基于Labview的超声局部放电检测仪声音模块设计

李莹莹，焦超群，王 飞

（1.北京交通大学 北京100044；2.华北电力大学 北京102206）

基于Labview的超声局部放电检测仪声音模块设计

李莹莹1，焦超群1，王 飞2

（1.北京交通大学 北京100044；2.华北电力大学 北京102206）

局部放电超声波检测已广泛应用于高压电气设备故障诊断中，在超声局放检测仪开发前，需要通过软件对其发声模块进行仿真分析。本文基于Labview图形化软件，通过数字包络检波及频率调制原理设计出声音仿真模块，并详解了前面板功能及参数设置，最后通过实验对程序中各个功能进行检验，结果表明程序能够准确计算脉冲包络信号并完成频移，进而实现声音仿真功能，具有极高的研究及应用价值。

Labview；局部放电；超声波；包络；发声

气体全封闭组合器（GIS）及变压器是电力系统中的重要设备，其安全稳定运行对电网的安全可靠性至关重要[1]。这些设备故障多为绝缘故障，而局部放电往往是绝缘故障的征兆[2]。局部放电发生时会伴有超声信号的产生，局部放电超生波检测由于具有较高的灵敏度及较强的方向性常被用于故障诊断与故障定位[3-4]。

局部放电超声波检测仪往往通过观察信号峰值、有效值、频率成分、飞行图等来判断局部放电，而且还通过听声音进行判断，局部放电超声信号频谱往往集中在40～200 kHz范围内[5-6]，根据香浓采样定理，采集卡的采样率至少在400 kHz以上才能采到完整的局部放电信号，为了控制采集装置成本以及获得人耳可辨别的声音信号（20～20 kHz），往往要对超声传感器产生的高频信号进行降频处理，但通过降频处理后的信号往往不在人耳可听的频率范围内，可通过频率调制将信号调制到人耳可听范围内[7]。

国内外目前已有针对超声波信号降频的硬件处理方法，但在实际应用中人们常常还需要对通过示波器和超声传感器采集到的超声数字信号进行处理与分析[8-9]，以及在开发硬件前需对硬件参数进行调试评估，而这些需求在现有的硬件上均无法实现，因此开发局部放电超声波检测仪虚拟功能模块具有十分重要的意义。

文中基于Labview虚拟仪器开发环境[10]，设计了局部放电超声检测仪的音频输出模块，通过对示波器和超声传感器采集到的局部放电超声数字信号进行包络检波及调频处理，并将处理后的信号进行音频输出，通过实验对设计的仿真模型进行验证。

1 信号处理原理

1.1 局部放电超声信号流程

局部放电超声检测仪主要由传感器、放大器、检波器、扬声器、峰值检测等模块组成，信号路径流程如图1所示。

图1 信号流程图

1.2 包络检波原理

根据信号调幅原理可知，脉冲信号可以看成是信号包络（调幅波）和高频载波信号混合而成，可用式（1）表示，其中x（t）为脉冲信号，u（t）为调幅波，v（t）为高频载波，载波频率为2πf0。

将采集到的信号x（t）进行90o移相，得到信号y（t），如式（2）所示：

通过式（3）即可得到调副波u（t），即脉冲信号的包络波形：

通过上述信号处理方法可滤掉了脉冲信号中的高频载波，从而得到反映信号包络的调幅波，达到降频的目的。

在数字信号处理中往往通过离散希尔伯特变换对离散数据进行90o移相[11-12]，即x（t）通过希尔伯特变换可得到y（t），其变换基本原理如下：

其中，U（w）为信号的频谱序列，

根据卷积定理，可得到时域方程等式如下：

其中，u（n）为信号的时域序列，

其中k=0，1，2，3，4……

通过上述包络提取原理可以的到脉冲信号的包络，为了祛除包络信号中的高频干扰，对包络检波信号进行低通滤波处理。

1.3 频率调制原理

由于人耳可听的声音频率范围为20 Hz～20 kHz，通过检波后的包络信号其频率并不一定在人耳可听声音频率范围内，通过频率调制可将包络信号频率移至人耳可听声音频率范围内[13，14]，调制方法如下：

假设有两种不同频率的信号，分别为Ω和ωc，其中Ω远小于ωc，信号一如式（8）所示，信号二如式（9）所示：

通过将式（8）和式（9）相乘，得到双边调幅信号，其表达式为：

从式（10）中可以看出调幅信号的幅值和调制信号幅值成正比其频率为ωc±Ω，又由于Ω远小于ωc，因此频率基本被调制到ωc附近。通过上述分析可将包络信号的频率调制到人耳可听范围内。

2 软件设计

2.1 后台程序信号处理流程

图2中读取数据中的数据来自于局部放电产生的超生信号，将超声传感器及放大器与示波器相连，通过示波器来采集相应的超声信号，如图3所示，对采集到的信号存储并上传至计算机，根据1.2节提出的数字信号包络检波原理及1.3节提出的频率调制原理可得到高频脉冲信号的包络及人耳可辨别的声音信号。

图2 后台程序信号处理流程

图3 超声信号采集结构图

2.2 软件前面板

局部放电超声波声音模块模拟系统前面板如图4所示，前面板上半部分由两个波形显示窗口组成，下半部分主要是进行参数设置。左边的波形显示窗口用来显示原始波形与包络检波结果的对比，通过对比可以直观地发现包络结果的优劣。右边波形显示窗口显示对原始波形、包络波形以及调制后波形进行离散傅里叶变换[15-16]后对应的频谱。参数设置部分主要参数说明如下：

1）采集设置

①采样频率：存储数据时示波器的采样率。

②循环速率：为了使采集到的波形能够循环播放，程序对存储的波形数组数据进行移位，通过改变循环速率值的大小，可以改变波形循环的快慢。

③降采样因子：包络信号的频谱中心频率降低了，根据香浓采样定理，降低采样率后仍能完好采集到完整的波形，通过降采样可以减少调频及声音输出是的计算量，对高采样数据有较为明显的效果。降采样因子会直接影响到载波采样率、载波采样数、每通道采样数，间接影响到声音采样率。若果采样率本来就不高，则降采样因子可设为1。

2）载波设置

①幅值：根据调幅系数ma要求来设置载波幅值，ma一般小于1。

②频率：设置预达到的可听声音频率，如3 k、4 k。

③采样率：数字滤波器调频必须满足dt匹配，即满足，

④采样数：载波采样数应大于等于降采样后的波形点数，即，

3）音频输出设置

①每通道采样数：指定缓冲区中每通道的采样数量。

②采样模式：指定写入仅为一次（有限采样）或连续写入（连续采样）。有限采样模式下，仅在写入每通道采样总数所指定的采样个数后，才可调用写入声音输出。连续采样模式下，“写入声音输出”VI可随时重复调用。

③采样率：设置声音操作的采样率，根据香浓定理来确定采样率。

④通道数：指定通道的个数。该输入可接受的通道数与声卡支持的通道数一致。对于多数声卡，1为单声道，2为立体声。

⑤每采样比特率：指定每个采样的质量，以比特为单位。分辨率通常是16比特和8比特。

图4 声音模拟系统前面板

2.3 软件程序框图

软件程序框图整体在一个while循环里，可以实现对数据的不间断循环处理。程序框图从左到右依次由数据读取与循环、包络检波、频率调制、音频输出模块4大块组成，如图5所示。

3 测试分析

为了验证程序运行的有效性，如图3所示，GIS颗粒缺陷为例，通过向安装有颗粒缺陷的GIS腔体加压使其产生局部放电，并通过超声波传感器、放大器及示波器（采样率500 k）对信号进行采集。模拟系统前面板参数设置如表1所示，包络测试结果如图5所示，对应频谱如图6所示，音频信号图谱如图7所示。

图5 声音模拟系统程序框图

表1 软件参数设置

图6 超声脉冲信号及其包络

1）包络分析

从图5可以看出，原始脉冲信号具有正负极性，而通过程序计算后包络信号为正极性，这与硬件包络处理结果一致，程序均能对其包络进行精确求取。

2）频谱分析

由于本次实验采用的超声传感器中心频率为38 kHz，如图6所示，其原始波形谐振频率在38 kHz左右，而通过包络检波后信号频率降到小于100 Hz的水平，图中还可以看出包络信号幅值大于原始信号幅值，这是因为包络信号频谱覆盖范围为0～100 Hz，而原始脉冲信号频率覆盖范围在35 k～40 kHz之间，相同能量下，频率范围越大信号幅值越低。由于载波信号的频率为4 k，因此通过调制可将包络信号频率调制到人耳可听的频率范围内。

3）声音信号分析

从图7可以看出，经过调制后声音信号和原始波形信号轮廓基本一致，但声音信号的频率在人耳可听范围，而包络信号频率低于人耳可听范围，原始信号频率高于人耳可听范围。

图7 频谱对比图

图8 音频信号

4 结 论

针对超声波局部放电检测仪调试问题，本文基于Labview图形化软件，提出通过示波器采集超声信号，并以此数据为基础分别设计了包络检波、频率调制模块，从而完成发声模块的设计并通过实验对各个功能进行了验证，可知：程序均能准确计算脉冲信号的包络，通过频率调制可将该包络信号频了移至人耳可听音频范围内；通过Labview音频输出模块，可以通过声音对局放信号进行辨别。

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Design of sound module of partial discharge ultrasonic detection on Labview

LI Ying-ying1，JIAO Chao-qun1，WANG Fei2
（1.Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Ultrasonic detection of partial discharge has been widely used in fault diagnosis in high voltage electrical equipment.In the course of Ultrasonic PD Detector Development，people often need to use software to analyze the sound module.This paper is based on Labview graphics software，digital signal envelope and frequency modulation principle is put forward，basing on the above voice generator modules are designed，and explained the function of the front panel and parameter settings.Finally，the function of the software is verified by experiments，discovered that the software can accurately calculate the pulse envelope signal and complete frequency shift，and ultimately voice simulation，having high application value in Engineering and researching.

labview；partial discharge；ultrasonic；envelope；sound module

TN06

：A

：1674－6236（2017）05-0165-05

2016-02-23稿件编号：201602110

李莹莹（1991—），女，山西运城人，硕士研究生。研究方向：电力设备的在线监测与故障诊断。