郭翠娟，楊明珠，榮　鋒*，陳　寧，黃　晨，董攀浩

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；2.天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

基于振動響應(yīng)分析的盆式絕緣子損傷檢測系統(tǒng)*

郭翠娟1，2，楊明珠1，2，榮鋒1，2*，陳寧1，2，黃晨1，2，董攀浩1，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；2.天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

目前盆式絕緣子損傷檢測方法為被動式，且存在漏檢現(xiàn)象。提出了一種基于Lamb波的主動激勵式盆式絕緣子損傷檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過粘貼在盆式絕緣子表面的壓電元件激發(fā)Lamb波，利用Lamb波在盆式絕緣子內(nèi)部傳播過程中遇到損傷時傳播特性會發(fā)生改變的特征，通過差值法和閾值判斷法對接收端的Lamb波分析處理判斷出盆式絕緣子內(nèi)部損傷狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的檢測出微小損傷并確定損傷區(qū)域，具有良好的應(yīng)用前景。

損傷檢測；盆式絕緣子；Lamb波；損傷定位

EEACC：7210；1265H；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.023

氣體絕緣變電站與傳統(tǒng)敞開式變電站相比，有著可靠性高、損耗小、占地少、噪音小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在世界各地有著廣泛的運(yùn)用［1-2］。其中采用環(huán)氧樹脂制作的盆式絕緣子將多個絕緣間隔連接起來，組成一個完整的氣體絕緣變電站［3］。

盆式絕緣子作為氣體絕緣變電站不可缺少的重要部件，當(dāng)其結(jié)構(gòu)有損傷時，會引起局部放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時會引起絕緣擊穿，造成大面積停電，導(dǎo)致的損失不可估量［4］。因此其結(jié)構(gòu)健康檢測對實(shí)現(xiàn)工業(yè)安全生產(chǎn)、延長變電設(shè)備使用壽命有著重大意義。

目前檢測盆式絕緣子損傷的方法為被動式，主要有電測法和非電測法兩大類［5］。電測法主要包括脈沖電流法和超高頻法。脈沖電流法雖然可以對局部放電進(jìn)行定量測量，但易受外界電磁干擾影響；超高頻法能有效避開外界電磁干擾影響，但該方法的硬件和軟件都還不成熟，還需進(jìn)一步研究。非電測法主要包括光學(xué)檢測法、聲學(xué)檢測法和化學(xué)檢測法。光學(xué)檢測法必須采用內(nèi)置光纖傳感器，且檢測的靈敏度較低；聲學(xué)檢測法可以通過外置傳感器對盆式絕緣子的損傷進(jìn)行定位，但是聲信號較微弱、衰減嚴(yán)重使該方法檢測的靈敏度也較低；化學(xué)檢測法通過分析腔體的氣體可以判斷出盆式絕緣子的狀況，但是檢測出損傷狀況所用的時間較長且無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于振動響應(yīng)分析的盆式絕緣子損傷檢測系統(tǒng)。通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出微小損傷并確定損傷區(qū)域。

1　基本原理

聲波在無限均勻的各向同性彈性介質(zhì)中，只有橫波和縱波各自傳播，沒有互相耦合［6］。當(dāng)聲波在板中傳播，橫波波數(shù)同縱波波數(shù)相等時，橫波與縱波產(chǎn)生共振形成Lamb波［7-8］。

Lamb波在傳播過程中衰減慢，傳播距離遠(yuǎn)，且對結(jié)構(gòu)中微小損傷十分敏感［9］。這些特征使基于Lamb波的主動損傷檢測技術(shù)在航空航天、船舶等工程領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用［10，11］?；贚amb波的主動損傷檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟是：首先選取合適的激勵信號激勵壓電元件發(fā)出Lamb波信號；其次從結(jié)構(gòu)上不同位置的壓電元件接收Lamb波信號；最后對接收到的Lamb波信號進(jìn)行分析，對結(jié)構(gòu)的損傷狀況作出判斷。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于振動響應(yīng)分析的盆式絕緣子損傷檢測系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)主要由激勵信號發(fā)生器、功率放大電路、八路激勵/采集信號選擇電路、激勵傳感網(wǎng)絡(luò)、電荷放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和上位機(jī)系統(tǒng)組成。上位機(jī)系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)波形顯示存儲和數(shù)據(jù)分析處理功能，同時上位機(jī)系統(tǒng)可以與單片機(jī)控制電路進(jìn)行串口通信，控制激勵/采集信號的選擇和功率放大電路電源的開關(guān)。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件方面主要由激勵信號發(fā)生器、功率放大電路、單片機(jī)控制電路、八路激勵/采集信號選擇電路、激勵傳感網(wǎng)絡(luò)、電荷放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路組成。系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)思路是：首先在盆式絕緣子表面安裝多對壓電元件構(gòu)成激勵傳感網(wǎng)絡(luò)；其次將激勵信號發(fā)生器發(fā)出的信號接入功率放大電路，生成高頻大電壓激勵信號，并把此信號施加至激勵端壓電元件，在盆式絕緣子表面激發(fā)出Lamb波；再次由接收端壓電元件接收在盆式絕緣子中傳播的Lamb波，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸?shù)较乱患壍碾姾煞糯箅娐分校蛔詈蟊环糯蟮慕邮斩诵盘柾ㄟ^AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送入上位機(jī)系統(tǒng)。

3.1激勵信號發(fā)生器

激勵信號選擇時，要求其能激發(fā)出對微小損傷變化敏感的Lamb波，以便在響應(yīng)信號波形中觀察到由于損傷導(dǎo)致的波形變化。常用的激勵信號根據(jù)頻率寬度可分為頻率寬帶、頻率窄帶和單頻激勵信號三種［12］。頻率寬帶激勵信號所激發(fā)出的Lamb波雖然對結(jié)構(gòu)損傷敏感，但其頻率成分復(fù)雜，不易分析；單頻激勵信號產(chǎn)生的Lamb波頻率成分簡單，但對損傷不敏感；而窄帶激勵信號的效果介于二者之間，因此成為結(jié)構(gòu)探傷相關(guān)領(lǐng)域研究工作中首選的激勵信號［13］。

本文所使用的激勵信號為窄帶激勵信號，信號時域描述為式（1），fc為信號頻率，H（t）為Heaviside階梯函數(shù)，N為正弦信號波峰數(shù)，相關(guān)研究表明，N取值為5最為合適。信號的頻率需要根據(jù)被測對象材質(zhì)不同來選擇，后面的實(shí)驗(yàn)部分會詳細(xì)說明。時域上，除正弦調(diào)制信號周期外，還加有一段時間的0 V電壓信號，使多次重復(fù)激勵時，下一次激發(fā)的Lamb波不會與前一次激發(fā)產(chǎn)生而未衰減完的波相疊加，減小分析難度。按此思路由激勵信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號如圖2所示。

圖2　激勵信號

3.2功率放大電路

本系統(tǒng)功率放大電路選用的芯片是PA85。PA85是一種高電壓、高精度的MOSFET運(yùn)算放大器，它的壓擺率為1 000 V/μs，滿足激勵信號的要求［14］。功率放大電路主要由輸入信號防反接電路、供電快速恢復(fù)電路和相位糾正電路組成，其原理圖如圖3所示。其中D1、D2二極管起到防止輸入信號反接的作用；D5、D6二極管起到供電快速恢復(fù)的作用；R2、C2起到相位糾正的作用。

圖3　功率放大電路原理圖

3.3單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路選用STC89C52為主控芯片，通過軟件指令賦予IO口高電平或低電平來控制功率放大電路電源的開關(guān)和激勵/采集信號的選擇。

3.4八路激勵/采集信號選擇電路

八路激勵/采集信號選擇電路由十六個獨(dú)立的繼電器組成，其中八個繼電器控制八路激勵信號的選通，另外八個繼電器控制八路采集信號的選通。在采集過程中單片機(jī)控制電路發(fā)出的指令只會選通一路激勵信號和一路采集信號。

3.5電荷放大電路

接收壓電元件可以把盆式絕緣子中傳播的Lamb波轉(zhuǎn)化為電信號，但是此電信號特別微弱，必須經(jīng)過電荷放大電路才能送入AD轉(zhuǎn)換電路。電荷放大電路原理圖如圖4所示，其中電容C5起到信號耦合的作用，R3、R6、R2、R5和TLC27L2構(gòu)成反相比例放大電路。

圖4　電荷放大電路原理圖

因?yàn)閴弘娫敵鲎杩购芨?，所以本電路選用的運(yùn)放是具有高輸入阻抗的TLC27L2。它有較低的偏置電壓和偏移電流，較高的壓擺率，并且輸出設(shè)有短路保護(hù)，非常適合應(yīng)用在電荷放大電路中。

3.6AD轉(zhuǎn)換電路

AD轉(zhuǎn)換電路采用的是阿爾泰公司的PCI8502數(shù)據(jù)采集卡。PCI8502數(shù)據(jù)采集卡有12位的采樣轉(zhuǎn)換精度，其采樣率最高可達(dá)到40 MHz，并且支持多種觸發(fā)方式，滿足本系統(tǒng)的需要。

4　上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)是基于LabVIEW的操作平臺，主要用于實(shí)現(xiàn)波形顯示存儲和數(shù)據(jù)分析處理的功能，同時上位機(jī)系統(tǒng)可以與單片機(jī)控制電路進(jìn)行串口通信，控制激勵/采集信號的選擇和功率放大電路電源的開關(guān)［15］。上位機(jī)系統(tǒng)操作界面如圖5所示。

圖5　上位機(jī)系統(tǒng)操作界面

4.1波形顯示存儲模塊

波形顯示存儲模塊可實(shí)現(xiàn)四個通道數(shù)據(jù)波形的同時顯示和存儲。此模塊也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)單次采樣點(diǎn)數(shù)、采樣率和采樣觸發(fā)模式等功能，工作模式靈活。

4.2數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理模塊通過對比分析新采集的波形數(shù)據(jù)與原始存儲的無損波形數(shù)據(jù)得出盆式絕緣子的損傷情況。此模塊從存儲的波形數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)采用的方法是：先以最大值為中點(diǎn)，左右各取1 200個點(diǎn)為一個周期的波形數(shù)據(jù)，后以同樣的方法提取100個周期并將其加和求平均，以減少數(shù)據(jù)的偶然誤差。數(shù)據(jù)分析部分會對如何得出盆式絕緣子的損傷情況作具體闡述。

4.3串口通信模塊

串口通信模塊是通過虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA（Virtual Instruments Software Architecture）來實(shí)現(xiàn)的，主要用于控制激勵/采集信號的選擇和功率放大電路電源的開關(guān)。激勵/采集信號的選擇是通過操作自定義枚舉控件向單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)的。由于在功率放大電路電源打開的情況下切換激勵傳感器容易燒毀功率放大電路芯片，因此在點(diǎn)擊開始采集的同時，通過串口發(fā)出指令打開功率放大電路電源；點(diǎn)擊停止采集的同時，通過串口發(fā)出指令關(guān)閉功率放大電路電源，并且使激勵/采集信號選擇選板在數(shù)據(jù)采集過程中失效。

5　實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

由于激勵信號的中心頻率和壓電元件的諧振頻率直接影響到系統(tǒng)的測試效果，因此本文首先進(jìn)行了選擇最佳中心頻率的激勵信號和最佳諧振頻率的壓電元件的實(shí)驗(yàn)。在選定激勵信號的中心頻率和壓電元件的諧振頻率后，對盆式絕緣子無傷口、有較小傷口和較大傷口的三種情況分別進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺如圖6所示。通過對實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測出盆式絕緣子傷口并且能定位損傷區(qū)域。

圖6　實(shí)驗(yàn)平臺

5.1激勵信號中心頻率選擇實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，最佳激勵信號的中心頻率由被測對象的材料、形狀等因素決定。本文通過大量的實(shí)驗(yàn)對激勵信號的中心頻率進(jìn)行選擇。實(shí)驗(yàn)時對同一諧振頻率的壓電元件施以不同中心頻率的激勵信號，記錄被測盆式絕緣子有較小傷口時響應(yīng)信號前后的峰峰值變化，表1為部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1　不同激勵信號下?lián)p傷前后響應(yīng)信號峰峰值

通過比較表1中不同中心頻率的激勵信號得到的響應(yīng)信號，可以看出中心頻率在100 kHz時，響應(yīng)信號峰峰值較大，且盆式絕緣子損傷前后峰峰值變化也較大，因此選擇中心頻率為100 kHz的激勵信號作為實(shí)驗(yàn)用信號。

5.2壓電元件諧振頻率選擇實(shí)驗(yàn)

本文在保證每對壓電元件相對位置相同且在同一盆式絕緣子的前提下，做了大量實(shí)驗(yàn)對壓電元件諧振頻率進(jìn)行選擇。實(shí)驗(yàn)時對不同諧振頻率的壓電元件施以中心頻率為100 kHz的激勵信號，記錄被測盆式絕緣子有較小傷口時響應(yīng)信號前后的峰峰值變化，表2為部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2　不同壓電元件下?lián)p傷前后響應(yīng)信號峰峰值

通過比較表2中不同諧振頻率的壓電元件得到的響應(yīng)信號，可以看出諧振頻率為3 MHz時，響應(yīng)信號峰峰值較大，且盆式絕緣子損傷前后峰峰值變化也較大，因此選擇諧振頻率為3 MHz的壓電元件作為實(shí)驗(yàn)用壓電元件。

5.3盆式絕緣子損傷檢測實(shí)驗(yàn)

在盆式絕緣子損傷檢測實(shí)驗(yàn)中，采用十六個諧振頻率為3 MHz的壓電元件構(gòu)成激勵傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)物圖如圖7所示。十六個壓電元件均勻粘貼在盆式絕緣子的周圍，兩個壓電元件之間的間隔約7 cm，等效圖如圖8所示。

圖7　實(shí)際盆式絕緣子的激勵傳感網(wǎng)絡(luò)

圖8　等效盆式絕緣子的激勵傳感網(wǎng)絡(luò)

實(shí)驗(yàn)時由上位機(jī)任選一對相鄰的壓電元件，以中心頻率為100 kHz的信號為激勵信號，對其中一個壓電元件進(jìn)行激勵，另一個壓電元件作為接收端。本次實(shí)驗(yàn)選擇編號為1的壓電元件為激勵端，編號為2的壓電元件為接收端，在B區(qū)域人為制造傷口。分別對盆式絕緣子無傷口、有較小傷口和較大傷口的三種情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，每種情況各采集20組數(shù)據(jù)，其中較小傷口長為1 cm，深為0.3 mm，較大傷口長2 cm，深為0.6 mm。使用數(shù)據(jù)分析處理模塊隨機(jī)導(dǎo)入兩組無傷口數(shù)據(jù)，比較結(jié)果如圖9所示。隨機(jī)導(dǎo)入一組無傷口數(shù)據(jù)和一組有較小傷口數(shù)據(jù)，比較結(jié)果如圖10所示。隨機(jī)導(dǎo)入一組無傷口數(shù)據(jù)和一組有較大傷口數(shù)據(jù)，比較結(jié)果如圖11所示。

圖9　無傷口波形數(shù)據(jù)對比

圖10　無傷口和較小傷口波形數(shù)據(jù)對比

圖11　無傷口和較大傷口波形數(shù)據(jù)對比

從圖中可以看出盆式絕緣子無傷口的情況下，波形數(shù)據(jù)之間差別較小，差值信號峰峰值不超過40 mV；有傷口的情況下，波形數(shù)據(jù)之間差別較大，差值信號峰峰值超過200 mV。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合此規(guī)律，可以認(rèn)為響應(yīng)信號在盆式絕緣子有微小損傷時波形數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變化，本系統(tǒng)可以用來檢測盆式絕緣子的損傷情況。

5.4盆式絕緣子損傷區(qū)域定位實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在另一個盆式絕緣子上進(jìn)行，同損傷檢測實(shí)驗(yàn)一樣，盆式絕緣子被十六個諧振頻率為3 MHz的壓電元件等分成十六個區(qū)域。選用編號為1的壓電元件作激勵端，編號2～16的壓電元件依次作接收端，在無傷口的情況下，各采集存儲20組數(shù)據(jù)。在B區(qū)域人為制造一個長2 cm，深0.6 mm的傷口，同樣選用編號為1的壓電元件作激勵端，編號2～16的壓電元件依次作接收端，各采集存儲20組數(shù)據(jù)。十五個不同接收端壓電元件的響應(yīng)信號在盆式絕緣子損傷前后的平均峰峰值之差如表3所示。

由表3可知，編號為2的壓電元件做接收端時響應(yīng)信號損傷前后的平均峰峰值之差最大，且與其他編號的壓電元件作接收端的情況區(qū)別明顯，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合此規(guī)律，可判定傷口在B區(qū)域。

以上實(shí)驗(yàn)是將壓電元件貼到盆式絕緣子表面進(jìn)行的，在實(shí)際應(yīng)用中盆式絕緣子的環(huán)氧樹脂部分封閉在管道內(nèi)部，無法粘貼壓電元件，因此最好的實(shí)現(xiàn)方法是將壓電元件在盆式絕緣子生產(chǎn)時嵌入絕緣材料邊沿部分，將壓電元件的引線通過盆式絕緣子的工藝孔引出，在巡檢時接上。

表3　十五個不同接收端壓電元件的響應(yīng)信號損傷前后的平均峰峰值之差

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于振動響應(yīng)分析的盆式絕緣子損傷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過粘貼在盆式絕緣子表面的壓電元件激發(fā)Lamb波，利用Lamb波在盆式絕緣子內(nèi)部傳播過程中遇到損傷時傳播特性會發(fā)生改變的特征，采用差值法和閾值判斷法對接收端的Lamb波分析處理判斷出盆式絕緣子內(nèi)部損傷狀況。即當(dāng)盆式絕緣子損傷前后接收端響應(yīng)信號的差值信號峰峰值不超過40 mV時認(rèn)為無傷口產(chǎn)生，當(dāng)差值信號峰峰值超過200 mV認(rèn)為有傷口產(chǎn)生，并根據(jù)激勵傳感網(wǎng)絡(luò)其余接收端差值信號的峰峰值判定損傷區(qū)域。大量實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)對微小損傷敏感，適合對盆式絕緣子的健康狀況檢測。本系統(tǒng)上位機(jī)采用LabVIEW設(shè)計(jì)，操作界面簡單，數(shù)據(jù)處理便捷，方便實(shí)際應(yīng)用，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價值。如何對損傷位置進(jìn)行精確定位以及建立檢測結(jié)果與損傷等級之間的對應(yīng)關(guān)系是未來研究的方向。

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［15］任小芳，賈棟，趙輝，等.基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，28（1）：34-38.

郭翠娟（1975-），女，副教授，現(xiàn)為天津工業(yè)大學(xué)碩士生導(dǎo)師，目前主要從事現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用方向的研究，guocuijuan@tjpu.edu.cn；

榮鋒（1979-），男，副教授，現(xiàn)為天津工業(yè)大學(xué)碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o損檢測，shusheng677@163.com。

Basin Insulator Damage Detection System Based on Vibration Response Analysis*

GUO Cuijuan1，2，YANG Mingzhu1，2，RONG Feng1，2*，CHEN Ning1，2，HUANG Chen1，2，DONG Panhao1，2
（1.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and Systems，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

At present the methods for detecting the basin insulator damage are passive，and there exists a phenomenon of missing.This paper presents a scheme based on anactive excitation type system of Lamb wave for the insulator damage detection.The system generates Lamb wave by exciting the piezoelectrics pasted on the basin insulator surface.When detecting the damage，Lamb wave will change its propagation property in the basin insulator.Using the difference method and the threshold detection method to analyze the property at the receiving end，the internal damage can be determined.The experimental results show that the designed system can accurately detect the tiny damage and identify the damage area as well，which has a good application prospect.

damage detection；basin insulator；Lamb wave；damage location

TN913；TM930

A

1004-1699（2016）10-1606-07

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61405144）

2016-04-27修改日期：2016-06-08