基于嵌入式技术的瓷绝缘子超声探伤仪设计

姜仲秋

(淮安信息职业技术学院,江苏淮安 223003)

基于嵌入式技术的瓷绝缘子超声探伤仪设计

姜仲秋

(淮安信息职业技术学院,江苏淮安 223003)

为了用电设备的安全,设计了基于嵌入式处理器的瓷绝缘子超声探伤测试仪,实现人机图形界面以及测试数据的采集、显示、存储与数据处理的智能化.设计结果表明,该测试仪性能稳定、数据处理速度快,测量精度高.

瓷绝缘子;超声探伤;测试仪

0 引言

瓷绝缘子是城乡供用电系统中重要的组成设备,起着支撑导线和绝缘作用,由于其韧性很低,在长期运行中,由于承重的机械负荷大及恶劣的外部环境(如大风、雨雪)等原因,使其附加应力增大.若支柱瓷绝缘子存在微小缺陷,就可能发生断裂,造成人身伤害、设备损坏[1-3].因而,对支柱瓷绝缘子进行超声探伤检测研究,能及时发现高压绝缘子的内部缺陷,对防止运行中的突然断裂具有重要作用.目前国外只有美国、德国等少数厂商生产瓷绝缘子超声探伤仪,而且价格昂贵.国内广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司的CTS-9008瓷绝缘子超声探伤仪虽属于其自主研发的数字化产品,其核心为DSP信号处理器.国内未见基于嵌入式SOC技术研发的瓷绝缘子超声探伤仪出售.

本文探讨了基于嵌入式SOC技术的超声探伤仪的设计,对促进嵌入式技术在瓷绝缘子超声探伤仪中的应用具有一定的意义.

1 超声波检测原理

超声波检测法是广泛应用于材料探伤的常用方法,也是最早用于复合材料无损评价的方法之一.其原理是利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷,如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等.超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点.超声探伤采用的超声波是频率大于20 kHz的弹性振动波,最常用的频率是0.5～10MHz.超声波在异质材料之间传播时,由于异质材料的声学性质不同,超声波从一种物质透射进入另一种物质时,会在异质界面处返回一个界面回波,即异质界面特征回波.超声波在界面被反射的程度决定于两种介质的声阻差(介质的声阻等于介质的密度和声速的乘积),声阻差越大则反射程度越大.超声探伤时,探伤仪发出高频脉冲电信号加在探头的压电晶片上,由于压电效应,晶片产生弹性形变,从而产生超声波;超声波经耦合后传入被探的绝缘子工件中,遇到异质界面时产生反射,反射回来的超声波同样作用到探头上,正压电效应使探头晶片上产生放电信号.通过分析晶片上的电信号,就可以知道被探工件中的缺陷等信息.超声探伤有纵波斜角超声波检测和爬波超声波检测.纵波斜角超声波检测速度较慢,但可检测瓷件的中心部位,爬波检测速度较快,探测表面下1～15mm的裂纹非常敏感.由于受到变电站停电时间的限制,在超声波现场检测多用爬波检测[4].在进行测量前,先要利用标准试块,作出DAC(Distance-Amplitude-Calibrate)曲线,DAC曲线显示了距离不同缺陷位置的反射波幅值,通过对比测量波形和DAC曲线来判断被测试品中是否有缺陷.

本文提出的基于嵌入式技术的瓷绝缘子的超声波探伤检测方法为首先向被检工件的检测面发射SH波,使用横波耦合剂将探头与被检工件的待检测面耦合,用探头在待检测面上进行扫查,使用瓷绝缘子试块调整所述探头的基准灵敏度和扫查灵敏度,检测待检测面的反射波,并将第一次接收到的反射波高达到缺陷设定值的反射波记录为缺陷信号,测量所述缺陷的长度,对反射波波高达到预设的高度的绝缘子予以判废,低于预设值的工件判为合格.

2 系统总体设计

本文采用嵌入式SOC技术设计的智能化新型瓷绝缘子超声探伤仪.其关键技术是利用以ARM为核的嵌入式处理器联结外围设备实现回波信号数据的高速采集、二次小波平滑化处理形成直观缺陷图.利用嵌入式OS基于Flash的文件系统实现大容量数据存储,并可通过USB接口转存至PC机数据库中进行探测数据的永久保存与有效管理.考虑智能仪器的低功耗与便携性的要求,采用彩色触摸屏显示设计,提供友好的人机界面.

2.1 系统硬件设计

图1 瓷绝缘子探伤仪硬件设计方案

嵌入式瓷绝缘子超声探测仪硬件框图如图1所示.本系统采用ARM+FPGA的架构,充分利用ARM的超强处理能力和丰富的接口,实现多通道的信号传输;通过软件设置功能,方便地对输出信号进行配置.FPGA是一种非常灵活的可编程逻辑器件,可以像软件一样编程来配置,从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发,提高了系统效率.而利用uC/OS,可以方便地开发和扩展应用程序,根据用户的需求,及时方便地开发产品的功能.ARM 7选取SEP3203,它是基于ARM 7核的一款处理器,其工作频率达到400MHz,可以极大地提高系统的运行速度,这个频率能够使处理器轻松地运行在WindowsCE,Linux等操作系统上,可以大大减少软件开发时间;SEP3203强大的内部中断,便于TCP/IP的轮询调用;SEP3203有117个通用可编程多功能的I/O端口可方便与以太网控制器RTL8019AS连接;SEP3203有着丰富的外设资源,可以大大简化外围电路中的扩展部分,降低了系统的复杂度;FPGA选用的是Cyclone EP1C6,它是Altera推出的一款高性价比FPGA,其密度为5 980个逻辑单元(LE),包含20个128＊36 bit的RAM块(M 4K模块),总的RAM空间达到92 160 bit,内嵌2个锁相环(PLL)电路和一个用于连接SDRAM的特定双数据率接口,工作频率高达20MHz,用户可用I/0管脚为185个,很好地满足了系统需要[5,6];SDRAM选用SAMSUNG公司的 K4S561632D,它是4M＊l6bit＊4bank的同步DRAM,容量为32MB.用2片K4S561632D并联构建32位SDRAM存储器系统,其中一片为高16位,另一片为低16位,使数据总线宽度达到32 bit,总容量达到64MB.

2.2 系统的软件设计

2.2.1 信号预处理

采集到的回波,受到各种因素的影响,不可避免地会受到影响,因此系统首先需要对波形作去噪处理,采用的方法是小波去噪.

小波变换去噪是小波变换的一个典型应用.本文采用对称小波对信号的突变局部点的定位能力强,不存在位移,同时通过信号的相邻细节系数的变换,得到一组新的细节系数,这组新的系数所含的噪声能被充分地抑制.如图2所示,原始含噪信号经过各个细节处理后其中的噪声大部分被消除,突变部分信号被加强.

图2 信号处理过程

2.2.2 信号变换与识别

将已经去除噪声的信号进行检测所需的处理,根据模型多角度捕捉回波信号所携带的关于瓷绝缘子缺陷的特征量,从信号强度、幅度、时延、相位、相关性等多方面进行单独或综合处理,包括增益控制、衰减补偿、求信号包络线等.超声信号经接收部分放大后,由模数转换器变为数字信号传给嵌入式处理器,处理后在嵌入式处理器内部开辟空间暂存.因换能器的位置由人工操作,受损位置由小波变换并转为数字传给处理器,对于幅度信号专门设计电子开关,采用峰值保持,抽样量化的数字化处理方案[7,8].处理器再把随时间和位置变化的超声波形进行适当处理,得出设置有关参数或将处理结果波形、图形等在屏幕上显示或给出光、声识别及报警信号.

3 系统测试结果与分析

经过实际测试,本设计指标达到如下性能指标.检测范围:2 500～5 000mm;扫描分辨率:0.1mm(2.5～100mm);1mm(100～5 000mm);增益范围 :0～100 db;补偿范围 :0～100 db;动态范围 :≥32 db;分辨率:≥36 db;灵敏度余量:≥60 db;杂波抑制范围:0～90%;垂直线性误差:≤3%;水平线性误差:≤0.1%;探头零点:0～99μs.某次测量得到的DAC曲线如图3所示.

4 结束语

本文采用嵌入式处理器为核心,基于嵌入式SoC技术,设计了一种新型的瓷绝缘子超声探伤仪.通过嵌入式系统开发平台,完成了系统的硬件和软件设计.该项目产品主要创新之处主要体现为:采用嵌入式处理器联结外围设备实现回波信号数据的高速采集;利用插值归一、基色交调方法、二次小波平滑化处理等手段形成可读性强的直观缺陷图;利用嵌入式OS基于Flash文件系统实现大容量数据存储,并可通过USB接口转存至PC机数据库中进行探测数据的永久保存与有效管理.本设计具有系统人机界面友好,测试响应速度快,操作简单等优点.目前,基于该技术的超声波探伤仪已经投入批量生产,获得良好的社会和经济效益.

图3 测量DAC曲线

[1] 杨守东.户外高压瓷瓶断裂的综合分析及防护措施[J].吉林电力技术,l995(3):52-55.

[2] 吴光亚,姚忠森.高压支柱瓷绝缘子运行事故分析 [J].电瓷避雷器,2002(5):22-24.

[3] 田新民,曾庆立.瓷瓶断裂原因及防护措施[J].东北电力技术,2002,23(4):43-44.

[4] 王勇,印华,王谦,等.超声法在支柱瓷绝缘子探伤中的应用 [J].电瓷避雷器.2007(3):5-6.

[5] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发:基于ARM微处理器与μC/OS-Ⅱ实时操作系统[M].北京:清华大学出版社,2002.

[6] 俞建新.嵌入式应用程序开发综合实验9例:基于博创ARM300教学平台和各类手持设备 [M].北京:清华大学出版社,2004.

[7] 顾咏枫,陈章龙.嵌入式Linux裁剪方法 [J].小型微型计算机系统,2003,24(9):1697-1700.

[8] 李晓红,王敏.支柱瓷绝缘子的超声检测有效性[J].中国电机工程学报,2005,9(26):159-163.

Abstract:For protecting Electronic device,the testerof porcelain insulator ultrasonic detection based on embedded technology was designed,which function included:test data gathering,demonstration,storaging and intellectualization.The design result showed,the device takeon stable performance,high data processing speed andmeasuring accuracy.

Key words:porcelain insulator;ultrasonic detection;tester

[责任编辑:蒋海龙]

Design of Tester of Porcelain Insulator Ultrasonic Detection Based on Embedded Technology

JIANG Zhong-qiu

(Huaian College of Information Technoloy,Huaian Jiangsu 223001 China)

TM216;TH878

A

1671-6876(2010)06-0492-04

2010-07-22

江苏省科技厅企业创新基金项目(BC2007127)

姜仲秋(1962-),男,江苏淮安人,副教授,高级工程师,硕士,主要从事计算机软件应用、嵌入式系统及智能仪器等研究.