架空地線斷絲檢測(cè)儀器

黃延慶 霍福廣

摘? 要：為了識(shí)別架空地線的斷絲缺陷，以電渦流檢測(cè)技術(shù)為依據(jù)，研制了一種基于STM芯片的電渦流架空地線檢測(cè)裝置，重點(diǎn)介紹了電渦流原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在帶有缺陷的試驗(yàn)線纜上進(jìn)行驗(yàn)證， 試驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)對(duì)不同程度的斷絲缺陷具有較高的檢出能力，并可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。

關(guān)鍵詞：電渦流;架空地線檢測(cè);斷絲;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0043-02

Abstract： In order to identify the broken wire defect of overhead ground wire， based on the eddy current detection technology， an eddy current overhead ground wire detection device based on STM chip was developed. The eddy current principle and system design were mainly introduced. In addition， the designed system is used to verify the test cables with defects， and the test results show that the system has a high detection ability for different degrees of wire breakage defects， and can be distinguished.

Keywords： eddy current; overhead ground wire detection; broken wires; system design

目前，對(duì)輸電線路的在線、在役檢測(cè)的要求越來越高，傳統(tǒng)的人工檢視法通過直觀的觀測(cè)和利用一些簡(jiǎn)單的工具來進(jìn)行檢驗(yàn)，效率低下且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度不高[1]。射線檢測(cè)法存在輻射泄露隱患且設(shè)備笨重使用不便，缺乏相關(guān)的專業(yè)操作人員[2]。機(jī)器視覺法可以全角度全方位地捕捉鋼絲繩的受損情況，但線纜表面的污損會(huì)造成誤判[3]相較于其他方法，渦流法因無需耦合劑、檢測(cè)速度快、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而被眾多學(xué)者關(guān)注。本文的創(chuàng)新之處在于基于渦流法研制了一種架空地線檢測(cè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)架空地線的斷絲缺陷檢測(cè)。

1 渦流檢測(cè)原理

渦流探傷（ET）是利用了電磁感應(yīng)原理檢測(cè)導(dǎo)電構(gòu)件表面和近表面缺陷的一種探傷方法。按其原理是用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦流，借助探測(cè)線圈測(cè)定渦流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。檢測(cè)線圈在渦流檢驗(yàn)中，為了適應(yīng)不同探傷目的，按照檢測(cè)線圈和被檢構(gòu)件的相互關(guān)系分為內(nèi)穿式線圈、外穿式線圈和探頭式線圈三大類。其優(yōu)點(diǎn)是無需破壞或接觸試件，不需要耦合劑，可獲得缺陷處的參考數(shù)據(jù)，能檢出金屬構(gòu)件的表面缺陷和近表面缺陷。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、差分放大模塊和信號(hào)采集模塊?；陔姕u流的架空地線檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案框圖如圖1所示。系統(tǒng)的信號(hào)激勵(lì)電路以STM32F4單片機(jī)為核心，控制其啟動(dòng)、停止及激勵(lì)信號(hào)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。將經(jīng)過功率放大的信號(hào)加載到探頭的激勵(lì)線圈，當(dāng)探頭靠近線纜時(shí)，在線纜激勵(lì)出電渦流，檢測(cè)線圈感應(yīng)到斷絲引起的信號(hào)變化，并將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)調(diào)理模塊調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與儲(chǔ)存，最終由串口屏進(jìn)行顯示與分析。

2.2 激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)激勵(lì)模塊的信號(hào)發(fā)生電路不僅要為渦流檢測(cè)探頭提供一定頻率的正弦波激勵(lì)信號(hào)，還需要為信號(hào)調(diào)理模塊提供正弦波和余弦波作為參考信號(hào)，因此信號(hào)發(fā)生電路要求具有較高的穩(wěn)定性?；谏鲜龇治?，本文利用直接數(shù)字頻率合成 （DDS） 技術(shù)產(chǎn)生檢測(cè)線圈所需的交變正弦波激勵(lì)信號(hào)， 所選用的DDS芯片AD9850， 其采用CMOS工藝， 其在+3.3V供電時(shí)功耗僅為155mW。由于系統(tǒng)信號(hào)激勵(lì)電路產(chǎn)生的信號(hào)功率較小，若將該激勵(lì)信號(hào)直接加載到檢測(cè)探頭激勵(lì)線圈兩端，不足以激勵(lì)出檢測(cè)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，故系統(tǒng)在激勵(lì)信號(hào)電路后端設(shè)計(jì)了功率放大電路。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊中，正交鎖相放大器是實(shí)現(xiàn)將缺陷信號(hào)從噪聲信號(hào)中剝離出來的關(guān)鍵。其基于互相關(guān)原理，利用缺陷信號(hào)頻率和隨機(jī)噪聲頻率的差別，通過互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，達(dá)到去噪的功能，原理圖如圖2所示。

2.4 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

為了能夠得到含有缺陷信息的信號(hào)，在數(shù)字電路中應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊的作用是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于STM32F4內(nèi)部自帶ADC為單極性且只有兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道，不滿足使用要求，故在該數(shù)據(jù)采集模塊中選用4通道AD7606作為AD轉(zhuǎn)換芯片。所有的采集通道都能以高達(dá)200KSPS的采樣速率進(jìn)行采樣，也可以使用多片AD7606級(jí)聯(lián)組成多通道同步采集系統(tǒng)，因?yàn)槊總€(gè)輸入端都有箝位保護(hù)電路，故AD7606芯片能承受最高達(dá)±16.5V的電壓。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與試件

基于以上分析，本文開發(fā)了一種電力線纜斷絲渦流檢測(cè)裝置，其封裝效果如圖3所示。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置的性能，設(shè)計(jì)了一段帶有不同程度斷絲缺陷的線纜如圖4所示。1、2、3分別代表斷裂3根、2根、1根，為方便探頭放置在鋼絲繩上用紙膠帶粘上后標(biāo)出斷裂位置。由于實(shí)驗(yàn)線纜整體具有很大的弧度，如果直接使用探頭進(jìn)行檢測(cè)會(huì)因?yàn)樘犭x變化等因素造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確，因此本文利用3D打印制作了一個(gè)探頭外殼，外殼中心打孔放置探頭，底部圓弧與檢測(cè)線纜大小相當(dāng)。檢測(cè)時(shí)，將線纜從外殼底部穿過，從而減少因抖動(dòng)等原因造成的測(cè)量誤差。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用開發(fā)的電力線纜斷絲渦流檢測(cè)裝置開展試驗(yàn)，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置的激勵(lì)信號(hào)頻率為100kHz。試驗(yàn)中使探頭由線纜一端運(yùn)行到另一端，得到無缺陷和存在缺陷的區(qū)域的信號(hào)。圖5為不同位置的電壓信號(hào)，3個(gè)突起的地方即為經(jīng)過三處缺陷時(shí)的電壓，其他較為平緩的低處則是在無缺陷的電纜線上劃動(dòng)時(shí)的電壓值。不同大小的峰值意味著可以區(qū)分不同斷絲程度的缺陷。圖6為不同位置的相位信號(hào)，相對(duì)于電壓信號(hào)，相位變化更明顯但無法區(qū)分不同程度的斷絲缺陷?？偟膩碚f，檢測(cè)裝置能夠較好地識(shí)別出線纜斷絲缺陷并對(duì)其嚴(yán)重程度進(jìn)行區(qū)分。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)架空地線的斷絲缺陷問題，研制了一種基于電渦流傳感器的檢測(cè)裝置。對(duì)具有斷絲缺陷的鋼芯鋁絞線進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，該檢測(cè)裝置可以有效檢測(cè)并區(qū)分不同程度的斷絲缺陷，驗(yàn)證了該裝置的有效性。

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