蘇建歡，梁維剛

(1.河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西宜州 546300；2.廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西桂林 541004)

0 引言

輸電線自身的完好對輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。高壓輸電線一般為鋼芯鋁絞線，鋼芯保證其具有良好的韌性，可以實(shí)現(xiàn)較長距離的高空架線。鋁絞線保證其具有良好的導(dǎo)電性，可實(shí)現(xiàn)高壓傳輸[2]。由于高壓輸電線常年暴露在自然環(huán)境中，經(jīng)常遭受雷擊、暴風(fēng)的等惡劣天氣的影響，使得高壓輸電線表面出現(xiàn)裂紋、斷股等現(xiàn)象，長此以往會(huì)導(dǎo)致輸電線斷線，影響企業(yè)的日常生產(chǎn)。因此對高壓輸電線進(jìn)行定期檢測就顯得非常重要，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的高壓輸電線電磁無損檢測系統(tǒng)，其主要是利用電磁感應(yīng)定律原理，將渦流檢測法和漏磁檢測法相結(jié)合，可快速檢測到輸電線有無破損以及準(zhǔn)確定位破損處的位置。

1 檢測原理

電磁無損檢測主要是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，其可以表述為：當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場或相對磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體的內(nèi)部就會(huì)感應(yīng)出電流。此電流在導(dǎo)體內(nèi)部呈漩渦狀流動(dòng)，因此稱為渦流[3-4]。當(dāng)導(dǎo)體本身的結(jié)構(gòu)(形狀、尺寸、缺陷)發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)形成的電流也會(huì)發(fā)生變化，利用此現(xiàn)象來判斷導(dǎo)體有無缺陷的檢測方法就叫渦流無損檢測。渦流檢測原理圖如圖1所示。

圖1 渦流檢測原理圖

渦流檢測法就是將檢測線圈套在輸電線上，檢測線圈中通入交變電流I，此時(shí)會(huì)在檢測線圈的周圍產(chǎn)生交變磁場B。由上述電磁檢測原理可知，此時(shí)輸電線的截面上會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生交變的渦流I1，截面內(nèi)的渦流又會(huì)在它的周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場B1，B1磁場的方向與B磁場方向相反，交變磁場B1會(huì)在檢測線圈感應(yīng)出與之相應(yīng)的電動(dòng)勢。通過測量檢測線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的變化量，就能判斷出磁場B1的變化情況。當(dāng)輸電線結(jié)構(gòu)存在損傷時(shí)，其截面內(nèi)的渦流就會(huì)發(fā)生畸變，從而影響其產(chǎn)生的交變磁場B1，進(jìn)而導(dǎo)致檢測線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的變化，由此變化來反映輸電線中的缺陷。

2 渦流檢測方案

設(shè)計(jì)的輸電線電磁無損檢測系統(tǒng)主要用于檢測鋁絞線的裂紋、斷股等缺陷[5]。系統(tǒng)利用DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率為20～450 kHz的交變正弦信號(hào)，由此信號(hào)去激勵(lì)檢測線圈，再利用鎖相放大技術(shù)提取正交渦流信號(hào)中的幅值與相位信息，然后利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器對此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行分析處理后得出輸電線缺陷的位置。

2.1 渦流檢測線圈設(shè)計(jì)

檢測線圈的設(shè)計(jì)必須要便于安裝，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩半式渦流檢測線圈，檢測線圈分為上下兩半，安裝時(shí)直接夾在輸電線上，上下部分分別由2個(gè)閉合的線圈組成，檢測示意圖如圖2所示[6]。

圖2 檢測示意圖

L1、L3為渦流檢測線圈上半部分的2個(gè)閉合線圈，L2、L4為渦流檢測線圈下半部分的2個(gè)閉合線圈，將L1、L2線圈配置為激勵(lì)線圈，L3、L4配置為傳感線圈。實(shí)際使用時(shí)，將激勵(lì)線圈通入交變的正弦波信號(hào)以產(chǎn)生磁場B，傳感線圈則因互感現(xiàn)象產(chǎn)生渦流，由此渦流感應(yīng)產(chǎn)生磁場B1，傳感線圈在渦流和磁場B1共同作用下輸出1個(gè)高頻正弦信號(hào)，利用鎖相放大器對此高頻信號(hào)進(jìn)行處理，以得到輸電線的損傷信息。

2.2 激勵(lì)信號(hào)電路

系統(tǒng)利用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生檢測線圈所需的交變正弦波激勵(lì)信號(hào)，所選用的DDS芯片AD9850，其采用CMOS工藝，其在+3.3 V供電時(shí)功耗僅為155 mW。系統(tǒng)設(shè)計(jì)2路DDS信號(hào)，一路用于驅(qū)動(dòng)檢測線圈，另一路作為鎖相放大電路的參考信號(hào)，以下分析以一路檢測線圈的激勵(lì)信號(hào)為例[7]。硬件電路如圖3所示。

圖3 DDS產(chǎn)生正弦波電路

系統(tǒng)選用并行的控制方式，將數(shù)據(jù)輸入到AD9850內(nèi)，圖4為控制時(shí)序圖，8位數(shù)據(jù)總線D0～D7將數(shù)據(jù)裝載到寄存器中，在等待5個(gè)W_CLK信號(hào)之后，將FQ_UD拉到高電平，開始將數(shù)據(jù)載入到寄存器中，以此循環(huán)往復(fù)地加載數(shù)據(jù)。

圖4 并行輸入控制時(shí)序圖

為了在輸電線結(jié)構(gòu)中激勵(lì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場，需要對DDS輸出的正弦波信號(hào)進(jìn)行功率放大，系統(tǒng)選用推挽式功率放大電路對檢測線圈進(jìn)行功率放大，電路如圖5所示。

圖5 功率放大電路

電路當(dāng)中R24、R25、D6、D8為Q5、Q6提供直流偏置，使兩管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，避免交叉失真。

2.3 正交鎖相放大電路

正交鎖相放大電路主要是由信號(hào)調(diào)理電路、相敏解調(diào)電路以及低通濾波電路組成[8]。當(dāng)檢測線圈通過輸電線時(shí)，若輸電線表面存在斷股、裂紋等情況時(shí)，檢測線圈輸出信號(hào)的幅值和相位也會(huì)隨之改變，通過提取檢測線圈信號(hào)中幅值、相位數(shù)據(jù)，就可以得到輸電線裂紋、斷股等信息。由于檢測線圈的阻抗值為矢量，可以將其細(xì)化為實(shí)部、虛部，可表示為電阻分量R和感抗分量XL，表達(dá)式為

Z=R+jXL

(1)

將阻抗線圈的阻抗信號(hào)正交分解，即可得到電阻分量R和感抗分量XL，正交鎖相放大電路原理如圖6所示。

圖6 正交鎖相放大電路原理圖

DDS產(chǎn)生的信號(hào)，一方面作為相敏檢測電路的參考信號(hào)U1，將此信號(hào)移相90°后再作為另一路相敏檢測電路的參考信號(hào)U2。而檢測線圈輸出的信號(hào)經(jīng)精密放大電路后得到Us，該信號(hào)作為2路相敏檢測電路的輸入信號(hào)[9]。設(shè)檢測線圈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為

U0=U1=U1sin(ωt+β)

(2)

式中：V1為參考信號(hào)的U1幅值，以下同理；Vs為信號(hào)Us的幅值。

檢測線圈輸出的信號(hào)經(jīng)精密放大電路后得到Us：

Us=Vs=sin(ωt+α)

(3)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)移相90°后的參考信號(hào)U2

(4)

由相敏檢測電路原理可得：

(5)

(6)

由式(5)、式(6)可知，2路相敏檢測電路的輸出信號(hào)包含直流分量和高頻分量，當(dāng)其通過低通濾波器之后可得：

(7)

(8)

式中：Vs為傳輸線結(jié)構(gòu)裂紋信號(hào)的幅值信息；α為裂紋信號(hào)的相位信息，線圈中的信號(hào)經(jīng)過正交相敏解調(diào)后可得到輸出信號(hào)中的實(shí)部UR和虛部UX。

相敏檢測電路選用四象限模擬乘法器AD734BQ，其具有直接除法模式、高精度(0.1%誤差)、低失真、低噪音、高速等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，AD734BQ輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波電路之后再送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。硬件電路如圖7所示。

圖7 相敏檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用ARM微控制器STM32F439，采用Keil作為編譯工具，利用C語言編程。系統(tǒng)軟件主要包括DDS波形產(chǎn)生程序、A/D轉(zhuǎn)換程序以及傳輸程序等。當(dāng)系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復(fù)位操作，然后由單片機(jī)控制產(chǎn)生DDS正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，相敏解調(diào)電路輸出的信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)在內(nèi)部對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終得到輸電線缺陷的位置信息系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)軟硬件要求研制完系統(tǒng)之后，開始驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。在實(shí)驗(yàn)室條件下，用一根長20 cm的鋁絞線當(dāng)作實(shí)際的輸電線，在鋁絞線的中間位置處(約10 cm處)用銼子錯(cuò)開一個(gè)V型缺口。將檢測線圈套在鋁絞線上，保持檢測線圈緩慢移動(dòng)，全程掃描20 cm，檢測示意圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)檢測示意圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)DDS激勵(lì)信號(hào)的頻率設(shè)置為f=30 kHz，檢測線圈輸出的信號(hào)經(jīng)相敏解調(diào)和低通濾波電路之后送入單片機(jī)的A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終可在上位機(jī)界面上觀察到所采集的電壓信號(hào)經(jīng)正交分解后的實(shí)部和虛部，圖10為實(shí)部曲線，圖11為虛部曲線。

圖10 采集信號(hào)實(shí)部

圖11 采集信號(hào)虛部

由圖10、圖11可知，在鋁絞線10 cm處采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生較大波動(dòng)，可以判斷出輸電線結(jié)構(gòu)在此處存在損傷。由于上述信號(hào)存在較大的干擾，為了得到更加精確的數(shù)據(jù)，需要利用小波算法對信號(hào)進(jìn)行去噪處理。激勵(lì)信號(hào)頻率為f=120 kHz時(shí)，經(jīng)過小波去噪后，系統(tǒng)輸出的虛實(shí)部曲線分別如圖12、圖13所示。

圖12 激勵(lì)源為120 kHz，經(jīng)小波去噪后信號(hào)的實(shí)部

圖13 激勵(lì)源為120 kHz，經(jīng)小波去噪后信號(hào)的虛部

由圖12、圖13可知，經(jīng)小波去噪后得到的數(shù)據(jù)曲線明顯光滑很多，濾波效果更好；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率上升到120 kHz時(shí)，在輸電線缺陷處的畸變變得更大，可以更加準(zhǔn)確地得到輸電線結(jié)構(gòu)損傷的位置信息，約在10 cm處，與實(shí)際損傷位置基本保持一致。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種輸電線電磁無損檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用正交鎖相放大技術(shù)提取檢測線圈輸出信號(hào)中的相位、幅值數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)分析得出輸電線缺陷、裂紋的位置；利用DDS技術(shù)產(chǎn)生高精度的激勵(lì)信號(hào)，確保激勵(lì)線圈驅(qū)動(dòng)信號(hào)的精度。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測出輸電線結(jié)構(gòu)是否存在缺陷、裂紋等現(xiàn)象，還可快速定位出缺陷的位置信息，極大提高了輸電線路檢修的效率。