基于嵌入式技術(shù)的瓷絕緣子超聲探傷儀設(shè)計(jì)

姜仲秋

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安 223003)

基于嵌入式技術(shù)的瓷絕緣子超聲探傷儀設(shè)計(jì)

姜仲秋

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安 223003)

為了用電設(shè)備的安全,設(shè)計(jì)了基于嵌入式處理器的瓷絕緣子超聲探傷測(cè)試儀,實(shí)現(xiàn)人機(jī)圖形界面以及測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理的智能化.設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該測(cè)試儀性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理速度快,測(cè)量精度高.

瓷絕緣子;超聲探傷;測(cè)試儀

0 引言

瓷絕緣子是城鄉(xiāng)供用電系統(tǒng)中重要的組成設(shè)備,起著支撐導(dǎo)線(xiàn)和絕緣作用,由于其韌性很低,在長(zhǎng)期運(yùn)行中,由于承重的機(jī)械負(fù)荷大及惡劣的外部環(huán)境(如大風(fēng)、雨雪)等原因,使其附加應(yīng)力增大.若支柱瓷絕緣子存在微小缺陷,就可能發(fā)生斷裂,造成人身傷害、設(shè)備損壞[1-3].因而,對(duì)支柱瓷絕緣子進(jìn)行超聲探傷檢測(cè)研究,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓絕緣子的內(nèi)部缺陷,對(duì)防止運(yùn)行中的突然斷裂具有重要作用.目前國(guó)外只有美國(guó)、德國(guó)等少數(shù)廠(chǎng)商生產(chǎn)瓷絕緣子超聲探傷儀,而且價(jià)格昂貴.國(guó)內(nèi)廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司的CTS-9008瓷絕緣子超聲探傷儀雖屬于其自主研發(fā)的數(shù)字化產(chǎn)品,其核心為DSP信號(hào)處理器.國(guó)內(nèi)未見(jiàn)基于嵌入式SOC技術(shù)研發(fā)的瓷絕緣子超聲探傷儀出售.

本文探討了基于嵌入式SOC技術(shù)的超聲探傷儀的設(shè)計(jì),對(duì)促進(jìn)嵌入式技術(shù)在瓷絕緣子超聲探傷儀中的應(yīng)用具有一定的意義.

1 超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)法是廣泛應(yīng)用于材料探傷的常用方法,也是最早用于復(fù)合材料無(wú)損評(píng)價(jià)的方法之一.其原理是利用復(fù)合材料本身或其缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部和表面的缺陷,如氣泡、分層、裂紋、脫粘、貧膠等.超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、成本低和對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn).超聲探傷采用的超聲波是頻率大于20 kHz的彈性振動(dòng)波,最常用的頻率是0.5～10MHz.超聲波在異質(zhì)材料之間傳播時(shí),由于異質(zhì)材料的聲學(xué)性質(zhì)不同,超聲波從一種物質(zhì)透射進(jìn)入另一種物質(zhì)時(shí),會(huì)在異質(zhì)界面處返回一個(gè)界面回波,即異質(zhì)界面特征回波.超聲波在界面被反射的程度決定于兩種介質(zhì)的聲阻差(介質(zhì)的聲阻等于介質(zhì)的密度和聲速的乘積),聲阻差越大則反射程度越大.超聲探傷時(shí),探傷儀發(fā)出高頻脈沖電信號(hào)加在探頭的壓電晶片上,由于壓電效應(yīng),晶片產(chǎn)生彈性形變,從而產(chǎn)生超聲波;超聲波經(jīng)耦合后傳入被探的絕緣子工件中,遇到異質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射,反射回來(lái)的超聲波同樣作用到探頭上,正壓電效應(yīng)使探頭晶片上產(chǎn)生放電信號(hào).通過(guò)分析晶片上的電信號(hào),就可以知道被探工件中的缺陷等信息.超聲探傷有縱波斜角超聲波檢測(cè)和爬波超聲波檢測(cè).縱波斜角超聲波檢測(cè)速度較慢,但可檢測(cè)瓷件的中心部位,爬波檢測(cè)速度較快,探測(cè)表面下1～15mm的裂紋非常敏感.由于受到變電站停電時(shí)間的限制,在超聲波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)多用爬波檢測(cè)[4].在進(jìn)行測(cè)量前,先要利用標(biāo)準(zhǔn)試塊,作出DAC(Distance-Amplitude-Calibrate)曲線(xiàn),DAC曲線(xiàn)顯示了距離不同缺陷位置的反射波幅值,通過(guò)對(duì)比測(cè)量波形和DAC曲線(xiàn)來(lái)判斷被測(cè)試品中是否有缺陷.

本文提出的基于嵌入式技術(shù)的瓷絕緣子的超聲波探傷檢測(cè)方法為首先向被檢工件的檢測(cè)面發(fā)射SH波,使用橫波耦合劑將探頭與被檢工件的待檢測(cè)面耦合,用探頭在待檢測(cè)面上進(jìn)行掃查,使用瓷絕緣子試塊調(diào)整所述探頭的基準(zhǔn)靈敏度和掃查靈敏度,檢測(cè)待檢測(cè)面的反射波,并將第一次接收到的反射波高達(dá)到缺陷設(shè)定值的反射波記錄為缺陷信號(hào),測(cè)量所述缺陷的長(zhǎng)度,對(duì)反射波波高達(dá)到預(yù)設(shè)的高度的絕緣子予以判廢,低于預(yù)設(shè)值的工件判為合格.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用嵌入式SOC技術(shù)設(shè)計(jì)的智能化新型瓷絕緣子超聲探傷儀.其關(guān)鍵技術(shù)是利用以ARM為核的嵌入式處理器聯(lián)結(jié)外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)數(shù)據(jù)的高速采集、二次小波平滑化處理形成直觀缺陷圖.利用嵌入式OS基于Flash的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并可通過(guò)USB接口轉(zhuǎn)存至PC機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行探測(cè)數(shù)據(jù)的永久保存與有效管理.考慮智能儀器的低功耗與便攜性的要求,采用彩色觸摸屏顯示設(shè)計(jì),提供友好的人機(jī)界面.

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 瓷絕緣子探傷儀硬件設(shè)計(jì)方案

嵌入式瓷絕緣子超聲探測(cè)儀硬件框圖如圖1所示.本系統(tǒng)采用ARM+FPGA的架構(gòu),充分利用ARM的超強(qiáng)處理能力和豐富的接口,實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)傳輸;通過(guò)軟件設(shè)置功能,方便地對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行配置.FPGA是一種非常靈活的可編程邏輯器件,可以像軟件一樣編程來(lái)配置,從而可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行靈活而方便的更改和開(kāi)發(fā),提高了系統(tǒng)效率.而利用uC/OS,可以方便地開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展應(yīng)用程序,根據(jù)用戶(hù)的需求,及時(shí)方便地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的功能.ARM 7選取SEP3203,它是基于ARM 7核的一款處理器,其工作頻率達(dá)到400MHz,可以極大地提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度,這個(gè)頻率能夠使處理器輕松地運(yùn)行在WindowsCE,Linux等操作系統(tǒng)上,可以大大減少軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間;SEP3203強(qiáng)大的內(nèi)部中斷,便于TCP/IP的輪詢(xún)調(diào)用;SEP3203有117個(gè)通用可編程多功能的I/O端口可方便與以太網(wǎng)控制器RTL8019AS連接;SEP3203有著豐富的外設(shè)資源,可以大大簡(jiǎn)化外圍電路中的擴(kuò)展部分,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度;FPGA選用的是Cyclone EP1C6,它是Altera推出的一款高性?xún)r(jià)比FPGA,其密度為5 980個(gè)邏輯單元(LE),包含20個(gè)128＊36 bit的RAM塊(M 4K模塊),總的RAM空間達(dá)到92 160 bit,內(nèi)嵌2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)電路和一個(gè)用于連接SDRAM的特定雙數(shù)據(jù)率接口,工作頻率高達(dá)20MHz,用戶(hù)可用I/0管腳為185個(gè),很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)需要[5,6];SDRAM選用SAMSUNG公司的 K4S561632D,它是4M＊l6bit＊4bank的同步DRAM,容量為32MB.用2片K4S561632D并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng),其中一片為高16位,另一片為低16位,使數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度達(dá)到32 bit,總?cè)萘窟_(dá)到64MB.

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)預(yù)處理

采集到的回波,受到各種因素的影響,不可避免地會(huì)受到影響,因此系統(tǒng)首先需要對(duì)波形作去噪處理,采用的方法是小波去噪.

小波變換去噪是小波變換的一個(gè)典型應(yīng)用.本文采用對(duì)稱(chēng)小波對(duì)信號(hào)的突變局部點(diǎn)的定位能力強(qiáng),不存在位移,同時(shí)通過(guò)信號(hào)的相鄰細(xì)節(jié)系數(shù)的變換,得到一組新的細(xì)節(jié)系數(shù),這組新的系數(shù)所含的噪聲能被充分地抑制.如圖2所示,原始含噪信號(hào)經(jīng)過(guò)各個(gè)細(xì)節(jié)處理后其中的噪聲大部分被消除,突變部分信號(hào)被加強(qiáng).

圖2 信號(hào)處理過(guò)程

2.2.2 信號(hào)變換與識(shí)別

將已經(jīng)去除噪聲的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)所需的處理,根據(jù)模型多角度捕捉回波信號(hào)所攜帶的關(guān)于瓷絕緣子缺陷的特征量,從信號(hào)強(qiáng)度、幅度、時(shí)延、相位、相關(guān)性等多方面進(jìn)行單獨(dú)或綜合處理,包括增益控制、衰減補(bǔ)償、求信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)等.超聲信號(hào)經(jīng)接收部分放大后,由模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳給嵌入式處理器,處理后在嵌入式處理器內(nèi)部開(kāi)辟空間暫存.因換能器的位置由人工操作,受損位置由小波變換并轉(zhuǎn)為數(shù)字傳給處理器,對(duì)于幅度信號(hào)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)電子開(kāi)關(guān),采用峰值保持,抽樣量化的數(shù)字化處理方案[7,8].處理器再把隨時(shí)間和位置變化的超聲波形進(jìn)行適當(dāng)處理,得出設(shè)置有關(guān)參數(shù)或?qū)⑻幚斫Y(jié)果波形、圖形等在屏幕上顯示或給出光、聲識(shí)別及報(bào)警信號(hào).

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,本設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到如下性能指標(biāo).檢測(cè)范圍:2 500～5 000mm;掃描分辨率:0.1mm(2.5～100mm);1mm(100～5 000mm);增益范圍 :0～100 db;補(bǔ)償范圍 :0～100 db;動(dòng)態(tài)范圍 :≥32 db;分辨率:≥36 db;靈敏度余量:≥60 db;雜波抑制范圍:0～90%;垂直線(xiàn)性誤差:≤3%;水平線(xiàn)性誤差:≤0.1%;探頭零點(diǎn):0～99μs.某次測(cè)量得到的DAC曲線(xiàn)如圖3所示.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用嵌入式處理器為核心,基于嵌入式SoC技術(shù),設(shè)計(jì)了一種新型的瓷絕緣子超聲探傷儀.通過(guò)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái),完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì).該項(xiàng)目產(chǎn)品主要?jiǎng)?chuàng)新之處主要體現(xiàn)為:采用嵌入式處理器聯(lián)結(jié)外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)數(shù)據(jù)的高速采集;利用插值歸一、基色交調(diào)方法、二次小波平滑化處理等手段形成可讀性強(qiáng)的直觀缺陷圖;利用嵌入式OS基于Flash文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并可通過(guò)USB接口轉(zhuǎn)存至PC機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行探測(cè)數(shù)據(jù)的永久保存與有效管理.本設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)人機(jī)界面友好,測(cè)試響應(yīng)速度快,操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).目前,基于該技術(shù)的超聲波探傷儀已經(jīng)投入批量生產(chǎn),獲得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益.

圖3 測(cè)量DAC曲線(xiàn)

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Abstract:For protecting Electronic device,the testerof porcelain insulator ultrasonic detection based on embedded technology was designed,which function included:test data gathering,demonstration,storaging and intellectualization.The design result showed,the device takeon stable performance,high data processing speed andmeasuring accuracy.

Key words:porcelain insulator;ultrasonic detection;tester

[責(zé)任編輯:蔣海龍]

Design of Tester of Porcelain Insulator Ultrasonic Detection Based on Embedded Technology

JIANG Zhong-qiu

(Huaian College of Information Technoloy,Huaian Jiangsu 223001 China)

TM216;TH878

A

1671-6876(2010)06-0492-04

2010-07-22

江蘇省科技廳企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(BC2007127)

姜仲秋(1962-),男,江蘇淮安人,副教授,高級(jí)工程師,碩士,主要從事計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)及智能儀器等研究.