一种超声波信号采集装置及方法与流程

1.本发明涉及超声波局部放电检测技术领域，尤其涉及一种超声波信号采集装置及方法。


背景技术：

2.现有技术开展电气设备超声波局部放电带电检测工作需要使用相应的超声波局部放电检测仪。现有的超声波局部放电检测仪所用的超声波局放传感器是接触式传感器，需要检测作业人员将传感器贴到设备外壳上。直接接触设备有感应电伤人风险，必要时需要佩戴绝缘手套。传感器的接触面与外壳之间还需涂抹耦合剂，检测结束后需要将设备上的耦合剂擦除。此外，超声波局部放电带电检测工作的检测点非常密集，在设备外壳表面上平均相隔一米进行一次测试。再者，有的设备距作业面高度较高时，需要使用延长杆、梯子等器具。综上，现有技术的局部放电检测工作，测试点多，携带配套工器具多，操作复杂，检测作业人员的工作量非常大，检测时间长、工作效率不高，安全性不高。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种超声波信号采集装置及方法，以解决现有技术的局部放电检测工作操作复杂，效率低且安全性不高的问题。
4.第一方面，提供一种超声波信号采集装置，用于电力设备超声波局部放电检测的超声波信号采集，所述超声波信号采集装置包括：聚波盘、用于向被测点发射激光以标记被测点的激光对焦模块、用于测量被测点与所述聚波盘之间的距离的红外测距模块、多个用于接收超声波信号的可调角度的超声波传感器、用于控制所述超声波传感器的角度的传感器控制模块和操作手柄；所述聚波盘的正面沿所述聚波盘的中轴线从后往前依次安装有所述红外测距模块和所述激光对焦模块；多个所述超声波传感器环绕所述聚波盘的中心可拆卸地安装在所述聚波盘的正面，形成多个同心圆；所述传感器控制模块设置在所述聚波盘的背面的中心，与多个所述超声波传感器和所述红外测距模块电连接；所述操作手柄的一端连接所述聚波盘的背面，所述操作手柄内安装有处理模块，所述处理模块与所述超声波传感器电连接。
5.进一步，所述超声波信号采集装置还包括：用于向被测点发射超声波的超声波变频发射模块，所述超声波变频发射模块沿所述聚波盘的中轴线可拆卸地安装在所述聚波盘的正面，且位于所述激光对焦模块的前方。
6.进一步，所述超声波信号采集装置还包括：滤波模块，所述滤波模块设置在所述操作手柄内，所述滤波模块分别与所述处理模块和所述超声波传感器电连接。
7.进一步，所述超声波信号采集装置还包括：多个用于接收被测点的环境声波信号的环境声波接收器，多个所述环境声波接收器间隔均匀安装在所述聚波盘的正面的边缘，所述环境声波接收器与所述处理器电连接。
8.进一步：所述操作手柄具有用于启动所述激光对焦模块的第一开关。
9.进一步：所述操作手柄具有用于选择所述超声波信号采集装置的工作模式的第二开关。
10.进一步：所述操作手柄具有用于启动所述红外测距模块、所述超声波传感器、所述传感器控制模块、所述超声波变频发射模块、所述滤波模块和所述环境声波接收器的第三开关。
11.进一步：所述操作手柄具有接口。
12.进一步：所述操作手柄内设置有用于向所述超声波信号采集装置供电的电池。
13.第二方面，提供一种超声波信号采集方法，采用如第一方面实施例所述的超声波信号采集装置采集电力设备超声波局部放电检测过程中发出的超声波。
14.这样，本发明实施例，提供了一种非接触式、可远距离采集超声波信号的装置和方法，避免了和被测设备的直接接触，提高检测作业人员的安全性；有效减免检测作业人员在传统检测过程中需要携带的耦合剂、绝缘手套、梯子、延长杆等器具以及节省相应的操作时间，提高了超声波局部放电检测的工作效率；可同步对焦，还可主动发射变频超声波信号，与被测设备内部放电产生的超声波局部放电信号叠加，提升检测准确性、灵敏度；通过滤波、环境背景噪声比对分析提升抗干扰能力，尤其适合应用于变电站等复杂环境中。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明实施例的超声波信号采集装置的立体图；
17.图2是本发明实施例的超声波信号采集装置的侧视图；
18.图3是本发明实施例的超声波信号采集装置的聚波盘的前视图；
19.图4是图1和图2中a处的放大侧视示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明实施例公开了一种超声波信号采集装置。该超声波信号采集装置用于电力设备超声波局部放电检测的超声波信号采集。如图1～4所示，该超声波信号采集装置包括：聚波盘1、用于向被测点发射激光以标记被测点的激光对焦模块2、用于测量被测点与聚波盘1之间的距离的红外测距模块3、多个用于接收超声波信号的可调角度的超声波传感器4、用于控制超声波传感器4的角度的传感器控制模块5和操作手柄6。聚波盘1是一种罩形结构。激光对焦模块2、红外测距模块3、超声波传感器4和传感器控制模块5均可采用现有的产品。其中，超声波传感器4可通过安装在角度可调的底座上实现其自身角度可调。例如，角度可调的底座可采用cn202066513u公开的底座微调结构实现。具体的，传感器控制模块5可以
是amci角度控制器。
22.聚波盘1的正面沿聚波盘1的中轴线从后往前依次安装有红外测距模块3和激光对焦模块2。这里所述的从后往前中的后和前指的是，沿聚波盘1的中轴线，后比前更靠近聚波盘1的中心。应当理解的是，安装时应避免激光对焦模块2遮挡红外测距模块3的发射线。多个超声波传感器4环绕聚波盘1的中心可拆卸地安装在聚波盘1的正面，形成多个同心圆。每一圆上的相邻的超声波传感器4之间的间距，每一圆的直径可根据实际情况确定。超声波传感器4可拆卸，从而可便于根据实际情况选择合适频段的器件安装。传感器控制模块5设置在聚波盘1的背面的中心，与多个超声波传感器4和红外测距模块3电连接。操作手柄6的一端连接聚波盘1的背面。优选的，操作手柄6的一端可连接聚波盘1的背面的中心，更有利于结构稳固。操作手柄6内安装有处理模块7。处理模块7与超声波传感器4电连接。具体的，处理模块可采用fpga芯片，例如，xilinx公司生产的artix
‑
7xc7a200t芯片。
23.使用时，激光对焦模块2向被测点发射激光以标记被测点，红外测距模块3向被测点发射红外线，并接收反射回的红外线，从而采用现有计算方法计算得到被测点与聚波盘1之间的距离，并将该距离发送到传感器控制模块5。传感器控制模块5根据被测点与聚波盘1之间的距离，调整超声波传感器4的角度，使得超声波传感器4对焦至被检测点以便更有效地采集被测点发出的超声波信号。通过距离调整传感器角度的方法可以采用现有的任意适合的方法，例如，可借鉴cn107145162b公开的摄像头角度调整方法。这里所述的被测点发出的超声波信号是被测设备内部放电产生的一定频率的超声波局部放电信号，该信号传输到被测点，从被测点向外发出。超声波传感器4将接收的超声波信号发送到处理模块7，由处理模块7处理得到有效频段的超声波信号，从而可进行超声波信号的定性定位分析。应当理解的是该处理方法可以是现有的任意适合的方法，例如，基于fpga的声波信号处理技术、波束成型及数字滤波技术等，对接收到的信号进行对比分析处理。
24.优选的，该超声波信号采集装置还包括：用于向被测点发射超声波的超声波变频发射模块8。超声波变频发射模块8可采用现有的产品。超声波变频发射模块8沿聚波盘1的中轴线可拆卸地安装在聚波盘1的正面，且位于激光对焦模块2的前方。应当理解的是，安装时应避免超声波变频发射模块8遮挡激光对焦模块2和红外测距模块3的发射线。超声波变频发射模块8可拆卸地安装，从而可便于根据实际情况选择合适频段的器件安装。超声波变频发射模块8可以发射不同频率的超声波。具体的，用于gis设备超声波局放检测时，超声波变频发射模块8可向被测点发出20～80khz变频超声波信号，被测设备内部放电产生的一定频率的超声波局部放电信号传输到被测点、与超声波变频发射模块8发出相似频段的超声波信号叠加。当用于变压器、开关柜超声波带电检测工作时，根据应用场景，更换变压器80～200khz、开关柜35
‑
45khz专用的超声波变频发射模块8和超声波传感器4，可有效实现以上场景的超声波局放检测工作。
25.优选的，该超声波信号采集装置还包括：滤波模块9。滤波模块9可采用现有的产品。滤波模块9设置在操作手柄6内。滤波模块9分别与处理模块7和超声波传感器4电连接。滤波模块用于对超声波信号进行滤波得到有效频段的超声波信号。
26.优选的，该超声波信号采集装置还包括：多个用于接收被测点的环境声波信号的环境声波接收器10。环境声波接收器10可采用现有的产品。多个环境声波接收器10间隔均匀安装在聚波盘1的正面的边缘。在一具体的实施例中，环境声波接收器10的数量为4个。
27.使用时，激光对焦模块2向被测点发射激光以标记被测点，超声波变频发射模块8向被测点发出特定频段的超声波信号。同时，红外测距模块3向被测点发射红外线，并接收反射回的红外线，从而采用现有计算方法计算得到被测点与聚波盘1之间的距离，并将该距离发送到传感器控制模块5，传感器控制模块5根据被测点与聚波盘1之间的距离，调整超声波传感器4的角度，使得超声波传感器4对焦至被检测点以便更有效地采集被测点发出的超声波信号。这里所述的被测点发出的超声波信号是两种超声波信号的叠加信号，其中一种是超声波变频发射模块8向被测点发出特定频段的超声波信号后，被测点反射回的超声波信号，另一种是被测设备内部放电产生的一定频率的超声波局部放电信号，该信号传输到被测点，从被测点向外发出的超声波信号。超声波传感器4采集叠加后的超声波信号发送到处理模块7。同时，启动环境声波接收器10采集被测点环境背景声波信号，将环境背景声波信号发送到处理模块7。处理模块7对接收到的叠加后的超声波信号和环境背景声波信号进行过滤处理得到有效频段的超声波信号。应当理解的是该处理方法可以是现有的任意适合的方法，例如，基于fpga的声波信号处理技术、波束成型及数字滤波技术等，对接收到的信号进行对比分析处理。该超声波信号可被传输至超声波局部放电检测仪进行有效检测。
28.优选的，操作手柄6具有用于启动激光对焦模块2的第一开关11，第一开关11与激光对焦模块2电连接。第一开关11可以是按钮，通过按压第一开关11，启动激光对焦模块2发射激光。
29.优选的，操作手柄6还具有用于选择超声波信号采集装置的工作模式的第二开关12。第二开关12是可滑动的开关，每一滑动档位对应一种发射模式，本装置具体可以有两种发射模式：普通模式和增强模式。普通模式下，该装置只采集前述的被测设备内部放电产生的超声波局部放电信号。增强模式下，该装置采集前述的两种超声波信号的叠加信号，同时采集被测点环境背景声波信号进行比对分析，提高检测精度。
30.优选的，操作手柄6还具有用于启动红外测距模块3、超声波传感器4、传感器控制模块5、超声波变频发射模块8、滤波模块9和环境声波接收器10的第三开关13。第三开关13与红外测距模块3、超声波传感器4、传感器控制模块5、超声波变频发射模块8、滤波模块9和环境声波接收器10电连接。第三开关13可以为按钮模式。
31.第二开关12与第三开关13配合使用。具体的，当将第二开关12移动到普通模式的档位后，按压第三开关13，只会启动红外测距模块3、超声波传感器4、传感器控制模块5以进行红外测距以及接收被测点发出的超声波信号；当将第二开关12移动到增强模式的档位后，按压第三开关13，启动红外测距模块3以进行红外测距，启动超声波变频发射模块8向被测点发送超声波，启动超声波传感器4和传感器控制模块5，传感器控制模块5控制超声波传感器4调整角度进行对焦，超声波传感器4接收前述的两种超声波的叠加信号，同时启动滤波模块9对接收到的被测点的叠加的超声波信号进行过滤，同时启动环境声波接收器10采集被测点的环境背景声波信号并传输至处理模块7进行比对分析。
32.优选的，操作手柄6具有接口14。该接口14为数据电源一体接口。该接口14用于连接外部设备，例如，超声波局部放电检测仪，以便将处理模块7处理后的信号发送到超声波局部放电检测仪实现有效检测。
33.具体的，该超声波信号采集装置可以连接外部电源进行供电。此外，操作手柄内可设置有用于向超声波信号采集装置供电的电池15。具体的，电池15分别与激光对焦模块2、
红外测距模块3、传感器控制模块5、处理模块7、超声波变频发射模块8、滤波模块9和环境声波接收器10电连接。通过电池15进行供电，从而增加便携性。电池15可以是充电电池，通过接口14连接电源可对充电电池进行充电。
34.本发明实施例还公开了一种超声波信号采集方法。该采集方法采用如上述实施例所述的超声波信号采集装置采集电力设备超声波局部放电检测过程中发出的超声波。
35.具体的，该方法包括如下的过程：
36.当该装置在普通模式下工作，激光对焦模块2向被测点发射激光以标记被测点。红外测距模块3向被测点发射红外线，并接收反射回的红外线，采用现有计算方法计算得到被测点与聚波盘1之间的距离，并将该距离发送到传感器控制模块5。传感器控制模块5根据被测点与聚波盘1之间的距离，调整超声波传感器4的角度，使得超声波传感器4对焦至被测点。超声波传感器4接收被测点发出的超声波信号后，将超声波信号发送到处理模块7。处理模块7处理超声波信号得到有效频段的超声波信号，以便后续可进行超声波信号的定性定位分析。
37.当该装置在增强模式下工作，激光对焦模块2向被测点发射激光以标记被测点。超声波变频发射模块8向被测点发出特定频段的超声波信号。同时，红外测距模块3向被测点发射红外线，并接收反射回的红外线，采用现有计算方法计算得到被测点与聚波盘1之间的距离，并将该距离发送到传感器控制模块5，传感器控制模块5根据被测点与聚波盘1之间的距离，调整超声波传感器4的角度，使得超声波传感器4对焦至被测点。超声波传感器4采集叠加后的超声波信号(叠加后的超声波信号如前文所述，在此不再赘述)发送到处理模块7。同时，启动环境声波接收器10采集被测点环境背景声波信号，将环境背景声波信号发送到处理模块7。处理模块7对接收到的叠加后的超声波信号和环境背景声波信号进行过滤处理得到有效频段的超声波信号。
38.综上，本发明实施例，提供了一种非接触式、可远距离采集超声波信号的装置和方法，避免了和被测设备的直接接触，提高检测作业人员的安全性；有效减免检测作业人员在传统检测过程中需要携带的耦合剂、绝缘手套、梯子、延长杆等器具以及节省相应的操作时间，提高了超声波局部放电检测的工作效率；可同步对焦，还可主动发射变频超声波信号，与被测设备内部放电产生的超声波局部放电信号叠加，提升检测准确性、灵敏度；通过滤波、环境背景噪声比对分析提升抗干扰能力，尤其适合应用于变电站等复杂环境中。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。