CN104730149A - 一种水轮机叶片裂纹检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水轮机叶片裂纹检测装置，包括超声传感器和单片机；所述超声传感器数量为三个，各依次通过放大电路、带通滤波电路、比较器电路连接至单片机，三个超声传感器两两之间相距为16cm±0.5cm；所述放大电路每路包括至少一片仪表放大器；所述带通滤波电路每路至少包括两片运算放大器；所述三个超声传感器均匀分布安装在一圆形云台的正面边缘位置上，云台通过横轴电机和纵轴电机控制转动；所述带通滤波电路为100kHz～250kHz的带通滤波电路。本发明利用三位传感器立体监测叶片裂纹发展过程中超声波信号，采用相位法并结合单片电机控制自动进行点位跟踪，能准确查找裂纹大致范围；可以实现非接触式检测，安装和检测都很方便。

Description

一种水轮机叶片裂纹检测装置
技术领域
本发明涉及一种水轮机叶片裂纹检测装置，属于水轮机检测技术。
背景技术
水轮机是集水、机、油、电、气于一体的复杂的庞大的非线性动力系统，是水电机组中极为关键的设备，其健康状态将直接影响整个水轮机组的运行状态。水轮机在运行一段时间后常会出现叶片松动、裂纹、断裂、空化空蚀以及泥沙磨损，并导水轮机在运行中出现异常震动，其中水轮机转轮的叶片裂纹的产生严重威胁水电厂的安全经济运行。
中国发明专利ZL201420080423.4公开了一种基于超声波检测的水轮机异常预警系统，该预警系统采用超声波的方式，可以对叶片异常进行很好的检测，准确度、抗噪度都比较高，不用接触也能完成检测，但该预警系统无法针对叶片的裂纹进行检测，首先其检测音频为20KHz～23KHz，而实践证明裂纹所产生的音频不在该音频段，其次其采用发射/接收超声波传感器，而叶片产生裂纹后自身转动就会产生超声波，采用发射/接收超声波传感器的话会导致叶片产生的超声波成为杂音，影响实际检测效果，再者其超声波传感器三个两两相距20cm，不利于对产生裂纹的情况进行检测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水轮机叶片裂纹检测装置，该水轮机叶片裂纹检测装置利用三位传感器立体监测叶片裂纹发展过程中超声波信号，采用相位法并结合单片电机控制自动进行点位跟踪，能准确查找裂纹大致范围。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种水轮机叶片裂纹检测装置，包括超声传感器和单片机；所述超声传感器数量为三个，各依次通过放大电路、带通滤波电路、比较器电路连接至单片机，三个超声传感器两两之间相距为16cm±0.5cm；所述放大电路每路包括至少一片仪表放大器；所述带通滤波电路每路至少包括两片运算放大器；所述三个超声传感器均匀分布安装在一圆形云台的正面边缘位置上，云台通过横轴电机和纵轴电机控制转动；所述带通滤波电路为100kHz～250kHz的带通滤波电路。
所述超声传感器为400SR160型传感器；所述单片机为Atmega16单片机。
所述仪表放大器为INA128仪表放大器；所述运算放大器为双运放LM833N运算放大器。
还包括声光报警装置连接至单片机。
横轴电机和纵轴电机的驱动电路连接至单片机，电机驱动电路核心为L298驱动芯片。
还包括电源变换电路连接至单片机。
本发明的有益效果在于：①利用三位传感器立体监测叶片裂纹发展过程中超声波信号，采用相位法并结合单片电机控制自动进行点位跟踪，能准确查找裂纹大致范围；②可以实现非接触式检测，安装和检测都很方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明连接示意图；
图4是图3中信号处理部分的连接示意图；
图5是图4中传感器1处理支路的信号隔离放大电路图；
图6是图4中传感器1处理支路的带通滤波电路图；
图7是图4中传感器1处理支路的比较器和幅值检波电路图；
图8是图3中云台移动跟踪和声光报警电路图。
图中：1-传感器，2-云台，3-横轴电机，4-纵传动轴，5-纵轴电机，6-底座。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图4所示的一种水轮机叶片裂纹检测装置，包括超声传感器1和单片机；所述超声传感器1数量为三个，各依次通过放大电路、带通滤波电路、比较器电路连接至单片机，三个超声传感器1两两之间相距为16cm±0.5cm；所述放大电路每路包括至少一片仪表放大器；所述带通滤波电路每路至少包括两片运算放大器；所述三个超声传感器1均匀分布安装在一圆形云台2的正面边缘位置上，云台2通过横轴电机3和纵轴电机5控制转动；所述带通滤波电路为100kHz～250kHz的带通滤波电路。
由此，通过超声波传感器，检测水轮机叶片裂纹产生和发展过程中发出的声信号，通过检测的超声波的强度和频率来判断裂纹的发展程度。而且在系统中采用三个超声波探头，形成等腰三角形对超声波检测，通过相位法来来判断声源的位置，并采用两个步进电机构成云台对三个探头的中心点进行位置调整，确定声源的大致位置，从而判断裂纹的大致地方。
经过检测，叶片裂纹产生过程会发出频率分布在100kHz～250kHz的震动，并伴随超声波信号，属于频率比较高的声音，其特点相对低频频率较低的声音，衰减幅度小，传播的更远，信号的质量、预警可靠性有保障。
由于叶片裂纹能产生超声波，因此为保证检测效果，所述超声传感器1为400SR160型传感器；所述单片机为Atmega16单片机。
所述仪表放大器为INA128仪表放大器；所述运算放大器为双运放LM833N运算放大器。
还包括声光报警装置连接至单片机。
横轴电机3和纵轴电机5的驱动电路连接至单片机，电机驱动电路核心为L298驱动芯片。
还包括电源变换电路连接至单片机。
如图4所示，信号处理部分首先由分为3个独立的处理支路，每一路对应一个传感器信号，三路的处理形式和电路结构基本一致。以传感器1处理支路作为说明，分为5步处理:信号隔离、信号放大、带通滤波、信号比较、信号幅值检波。传感器将输出信号电流信号送到“信号隔离”中进行隔离，减少后级电路和前级电路的联系，然后隔离电路输出信号再经过“信号放大”电路进行放大，得到方便滤波的大信号，放大的信号经过“带通滤波”就可以得到对应频段100kHz～250kHz的信号，该信号再经过“比较器”和“幅值检波”得到信号的频率和幅值，最终送到单片机中。
如图5所示，传感器信号隔离放大电路包括传感器S1，运算放大器U1(OP37A)、U2(LM393)，电阻R1、R2、R3，电容C1。5V电源通过电阻R1、R2接到S1的正极，再通S1负极接电阻R3到GND。当传感器S1感受到超声波后，将超声波信号转换成对应的频率的电流信号。C1是隔直电容，用于将电流信号中的直流分量去除。U1放大器是用作隔离电路，将输入信号和输出信号进行隔离，并将传感器的电流信号转化成电压信号。U2是仪表放大器INA128，和电阻R3构成信号放大电路，该电路的主要功能是将U2的6号引脚输出信号进行放大，然后通过端口P1:A送出。
如图6所示，带通滤波电路主要由双运放LM833N运算放大器和电阻、电容构成有源带通滤波器。元件有U3:A、U3:B(LM833N)，电阻R4～R10，电容C2～C5。该电路带通范围是100kHz～250kHz，主要滤除信号中干扰信号，提高信号的纯净度。带通滤波电路的输入信号由端口P1:B输入，P1:B与图5中的P1:A端口相连。输出的信号通过端口P2:A输出，端口P2:A连接到图7中P2:B。
如图7所示，比较器和幅值检波电路中，比较器的功能是将信号转化成方波信号，以便单片机进行计数，该电路U5(OP37A)构成。其输入信号端口为P2:B，输出端口为F1，连接到图8中U6(Atmega16)的PD2端口。幅值检波电路的功能是将信号进行半波整流得到信号的幅值，由二极管D1，电容C6，电阻R12组成，其输出端口为AD1，连接到图8中U6(Atmega16)的PA1端口
图8是云台跟踪驱动电路和声光报警电路。单片机采用Atmega16单片机，主要是用于进行AD采样，外部计数，以及驱动声光报警电路和电机驱动电路。
其中U6的PA1、PA2、PA3引脚对AD1、AD2、AD3端口信号进行采集，得到数字信号，AD1、AD2、AD3端口信号分别对应传感器1、2、3处理后的幅值信号。
其中通过U6的PD2引脚的外部中断INT0接受F1的方波信号，以上升沿产生外部中断，在INT0中断函数中通过U6的PD3、PB2引脚的外部中断INT1、INT2接受F2、3信号上升沿，并通过内部计数来计算F2、F3信号相对于F1的相位差；F1、F2、F3端口方波分别对应传感器1、2、3处理后的方波信号。
声光报警系统通过单片机控制LED灯和蜂鸣器来实现，声光报警电路包含有电阻R13、R14、R15、R16，D2红色LED，NPN三极管Q1、Q2，蜂鸣器BUZ1。通过U6的PC0、PC 1引脚产生高低电平时，驱动三极管Q1、Q2的导通和关闭，从而使蜂鸣器和LED启动和停止。
云台跟踪由电机进行移动的实现，电机的驱动电路包括电机驱动芯片L298，电容C7、C8，二极管D3～D10，两个直流电机motor1、motor2。L298的IN1～IN4引脚与单片机PC4～PC7引脚相连，ENA、ENB与单片机PD4、PD5相连。IN1、IN2用于控制电机motor1的转向，当IN1为高点平INT2为低电平时，电机正转，反之反转，INT3、INT4用于控制motor2的转向。ENA、ENA通过接受单片机的PWM驱动信号，可以控制两电机的转速。电容C1、C2是电源滤波与稳压。8个二极管是用于电机过流保护。

Claims (6)

1.一种水轮机叶片裂纹检测装置，包括超声传感器(1)和单片机，其特征在于：所述超声传感器(1)数量为三个，各依次通过放大电路、带通滤波电路、比较器电路连接至单片机，三个超声传感器(1)两两之间相距为16cm±0.5cm；所述放大电路每路包括至少一片仪表放大器；所述带通滤波电路每路至少包括两片运算放大器；所述三个超声传感器(1)均匀分布安装在一圆形云台(2)的正面边缘位置上，云台(2)通过横轴电机(3)和纵轴电机(5)控制转动；所述带通滤波电路为100kHz～250kHz的带通滤波电路。
2.如权利要求1所述的水轮机叶片裂纹检测装置，其特征在于：所述超声传感器(1)为400SR160型传感器；所述单片机为Atmega16单片机。
3.如权利要求1所述的水轮机叶片裂纹检测装置，其特征在于：所述仪表放大器为INA128仪表放大器；所述运算放大器为双运放LM833N运算放大器。
4.如权利要求1所述的水轮机叶片裂纹检测装置，其特征在于：还包括声光报警装置连接至单片机。
5.如权利要求1所述的水轮机叶片裂纹检测装置，其特征在于：横轴电机(3)和纵轴电机(5)的驱动电路连接至单片机，电机驱动电路核心为L298驱动芯片。
6.如权利要求1所述的水轮机叶片裂纹检测装置，其特征在于：还包括电源变换电路连接至单片机。
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