基于振动响应分析的盆式绝缘子损伤检测系统*

郭翠娟，杨明珠，荣　锋*，陈　宁，黄　晨，董攀浩

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387）

基于振动响应分析的盆式绝缘子损伤检测系统*

郭翠娟1，2，杨明珠1，2，荣锋1，2*，陈宁1，2，黄晨1，2，董攀浩1，2

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387）

目前盆式绝缘子损伤检测方法为被动式，且存在漏检现象。提出了一种基于Lamb波的主动激励式盆式绝缘子损伤检测系统的设计方案。该系统通过粘贴在盆式绝缘子表面的压电元件激发Lamb波，利用Lamb波在盆式绝缘子内部传播过程中遇到损伤时传播特性会发生改变的特征，通过差值法和阈值判断法对接收端的Lamb波分析处理判断出盆式绝缘子内部损伤状况。试验结果表明所设计的系统能够准确的检测出微小损伤并确定损伤区域，具有良好的应用前景。

损伤检测；盆式绝缘子；Lamb波；损伤定位

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

气体绝缘变电站与传统敞开式变电站相比，有着可靠性高、损耗小、占地少、噪音小等诸多优点，在世界各地有着广泛的运用［1-2］。其中采用环氧树脂制作的盆式绝缘子将多个绝缘间隔连接起来，组成一个完整的气体绝缘变电站［3］。

盆式绝缘子作为气体绝缘变电站不可缺少的重要部件，当其结构有损伤时，会引起局部放电现象，严重时会引起绝缘击穿，造成大面积停电，导致的损失不可估量［4］。因此其结构健康检测对实现工业安全生产、延长变电设备使用寿命有着重大意义。

目前检测盆式绝缘子损伤的方法为被动式，主要有电测法和非电测法两大类［5］。电测法主要包括脉冲电流法和超高频法。脉冲电流法虽然可以对局部放电进行定量测量，但易受外界电磁干扰影响；超高频法能有效避开外界电磁干扰影响，但该方法的硬件和软件都还不成熟，还需进一步研究。非电测法主要包括光学检测法、声学检测法和化学检测法。光学检测法必须采用内置光纤传感器，且检测的灵敏度较低；声学检测法可以通过外置传感器对盆式绝缘子的损伤进行定位，但是声信号较微弱、衰减严重使该方法检测的灵敏度也较低；化学检测法通过分析腔体的气体可以判断出盆式绝缘子的状况，但是检测出损伤状况所用的时间较长且无法实现在线检测。

针对以上问题，本文设计了一种基于振动响应分析的盆式绝缘子损伤检测系统。通过大量实验验证本系统能够准确检测出微小损伤并确定损伤区域。

1　基本原理

声波在无限均匀的各向同性弹性介质中，只有横波和纵波各自传播，没有互相耦合［6］。当声波在板中传播，横波波数同纵波波数相等时，横波与纵波产生共振形成Lamb波［7-8］。

Lamb波在传播过程中衰减慢，传播距离远，且对结构中微小损伤十分敏感［9］。这些特征使基于Lamb波的主动损伤检测技术在航空航天、船舶等工程领域有着广泛的运用［10，11］。基于Lamb波的主动损伤检测技术实现步骤是：首先选取合适的激励信号激励压电元件发出Lamb波信号；其次从结构上不同位置的压电元件接收Lamb波信号；最后对接收到的Lamb波信号进行分析，对结构的损伤状况作出判断。

2　系统总体设计

本设计是基于振动响应分析的盆式绝缘子损伤检测系统，原理框图如图1所示。

图1　系统原理框图

系统主要由激励信号发生器、功率放大电路、八路激励/采集信号选择电路、激励传感网络、电荷放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路和上位机系统组成。上位机系统主要用于实现波形显示存储和数据分析处理功能，同时上位机系统可以与单片机控制电路进行串口通信，控制激励/采集信号的选择和功率放大电路电源的开关。

3　系统硬件设计

本系统硬件方面主要由激励信号发生器、功率放大电路、单片机控制电路、八路激励/采集信号选择电路、激励传感网络、电荷放大电路和AD转换电路组成。系统硬件的设计思路是：首先在盆式绝缘子表面安装多对压电元件构成激励传感网络；其次将激励信号发生器发出的信号接入功率放大电路，生成高频大电压激励信号，并把此信号施加至激励端压电元件，在盆式绝缘子表面激发出Lamb波；再次由接收端压电元件接收在盆式绝缘子中传播的Lamb波，并将其转化为电信号，传输到下一级的电荷放大电路中；最后被放大的接收端信号通过AD转换电路转换后送入上位机系统。

3.1激励信号发生器

激励信号选择时，要求其能激发出对微小损伤变化敏感的Lamb波，以便在响应信号波形中观察到由于损伤导致的波形变化。常用的激励信号根据频率宽度可分为频率宽带、频率窄带和单频激励信号三种［12］。频率宽带激励信号所激发出的Lamb波虽然对结构损伤敏感，但其频率成分复杂，不易分析；单频激励信号产生的Lamb波频率成分简单，但对损伤不敏感；而窄带激励信号的效果介于二者之间，因此成为结构探伤相关领域研究工作中首选的激励信号［13］。

本文所使用的激励信号为窄带激励信号，信号时域描述为式（1），fc为信号频率，H（t）为Heaviside阶梯函数，N为正弦信号波峰数，相关研究表明，N取值为5最为合适。信号的频率需要根据被测对象材质不同来选择，后面的实验部分会详细说明。时域上，除正弦调制信号周期外，还加有一段时间的0 V电压信号，使多次重复激励时，下一次激发的Lamb波不会与前一次激发产生而未衰减完的波相叠加，减小分析难度。按此思路由激励信号发生器产生的激励信号如图2所示。

图2　激励信号

3.2功率放大电路

本系统功率放大电路选用的芯片是PA85。PA85是一种高电压、高精度的MOSFET运算放大器，它的压摆率为1 000 V/μs，满足激励信号的要求［14］。功率放大电路主要由输入信号防反接电路、供电快速恢复电路和相位纠正电路组成，其原理图如图3所示。其中D1、D2二极管起到防止输入信号反接的作用；D5、D6二极管起到供电快速恢复的作用；R2、C2起到相位纠正的作用。

图3　功率放大电路原理图

3.3单片机控制电路

单片机控制电路选用STC89C52为主控芯片，通过软件指令赋予IO口高电平或低电平来控制功率放大电路电源的开关和激励/采集信号的选择。

3.4八路激励/采集信号选择电路

八路激励/采集信号选择电路由十六个独立的继电器组成，其中八个继电器控制八路激励信号的选通，另外八个继电器控制八路采集信号的选通。在采集过程中单片机控制电路发出的指令只会选通一路激励信号和一路采集信号。

3.5电荷放大电路

接收压电元件可以把盆式绝缘子中传播的Lamb波转化为电信号，但是此电信号特别微弱，必须经过电荷放大电路才能送入AD转换电路。电荷放大电路原理图如图4所示，其中电容C5起到信号耦合的作用，R3、R6、R2、R5和TLC27L2构成反相比例放大电路。

图4　电荷放大电路原理图

因为压电元件输出阻抗很高，所以本电路选用的运放是具有高输入阻抗的TLC27L2。它有较低的偏置电压和偏移电流，较高的压摆率，并且输出设有短路保护，非常适合应用在电荷放大电路中。

3.6AD转换电路

AD转换电路采用的是阿尔泰公司的PCI8502数据采集卡。PCI8502数据采集卡有12位的采样转换精度，其采样率最高可达到40 MHz，并且支持多种触发方式，满足本系统的需要。

4　上位机系统设计

上位机系统是基于LabVIEW的操作平台，主要用于实现波形显示存储和数据分析处理的功能，同时上位机系统可以与单片机控制电路进行串口通信，控制激励/采集信号的选择和功率放大电路电源的开关［15］。上位机系统操作界面如图5所示。

图5　上位机系统操作界面

4.1波形显示存储模块

波形显示存储模块可实现四个通道数据波形的同时显示和存储。此模块也可以实现调节单次采样点数、采样率和采样触发模式等功能，工作模式灵活。

4.2数据分析处理模块

数据分析处理模块通过对比分析新采集的波形数据与原始存储的无损波形数据得出盆式绝缘子的损伤情况。此模块从存储的波形数据中提取数据采用的方法是：先以最大值为中点，左右各取1 200个点为一个周期的波形数据，后以同样的方法提取100个周期并将其加和求平均，以减少数据的偶然误差。数据分析部分会对如何得出盆式绝缘子的损伤情况作具体阐述。

4.3串口通信模块

串口通信模块是通过虚拟仪器软件架构VISA（Virtual Instruments Software Architecture）来实现的，主要用于控制激励/采集信号的选择和功率放大电路电源的开关。激励/采集信号的选择是通过操作自定义枚举控件向单片机发出相应指令实现的。由于在功率放大电路电源打开的情况下切换激励传感器容易烧毁功率放大电路芯片，因此在点击开始采集的同时，通过串口发出指令打开功率放大电路电源；点击停止采集的同时，通过串口发出指令关闭功率放大电路电源，并且使激励/采集信号选择选板在数据采集过程中失效。

5　实验及数据分析

由于激励信号的中心频率和压电元件的谐振频率直接影响到系统的测试效果，因此本文首先进行了选择最佳中心频率的激励信号和最佳谐振频率的压电元件的实验。在选定激励信号的中心频率和压电元件的谐振频率后，对盆式绝缘子无伤口、有较小伤口和较大伤口的三种情况分别进行了大量实验，实验平台如图6所示。通过对实验波形数据进行分析，验证了本系统可以准确检测出盆式绝缘子伤口并且能定位损伤区域。

图6　实验平台

5.1激励信号中心频率选择实验

在实际应用中，最佳激励信号的中心频率由被测对象的材料、形状等因素决定。本文通过大量的实验对激励信号的中心频率进行选择。实验时对同一谐振频率的压电元件施以不同中心频率的激励信号，记录被测盆式绝缘子有较小伤口时响应信号前后的峰峰值变化，表1为部分实验结果。

表1　不同激励信号下损伤前后响应信号峰峰值

通过比较表1中不同中心频率的激励信号得到的响应信号，可以看出中心频率在100 kHz时，响应信号峰峰值较大，且盆式绝缘子损伤前后峰峰值变化也较大，因此选择中心频率为100 kHz的激励信号作为实验用信号。

5.2压电元件谐振频率选择实验

本文在保证每对压电元件相对位置相同且在同一盆式绝缘子的前提下，做了大量实验对压电元件谐振频率进行选择。实验时对不同谐振频率的压电元件施以中心频率为100 kHz的激励信号，记录被测盆式绝缘子有较小伤口时响应信号前后的峰峰值变化，表2为部分实验结果。

表2　不同压电元件下损伤前后响应信号峰峰值

通过比较表2中不同谐振频率的压电元件得到的响应信号，可以看出谐振频率为3 MHz时，响应信号峰峰值较大，且盆式绝缘子损伤前后峰峰值变化也较大，因此选择谐振频率为3 MHz的压电元件作为实验用压电元件。

5.3盆式绝缘子损伤检测实验

在盆式绝缘子损伤检测实验中，采用十六个谐振频率为3 MHz的压电元件构成激励传感网络，实物图如图7所示。十六个压电元件均匀粘贴在盆式绝缘子的周围，两个压电元件之间的间隔约7 cm，等效图如图8所示。

图7　实际盆式绝缘子的激励传感网络

图8　等效盆式绝缘子的激励传感网络

实验时由上位机任选一对相邻的压电元件，以中心频率为100 kHz的信号为激励信号，对其中一个压电元件进行激励，另一个压电元件作为接收端。本次实验选择编号为1的压电元件为激励端，编号为2的压电元件为接收端，在B区域人为制造伤口。分别对盆式绝缘子无伤口、有较小伤口和较大伤口的三种情况进行数据采集实验，每种情况各采集20组数据，其中较小伤口长为1 cm，深为0.3 mm，较大伤口长2 cm，深为0.6 mm。使用数据分析处理模块随机导入两组无伤口数据，比较结果如图9所示。随机导入一组无伤口数据和一组有较小伤口数据，比较结果如图10所示。随机导入一组无伤口数据和一组有较大伤口数据，比较结果如图11所示。

图9　无伤口波形数据对比

图10　无伤口和较小伤口波形数据对比

图11　无伤口和较大伤口波形数据对比

从图中可以看出盆式绝缘子无伤口的情况下，波形数据之间差别较小，差值信号峰峰值不超过40 mV；有伤口的情况下，波形数据之间差别较大，差值信号峰峰值超过200 mV。大量实验数据均符合此规律，可以认为响应信号在盆式绝缘子有微小损伤时波形数据发生明显变化，本系统可以用来检测盆式绝缘子的损伤情况。

5.4盆式绝缘子损伤区域定位实验

本实验在另一个盆式绝缘子上进行，同损伤检测实验一样，盆式绝缘子被十六个谐振频率为3 MHz的压电元件等分成十六个区域。选用编号为1的压电元件作激励端，编号2～16的压电元件依次作接收端，在无伤口的情况下，各采集存储20组数据。在B区域人为制造一个长2 cm，深0.6 mm的伤口，同样选用编号为1的压电元件作激励端，编号2～16的压电元件依次作接收端，各采集存储20组数据。十五个不同接收端压电元件的响应信号在盆式绝缘子损伤前后的平均峰峰值之差如表3所示。

由表3可知，编号为2的压电元件做接收端时响应信号损伤前后的平均峰峰值之差最大，且与其他编号的压电元件作接收端的情况区别明显，大量实验数据均符合此规律，可判定伤口在B区域。

以上实验是将压电元件贴到盆式绝缘子表面进行的，在实际应用中盆式绝缘子的环氧树脂部分封闭在管道内部，无法粘贴压电元件，因此最好的实现方法是将压电元件在盆式绝缘子生产时嵌入绝缘材料边沿部分，将压电元件的引线通过盆式绝缘子的工艺孔引出，在巡检时接上。

表3　十五个不同接收端压电元件的响应信号损伤前后的平均峰峰值之差

4　结语

本文设计了一种基于振动响应分析的盆式绝缘子损伤检测系统，该系统通过粘贴在盆式绝缘子表面的压电元件激发Lamb波，利用Lamb波在盆式绝缘子内部传播过程中遇到损伤时传播特性会发生改变的特征，采用差值法和阈值判断法对接收端的Lamb波分析处理判断出盆式绝缘子内部损伤状况。即当盆式绝缘子损伤前后接收端响应信号的差值信号峰峰值不超过40 mV时认为无伤口产生，当差值信号峰峰值超过200 mV认为有伤口产生，并根据激励传感网络其余接收端差值信号的峰峰值判定损伤区域。大量实验表明本系统对微小损伤敏感，适合对盆式绝缘子的健康状况检测。本系统上位机采用LabVIEW设计，操作界面简单，数据处理便捷，方便实际应用，具有很好的应用前景和推广价值。如何对损伤位置进行精确定位以及建立检测结果与损伤等级之间的对应关系是未来研究的方向。

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郭翠娟（1975-），女，副教授，现为天津工业大学硕士生导师，目前主要从事现代通信网络、嵌入式系统与应用方向的研究，guocuijuan@tjpu.edu.cn；

荣锋（1979-），男，副教授，现为天津工业大学硕士生导师，主要研究方向为无损检测，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

项目来源：国家自然科学基金项目（61405144）

2016-04-27修改日期：2016-06-08