CN103645243B - 一种输电线电磁无损检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电线电磁无损检测系统，其包括励磁单元、漏磁信号检测单元、涡流传感器单元、正交锁相放大单元、信号调理单元、涡流功率放大单元、模数转换单元、激励信号发生单元、ARM控制单元、SD卡数据存储单元、数据传输单元、上位机数据处理单元，所述的漏磁信号检测单元包括两个霍尔传感器单元和差分放大器，涡流传感器单元包括依次穿设于输电线上的涡流激励线圈和涡流检测线圈。本发明的输电线检测系统基于电磁无损检测的原理，结构体积小，功能集成度高，检测速度快，信号灵敏度高，而且可同时检测输电线铝绞线、钢芯缺陷和压接管内钢芯偏心、拉开状况，易于集成到输电线机器人结构中实现在线实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线无损检测系统，尤其涉及一种基于电磁无损检测的输电线检测系统，属于输电线路无损检测设备领域。
背景技术
高压架空输电线路是高压电网主要线路形式，输电线本身的完好性对输电系统的安全运行极为重要。输电线由于工作环境的特殊性，长期承受着巨大的交变张力和由振动引起的弯曲应力，不可避免地造成输电线路的导线及地线产生裂纹、断股等。同时输电线还会因为气温急剧变化和雷击等引起表面损伤，如果是铺设在海滨及工业区，容易由于盐雾和酸雨等造成腐蚀损伤。另外在输电线在接头处更易产生危险，因为交变张力和弯曲应力的作用，如果使钢芯断线接头偏离接续压接管的中心，经过一定的时间，压接管中的钢芯接头就会被拉开直至拉断。这些情况都将严重的影响甚至危及这个输电系统的安全运行。因此，研制一种能方便、准确地检测出输电线的各种损伤及损伤部位的检测仪器是十分必要的。
目前，对高压输电线的无损检测方法主要有目测法、红外检测法、射线法、电磁检测法等。电磁无损检测技术是以电磁感应为基础的无损检测技术，基于电磁原理的输电线检测方法具有设备简单、检测结果直观易懂、易于实现自动化等优点。电磁检测方法分为漏磁检测和涡流检测方法两种。两种方法各有优缺点，涡流检测对于输电线外部铝绞线的损伤具有很高的灵敏度，但由于受涡流趋肤效应的影响，无法检测内部钢芯中的缺陷。漏磁检测结合高灵敏度磁敏元件可有效检测被磁化材料中缺陷，但输电线外层铝绞线为非铁磁性材料，漏磁方法无法检测。因为输电线的外部铝绞线和外层铝压接管对磁场没有屏蔽作用，但钢芯对接头处的内部钢压接管对漏磁场有较强的屏蔽作用，导致钢芯对接头处漏磁场非常弱。
随着电子技术和计算机技术的发展，电磁无损检测技术在开发应用方面取得突破进展，电磁无损检测仪器朝着自动化，数字化，智能化发展。针对输电线检测的特殊情况，目前，常规电磁无损检测系统大多结构体积庞大，不便于集成到输电线运动平台上实现自动化检测。同时，专门针对输电线结构开发的电磁无损检测仪器少之又少，而一种仪器又多仅包含一种检测手段，漏磁方法或者涡流方法，导致不能对输电线进行全面地检测。而即使有两种方法结合的仪器，也只是两种仪器硬件部分的检测拼接组合，大大降低仪器集成度，提高数据信号分析难度，同时也增加了在线上检测实施的难度。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种基于电磁无损检测的输电线检测系统，适用于输电线的实时在线检测，集成度高，可同时检测输电线铝绞线、钢芯缺陷和压接管内钢芯偏心、拉开等状况。
技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的输电线检测系统包括励磁单元、漏磁信号检测单元、涡流传感器单元、正交锁相放大单元、信号调理单元、涡流功率放大单元、模数转换单元、激励信号发生单元、ARM控制单元、SD卡数据存储单元、数据传输单元、上位机数据处理单元；
所述的励磁单元产生励磁信号将待检测输电线沿其径向进行磁化；
所述的漏磁信号检测单元检测输电线经磁化后产生的漏磁信号，并将得到的漏磁信号输出至信号调理单元；
所述涡流传感器单元分别与涡流功率放大单元和正交锁相放大单元连接，在输电线上激励出涡流信号，同时检测输电线上的涡流信号，并将该涡流信号输出到正交锁相放大单元；
所述正交锁相放大单元分别与涡流功率放大单元和信号调理单元连接，所述正交锁相放大单元从涡流传感器单元输出信号中提取出缺陷信号的幅值与相位信号，并传输至信号调理单元；
所述信号调理单元对漏磁信号和正交锁相放大单元输入的涡流信号进行调理，并将调理后的信号传输至模数转换单元；
所述模数转换单元与ARM控制单元连接，将信号调理单元输出的多路模拟信号转换成数字信号，并传输出至ARM控制单元；
所述ARM控制单元控制激励信号发生单元产生涡流激励信号，同时与数据传输单元、SD卡数据存储单元连接，控制模数转换单元进行模数转换并接收转换后的数据，将接收到的数据传递到SD卡存储单元和数据传输单元；
所述激励信号发生单元在ARM控制单元控制下产生涡流激励信号，并传输至涡流功率放大单元；
所述数据传输单元与上位机数据处理单元连接，将所述数字信号发送给上位机数据处理单元；
所述上位机数据处理单元对接收的数字信号进行处理、显示，判断损伤是否存在，并对损伤位置、大小及类型进行判断。
更进一步地，所述的励磁单元包括将输电线沿其径向磁化的电磁铁和驱动电路，所述电磁铁的励磁铁芯沿平行于输电线圆截面布置。
更进一步地，所述的漏磁信号检测单元包括两个霍尔传感器单元和差分放大器，所述的霍尔传感器单元包括两个沿输电线轴向排布于电磁铁的两个磁极面上并接成差动结构的霍尔传感器，所述差分放大器提取每个霍尔传感器单元输出的差分信号作为缺陷表征信号，并将该信号输出到信号调理单元。霍尔传感器单元成对出现，这样两个传感器形成差分测量技术，可排除测量过程中振动、晃动以及输电线中非被测特征的影响，提高测量的稳定性、信噪比和抗干扰性。
更进一步地，所述的涡流传感器单元包括依次穿设于输电线上的涡流激励线圈和涡流检测线圈。所述涡流检测线圈用于在输电线中激励出涡流信号，所述涡流检测线圈用于检测输电线中的涡流信号，并以电压信号的形式输出给正交锁相放大单元。
更进一步地，正交锁相放大单元包括移相器、相敏检波器、低通滤波器，激励信号发生单元产生的涡流激励信号依次经过所述移相器、相敏检波器和低通滤波器得到涡流幅值信号和相位信号。所述移相器用于将涡流激励信号移相90°后输出到相敏检波器，所述相敏检波器用于从涡流传感单元输入来的信号中分别提取出幅值、相位两个正交信号。
更进一步地，所述激励信号发生单元包括DDS信号发生器、差分放大器、高阶低通滤波器，所述的DDS信号发生器在ARM控制器的控制作用下产生所需频率的正弦信号，并输出频率为双端差分电流信号，所述双端差分电流信号经所述差分放大器增益放大后转换为低输出阻抗的单端正弦电压信号，再经高阶低通滤波器形滤除信号中的杂散与高频噪声。所述高阶低通滤波器形式可以为7阶椭圆滤波器。
有益效果
本发明的输电线检测系统基于电磁无损检测的原理，结构体积小，功能集成度高，检测速度快，信号灵敏度高，而且可同时检测输电线铝绞线、钢芯缺陷和压接管内钢芯偏心、拉开状况，易于集成到输电线机器人结构中实现在线实时检测。
附图说明
图1是本发明一个实施例的输电线电磁检测系统原理图；
图2是本发明一个实施例的电磁铁、霍尔传感器、涡流传感器布置示意图；
图3是本发明一个实施例的漏磁信号检测单元结构图；
图4是本发明一个实施例的DDS芯片电气连接图；
图5是本发明一个实施例的正交锁相放大单元结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
如图1所示，本实施例的输电线电磁无损检测系统包括励磁单元101、漏磁信号检测单元102、涡流传感器单元103、正交锁相放大单元105、信号调理单元104、涡流功率放大单元106、模数转换单元107、激励信号发生单元109、ARM控制单元108、SD卡数据存储单110、数据传输单元111、上位机数据处理单元112。
如图2所示，所述的励磁单元101产生励磁信号将待检测输电线113沿其径向进行磁化；所述励磁单元101采用直流电磁铁201作为励磁的磁源，励磁铁芯2011布置成平行输电线圆截面的形式，这样可保证磁通量直接透过圆截面，电磁铁线圈2012通过驱动电路通以特定值的直流，电磁铁201产生磁场，输电线113穿过电磁铁作相对运动时，磁化被检测的输电线113内部钢芯，钢芯上的断线断口产生漏磁场，通过检测漏磁场存在情况就可以对输电线缺陷进行判断。
所述的励磁单元包括将输电线沿其径向磁化的电磁铁和驱动电路，所述电磁铁的励磁铁芯沿平行于输电线圆截面布置。所述驱动电路主要由大功率场效应管IRF840、可调电阻与大功率金属壳电阻组成，可实现驱动电流大小的调节。
如图2、图3所示，所述的漏磁信号检测单元检测输电线经磁化后产生的漏磁信号，并将得到的漏磁信号输出至信号调理单元；所述的漏磁信号检测单元包括两个霍尔传感器单元和差分放大器，所述的霍尔传感器单元包括两个沿输电线轴向排布于电磁铁的两个磁极面上并接成差动结构的霍尔传感器202，所述差分放大器302提取每个霍尔传感器单元输出的差分信号作为缺陷表征信号，并将该信号输出到信号调理单元104。
所述涡流传感器单元103分别与涡流功率放大单元106和正交锁相放大单元105连接，在输电线113上激励出涡流信号，同时检测输电线上的涡流信号，并将该涡流信号输出到正交锁相放大单元；具体地，如图2所示，所述的涡流传感器单元103包括依次穿设于输电线上的涡流激励线圈203和涡流检测线圈204。当激励线圈203通过正弦交流信号时，会在输电线的表面感应出涡流，这个涡流又会在输电线及其周围产生感应磁场。如果输电线表面有缺陷就会影响感应磁场强度和分布，通过检测线圈204就可检测到磁场的变化进而获得缺陷信号。
所述正交锁相放大单元105分别与涡流功率放大单元106和信号调理单元104连接，所述正交锁相放大单元105从涡流传感器单元103输出信号中提取出缺陷信号的幅值与相位信号，并传输至信号调理单元104；如图5所示，涡流功率放大单元106输出的参考信号经过移相器501输出一路相位未改变的信号，一路移相90°的信号，两路信号出入到相敏检波器502，分别与从涡流检测线圈204输入的检测信号进行相敏检波，输出两路信号到低通滤波器进行滤波便得到涡流幅值信号和相位信号。
所述的信号调理单元包括带通滤波器与程控放大器，所述带通滤波器用于滤除信号中的高频成分、直流分量及工频干扰，所述程控放大器用于调整输出到模数转换单元信号的幅值。
所述模数转换单元包括型号为AD7606的模数转换器，所述模数转换器用于将接收到的漏磁、涡流信号转换为数字信号，并输出到ARM控制单元。
所述ARM控制单元包括型号为STM32F407VG的ARM微控制器，所述ARM微控制器用于输出控制字给模数转换单元和激励信号发生单元，控制模数转换器的模数转换过程，将接收到的数字信号输出给SD卡数据存储单元、数据传输单元，并控制激励信号发生单元产生涡流激励信号。
所述激励信号发生单元包括DDS信号发生器、差分放大器、高阶低通滤波器，如图4所示，所述DDS信号发生器用于在ARM控制器的控制作用下产生所需频率的正弦信号，其输出频率为双端差分输出，所述差分放大电路为单位增益放大，用于将DDS信号发生器输出的双端差分电流信号转换为低输出阻抗的单端正弦电压信号，所输高阶低通滤波器形式为7阶椭圆滤波器，用于滤除信号中的杂散与高频噪声。
所述数据传输单元采用USB传输形式，选用SMSC-USB3300作为通信接口芯片。
所述上位机数据处理单元采用计算机，其接收数据处理单元通过USB传来的数字信号，进行运算处理、显示，判断损伤是否存在，并对损伤位置、大小及类型进行判断。
Claims (6)
1.一种输电线电磁场无损检测系统，其特征在于，包括：输电线径向磁化励磁单元、基于差分霍尔传感器的漏磁信号检测单元、涡流传感器单元、基于AD8032、AD630和OPA2140构成的正交锁相放大单元、信号调理单元、涡流功率放大单元、模数转换单元、基于AD9954的激励信号发生单元、ARM控制单元、SD卡数据存储单元、数据传输单元、上位机数据处理单元；
所述的输电线径向磁化励磁单元产生励磁信号将待检测输电线沿其径向进行磁化；
所述的基于差分霍尔传感器的漏磁信号检测单元检测输电线经磁化后产生的漏磁信号，并将得到的漏磁信号输出至信号调理单元；
所述涡流传感器单元分别与涡流功率放大单元和正交锁相放大单元连接，在输电线上激励出涡流信号，同时检测输电线上的涡流信号，并将该涡流信号输出到正交锁相放大单元；
所述基于AD8032、AD630和OPA2140构成的正交锁相放大单元分别与涡流功率放大单元和信号调理单元连接，所述正交锁相放大单元从涡流传感器单元输出信号中提取出缺陷信号的幅值与相位信号，并传输至信号调理单元；
所述信号调理单元对漏磁信号和正交锁相放大单元输入的涡流信号进行调理，并将调理后的信号传输至模数转换单元；
所述模数转换单元与ARM控制单元连接，将信号调理单元输出的多路模拟信号转换成数字信号，并传输出至ARM控制单元；
所述ARM控制单元控制激励信号发生单元产生涡流激励信号，同时与数据传输单元、SD卡数据存储单元连接，控制模数转换单元进行模数转换并接收转换后的数据，将接收到的数据传递到SD卡存储单元和数据传输单元；
所述基于AD9954的激励信号发生单元在ARM控制单元控制下产生涡流激励信号，并传输至涡流功率放大单元；
所述数据传输单元与上位机数据处理单元连接，将所述数字信号发送给上位机数据处理单元；
所述上位机数据处理单元对接收的数字信号进行处理、显示，判断损伤是否存在，并对损伤位置、大小及类型进行判断。
2.如权利要求1所述的输电线电磁场无损检测系统，其特征在于，所述的输电线径向磁化励磁单元包括将输电线沿其径向磁化的电磁铁和驱动电路，所述电磁铁的励磁铁芯沿平行于输电线圆截面布置。
3.如权利要求1所述的输电线电磁场无损检测系统，其特征在于，所述的基于差分霍尔传感器的漏磁信号检测单元包括两个霍尔传感器单元和差分放大器，所述的霍尔传感器单元包括两个沿输电线轴向排布于电磁铁的两个磁极面上并接成差动结构的霍尔传感器，所述差分放大器提取每个霍尔传感器单元输出的差分信号作为缺陷表征信号，并将该信号输出到信号调理单元。
4.如权利要求1所述的输电线电磁场无损检测系统，其特征在于，所述的涡流传感器单元包括依次穿设于输电线上的涡流激励线圈和涡流检测线圈。
5.如权利要求1所述的输电线电磁场无损检测系统，其特征在于，所述基于AD8032、AD630和OPA2140构成的正交锁相放大单元包括基于AD8032的积分电路移相器、基于AD630的相敏检波器和基于OPA2140的低通滤波器，激励信号发生单元产生的涡流激励信号经过所述移相器，移相后的信号与检测线圈输出的涡流信号同时进入相敏检波器，再通过所述低通滤波器得到涡流幅值信号和相位信号。
6.如权利要求1所述的输电线电磁场无损检测系统，其特征在于，所述基于AD9954的激励信号发生单元包括DDS信号发生器、差分放大器、高阶低通滤波器，所述的DDS信号发生器在ARM控制器的控制作用下产生所需频率的正弦信号，并输出频率为双端差分电流信号，所述双端差分电流信号经所述差分放大器增益放大后转换为低输出阻抗的单端正弦电压信号，再经高阶低通滤波器形滤除信号中的杂散与高频噪声。
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