CN103344943A - 一种变电站超声波成像定位检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站超声波成像定位检测装置，包括通过同轴电缆相连的成像显示机构和超声波探测机构，所述超声波探测机构包括矩阵设置于二次曲面结构上的超声波传感器和信号预处理电路；所述成像显示机构包括显示器、处理器和与所述处理器连接的数据存储器；所述处理器设置声强映射处理模块用以驱动显示声强映射图来快速判断超声波源。本发明根据变电站待测设备位置，建立二次曲面的立方体数据模型，基于该模型建立三维坐标系，并对相关超声波信号进行预处理和显示处理，利用伪图像信息进行超声波成像，并且利用色环带分析实现快速故障定位。本发明有效提高了变电站检修维护的工作效率，简便实用，具有很好的推广应用价值。

Description

一种变电站超声波成像定位检测装置

技术领域

本发明涉及超声波定位设备技术领域，特别涉及一种变电站超声波成像定位检测装置。

背景技术

随着电力企业管理精细化、服务人性化、资料规范化，对电器设备的运行状态的周期性试验和抽试要求越来越高、越来越细，传统的听声辩位已经很难彻底地解决现场技术问题；研究发现，任何电气设备在运行中，由于受到交变电流的作用，都会发生各种声音和振动，其中包括能听见噪声和超声波，这些声音和振动是运行设备所特有的，是表示设备运行状态的一种特征。例如，变电站多是处在一个有多种噪声的环境下，其中大多是工频声信号，当设备出现故障时，必然会伴随产生超声波信号，这些超声波和工频声信号混杂在环境声响中。但是，变电站同时又是一个环境比较特殊的场所，在变电站运行状态下是不允许人靠近设备的，属于危险区域，工作期间禁止人员接近，因此，设备故障无法预知、设备故障后无法定位，对其故障缺陷的检测十分困难。而在定期的检修期间，技术人员又无法重现高压时的故障现象，这个问题一直没有得到解决突破，只能人工凭经验推断，大面积更换设备，但对于异常声音的定位，特别是超声波信号，仅凭耳朵是很难做到的。所以如何在嘈杂环境下进行声源定位就显得尤为重要，并且在其他行业也极具应用价值。目前，变电站的异常超声波源的查找方法智能化程度很低，无法快速准确的查找超声波源、排除故障，以此来减少设备故障对变电站带来的巨大损失。机械科学与技术期刊2008年6月，第二十七卷第六期“超声波远距离振动信号检测系统的设计”记载：在机械设备状态监测与故障诊断中，振动信号是一个重要的状态参量，文章针对压电式、电涡流传感器等常规的振动测量方法和仪器在特殊环境中的局限性，提出了基于超声波的非接触式检测方法，研究并设计了系统检测装置，该检测装置主要由超声波发生模块、超声波接收模块和基于L abV IEW的数据采集赴理3个部分组成，利用该装置对振动对象进行远距离测量。但是上述检测装置需要对振动对象发射超声波信号，利用振动对超声波信号调制之后再进行信号接收，处理确定故障点，结构相对复杂。CN 101865789  A 公开了一种工业检测领域的近场声全息声像模式识别的故障检测装置及其检测方法，包括传声器阵列、扫描架、参考源、固支肋板、激振源和数据采集系统。利用机械正常与故障状态下声压幅值和分布的变化，借鉴图像诊断技术在其他领域的应用，采用图像处理、特征提取和模式识别技术对近场声全息图像进行处理。但是对于信号采集量较大，数据处理麻烦，准确率比较低，同时对于装置的要求较高，不便于推广使用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种方便观察、操作安全的变电站超声波成像定位检测装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种变电站超声波成像定位检测装置，包括通过同轴电缆相连的成像显示机构和超声波探测机构，所述超声波探测机构包括矩阵设置于二次曲面结构上的超声波传感器和信号预处理电路。

所述成像显示机构包括显示器、处理器和与所述处理器连接的数据存储器；所述处理器输入端连接超声波探测机构的输出端，所述处理器的输出端连接所述显示器。

所述处理器设置声强映射处理模块，所述声强映射处理模块生成的声强映射图通过阈值电路在所述显示器以不同颜色的像素点显示出来，所述相同颜色像素点组成的色环带代表相同声强阈值。

所述二次曲面结构上的超声波传感器数量设置为16个或32个或者64个。

所述信号预处理电路包括自适应放大电路、低通滤波电路、分帧电路和加窗电路，所述分帧电路设置帧移为10ms。

所述超声波传感器包括设置于所述二次曲面结构上的一端开口一端封闭的中空型塑料壳体，所述中空型塑料壳体内设置压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层，所述中空型塑料壳体内部填充屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压所述电陶瓷片周围的金属环，所述金属环与所述压电陶瓷片之间形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接。

所述二次曲面结构弧面前端周向设置前伸的喇叭形导音板。

所述二次曲面结构下方设置支撑架，所述支撑架下部设置万向轮，所述支撑架上设置升降构件。

所述处理器连接报警装置，所述报警装置包括声音和闪光报警器。

本发明包括通过同轴电缆相连的成像显示机构和超声波探测机构，所述超声波探测机构包括矩阵设置于二次曲面结构上的超声波传感器和信号预处理电路；所述成像显示机构包括显示器、处理器和与所述处理器连接的数据存储器；所述处理器输入端连接超声波探测机构的输出端，所述处理器的输出端连接所述显示器；通过所述二次曲面结构上的超声波传感器采集所述振动超声波源信号的球面波信号，利用其立体结构进行定位，结合信号预处理电路，确定超声波源信息并进行后期处理和显示，方便故障诊断和预警分析，提高变电站系统安全运行；

所述处理器设置声强映射处理模块，所述声强映射处理模块生成的声强映射图通过阈值电路在所述显示器以不同颜色的像素点显示出来，所述相同颜色像素点组成的色环带代表相同声强阈值，显示结果清晰明了，方便使用者进行观察和分析，对于快速故障诊断具有显著的意义；

所述二次曲面结构上的超声波传感器数量设置为16个或32个或者64个，不仅便于对采集的数据进行二进制处理分析，而且布置规范；

所述信号预处理电路包括自适应放大电路、低通滤波电路、分帧电路和加窗电路，通过对信号进行放大，然后低通滤波滤除高频和多倍频信号，减少高频以及倍频信号的干扰，减轻数据分析难度，并以分帧电路和加窗电路对采集数据进行量化分析和显示，便于形成声强映射图的基础数据信息；

所述超声波传感器包括设置于所述二次曲面结构上的一端开口一端封闭的中空型塑料壳体，所述中空型塑料壳体内设置压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层，所述中空型塑料壳体内部填充屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压所述电陶瓷片周围的金属环，所述金属环与所述压电陶瓷片之间形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接；采用所述超声波传感器通过所述谐振腔产生共振，相对于单纯的压电陶瓷片其收到能量大、机械振幅强，于是压电陶瓷片产生更强的电信号，提高了对信号采集的高灵敏度；

所述二次曲面结构弧面前端周向设置前伸的喇叭形导音板，不仅可以提高收集到信号的准确度，也可以减少非检测范围内其他超声波信号的叠加干扰，影响判断的准确性和可靠性；所述二次曲面结构下方设置支撑架，所述支撑架下部设置万向轮，可以方便使用时候调整与被检测对象的距离，并且运输、携带方便；所述支撑架上设置升降构件，可以根据被检测部位的高度进行初步调整，提高检测准确性；

所述处理器连接报警装置，所述报警装置包括声音和闪光报警器，在处理器对信号进行处理后结合数据存储器内的数据信息进行对比分析，初步预警故障信息，给后续按照声强映射图的信息进行精确定位提供良好的基础条件。

本发明创新性的把超声波信号获取和处理分开，系统前端超声波信号采集部件具有便携、定位准确、预处理迅速等特点，处理、显示部件具有功能丰富、显示明细、预警及时的功能优点。本发明变电站超声波成像定位检测装置从根本上解决了变电站设备故障无法准确预警，故障位置不能准确判断等难题，能够为及时掌握变电站设备运行情况提供技术保障，为设备故障点的准确判断提供理论依据。该侦测系统还具有以下特点：

1）采集和处理分开，保证了超声波源定位的准确性；

2）到达时间采集模块采用全硬件电路实现，确保了数据信息传输处理可靠性和定位的精度；

3）所述处理器自带时钟并定时与中心端进行时钟校准，保证时钟的准确性；

4）可以存储信息，便于后期分析和打印记录的动作状态信息如：超声波源位置坐标、超声波源出现时间、超声波源所处机柜信息等；

5）整套设备装置制作小巧、精致，现场安装接线更简单、方便。

本发明根据变电站待测设备位置，建立二次曲面的立方体数据模型，基于该模型建立三维坐标系，在该模型各定点位置设设置至少16个超声波传感器，并对相关超声波信号进行预处理和显示处理，利用伪图像信息进行成像，获得模拟全景超声波信号并实现超声波成像，并且利用色环带使分析简便，可以实现快速故障定位。验证得出检测的变电站静态目标与超声波相应目标相互吻合，超声波成像信息可靠度高。本发明通过利于超声波探测定位，并所述成像显示机构和超声波探测机构设置为一体的结构，有效地解决了人耳无法知觉和定位的变电站异常振动，确保设备运行在正常的状态下，在设备出现运行故障前，找到问题并解决掉，防患于未然，有效提高了变电站检修维护的工作效率，本发明简便实用效率高，具有很好的推广应用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是本发明中变电站超声波成像定位检测装置的结构示意图；

图2是本发明中变电站超声波成像定位检测装置的信号处理框图。

具体实施方式

具体实施例一

如图1和图2所示，一种变电站超声波成像定位检测装置，包括通过同轴电缆相连的成像显示机构和超声波探测机构，所述超声波探测机构包括矩阵设置于二次曲面结构1上的超声波传感器12和信号预处理电路。

所述成像显示机构包括显示器2、处理器3和与所述处理器3连接的数据存储器4；所述处理器3输入端连接超声波探测机构的输出端，所述处理器3的输出端连接所述显示器2。

所述处理器3设置声强映射处理模块5，所述声强映射处理模块5生成的声强映射图通过阈值电路在所述显示器2以不同颜色的像素点显示出来，所述相同颜色像素点组成的色环带6代表相同声强阈值。

所述二次曲面结构1上的超声波传感器2数量设置为64个。

所述信号预处理电路包括自适应放大电路、低通滤波电路、分帧电路和加窗电路，所述分帧电路设置帧移为10ms。

所述超声波传感器12包括设置于所述二次曲面结构上的一端开口一端封闭的中空型塑料壳体，所述中空型塑料壳体内设置压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层，所述中空型塑料壳体内部填充屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压所述电陶瓷片周围的金属环，所述金属环与所述压电陶瓷片之间形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接。

所述二次曲面结构1的弧面前端周向设置前伸的喇叭形导音板7。

所述二次曲面结构1下方设置支撑架8，所述支撑架8下部设置万向轮9，所述支撑架8上设置升降构件10。

所述处理器3连接报警装置11，所述报警装置11包括声音和闪光报警器。

具体实施例二

与具体实施例一区别仅在于：所述二次曲面结构1上的超声波传感器2数量设置为16个或32个。

上述实施例中，本发明包括通过同轴电缆相连的成像显示机构和超声波探测机构，所述超声波探测机构包括矩阵设置于二次曲面结构1上的超声波传感器12和信号预处理电路；所述成像显示机构包括显示器2、处理器3和与所述处理器3连接的数据存储器4；所述处理器3输入端连接超声波探测机构的输出端，所述处理器3的输出端连接所述显示器2；通过所述二次曲面结构1上的超声波传感器12采集所述振动超声波源信号的球面波信号，利用其立体结构进行定位，结合信号预处理电路，确定超声波源信息并进行后期处理和显示，方便故障诊断和预警分析，提高变电站系统安全运行；

所述处理器3设置声强映射处理模块5，所述声强映射处理模块5生成的声强映射图通过阈值电路在所述显示器2以不同颜色的像素点显示出来，所述相同颜色像素点组成的色环带6代表相同声强阈值，显示结果清晰明了，方便使用者进行观察和分析，对于快速故障诊断具有显著的意义；

所述二次曲面结构1上的超声波传感器12数量设置为16个或32个或者64个，不仅便于对采集的数据进行二进制处理分析，而且布置规范；

所述信号预处理电路包括自适应放大电路、低通滤波电路、分帧电路和加窗电路，通过对信号进行放大，然后低通滤波滤除高频和多倍频信号，减少高频以及倍频信号的干扰，减轻数据分析难度，并以分帧电路和加窗电路对采集是数据进行量化分析和显示，便于形成声强映射图的基础数据信息；

所述超声波传感器12包括设置于所述二次曲面结构1上的一端开口一端封闭的中空型塑料壳体，所述中空型塑料壳体内设置压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层，所述中空型塑料壳体内部填充屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压所述电陶瓷片周围的金属环，所述金属环与所述压电陶瓷片之间形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接；采用所述超声波传感器12通过所述谐振腔产生共振，相对于单纯的压电陶瓷片其收到能量大、机械振幅强，于是压电陶瓷片产生更强的电信号，提高了对信号采集的高灵敏度；

所述二次曲面结构1弧面前端周向设置前伸的喇叭形导音板7，不仅可以提高收集到信号的准确度，也可以减少非检测范围内其他超声波信号的叠加干扰，影响判断的准确性和可靠性；

所述二次曲面结构1下方设置支撑架8，所述支撑架8下部设置万向轮9，可以方便使用时候调整与被检测对象的距离，并且运输、携带方便；所述支撑架8上设置升降构件10，可以根据被检测部位的高度进行初步调整，提高检测准确性；

所述处理器3连接报警装置11，所述报警装置11包括声音和闪光报警器，在处理器3对信号进行处理后结合数据存储器4内的数据信息进行对比分析，初步预警故障信息，给后续按照声强映射图的信息进行精确定位提供良好的基础条件。

本发明创新性的把超声波信号获取和处理分开，系统前端超声波信号采集部件具有便携、定位准确、预处理迅速等特点，处理、显示部件具有功能丰富、显示明细、预警及时的功能优点。本发明变电站超声波成像定位检测装置从根本上解决了变电站设备故障无法准确预警，故障位置不能准确判断等难题，能够为及时掌握变电站设备运行情况提供技术保障，为设备故障点的准确判断提供理论依据。该侦测系统还具有以下特点：

1）采集和处理分开，保证了超声波源定位的准确性；

2）到达时间采集模块采用全硬件电路实现，确保了数据信息传输处理可靠性和定位的精度；

3）所述处理器自带时钟并定时与中心端进行时钟校准，保证时钟的准确性；

4）可以存储信息，便于后期分析和打印记录的动作状态信息如：超声波源位置坐标、超声波源出现时间、超声波源所处机柜信息等；

5）整套设备装置制作小巧、精致，现场安装接线更简单、方便。

本发明根据变电站待测设备位置，建立二次曲面的立方体数据模型，基于该模型建立三维坐标系，在该模型各定点位置设设置至少16个超声波传感器12，并对相关超声波信号进行预处理和显示处理，利用伪图像信息进行成像，获得模拟全景超声波信号并实现超声波成像，并且利用色环带6使分析简便，可以实现快速故障定位。验证得出检测的变电站静态目标与超声波相应目标相互吻合，超声波成像信息可靠度高。本发明通过利于超声波探测定位，并所述成像显示机构和超声波探测机构设置为一体的结构，有效地解决了人耳无法知觉和定位的变电站异常振动，确保设备运行在正常的状态下，在设备出现运行故障前，找到问题并解决掉，防患于未然，有效提高了变电站检修维护的工作效率，本发明简便实用效率高，具有很好的推广应用价值。

Claims (8)

1.一种变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：包括通过同轴电缆相连的超声波探测机构和成像显示机构，所述超声波探测机构包括矩阵设置于二次曲面结构上的超声波传感器和信号预处理电路；所述成像显示机构包括显示器、处理器和与所述处理器连接的数据存储器，所述处理器输入端连接超声波探测机构的输出端，所述处理器的输出端连接所述显示器。

2.如权利要求1所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述处理器设置声强映射处理模块，所述声强映射处理模块生成的声强映射图通过阈值电路在所述显示器以不同颜色的像素点显示出来，所述相同颜色像素点组成的色环带代表相同声强阈值。

3.如权利要求1所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述二次曲面结构上的超声波传感器数量设置为16个或32个或者64个。

4.如权利要求1所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述信号预处理电路包括自适应放大电路、低通滤波电路、分帧电路和加窗电路，所述分帧电路设置帧移为10ms。

5.如权利要求1所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述超声波传感器包括设置于所述二次曲面结构上的一端开口一端封闭的中空型塑料壳体，所述中空型塑料壳体内设置压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层，所述中空型塑料壳体内部填充屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压所述电陶瓷片周围的金属环，所述金属环与所述压电陶瓷片之间形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接。

6.如权利要求1—5任一所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述二次曲面结构弧面前端周向设置前伸的喇叭形导音板。

7.如权利要求1—5任一所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述二次曲面结构下方设置支撑架，所述支撑架下部设置万向轮，所述支撑架上设置升降构件。

8.如权利要求1—5任一所述变电站超声波成像定位检测装置，其特征在于：所述处理器连接报警装置，所述报警装置包括声音和闪光报警器。

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