CN218158294U - 一种变压器检测用成像仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变压器检测用成像仪，其通过麦克风阵列获取空间声学信号，并经信号放大电路和ADC采集电路完成放大和数字化采集，通过FPGA模块进行降噪处理，FPGA模块完成对麦克风阵列的控制与数据采集，并将采集到的数据可通过FPGA模块扩展出的接口传送，摄像头模块用于获得视频信号，二者同时传输给CPU中央处理器，利用CPU中央处理器将声信号和视频信号进行融合处理，并通过高亮色彩标示声源位置，方便用户快速定位声源实际物理位置。实现了设备状态信息非接触采集和封闭设备状态透视，达到变压器潜伏性缺陷可视、可感的目的。

Description

一种变压器检测用成像仪

技术领域

本实用新型涉及变压器故障排查技术领域，具体为一种变压器检测用成像仪。

背景技术

近年来，电力技术的迅猛发展，电网规模的不断扩大，特别是我国超高压、特高压战略的提出为电力工业的前景指明了方向。大电网，特高压系统对电力设备的可靠性提出了更高的要求，电力系统的优质生产和电力设备的高可靠性为打造坚强的智能电网提供了坚实的后盾。电力设备在整个电力系统包括发、输、配电等各个生产环节都起着重要的作用，电力系统中任何一个关键的电力设备出现故障导致运行失稳将会引起生产中断，造成巨大的经济损失，带来灾难性的后果，对人民的生活和人身安全造成威胁。

变压器作为电力系统中重要的电力设备之一，承担着系统内电压的换、变电站电能的分配和传输等关键任务，为提供优质电能服务，保证电力系统安全、可靠、优质、经济运行发挥着重要作用。电力系统中变压器使用量大，容量等级和规格繁多，运行时间长，从而导致其事故率也相应升高。

在变压器运行过程中，异响原因多种多样，大部分是由于结构松动、受力不均、运动干涉等原因造成的，尤其是无放电特征的机械振动类缺陷，无法通过红外、紫外和射频巡检等常见的手段进行检测。对于这类疑似缺陷，单靠裸眼和耳朵想要准确地定位异音、异响是非常论难，设备一旦停电，异响也会消失，排查处理有很大难度。因此有必要寻求一种有效的非接触式监测与分析手段。

在高电压和强电磁的环境下，变压器因其内部绕组和铁芯承担着电磁交换的重要功能，若变压器发生故障，往往运行所发出的声音也会随之变化，根据声音判断设备故障存在的研究方向近年来国内外一个研究方向。

发明内容

本实用新型提供一种变压器检测用成像仪，用于解决现有技术中缺乏有效的变压器故障非接触式监测与分析仪器设备的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为:

一种变压器检测用成像仪，其包括外壳体，所述外壳体朝向待测变压器的前表面开设有镂空的声音采集孔阵列和图像采集口，所述外壳体的后表面上开设有散热窗口和显示窗口，外壳体的上、下两侧面开设有若干接口窗，外壳体的左、右两侧部为握持部；

所述外壳体内设置有主电路板和电源电路板，所述主电路板包括CPU中央处理器，该CPU中央处理器的数据输入接口通信连接有FPGA模块，该CPU中央处理器的数据输出接口通过HDMI接口接有显示屏，所述显示屏嵌入安装在所述显示窗口中；

所述声音采集孔阵列的每个孔中安装有麦克风形成麦克风阵列，所述麦克风的输出端依次连接有信号放大电路和ADC采集电路后与所述FPGA模块的SDRAM芯片连接；所述图像采集口位于声音采集孔阵列中心且安装有摄像头，所述摄像头通过DVP接口与所述FPGA模块的SDRAM芯片连接；

所述电源电路板包括电源开关模块，所述电源开关模块的输入端连接有电源，电源开关模块的输出端连接有DC-DC变压转换模块，所述DC-DC变压转换模块分别与主电路板供电连接。

进一步地，所述CPU中央处理器采用ARM系列处理器，所述FPGA模块采用xilinxA7系列开发板，所述CPU中央处理器通过UART接口与FPGA模块的SDRAM芯片实现音频数据访问，所述CPU中央处理器通过基于PCIE2.0协议的总线实现视频数据访问；所述麦克风阵列为呈矩形或圆形分布的多单元结构，所述信号放大电路包含若干多通道的EMG信号处理放大器组成，所述ADC采集电路包含若干型号为AD9244转换器，所述EMG信号处理放大器输出对应连接AD9244转换器的输入口。

进一步地，所述电源有交流市电和12V的蓄电池，所述交流市电连接有输出12V直流电的交流电型的适配器，所述交流电型的适配器的输出正极连接第一肖特基二极管后作为DC-DC变压转换模块的一次电压输出端，所述蓄电池的输出正极连接第二肖特基二极管后也与一次电压输出端连接。

进一步地，所述DC-DC变压转换模块包括型号为MP1484EN的电源芯片和型号为TL431的可控精密稳压源。

所述电源芯片的第二个端子与所述一次电压输出端连接，电源芯片的第七个端子与一次电压输出端连接，电源芯片的第三个端子与一第三电感L3串联后作为第一直流电源的正极端，电源芯片的第五个端子串接一电阻R37后与所述第一直流电源的正极端连接，电源芯片的第一个端子串接一电容C22后与第三个端子连接；所述一次电压输出端的相对地端DGND也是第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第八个端子串接一电容C19后接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第四个端子接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第六个端子依次串接一电容C21、一电阻R33后接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第三个端子与一二极管D3的负极连接，该二极管D3的正极接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第五个端子还串接一电阻R36后接第一直流电源的地端DGND；

所述可控精密稳压源的第三个端子与所述第一直流电源的正极端间连接有两电阻R67、R69，与第一个端子间连接有一电阻R107、与第二个端子间连接有一电容C34，所述电容C34并联有互为串接的电阻R109和电阻R110，所述电阻R109和电阻R110之间的连接点通过一电容C52接地端DGND，电阻R109和电阻R110之间的连接点为1.8V电压的输出端，可控精密稳压源的第一个端子与第二个端子间连接电阻R108且所述第二个端子接地端DGND，可控精密稳压源的第三个端子输出为3.3V电压的输出端。

进一步地，所述接口窗包含设置有USB接口、SDIO接口、MDI接口、DDR3接口、EMMC接口的多个；所述外壳体的后表面的顶部两边嵌入式分布有若干按钮，所述按钮与所述CPU中央处理器连接。

进一步地，所述外壳体的后表面的底部镶嵌有指示灯，该指示灯与所述麦克风的输出端状态同步。

进一步地，所述外壳体的后表面左、右两边部内凹形成对称的握持部。

进一步地，所述散热窗口位于外壳体的后表面的顶部中央，散热窗口中设置有阵列排布的若干散热片，相邻散热片之间形成散热通道且散热通道朝向主电路板。

本实用新型通过麦克风阵列获取空间声学信号，并经信号放大电路和ADC采集电路完成放大和数字化采集，通过FPGA模块进行降噪处理，FPGA模块完成对麦克风阵列的控制与数据采集，并将采集到的数据可通过 FPGA模块扩展出的接口传送，摄像头模块用于获得视频信号，二者同时传输给CPU中央处理器，利用CPU中央处理器将声信号和视频信号进行融合处理，并通过高亮色彩标示声源位置，方便用户快速定位声源实际物理位置。

本专利基于高精度麦克风阵列技术定位异响位置，配合高清摄像头，通过声像图与可见光图叠加的成像方式，结合《电力设备检修规程》规定运维人员每月开展1次的声响振动检查工作，精准、快速确定变压器故障位置。实现了设备状态信息非接触采集和封闭设备状态透视，达到变压器潜伏性缺陷可视、可感，且用科学运维手段辅助运维人员巡检和异常治理，节省人力成本，同时有效规避传统人工巡检运维方式可能带来的错检和漏检问题。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构框架示意图。

图2为本实用新型成像仪的实体外形结构示意图。

图3为本实用新型的电源降压转换的电路图。

图4为本实用新型的DC-DC变压转换模块一次降压的电路图。

图5为本实用新型的DC-DC变压转换模块精细降压转换的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2所示，本方案提供了一种变压器检测用成像仪，其包括外壳体，所述外壳体朝向待测变压器的前表面开设有镂空的声音采集孔阵列和图像采集口，所述外壳体的后表面上开设有散热窗口和显示窗口，外壳体的上、下两侧面开设有若干接口窗，外壳体的左、右两侧部为握持部5。

所述外壳体内设置有主电路板和电源电路板，所述主电路板包括CPU中央处理器U1，该CPU中央处理器U1的数据输入接口通信连接有FPGA模块U2，该CPU中央处理器U1的数据输出接口通过HDMI接口接有显示屏1，所述显示屏1嵌入安装在所述显示窗口中。

所述声音采集孔阵列的每个孔中安装有麦克风形成麦克风阵列U3，所述麦克风的输出端依次连接有信号放大电路和ADC采集电路后与所述FPGA模块U2的SDRAM芯片连接；所述图像采集口位于声音采集孔阵列中心且安装有摄像头U4，所述摄像头U4通过DVP接口与所述FPGA模块U2的SDRAM芯片连接。

麦克风阵列U3用于获取空间声学信号，并经信号放大电路和ADC采集电路完成放大和数字化采集，通过FPGA模块U2进行降噪处理，FPGA模块U2完成对麦克风阵列U3的控制与数据采集，并将采集到的数据可通过 FPGA模块U2扩展出的如pcie2.0和UART接口传送，摄像头U4模块用于获得视频信号，二者同时传输给CPU中央处理器U1，利用CPU中央处理器U1将声信号和视频信号进行融合处理。

本方案利用麦克风阵列U3波束形成技术，获取声源空间分布数据，摄像头U4采用高清摄像头U4实时采集视频画面，通过将声源空间分布数据同视频图像进行处理和声像融合，把变化的声源动态呈现在显示屏1上，并通过高亮色彩标示声源位置，方便用户快速定位声源实际物理位置。声源空间分布数据同视频图像进行处理和声像融合，把变化的声源动态呈现形式涉及数据处理算法，算法又通过代码程序在FPGA模块U2和CPU中央处理器U1中运行实现。该部分并非本专利要求保护的内容，参考现有技术实施即可，相关研究成果如中国专利公开号为CN 114414963 A的《一种变电站域故障智能监测的声学成像定位系统及方法》、中国专利公开号为CN 111308395 A的《检测变压器异响的声学成像设备、方法、装置和系统》、中国专利公开号为CN 110412404 B的《一种基于变压器声学图像对比度的绕组松动故障诊断方法》等，此处不再赘述。

所述电源电路板为成像仪提供各不同的工作电源，其包括电源开关模块U7，所述电源开关模块U7的输入端连接有电源，当电源引入后，需要根据主电路板不同模块所需电压不同进行降压，因此，电源开关模块U7的输出端连接有DC-DC变压转换模块U5，所述DC-DC变压转换模块U5分别与主电路板供电连接。

具体地，所述CPU中央处理器U1采用ARM系列处理器，所述FPGA模块U2采用xilinxA7系列开发板，所述CPU中央处理器U1通过UART接口与FPGA模块U2的SDRAM芯片实现音频数据访问，所述CPU中央处理器U1通过基于PCIE2.0协议的总线实现视频数据访问。所述麦克风阵列U3为呈矩形或圆形分布的多单元结构，每个单元均匀分布，如8×8的阵列结构。由于所需麦克风数量较大，因此所述信号放大电路选用若干多通道的EMG信号处理放大器组成，所述ADC采集电路选用若干型号为AD9244转换器，所述EMG信号处理放大器输出对应连接AD9244转换器的输入口，一组的多个麦克风信号线路对应一个EMG信号处理放大器和一个AD9244转换器。

对于电源降压转换，考虑所述电源有交流市电和12V的蓄电池U9两种，如图3所示，所述交流市电连接有输出12V直流电的交流电型的适配器U8，交流电型的适配器U8将220V交流电源准换为12V直流电源。交流市电和12V的蓄电池U9构成双电源供电体系，有必要在使用时进行电源切换。所述交流电型的适配器U8的输出正极连接第一肖特基二极管VD1后作为DC-DC变压转换模块U5的一次电压输出端VCC_12V，所述蓄电池U9的输出正极连接第二肖特基二极管VD2后也与一次电压输出端VCC_12V连接。当有交流市电接入时，第二肖特基二极管VD2反偏，蓄电池U9供电截止；当没有交流市电接入时，第一肖特基二极管VD1反偏，防止蓄电池U9的电流流向交流电型的适配器U8。

对于供电所需的精细电压，所述DC-DC变压转换模块U5包括型号为MP1484EN的电源芯片U6和型号为TL431的可控精密稳压源U11。

如图4所示，所述电源芯片U6的第二个端子与所述一次电压输出端VCC_12V连接，电源芯片U6的第七个端子与一次电压输出端VCC_12V连接，电源芯片U6的第三个端子与一第三电感L3串联后作为第一直流电源的正极端8V8（也即DVCC_8.8V），电源芯片U6的第五个端子串接一电阻R37后与所述第一直流电源的正极端DVCC_8.8V连接，电源芯片U6的第一个端子串接一电容C22后与第三个端子连接；所述一次电压输出端VCC_12V的相对地端DGND也是第一直流电源的地端DGND，电源芯片U6的第八个端子串接一电容C19后接第一直流电源的地端DGND，电源芯片U6的第四个端子接第一直流电源的地端DGND，电源芯片U6的第六个端子依次串接一电容C21、一电阻R33后接第一直流电源的地端DGND，电源芯片U6的第三个端子与一二极管D3的负极连接，该二极管D3的正极接第一直流电源的地端DGND，电源芯片U6的第五个端子还串接一电阻R36后接第一直流电源的地端DGND。第一直流电源的正极端DVCC_8.8V与地端DGND之间还连接有互为并联的电容C26、C28、C29和瞬态电压抑制二极管D4，起到稳压滤波作用。

如图5所示，所述可控精密稳压源U11的第三个端子与所述第一直流电源的正极端DVCC_8.8V间连接有两电阻R67、R69，与第一个端子间连接有一电阻R107、与第二个端子间连接有一电容C34，所述电容C34并联有互为串接的电阻R109和电阻R110，所述电阻R109和电阻R110之间的连接点通过一电容C52接地端DGND，电阻R109和电阻R110之间的连接点为1.8V电压的输出端VRF_1.8V，可控精密稳压源U11的第一个端子与第二个端子间连接电阻R108且所述第二个端子接地端DGND，可控精密稳压源U11的第三个端子输出为3.3V电压的输出端VRF_3.3V。同理，也可以设计出5V、1.5V、1.0V等要求的工作电压。

所述接口窗包含设置有USB接口、SDIO接口、MDI接口、DDR3接口、EMMC接口的多个；所述外壳体的后表面的顶部两边嵌入式分布有若干按钮3，所述按钮3与所述CPU中央处理器U1连接，按钮3包含方向键和功能。键按钮3和显示屏1作为人机交换部分的信号输入和信号输出使用，各接口用于数据下载、程序升级等等，这些参考现有技术即可实现。

所述外壳体的后表面的底部镶嵌有指示灯4，该指示灯4与所述麦克风的输出端状态同步，麦克风有采集声音时，指示灯4可以点亮以提示操作人员保持安静，避免干扰噪音引入。考虑在昏暗场景下采集图像，可以设计LED补光灯。

所述外壳体的后表面左、右两边部内凹形成对称的握持部5，方便操作人员取拿仪器。

所述散热窗口位于外壳体的后表面的顶部中央，散热窗口中设置有阵列排布的若干散热片2，相邻散热片2之间形成散热通道且散热通道朝向主电路板，利于成像仪内部电路有效散热，同时阻挡杂物进入成像仪内部。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种变压器检测用成像仪，其特征在于：包括外壳体，所述外壳体朝向待测变压器的前表面开设有镂空的声音采集孔阵列和图像采集口，所述外壳体的后表面上开设有散热窗口和显示窗口，外壳体的上、下两侧面开设有若干接口窗，外壳体的左、右两侧部为握持部；

所述外壳体内设置有主电路板和电源电路板，所述主电路板包括CPU中央处理器，该CPU中央处理器的数据输入接口通信连接有FPGA模块，该CPU中央处理器的数据输出接口通过HDMI接口接有显示屏，所述显示屏嵌入安装在所述显示窗口中；

所述声音采集孔阵列的每个孔中安装有麦克风形成麦克风阵列，所述麦克风的输出端依次连接有信号放大电路和ADC采集电路后与所述FPGA模块的SDRAM芯片连接；所述图像采集口位于声音采集孔阵列中心且安装有摄像头，所述摄像头通过DVP接口与所述FPGA模块的SDRAM芯片连接；

所述电源电路板包括电源开关模块，所述电源开关模块的输入端连接有电源，电源开关模块的输出端连接有DC-DC变压转换模块，所述DC-DC变压转换模块分别与主电路板供电连接。

2.根据权利要求1所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述CPU中央处理器采用ARM系列处理器，所述FPGA模块采用xilinxA7系列开发板，所述CPU中央处理器通过UART接口与FPGA模块的SDRAM芯片实现音频数据访问，所述CPU中央处理器通过基于PCIE2.0协议的总线实现视频数据访问；所述麦克风阵列为呈矩形或圆形分布的多单元结构，所述信号放大电路包含若干多通道的EMG信号处理放大器组成，所述ADC采集电路包含若干型号为AD9244转换器，所述EMG信号处理放大器输出对应连接AD9244转换器的输入口。

3.根据权利要求2所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述电源有交流市电和12V的蓄电池，所述交流市电连接有输出12V直流电的交流电型的适配器，所述交流电型的适配器的输出正极连接第一肖特基二极管后作为DC-DC变压转换模块的一次电压输出端，所述蓄电池的输出正极连接第二肖特基二极管后也与一次电压输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述DC-DC变压转换模块包括型号为MP1484EN的电源芯片和型号为TL431的可控精密稳压源；

所述电源芯片的第二个端子与所述一次电压输出端连接，电源芯片的第七个端子与一次电压输出端连接，电源芯片的第三个端子与一第三电感L3串联后作为第一直流电源的正极端，电源芯片的第五个端子串接一电阻R37后与所述第一直流电源的正极端连接，电源芯片的第一个端子串接一电容C22后与第三个端子连接；所述一次电压输出端的相对地端DGND也是第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第八个端子串接一电容C19后接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第四个端子接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第六个端子依次串接一电容C21、一电阻R33后接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第三个端子与一二极管D3的负极连接，该二极管D3的正极接第一直流电源的地端DGND，电源芯片的第五个端子还串接一电阻R36后接第一直流电源的地端DGND；

所述可控精密稳压源的第三个端子与所述第一直流电源的正极端间连接有两电阻R67、R69，与第一个端子间连接有一电阻R107、与第二个端子间连接有一电容C34，所述电容C34并联有互为串接的电阻R109和电阻R110，所述电阻R109和电阻R110之间的连接点通过一电容C52接地端DGND，电阻R109和电阻R110之间的连接点为1.8V电压的输出端，可控精密稳压源的第一个端子与第二个端子间连接电阻R108且所述第二个端子接地端DGND，可控精密稳压源的第三个端子输出为3.3V电压的输出端。

5.根据权利要求1~4中任一项所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述接口窗包含设置有USB接口、SDIO接口、MDI接口、DDR3接口、EMMC接口的多个；所述外壳体的后表面的顶部两边嵌入式分布有若干按钮，所述按钮与所述CPU中央处理器连接。

6.根据权利要求5所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述外壳体的后表面的底部镶嵌有指示灯，该指示灯与所述麦克风的输出端状态同步。

7.根据权利要求6所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述外壳体的后表面左、右两边部内凹形成对称的握持部。

8.根据权利要求7所述的一种变压器检测用成像仪，其特征在于：所述散热窗口位于外壳体的后表面的顶部中央，散热窗口中设置有阵列排布的若干散热片，相邻散热片之间形成散热通道且散热通道朝向主电路板。

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