一种绝缘子自动探伤检测仪及检测方法[发明专利]

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2013.10.16C N 103353507 A (21)申请号 201310246160.X
(22)申请日 2013.06.20
G01N 33/00(2006.01)
G01N 29/14(2006.01)
G01N 21/88(2006.01)
(71)申请人国家电网公司
地址100031 北京市西城区西长安街86号
申请人辽宁省电力有限公司检修分公司
北京航空航天大学
(72)发明人王继伟 杨树权 范乃心 张利群
胡晓光 廖寂 叶晓明 李翔
梁棋
(74)专利代理机构锦州辽西专利事务所 21225
代理人
李辉
(54)发明名称
一种绝缘子自动探伤检测仪及检测方法
(57)摘要
一种绝缘子自动探伤检测仪及检测方法，无
需断电的在线实时检测，而且保障了结果的准确
性，提高了检测准确率。

具有依次连接的超声波
接收模块、信号调理单元、模数转换单元，依次连
接的红外机芯、数字接收模块，连接在模数转换单
元和数字接收模块输出端的信号处理模块，与信
号处理模块连接的数据存储单元、SD 存储卡和键
盘，接在信号处理模块输出端的故障报警单元、显
示单元，为超声波接收模块、信号处理模块、信号
调理单元、数据存储单元提供电源的电源模块。

利
用超声波接收模块检测绝缘子部位是否有超声波
信号的发出，再利用红外成像技术，对绝缘子进行
成像处理，检测绝缘子表面热场变化是否存在异
常现象，从而判断绝缘子是否发生故障及故障位
置。

(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图4页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图4页(10)申请公布号CN 103353507 A
*CN103353507A*
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1.一种绝缘子自动探伤检测仪，其特征在于：
具有依次连接的超声波接收模块、信号调理单元、模数转换单元，依次连接的红外机芯、数字接收模块，连接在模数转换单元和数字接收模块输出端的信号处理模块，与信号处理模块连接的数据存储单元、SD 存储卡和用来输入设置参数的键盘，接在信号处理模块输出端的故障报警单元、显示单元，为超声波接收模块、信号处理模块、信号调理单元、数据存储单元提供电源的电源模块。

2.根据权利要求1所述的绝缘子自动探伤检测仪，其特征在于：超声波接收模块采用型号为DYA-40-12的超声波传感器。

3.根据权利要求1所述的绝缘子自动探伤检测仪，其特征在于：模数转换单元由信号处理模块用SPI 总线进行配置。

4.根据权利要求1所述的绝缘子自动探伤检测仪，其特征在于：信号调理单元由前置放大电路、滤波电路和后置放大电路组成。

5.根据权利要求1所述的绝缘子自动探伤检测仪，其特征在于：数据存储单元采用FLASH 存储器。

6.根据权利要求1所述的绝缘子自动探伤检测仪，其特征在于：显示单元为LCD 显示屏。

7.一种绝缘子自动探伤检测方法，其特征在于：
（1）、采用如权利要求1所述的绝缘子自动探伤检测仪；
（2）、选择超声波探伤，由超声波接收模块接收故障绝缘子所发出的超声波信号，并将信号强度转化为相对的电压值，经过信号调理单元调理后进行AD 采样，将模拟信号转换为数字信号送入信号处理模块，并将数据存入数据存储单元，由信号处理模块调用数据存储单元中的数据，判断所得的超声波信号的大小是否超过阈值，再将结果由显示单元显示，如果超过阈值判断有故障，由故障报警单元报警；
（3）、选择红外探伤，由红外机芯感知外界红外辐射情况，并以整列图像的形式将目标显示出来，通过LVDS 协议传输16bits 数字图像信息，数字接收模块完成通信接口协议并将接收到的数据发送到信号处理模块，由信号处理模块完成对数据的处理及分析，将红外图像以及分析结果由显示单元显示出来并且存储到SD 存储卡中，如果有故障则报警并由显示单元显示出红外图像并且标示出故障位置。

8.根据权利要求7所述的一种绝缘子自动探伤检测方法，其特征在于：信号处理模块对数据进行处理及分析时，首先进行图像滤波、图像分割，得到超声波探伤故障区域的绝缘子红外图像，转化为二值化图像，分析图像，判断是否正常，如正常显示正常红外图像，如果不正常标示问题区域并由故障报警电路报警。

9. 根据权利要求7所述的一种绝缘子自动探伤检测方法，其特征在于：数据存储单元采用FLASH 存储器。

权 利 要 求 书CN 103353507 A
一种绝缘子自动探伤检测仪及检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种绝缘子自动探伤检测仪及检测方法，它是一种基于超声波探伤和红外成像探伤的检测装置。

该装置能够远距离，不断电并且实时地检测绝缘子是否发生故障，并对接受信号进行分析以及判断，从而实现对绝缘子实时的检测和报警。

其中包括图像处理、数据采集、数据处理、总线与接口技术等。

该装置属于参数测量与监测类装置技术领域。

背景技术
[0002] 绝缘子是电网中尤其是输电线路的主要绝缘部件，是保障电气性能的关键部件。

运行中的绝缘子长期工作于强电场、机械应力、污秽及温湿度等共存的复杂环境中，出现故障的几率很大。

随着运行时间的增加，受机电联合作用，绝缘子的绝缘性能和机械性能均会下降。

近年来，因高压支柱绝缘子损坏而造成的电力事故频繁发生。

瓷绝缘子的断裂，造成设备损坏甚至人身伤害事故。

使变电站供电线路部分或全部停电，造成巨大经济损失和社会影响。

因此，为了提高绝缘子的可靠性，需要在绝缘子发生故障以前，对绝缘子进行必要的检查和维修，避免故障的发生。

[0003] 绝缘子在运行过程中会一直暴露在空气中，大气中的悬浮颗粒沉积在绝缘子表面, 日积月累形成成绝缘水平下降，甚至发生闪络，这被称为污秽放电。

在放电过程中，带电质点在电场作用下加速，电弧产生高温，空气分子剧烈的热运动，与放电通道相邻的空气产生了压力，使之向外运动，而由于空气的弹性阻力，使这部分空气在平衡位置附近产生振动，并通过相邻空气媒质一直传播下去, 形成声波。

由于放电的时间非常短，因此产生的声波的频谱很宽，可以从几十Hz至几MHz。

因此，检测绝缘子部位是否有超声波信号发出是绝缘子检测中的一项重要内容。

[0004] 目前，对于高压电线连接塔上的绝缘子检测方式主要是利用超声波传感器进行接触式探伤，如横波探伤和纵波探伤。

因此只能进行断电后离线检测，缺少灵活、高效的在线实时监测装置。

发明内容
[0005] 针对以上问题，本发明提出了一种绝缘子自动探伤检测仪及检测方法，利用超声波探伤，检测绝缘子部位是否有超声波信号的发出，再利用红外成像技术，对绝缘子进行成像处理，检测绝缘子表面热场变化是否存在异常现象，从而判断绝缘子是否发生故障。

这种方案克服了常规技术即接触式检测方法的弊端，做到了无需断电的在线实时检测，而且用两种技术手段保障了结果的准确性，提高了检测准确率。

[0006] 本发明的技术解决方案是：
一种绝缘子自动探伤检测仪，其特殊之处在于：
具有依次连接的超声波接收模块、信号调理单元、模数转换单元，依次连接的红外机芯、数字接收模块，连接在模数转换单元和数字接收模块输出端的信号处理模块，与信号处
理模块连接的数据存储单元、SD存储卡和用来输入设置参数的键盘，接在信号处理模块输出端的故障报警单元、显示单元，为超声波接收模块、信号处理模块、信号调理单元、数据存储单元提供电源的电源模块。

[0007] 超声波接收模块采用型号为DYA-40-12的超声波传感器。

[0008] 模数转换单元由信号处理模块用SPI总线进行配置。

[0009] 信号调理单元由前置放大电路、滤波电路和后置放大电路组成。

[0010] 数据存储单元采用FLASH存储器。

[0011] 显示单元为LCD显示屏。

[0012] 一种绝缘子自动探伤检测方法，其特殊之处在于：
1、采用如上述绝缘子自动探伤检测仪；
2、超声波探伤，由超声波接收模块接收故障绝缘子所发出的超声波信号，并将信号强度转化为相对的电压值，经过信号调理单元调理后进行AD采样，将模拟信号转换为数字信号送入信号处理模块，并将数据存入数据存储单元，由信号处理模块调用数据存储单元中的数据，判断所得的超声波信号的大小是否超过阈值，再将结果由显示单元显示，如果超过阈值判断有故障，由故障报警单元报警；
3、红外探伤，由红外机芯感知外界红外辐射情况，并以整列图像的形式将目标显示出来，通过LVDS协议传输16bits数字图像信息，数字接收模块完成通信接口协议并将接收到的数据发送到信号处理模块，由信号处理模块完成对数据的处理及分析，将红外图像以及分析结果由显示单元显示出来并且存储到SD存储卡中，如果有故障则报警并由显示单元显示出红外图像并且标示出故障位置。

[0013] 信号处理模块对数据进行处理及分析时，首先进行图像滤波、图像分割，得到超声波探伤故障区域的绝缘子红外图像，转化为二值化图像，分析图像，判断是否正常，如正常显示正常红外图像，如果不正常标示问题区域并由故障报警电路报警。

[0014] 数据存储单元采用FLASH存储器。

[0015] 本发明采用DSP平台，将数据采集、数据处理，数据存储功能集成于一体。

对于超声波探伤检测，通过检测到绝缘子部分是否发出超声波信号可以知道绝缘子是否发生损坏，如果检测到超声波信号，绝缘子必定存在故障位置，若要确定出具体的故障位置，这就需要进行红外检测。

通过红外检测所获得的图像并且对其进行一系列的处理和分析最终判断出绝缘子的故障区域并且在显示端予以显示，实现对绝缘子的检测。

其有益效果如下：
1、采用超声波探伤和红探伤两种探伤模式，当污秽绝缘子干燥时，绝缘子表面的泄漏电流很小，当污层不断湿润时，泄漏电流不断增大，电流流过污层产生焦耳热，引起绝缘子表面温升。

泄漏电流越大，其电流热效应越明显，温度变化也越明显。

任何物体温度高于绝对零度都会向外辐射红外能量，不同温度的物体向外辐射的红外能量不同，红外机芯能够探测物体辐射的红外能量，并将其转换为红外热像图。

对于所得的红外图像进行处理，分析并且判断所测绝缘子是否存在温度异常部分，从而检测绝缘子是否正常。

对于同一结果可以多次测量，验证结论，提高了对结果分析的准确性。

[0016] 2、可实现对绝缘子在远距离，不断电的情况下检测，有极佳的经济效益和社会效益。

[0017] 3.装置自动化程度高，对目标检测后可以直接呈现绝缘子是否损坏，如果损坏，由
显示单元显示出红外图像并且标示出损坏位置。

附图说明
[0018] 图1是本发明硬件结构方框示意图。

[0019] 图2是信号调理单元的电路方框图。

[0020] 图3 是超声波检测流程示意图。

[0021] 图4是红外成像处理流程示意图。

具体实施方式
[0022] 如图1、图2所示，一种绝缘子自动探伤检测仪，具有依次连接的超声波接收模块、信号调理单元、模数转换单元，依次连接的红外机芯、数字接收模块，连接在模数转换单元和数字接收模块输出端的信号处理模块，接在红外机芯和信号处理模块之间的RS232串口，由信号处理模块给红外机芯控制信号，与信号处理模块连接的数据存储单元、SD存储卡和用来输入设置参数的键盘，接在信号处理模块输出端的故障报警单元、显示单元，为超声波接收模块、信号处理模块、信号调理单元、数据存储单元提供电源的电源模块。

模数转换单元（ADC芯片）由信号处理模块用SPI总线进行配置，信号调理单元由前置放大电路、滤波电路和后置放大电路组成，数据存储单元采用FLASH存储器，显示单元为LCD显示屏。

数字接收模块即数字接口电路由FPGA及其外围电路构成，红外探伤时数据存储功能由SD存储卡接入DSP完成。

信号调理单元、模数转换单元、数字接收模块和信号处理模块安装在一块信息处理板上。

[0023] 如图3、图4所示，一种绝缘子自动探伤检测方法，其特殊之处在于：
1、采用如上所述绝缘子自动探伤检测仪；
2、超声波探伤，由超声波接收模块接收故障绝缘子所发出的超声波信号，并将信号强度转化为相对的电压值，经过信号调理单元调理后进行AD采样，将模拟信号转换为数字信号送入信号处理模块，并将数据存入FLASH存储器，由信号处理模块调用FLASH存储器中的数据，判断所得的超声波信号的大小是否超过阈值，再将结果由显示单元显示，如果超过阈值判断有故障，由故障报警单元报警；
3、红外探伤，由红外机芯感知外界红外辐射情况，并以整列图像的形式将目标显示出来，通过LVDS协议传输16bits数字图像信息，数字接收模块利用现场可编程门阵列（FPGA）完成通信接口协议并将接收到的数据发送到信号处理模块，由信号处理模块完成对数据的处理及分析，将红外图像以及分析结果由显示单元显示出来并且存储到SD存储卡中，如果有故障则报警，并由显示单元显示出红外图像并且标示出故障位置。

[0024] 信号处理模块对数据进行处理及分析时，首先进行图像滤波、图像分割，得到超声波探伤故障区域的绝缘子红外图像，转化为二值化图像，分析图像，判断是否正常，如正常显示正常红外图像，如果不正常标示问题区域并由故障报警单元报警。

[0025] 所述信号处理模块（DSP）由TI公司的TM S320C6000芯片构成。

TMS320C6000是TMS320系列产品中的新一代高性能DSP芯片，C6000系列CPU中的8个功能单元可以并行操作,并且其中两个功能单元为硬件乘法运算单元,大大地提高了乘法速度。

DSP 采用具有独立程序总线和数据总线的哈佛总线结构 ,仅片内程序总线宽度就可达256位 ,即每
周期可并行执行8条32位指令;片内两套数据总线的宽度分别为32位;此外,DSP还有一套32 位DMA专用总线用于传输。

灵活的总线结构使得数据瓶颈对系统性能的限制大大缓解。

C6000的通用寄存器组能支持32位和40位定点数据操作。

除了多功能单元外,流水技术是提高DSP程序执行效率的另一主要手段。

由于TMS320C6000的特殊结构,功能单元同时执行的各种操作可由VLIW长指令分配模块来同步执行,使 8条并行指令同时通过流水线的每个节拍,极大地提高了机器的吞吐量。

[0026] 数字接收模块数字接口电路，使用品牌为xilinx的XC4VSX55型号fpga。

它提供了比其它器件更多的DSP专用模块。

可提供更高的性能、更低的功耗、以及功能更多的运算单元。

它能够实现乘法-累加单元，也可与其它类似模块进行级联，以实现更大的设计架构，如有限脉冲响应(FIR)滤波器，而与此同时仍能保持工作在正常的速度。

这种性能及可扩展性使Virtex-4 FPGA能够以前所未有的性能和集成度来实现DSP的关键功能，并无需占用通用的逻辑资源。

[0027] 所述超声波接收单元，即超声波传感器，是由福州大禹电子科技有限公司所研发的型号为DYA-40-12的超声波传感器。

量程为0.4～12m，盲区为盲区0.4m，频率为40KHz±1.5KHz，工作电压峰值电压＜1500VPP，工作温度-20～+80℃。

其中的红外单元的接收单元为FLIR公司生产的TAU 320型红外机芯，配置19mm光学镜头。

具有高精度、高热灵敏度、低功耗、体积小、重量轻等特点。

其具体指标为：探测器类型：非制冷型焦平面阵列（FPA），324*256像素。

光谱范：7.5-13.5um。

视场范围：24°*18°(19 mm镜头)。

空间分辨率：1.25mrad。

视频输出：30Hz(NTSC);25Hz(PAL)。

热灵敏度：<50mk。

数字接口：LVDS、BT.656、COMS。

控制接口：RS-232。

电源要求：4-6V DC。

尺寸大小：44.5*44.5*30 mm。

工作温度：-40℃--80℃。

[0028] 所述模数转换单元由AD公司生产的AD7491芯片、控制接口及信号调理电路组成，负责采集模拟量输出的传感器信号，信号调理电路将传感器单元输出的电压信号增大，并进行滤波。

基于DSP平台的控制及处理单元通过控制接口完成对AD7491芯片的配置工作。

AD7491芯片为逐次逼近型8通道12位高精度、低功耗的模数转换芯片，支持并行和串行接口，转换时间为1.6us。

[0029] 所述电源模块将输入的12v直流电压转换为5V、3.3V的直流电压，分别为超声波传感器、控制及处理单元、数据存储单元提供电源。

[0030] 整个装置的工作过程是：当打开LCD管理页面，可选择超声波探伤或是红外探伤。

若选择超声探伤，基于DSP平台的控制及处理单元控制模数转换单元分别采集超声波传感器电压信息，并将数据存储在数据存储单元中。

然后对数据进行数据处理，判断所得的超声波信号的大小是否超过阈值，再将结果显示在LCD屏幕上。

若选择红外探伤，基于DSP平台的控制及处理单元控制图像信号经过fpga输入到DSP中进行分析，经过算法的分析及处理再将结果呈现到LCD屏幕上并且存储到SD存储卡中。

[0031] (2) 软件结构：
本检测仪软件是DSP芯片的控制及处理程序，负责控制硬件实现数据采集、数据处理以及数据的存储。

软件在CCS3.3以及xilinx编译环境下编写，整个程序架构主要由以下模块组成：时钟管理模块、变量管理模块、延时模块、ADC驱动模块、LCD驱动模块、定时器管理模块、定时中断模块、FLASH存储驱动模块、数据缓存模块、DSP算法模块以及主程序模
块。

各模块间的关系如下：根据主程序模块来判定是启动超声波探伤模块亦或是红外探伤模块。

当启动超声波探伤模块后，启动ADC驱动模块以及定时器管理模块、定时中断模块，开始对超声波传感器的电压进行实时采集，并将数据存入FLASH存储器中。

当开关完成一次采集过程后，主程序模块中的阈值单元被触发，并将FLASH存储模块中的数据调入DSP算法模块进行处理，处理完成后将结果输送到LCD显示屏显示。

各模块之间的结构关系如图3所示。

当启动红外探伤模块后，启动FPGA传输模块以及定时器管理模块、定时中断模块等，将数据调入DSP算法模块中进行处理，将处理好的结果存储到SD存储卡中并且在LCD显示屏显示。

[0032] 所述时钟管理模块负责完成程序时钟的分频、倍频工作。

为整个芯片提供基准时钟。

[0033] 所述ADC驱动模块完成对ADC芯片的配置，控制其转换速率，转换精度，数据传输方式等。

并通过数据总线读取芯片输出数据，送入数据缓存模块中。

[0034] 所述定时器管理模块、定时中断模块完成对DSP内定时器的初始化，配置定时长度，执行中断程序。

[0035] 所述DSP算法模块是装置的软件核心。

对于超声波探伤模块，该模块的算法是判断采集的信号是否超过阈值，超过阈值即报警。

对于红外探伤模块，将输入的图像信号进行一系列的分析和处理，判断图像中的绝缘子是否存在过热的位置。

其算法流程如图4所示。

将所获得的图像进行预处理，包括滤波、分割以及二值化处理，再对处理后的目标区域图像进行分析，判断所得的灰度图是否存在灰度异常的部分。

图1
图2
图3
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图4说 明 书 附 图CN 103353507 A 11。