CN112268504B - 一种电缆偏心仪在线检测装置及方法 - Google Patents

一种电缆偏心仪在线检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种电缆偏心仪在线检测装置，整个装置包括上位机和下位机系统，下位机系统包括：传感器阵列，碳刷，转子环形结构，多通道滑环，LC信号振荡发生电路，信号调理电路，A/D模数转换器，ARM主控单元，SPI_FLASH字库存储部分、EEPROM掉电数据存储部分，RS485通讯模块，LCD液.晶屏显示模块；检测方法的步骤是：1)设置好检测装置；2)采集数据；3)将数据经过处理，转化为标准的直流电压信号；4)将模拟量转化为数字量，并保存；5)将转换后的数据进行数据融合；6)上位机将电缆偏心度信息，电缆参数设置，电压、位移标定界面显示出来；本装置精度高，可减小电缆线芯和绝缘层不同心造成的安全事故，具有节约成本和市场应用价值高的特点。

Description

一种电缆偏心仪在线检测装置及方法
技术领域
本发明属于传感器检测技术领域，具体涉及一种电缆偏心仪在线检测装置及方法。
背景技术
目前我国电力行业发展迅速，在电力传输以及工业信息通讯方面，电缆起着举足轻重的作用，电缆生产的质量问题被电力行业大为关注。通常，电缆偏心问题是厂家一直面临的棘手问题，由于电力电缆制造工艺的原因，会导致电缆的导电线芯和绝缘层不同心，从而使得电缆横截面的绝缘层厚度不同，而绝缘厚度不均匀时，内部的电场分布也就不均匀，这种异常的电场将会集中分布在绝缘层比较薄的位置，将会使其处的电场强度变大，从而导致绝缘层击穿，更会引起导体铜线短路，进而发生火灾。我国每年会在电缆绝缘材料上花费巨额。不仅如此，电缆偏心还会使电缆的工作电容不均匀，使得电缆传输时的性能参数变差，对于整个电力系统影响巨大。因此，对于电缆偏心度的在线检测是非常必要的。
电缆偏心检测目前主要有X射线式偏心测量仪，光电磁式偏心测量仪，电涡流偏心检测仪等。光电磁式偏心测量仪性能相对可靠，精度相对较高，但是馈入高频电流困难，标定的难度也比较大；X射线式偏心测量仪可测量厚度、偏心量、电缆外径，多用于绝缘厚度大、三层共挤交联聚乙烯电力电缆的生产线，但是仪器价格昂贵，而且X射线具有放射性；电涡流偏心检测仪系统结构相对简单，可测得电缆周围的多点绝缘厚度，不但标定起来很容易，而且对于电缆周围任意一点的绝缘厚度都可以准确检测，提高了检测效率和精度，但是受周围环境温度影响大，仅测量偏心度和电缆外径尺寸的一种。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电缆偏心仪在线检测装置及方法，将涡流检测和光学检测结合起来，电涡流传感器可以检测出导体位置，激光测距传感器检测出电缆绝缘层的外形，实现对绝缘层外径的检测，高效的解决电缆偏心问题，具有可行性强，精度高，减小电缆线芯和绝缘层不同心造成的安全事故，节约成本和市场应用价值高的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电缆偏心仪在线检测装置，包括有转子，转子内设有滑环；滑环嵌入到转子内；传感器阵列中的信号线及电源线分别与转子内的滑环固定连接；转子外侧设有四组碳刷与滑环接触连接，每组碳刷均通过导线与外部供电及信号线连接，给传感器阵列供电及信号传输；碳刷两两对称分别设在转子的左右两侧和上下两侧；所述的传感器阵列有两组；两组传感器阵列分别设在转子内滑环的下方。
所述的转子为环形转子；所述的滑环有十二道。
所述的传感器阵列包括温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器；温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器均与ARM控制器相连。
所述的传感器阵列采用直流电源进行供电；所述的A/D模数转换器作为信号模拟量采集单元。
所述的在线检测装置还包括电量-距离转换测量和信号处理单元。
所述的电量-距离转换测量和信号处理单元包括LC信号振荡发生电路和信号调理电路。
所述的ARM控制器还与A/D数模转换器、数据存储器、LCD液晶屏、JTAG（仿真器）、指示灯、按键相连；所述的A/D数模转换器采用AD7606芯片。
所述的数据存储器采用SPI_FLASH字库存储器和EEPROM掉电数据存储器。
所述电缆偏心仪在线检测装置还包括人机交互单元；人机交互单元通过RS485通讯模块与上位机进行通信，上位机界面实时显示电缆的偏心情况。
利用电缆偏心仪在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤A、整个电缆偏心仪检测装置的核心是对被测电缆的复合式多向轮询检测结构设置，在转子内设有滑环；滑环共有十二道，嵌入到转子内；传感器阵列中的信号线及电源线分别与转子1内的十二道滑环固定连接；转子外侧设有四组碳刷与滑环接触连接，每组碳刷均通过导线与外部供电及信号线连接，给传感器阵列供电及信号传输；碳刷两两对称分别设在转子的左右两侧和上下两侧；所述的传感器阵列有两组；两组传感器阵列分别设在转子内滑环的下方；传感器阵列中两对对称排布的电涡流-激光测距双传感器结构，实现对被测电缆周向全方位高效检测，传感器阵列中的温度传感器对检测机构进行温度补偿；
步骤B、电涡流传感器的探头中将传感器线圈、LC信号振荡发生电路，信号调理电路集成为一体，实现位移量向电压量的转化；温度传感器检测周围环境温度，将温度值转化为电压值；激光测距传感器检测电缆绝缘层外径，电涡流传感器检测电缆导体位置；
步骤C、信号调理电路将电压信号经过放大，整流，滤波处理后，转化为标准的直流电压信号；
步骤D、外部 A/D转换器将模拟量转化为数字量，通过数据存储器将数据进行保存；
步骤E、ARM控制器将转换后的数据进行数据融合，并在程序上实现算法方面的数据处理，最终将偏心信息通过LCD液晶屏显示出来，并且经过程序实现报警功能；
步骤F、单片机通过串口和上位机通讯，上位机将电缆偏心度信息，电缆参数设置，电压、位移标定界面显示出来，从而实现偏心度的实时在线检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明装置的优点在于：由于本发明采用了16位的模数转换芯片AD7606，它可以支持±10V或±5V的双极性信号输入，所以免去了信号转换的麻烦，测量精度高；采用了复合式多向轮询检测结构，所以高效的实现对被测电缆圆周上各个点偏心度的检测，大大提高了检测的全面性及检测效率。
本发明方法的优点在于：由于本发明采用了基于PSO-BP神经网络的温度补偿算法，所以具有消除环境温度影响，提高系统测量精度的优点；采用了基于最小二乘法的非线性校正算法，所以消除了电压-位移静态标定后非线性对系统测量精度的影响；采用了多传感器数据融合算法，有效的测量出电缆绝缘层的厚度，形象的显示出偏心距离和偏心角度，实现对电缆偏心度的检测。
附图说明
图1为本发明的转子结构截面图。
图2为本发明的转子结构侧面图。
图3为本发明ARM控制器的原理框图。
图4为本发明检测方法的偏心检测方案框图。
图5为本发明的上位机软件流程图。
图6为本发明检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
参见图1-3，一种电缆偏心仪在线检测装置，包括有转子1，在转子1内设有滑环2；滑环共有十二道，嵌入到转子1内；传感器阵列3中的信号线及电源线分别与转子1内的十二道滑环2固定连接；转子外侧设有四组碳刷4与滑环2接触连接，每组碳刷4均通过导线与外部供电及信号线连接，给传感器阵列3供电及信号传输；碳刷两两对称分别设在转子的左右两侧和上下两侧；所述的传感器阵列3有两组；两组传感器阵列3分别设在转子1内滑环2的下方。传感器阵列中两对对称排布的电涡流-激光测距双传感器结构，实现对被测电缆5周向全方位高效检测，传感器阵列中的温度传感器对检测机构进行温度补偿；
所述的转子1为环形转子；所述的滑环2有十二道。
所述的传感器阵列3包括温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器；传感器阵列3包括温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器均与ARM控制器相连。
所述的传感器阵列3采用直流电源进行供电；所述的A/D模数转换器作为信号模拟量采集单元。
所述的在线检测装置还包括电量-距离转换测量和信号处理单元。
所述的电量-距离转换测量和信号处理单元包括LC信号振荡发生电路和信号调理电路。
所述的ARM控制器还与A/D数模转换器、数据存储器、LCD液晶屏、JTAG（JTAG中文名称为：仿真器）、指示灯、按键相连；所述的A/D数模转换器采用AD7606芯片。
所述的数据存储器采用SPI_FLASH字库存储器和EEPROM掉电数据存储器。
所述电缆偏心仪在线检测装置还包括人机交互单元；人机交互单元通过RS485通讯模块与上位机进行通信，上位机界面实时显示电缆的偏心情况。
参见图4-6，利用电缆偏心仪在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤A、整个电缆偏心仪检测装置的核心是对被测电缆的复合式多向轮询检测结构设置，包括有转子1，在转子1内设有滑环2；滑环共有十二道，嵌入到转子1内；传感器阵列3中的信号线及电源线分别与转子1内的十二道滑环2固定连接；转子外侧设有四组碳刷4与滑环2接触连接，每组碳刷4均通过导线与外部供电及信号线连接，给传感器阵列3供电及信号传输；碳刷两两对称分别设在转子的左右两侧和上下两侧；所述的传感器阵列3有两组；两组传感器阵列3分别设在转子1内滑环2的下方。传感器阵列中两对对称排布的电涡流-激光测距双传感器结构，实现对被测电缆周向全方位高效检测，传感器阵列中的温度传感器对检测机构进行温度补偿；
步骤B、电涡流传感器的探头中将传感器线圈、LC信号振荡发生电路，信号调理电路集成为一体，实现位移量向电压量的转化；温度传感器检测周围环境温度，将温度值转化为电压值；激光测距传感器检测电缆绝缘层外径，电涡流传感器检测电缆导体位置；
步骤C、信号调理电路将电压信号经过放大，整流，滤波处理后，转化为标准的直流电压信号；
步骤D、外部 A/D转换器将模拟量转化为数字量，通过数据存储器将数据进行保存；
步骤E、ARM控制器将转换后的数据进行数据融合，并在程序上实现算法方面的数据处理，最终将偏心信息通过LCD液晶屏显示出来，并且经过程序实现报警功能；
步骤F、单片机通过串口和上位机通讯，上位机将电缆偏心度信息，电缆参数设置，电压、位移标定界面显示出来，从而实现偏心度的实时在线检测。
整个电缆偏心检测装置的核心是复合式多向轮询检测结构设置，具体设置步骤如下：
1)将转子1设置为环形中空结构，生产线上的电缆从装置中间穿过去，将传感器阵列3固定在该转子环形结构的上下两个方向，置于滑环2下方，传感器阵列3（包括：温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器）中的供电及信号引出线与十二道滑环2分别固定连接，转子1外部的四组碳刷2与十二道滑环2紧密贴合，分别将滑环2中的供电及信号线与外部进行连接；
2)传感器阵列均采用+12V供电，其电源线，信号线通过滑环实现和碳刷4之间的连接，并且电源正极，电源地，信号正，信号地分别对应一道滑环，并采用交错排列的方式，保证电源线和信号线的信号互不干扰。
4)整个复合式多向轮询检测结构实现了传感器阵列，碳刷，滑环为一体，实现了对电缆周向全面又高效的检测，总体结构示意图见图1、图2。
实现电缆偏心的检测需要一对传感器阵列检测位于转子结构上方电缆的绝缘层厚度，其中激光测距传感器检测传感器表面到电缆绝缘层的距离h1,电涡流传感器检测传感器表面到电缆导体表面的距离H1，两者之差为绝缘厚度d1；另外一对传感器检测位于转子结构下方电缆的绝缘层厚度，同理记为 h2，H2，d2。如图4所示为偏心检测系统的方案设计框图，偏心度计算公式如式1-1所示：
Figure 628903DEST_PATH_IMAGE002
式1-1。
电涡流线圈中通入交变电流，产生高频激励信号，根据电涡流效应，当导体和传感器线圈之间距离改变时，传感器线圈的等效阻抗Z、品质因数和Q电感值L会随之变化。LC信号振荡发生电路通过测量进而转换为电压的变化量，从而实现了位移量到电量的转化。
位移、电压二维静态标定时，首先进行多组实验，绘制位移和电压变化的关系曲线。根据标定数据，得到补偿之前的线性度和温度系数。
通过信号调理电路，首先经过全波桥式电路进行整流，再由RC低通滤波电路进行信号滤波，之后先通过LM324运算放大器的进行信号跟随，加强原始信号，再经过同相放大电路进行信号放大，再经过光耦隔离电路进行数模隔离，最终得到标准的直流电压信号。在A/D转换时，A/D转换模块先对模拟信号进行采样保持，采样完成以后会进入保持时间，这段时间内再将电压模拟量转化为数字量，并且将转换结果以一定的编码形式显现出来。
考虑到单片机内部A/D数模转换器采集的精度不够，而且需要同时采集多路模拟量，故采用高性能的模数转换器AD7606芯片来取代，它可以实现8路同步采样，分辨率可达16位，而且所有通道可同时以200k/s的吞吐速率进行采样，大大提高了效率。待A/D转换完成后，通过A/D驱动电路，经SPI接口实现和单片机的同步串行数据传输，传输后的数据进入stm32单片机中进行处理。
A/D数模转换器转化的同时，由于电涡流传感器检测时，受外界环境影响比较大，故需要进行温度补偿来消除温度因素的影响，这里选择温度传感器进行温度的采集。
单片机通过SPI通信协议与外部A/D数模转换器进行数据传送，将数据保存在 数据存储器中，方便单片机进行读取，如图3所示，为整个ARM控制器的系统框图，同时在数据处理方面加入了相应算法：
1)非线性校正算法：利用最小二乘法对静态标定时的电压、位移曲线进行拟合，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，使得输入输出趋于比例关系，从而消除非线性带来的影响。
2)数据融合算法：将涡流传感器、激光位移传感器输出的电压Us1、Us2进行数据融合，在Matlab中建立二维函数模型，转化为S(Us1,Us2)处理过的二元函数，最终得到数据融合后的偏心距离S。
3)温度补偿优化算法:利用粒子群(PSO)算法全局搜索能力强的特点来优化BP神经网络的权值和阈值，建立基于PSO-BP神经网络的温度补偿模型，来对电涡流传感器输出数据进行基于环境温度的补偿。将Ut和Us1、Us2加入温度补偿优化算法模型中，转化为S(Us',Ut)二元函数,从而可以提高零位温度系数和灵敏度温度系数，使得温度补偿效果明显，进而得到补偿后的输出距离信息S’。
综上，可以使得PSO-BP 补偿模型的输出较好的逼近实际目标值，这样就能达到对温度传感器测温数据的补偿效果，让数据更接近被测目标物体的真实温度值。
4)相位矢量控制算法：首先将“12 点”方向作为基本矢量，当输出的距离信息改变时，通过三角函数变换，得到对应的相角增量Δθ，从而完成偏心角的检测。
液晶显示：将偏心距离和角度信息通过图形和文字方式显示出来，方便线下查看。
报警功能：设置一个输出电压阈值和温度阈值，当传感器输出电压或者环境温度超过这个阈值时，通过LED灯的闪烁，以及报警电路中蜂鸣器发声来实现报警功能。
上位机在线监测：基于Qt面向对象的应用程序开发框架，通过独特的信号槽机制代替callback机制，采用C++语言进行编程，上位机和下位机通讯是利用串口实现数据的接收和发送，最终实现图形文字界面的实时显示，完成电缆参数设置，电压、位移的标定显示，以及电缆偏心度在线显示功能，如图5所示，为偏心检测上位机软件流程图。

Claims (1)

1.一种电缆偏心仪在线检测装置，其特征在于，包括有转子（1），转子内设有滑环（2）；滑环嵌入到转子（1）内；传感器阵列（3）中的信号线及电源线分别与转子（1）内的滑环（2）固定连接；转子外侧的四组碳刷（4）与滑环（2）接触连接，每组碳刷（4）均通过导线与外部供电及信号线连接，给传感器阵列（3）供电及信号传输；碳刷两两对称分别设在转子的左右两侧和上下两侧；所述的传感器阵列（3）有两组；两组传感器阵列（3）呈对称状设在转子（1）内滑环（2）的下方；
所述的转子（1）为环形转子；所述的滑环（2）为十二道；
所述的传感器阵列（3）包括温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器；传感器阵列（3）包括温度传感器、电涡流传感器和激光位移传感器均与ARM控制器相连；
所述的传感器阵列（3）采用直流电源进行供电；A/D模数转换器作为信号模拟量采集单元；
所述的在线检测装置还包括电量-距离转换测量和信号处理单元；
所述的电量-距离转换测量和信号处理单元包括LC信号振荡发生电路和信号调理电路；
所述的ARM控制器还与A/D数模转换器、数据存储器、LCD液晶屏、JTAG、指示灯、按键相连；
所述的数据存储器采用SPI_FLASH字库存储器和EEPROM掉电数据存储器；
所述电缆偏心仪在线检测装置还包括人机交互单元；人机交互单元通过RS485通讯模块与上位机进行通信，上位机界面实时显示被测电缆（5）的偏心情况；
利用电缆偏心仪在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤A，整个电缆偏心仪检测装置的核心是对被测电缆的复合式多向轮询检测结构设置，在转子（1）内设有滑环（2）；滑环共有十二道，嵌入到转子（1）内；传感器阵列（3）中的信号线及电源线分别与转子（1）内的十二道滑环（2）固定连接；转子外侧设有四组碳刷（4）与滑环（2）接触连接，每组碳刷（4）均通过导线与外部供电及信号线连接，给传感器阵列（3）供电及信号传输；碳刷两两对称分别设在转子的左右两侧和上下两侧；所述的传感器阵列（3）有两组；两组传感器阵列（3）分别设在转子（1）内滑环（2）的下方；传感器阵列中两对对称排布的电涡流-激光测距双传感器结构，实现对被测电缆周向全方位高效检测，传感器阵列中的温度传感器对检测机构进行温度补偿；
步骤B，电涡流传感器的探头中将传感器线圈、LC信号振荡发生电路，信号调理电路集成为一体，实现位移量向电压量的转化；温度传感器检测周围环境温度，将温度值转化为电压值；激光测距传感器检测电缆绝缘层外径，电涡流传感器检测电缆导体位置；
步骤C，信号调理电路将电压信号经过整流，放大，滤波处理后，转化为标准的直流电压信号；
步骤D，外部 A/D转换器将模拟量转化为数字量，通过数据存储器将数据进行保存；
步骤E，ARM控制器将转换后的数据进行数据融合，并在程序上实现算法方面的数据处理，最终将偏心信息通过LCD液晶屏显示出来，并且经过程序实现报警功能；
步骤F，单片机通过串口和上位机通讯，上位机将电缆偏心度信息，电缆参数设置，电压、位移标定界面显示出来，实现偏心度的实时在线检测。
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