，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送。該忍片的14-3供電電源采用的是太陽(yáng)能加 蓄電池，輸出的12V電壓，再經(jīng)過(guò)TPS5430忍片轉(zhuǎn)化成3.3V，直接給14-4MSP430F5438忍片供 電。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14-5的忍片選用AT24C32忍片，該忍片只需18~36V電源并支持32字節(jié)頁(yè)寫(xiě) 模式，此外，還具有硬件數(shù)據(jù)保護(hù)、軟件數(shù)據(jù)保護(hù)、數(shù)據(jù)查詢(xún)和自舉模塊等其他功能。 AT24C32的結(jié)構(gòu)采用兩線(xiàn)串行接口，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它有1條串行數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA)、1條 串行時(shí)鐘線(xiàn)（S化）、1條寫(xiě)保護(hù)線(xiàn)(WP)、3條地址線(xiàn)^0、41、42)^及電源、地線(xiàn)共8個(gè)引腳。它 的最大優(yōu)點(diǎn)是可直接用電信號(hào)擦除，也可用電信號(hào)寫(xiě)入。
[0053] 本發(fā)明利用基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器而組成的一種輸電線(xiàn)路桿塔振 動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括桿塔4和安裝在桿塔上的磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳 感器2,桿塔4上還安裝有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端3,磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器2通過(guò)RS485總線(xiàn)與在 線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端3連接，監(jiān)測(cè)終端3還與監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng)1通過(guò)GPRS/0PGW/3G信號(hào)連接。
[0054] 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，包括微控制器單元3-2和與之相連的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 模塊3-1，微控制器單元3-2的型號(hào)為STM32F407ZGT6,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3-1，監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng) 1，磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器3-3和供電電源3-4組成。
[0055] 供電電源3-4包括互相連接的太陽(yáng)能電池板和蓄電池。太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能 由蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)，整個(gè)設(shè)備所需的電能由蓄電池提供。
[0056] 整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是：由安裝在桿塔4上的磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器2來(lái)定時(shí) 進(jìn)行采集桿塔4的振動(dòng)頻率、振幅等數(shù)據(jù);然后，把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線(xiàn)發(fā)給輸電線(xiàn)路 桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端3，并通過(guò)對(duì)其進(jìn)行處理和計(jì)算，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)GPRS/0PGW/3G發(fā)送 到1監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，首先，通過(guò)提前安裝在桿塔上的3-3磁阻尼的桿塔振動(dòng)狀 態(tài)傳感器獲得桿塔的振動(dòng)情況，并通過(guò)RS485發(fā)送到3輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端，并 通過(guò)相應(yīng)算法對(duì)其進(jìn)行處理和計(jì)算。微處理器3-2采用STM32F407ZGT6忍片，其內(nèi)部具有1M 的FLASH存儲(chǔ)器，采用18V~36V的低電壓供電，并且功耗較低，適合程序量和運(yùn)算量W及數(shù) 據(jù)量較大的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用STM32F407ZGT6忍片后不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器，降低 了硬件復(fù)雜度和系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性?？紤]到系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性能和高速性能要 求，控制器的時(shí)鐘由25MHz外部晶振提供，然后，把兩傳感器處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/0PGW/ 3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)發(fā)送給監(jiān)控中屯、后臺(tái)系統(tǒng)1由后臺(tái)軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分析、處理和顯示。
[0057] 本發(fā)明一種利用輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，具體按照W下步驟實(shí) 施：
[0058] 步驟1，電動(dòng)勢(shì)變化信號(hào)的采集：
[0059] 步驟1.1，當(dāng)有桿塔產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，傳感器中懸浮磁鐵m偏離平衡位置的位移為X，也 就是標(biāo)尺計(jì)數(shù)器16記錄的位移X的變化量，
[0060] 步驟1.2,建立函數(shù)關(guān)系，
[0061] 首先，當(dāng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)或者穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn) 圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，即計(jì)算公式如下，
[0062] AB = Bt-Bo
[0063]
，
[0064] 式中，E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為伏特(V)，夢(mèng)為線(xiàn)圈的磁通，單位為韋伯(師），N為線(xiàn)圈 應(yīng)數(shù)，S是懸浮磁鐵和固定磁鐵的相對(duì)表面積，單位為平方米(m2)，B〇為磁場(chǎng)強(qiáng)度的初始值， Bt為發(fā)生變化后某時(shí)間段的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Δ B為變化前后的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，單位為特斯 拉(T)，Δ T為變化過(guò)程的時(shí)間，單位S。
[0065] 從圖2的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化示意圖，可知 當(dāng)懸浮磁鐵8在磁場(chǎng)力和重力作用下處于平衡位置，設(shè)此時(shí)系統(tǒng)平衡時(shí)兩磁鐵相距為Xo
[0066] 則：
[0067]
[0068] 其中，m表示懸浮磁鐵8的質(zhì)量，
[0069] 當(dāng)懸浮磁鐵偏離平衡位置的位移為別寸，也就是標(biāo)尺計(jì)數(shù)器記錄的位移變化量為X 時(shí)，
[007引式中，U0為常數(shù)，)(0為平衡位置的位移，Xt為發(fā)生變化后的位移，X(AX)為懸浮磁鐵 和固定磁鐵之間的位移變化量，單位為米(m)，m為懸浮磁鐵的質(zhì)量，單位為千克化g)。
[0074] 因此，得出在發(fā)生振動(dòng)后，根據(jù)兩個(gè)磁鐵之間距離的變化，進(jìn)而計(jì)算出的電動(dòng)勢(shì)的 變化值為
[0075] 步驟2,信號(hào)放大濾波處理
[0076] 將步驟1中測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即電壓信號(hào)，E =化，傳遞給主板的前置電壓放 大器電路14,對(duì)其電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，詳細(xì)過(guò)程如下：
[0077] 首先，通過(guò)兩級(jí)同向比例放大器電路17對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，即放大后的電壓化1 為：
[007引
[0079] 然后，再通過(guò)Sallen-key型二階低通RC有源濾波器電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具體的 傳遞函數(shù)為：
[0080]
[0081 ] 即化簡(jiǎn)可得：
[0090] 當(dāng)λ=ι時(shí)的頻率為截止頻率
[0091] 當(dāng)《 = 時(shí)，幅頻特性曲線(xiàn)最平坦，只有當(dāng)信號(hào)頻率小于濾波器的截止頻率時(shí)，幅 度才能無(wú)失真?zhèn)鬏敗?br>[0092] 令該式中A=l，
[0093] 即化= 〇，R8 = w，
[0094] 同時(shí)取Rs = R6,此時(shí)有：
[0095]
[0096] 顯然取C2 = 2Ci = 2C時(shí)，阻尼系數(shù)ξ就取得0.707的最佳值，其截止頻率為
[0097] 當(dāng)電阻選擇化=R6，R? = 0，Rs = W，C2 = 2Ci = 2C時(shí)，阻尼系數(shù)ξ取到0.707的最佳值， 達(dá)到低通濾波的最佳效果，從而比較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)桿塔振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。
[0098] 步驟3,信號(hào)傳輸分析
[0099] 信號(hào)放大濾波處理后的電壓經(jīng)過(guò)MCU(MSP430F5438)的內(nèi)部12位AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，后通 過(guò)軟件編程算法進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，計(jì)算出該電壓信號(hào)的振動(dòng)頻率和幅值，具體計(jì) 算方法如下：
[0100] 首先，12位AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的原始信號(hào)，含有采樣頻率為1024化，經(jīng)過(guò)均值處理得到 512個(gè)數(shù)的樣本，對(duì)運(yùn)些樣本進(jìn)行512點(diǎn)的FFT，得到512個(gè)點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列，每一個(gè)復(fù)數(shù)可W表 示信號(hào)在某一個(gè)頻率下的特征，如下式
[0101]
[0102] 式中，fn為信號(hào)頻率，fs為采樣頻率，單位為赫茲化z)，n為代表第η個(gè)點(diǎn)，n=l，2， 3···Νι，Ν功FFT的變化點(diǎn)數(shù)。
[0103] 該點(diǎn)的模值就是該頻率下的模值如下：
[0104]
[0105] 式中，A為信號(hào)振幅，p、q分別為復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。
[0106] 再次，對(duì)計(jì)算出的振幅A和頻率fn進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)12.傳感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口 通過(guò)RS485總線(xiàn)發(fā)送給3.輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端，并通過(guò)專(zhuān)家軟件對(duì)其進(jìn)行處理 和計(jì)算，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)GPRS/0PGW/3G發(fā)送到監(jiān)控中屯、1后臺(tái)系統(tǒng)，完成監(jiān)測(cè)。
[0107] 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口 12,將其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)傳給10.主板的 前置電壓放大器電路，對(duì)其電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波進(jìn)行處理，并對(duì)處理電壓經(jīng)過(guò)MCU (MSP430F5438)的內(nèi)部12位AD轉(zhuǎn)換并通過(guò)編程軟件對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，計(jì)算出 該電壓信號(hào)的振動(dòng)頻率和幅值，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，后由9.傳感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口通 過(guò)RS485總線(xiàn)發(fā)送給輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端。
[0108] 本發(fā)明的步驟2的目的是對(duì)采集的微弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，首先，放大就是把 微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，此處通過(guò)兩級(jí)同向比例放大器電路17對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，結(jié) 果就是把微弱的信號(hào)通過(guò)放大處理后達(dá)到可進(jìn)行處理的電壓信號(hào)，使電壓信號(hào)范圍保持在 0V~3.3V之間變化;再次，濾波處理就是把放大處理后的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，結(jié)果是把電磁 干擾帶來(lái)的的雜波、外界環(huán)境帶的噪音波W及電路本身內(nèi)部產(chǎn)生的各種干擾波等，通過(guò) Sallen-key型二階低通RC有源濾波器電路進(jìn)行濾波處理，此處濾波通過(guò)計(jì)算得出，濾波電 路中，電阻參數(shù)選擇Rs = Rs，R? = 0，Rs = 〇〇，電容選擇C2 = 2Ci = 2C，使阻尼系數(shù)ξ取到0.707的 最佳值，只有運(yùn)樣選擇參數(shù)時(shí)，才能使該處的電壓信號(hào)達(dá)到低通濾波的最佳效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，其特征在于，包括底座（11)和安裝在底 座（11)上的外殼身(9)，在外殼身(9)的內(nèi)部安裝有固定磁鐵（10)，所述的固定磁鐵（10)的 下方為傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口（13)，所述的傳感器內(nèi)部線(xiàn)圈出口（13)與主板（14)連接，所述 的底座（11)上設(shè)置有傳感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口（12)，所述的固定磁鐵(10)的上方設(shè)置有懸 浮磁鐵(8)，兩者并不接觸;在懸浮磁鐵(8)的上方是內(nèi)芯(6)和外殼帽（5)，所述的外殼帽 (5)與外殼身(9)固定連接，所述的懸浮磁鐵(8)的一側(cè)位于外殼身內(nèi)部的位置設(shè)置有標(biāo)尺 計(jì)數(shù)器(16)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的主 板（14)的結(jié)構(gòu)，包括磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接口（ 14-1)和與之相連的前置電壓放大器電路（14-2)， 前置電壓放大器電路（14-2)、供電電源（14-3)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（14-5)均分別與微控制單元 (14-4)連接，微控制單元(14-4)和輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端(3)通過(guò)RS485連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的前 置電壓放大器電路（14-2)的電路，由兩級(jí)同向比例放大器電路（17)和有源濾波器電路（18) 兩部分組成。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的前 置電壓放大器電路（14-2)的電路，由兩級(jí)同向比例放大器電路（17)和有源濾波器電路（18) 兩部分組成。5. -種利用權(quán)利要求1所述的基于磁阻尼的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)傳感器而組成的一種輸電 線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括桿塔(4)和安裝在桿塔上的磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳 感器(2)，所述的桿塔(4)上還安裝有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端(3)，所述的磁阻尼桿塔振動(dòng)狀態(tài)傳感器 (2)通過(guò)RS485總線(xiàn)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端（3)連接，所述的監(jiān)測(cè)終端（3)還與監(jiān)控中心后臺(tái)系統(tǒng) (1)通過(guò)GPRS/OPGW/3G信號(hào)連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終 端，包括微控制器單元(3-2)和與之相連的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3-1)，所述的微控制器單元(3-2) 的型號(hào)為STM32F407ZGT6，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3-1)，監(jiān)控中心后臺(tái)系統(tǒng)（1)，所述的磁阻尼桿塔 振動(dòng)狀態(tài)傳感器(3-3)和供電電源(3-4)組成。7. -種利用輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其特征在于，具體按照以下步 驟實(shí)施： 步驟1，電動(dòng)勢(shì)變化信號(hào)的采集， 步驟2,信號(hào)放大濾波處理，將步驟1中測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即電壓信號(hào)，EiUi，傳遞 給主板的前置電壓放大器電路(14)，對(duì)其電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理， 步驟3，信號(hào)傳輸分析，信號(hào)放大濾波處理后的電壓經(jīng)過(guò)MCU的內(nèi)部12位AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，后 通過(guò)軟件編程算法進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算出該電壓信號(hào)的振動(dòng)頻率和幅值。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種利用輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其特征 在于，所述的步驟1的具體步驟為： 步驟1.1，當(dāng)有桿塔產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，傳感器中懸浮磁鐵m偏離平衡位置的位移為X，也就是 標(biāo)尺計(jì)數(shù)器(16)記錄的位移X的變化量， 步驟1.2,建立函數(shù)關(guān)系， 首先，當(dāng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)或者穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn)圈中 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，即計(jì)算公式如下， Λ B = Bt~Bo式中，E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為伏特，於為線(xiàn)圈的磁通，單位為韋伯，N為線(xiàn)圈匝數(shù)，S是懸 浮磁鐵和固定磁鐵的相對(duì)表面積，單位為平方米，Bo為磁場(chǎng)強(qiáng)度的初始值，Bt為發(fā)生變化后 某時(shí)間段的磁感應(yīng)強(qiáng)度，A B為變化前后的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，單位為特斯拉，ΔΤ為變化過(guò) 程的時(shí)間，單位s; 當(dāng)懸浮磁鐵8在磁場(chǎng)力和重力作用下處于平衡位置，設(shè)此時(shí)系統(tǒng)平衡時(shí)兩磁鐵相距為Xo 則：其中，m表示懸浮磁鐵(8)的質(zhì)量， 當(dāng)懸浮磁鐵偏離平衡位置的位移為X時(shí)，也就是標(biāo)尺計(jì)數(shù)器記錄的位移變化量為X時(shí)， X= AX = X〇-Xt式中，uo為常數(shù)，Xo為平衡位置的位移，Xt為發(fā)生變化后的位移，Χ(ΔΧ)為懸浮磁鐵和固 定磁鐵之間的位移變化量，單位為米，m為懸浮磁鐵的質(zhì)量，單位為千克； 因此，得出在發(fā)生振動(dòng)后，根據(jù)兩個(gè)磁鐵之間距離的變化，進(jìn)而計(jì)算出的電動(dòng)勢(shì)的變化9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種利用輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其特征 在于，所述的步驟2的具體方法是： 首先，通過(guò)兩級(jí)同向比例放大器電路(17)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，即放大后的電壓Uu為：然后，再通過(guò)Sallen-key型二階低通RC有源濾波器電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具體的傳遞 函數(shù)為：即化簡(jiǎn)可得：當(dāng)λ= 1時(shí)的頻率為截止頻率，幅頻特性曲線(xiàn)最平坦，只有當(dāng)信號(hào)頻率小于濾波器的截止頻率時(shí)，幅度才 能無(wú)失真?zhèn)鬏敚? 令該式中A=l， 即R7 = 0，R8=°°， 同時(shí)取R5 = R6,此時(shí)有：顯然取C2 = 2& = 2C時(shí)，阻尼系數(shù)ξ就取得0.707的最佳值，其截止頻率為10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種利用輸電線(xiàn)桿塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其特征 在于，所述的步驟3的具體步驟為： 首先，12位AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的原始信號(hào)，含有采樣頻率為1024Hz，經(jīng)過(guò)均值處理得到512 個(gè)數(shù)的樣本，對(duì)這些樣本進(jìn)行512點(diǎn)的FFT，得到512個(gè)點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列，每一個(gè)復(fù)數(shù)可以表示 信號(hào)在某一個(gè)頻率下的特征，如下式式中，fn為信號(hào)頻率，fs為采樣頻率，單位為赫茲(Ηζ)，η為代表第η個(gè)點(diǎn)，η = 1，2，3···Λ， NAFFT的變化點(diǎn)數(shù)； 該點(diǎn)的模值就是該頻率下的模值如下：式中，A為信號(hào)振幅，p、q分別為復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部； 再次，對(duì)計(jì)算出的振幅A和頻率匕進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)輸入輸出端口（12)通過(guò) RS485總線(xiàn)發(fā)送給3.輸電線(xiàn)路桿塔振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端，并通過(guò)專(zhuān)家軟件對(duì)其進(jìn)行處理和計(jì) 算，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)GPRS/0PGW/3G發(fā)送到監(jiān)控中心（1)后臺(tái)系統(tǒng)，完成監(jiān)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01H11/02GK105823549SQ201610157836
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月18日
【發(fā)明人】黃新波, 潘高峰, 趙隆, 朱永燦, 陳子良, 司偉杰
【申請(qǐng)人】西安工程大學(xué)