基于Labview的超聲局部放電檢測儀聲音模塊設(shè)計(jì)

李瑩瑩，焦超群，王 飛

（1.北京交通大學(xué) 北京100044；2.華北電力大學(xué) 北京102206）

基于Labview的超聲局部放電檢測儀聲音模塊設(shè)計(jì)

李瑩瑩1，焦超群1，王 飛2

（1.北京交通大學(xué) 北京100044；2.華北電力大學(xué) 北京102206）

局部放電超聲波檢測已廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備故障診斷中，在超聲局放檢測儀開發(fā)前，需要通過軟件對其發(fā)聲模塊進(jìn)行仿真分析。本文基于Labview圖形化軟件，通過數(shù)字包絡(luò)檢波及頻率調(diào)制原理設(shè)計(jì)出聲音仿真模塊，并詳解了前面板功能及參數(shù)設(shè)置，最后通過實(shí)驗(yàn)對程序中各個(gè)功能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明程序能夠準(zhǔn)確計(jì)算脈沖包絡(luò)信號(hào)并完成頻移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲音仿真功能，具有極高的研究及應(yīng)用價(jià)值。

Labview；局部放電；超聲波；包絡(luò)；發(fā)聲

氣體全封閉組合器（GIS）及變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對電網(wǎng)的安全可靠性至關(guān)重要[1]。這些設(shè)備故障多為絕緣故障，而局部放電往往是絕緣故障的征兆[2]。局部放電發(fā)生時(shí)會(huì)伴有超聲信號(hào)的產(chǎn)生，局部放電超生波檢測由于具有較高的靈敏度及較強(qiáng)的方向性常被用于故障診斷與故障定位[3-4]。

局部放電超聲波檢測儀往往通過觀察信號(hào)峰值、有效值、頻率成分、飛行圖等來判斷局部放電，而且還通過聽聲音進(jìn)行判斷，局部放電超聲信號(hào)頻譜往往集中在40～200 kHz范圍內(nèi)[5-6]，根據(jù)香濃采樣定理，采集卡的采樣率至少在400 kHz以上才能采到完整的局部放電信號(hào)，為了控制采集裝置成本以及獲得人耳可辨別的聲音信號(hào)（20～20 kHz），往往要對超聲傳感器產(chǎn)生的高頻信號(hào)進(jìn)行降頻處理，但通過降頻處理后的信號(hào)往往不在人耳可聽的頻率范圍內(nèi)，可通過頻率調(diào)制將信號(hào)調(diào)制到人耳可聽范圍內(nèi)[7]。

國內(nèi)外目前已有針對超聲波信號(hào)降頻的硬件處理方法，但在實(shí)際應(yīng)用中人們常常還需要對通過示波器和超聲傳感器采集到的超聲數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理與分析[8-9]，以及在開發(fā)硬件前需對硬件參數(shù)進(jìn)行調(diào)試評估，而這些需求在現(xiàn)有的硬件上均無法實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)局部放電超聲波檢測儀虛擬功能模塊具有十分重要的意義。

文中基于Labview虛擬儀器開發(fā)環(huán)境[10]，設(shè)計(jì)了局部放電超聲檢測儀的音頻輸出模塊，通過對示波器和超聲傳感器采集到的局部放電超聲數(shù)字信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波及調(diào)頻處理，并將處理后的信號(hào)進(jìn)行音頻輸出，通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 信號(hào)處理原理

1.1 局部放電超聲信號(hào)流程

局部放電超聲檢測儀主要由傳感器、放大器、檢波器、揚(yáng)聲器、峰值檢測等模塊組成，信號(hào)路徑流程如圖1所示。

圖1 信號(hào)流程圖

1.2 包絡(luò)檢波原理

根據(jù)信號(hào)調(diào)幅原理可知，脈沖信號(hào)可以看成是信號(hào)包絡(luò)（調(diào)幅波）和高頻載波信號(hào)混合而成，可用式（1）表示，其中x（t）為脈沖信號(hào)，u（t）為調(diào)幅波，v（t）為高頻載波，載波頻率為2πf0。

將采集到的信號(hào)x（t）進(jìn)行90o移相，得到信號(hào)y（t），如式（2）所示：

通過式（3）即可得到調(diào)副波u（t），即脈沖信號(hào)的包絡(luò)波形：

通過上述信號(hào)處理方法可濾掉了脈沖信號(hào)中的高頻載波，從而得到反映信號(hào)包絡(luò)的調(diào)幅波，達(dá)到降頻的目的。

在數(shù)字信號(hào)處理中往往通過離散希爾伯特變換對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行90o移相[11-12]，即x（t）通過希爾伯特變換可得到y(tǒng)（t），其變換基本原理如下：

其中，U（w）為信號(hào)的頻譜序列，

根據(jù)卷積定理，可得到時(shí)域方程等式如下：

其中，u（n）為信號(hào)的時(shí)域序列，

其中k=0，1，2，3，4……

通過上述包絡(luò)提取原理可以的到脈沖信號(hào)的包絡(luò)，為了祛除包絡(luò)信號(hào)中的高頻干擾，對包絡(luò)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。

1.3 頻率調(diào)制原理

由于人耳可聽的聲音頻率范圍為20 Hz～20 kHz，通過檢波后的包絡(luò)信號(hào)其頻率并不一定在人耳可聽聲音頻率范圍內(nèi)，通過頻率調(diào)制可將包絡(luò)信號(hào)頻率移至人耳可聽聲音頻率范圍內(nèi)[13，14]，調(diào)制方法如下：

假設(shè)有兩種不同頻率的信號(hào)，分別為Ω和ωc，其中Ω遠(yuǎn)小于ωc，信號(hào)一如式（8）所示，信號(hào)二如式（9）所示：

通過將式（8）和式（9）相乘，得到雙邊調(diào)幅信號(hào)，其表達(dá)式為：

從式（10）中可以看出調(diào)幅信號(hào)的幅值和調(diào)制信號(hào)幅值成正比其頻率為ωc±Ω，又由于Ω遠(yuǎn)小于ωc，因此頻率基本被調(diào)制到ωc附近。通過上述分析可將包絡(luò)信號(hào)的頻率調(diào)制到人耳可聽范圍內(nèi)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 后臺(tái)程序信號(hào)處理流程

圖2中讀取數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)來自于局部放電產(chǎn)生的超生信號(hào)，將超聲傳感器及放大器與示波器相連，通過示波器來采集相應(yīng)的超聲信號(hào)，如圖3所示，對采集到的信號(hào)存儲(chǔ)并上傳至計(jì)算機(jī)，根據(jù)1.2節(jié)提出的數(shù)字信號(hào)包絡(luò)檢波原理及1.3節(jié)提出的頻率調(diào)制原理可得到高頻脈沖信號(hào)的包絡(luò)及人耳可辨別的聲音信號(hào)。

圖2 后臺(tái)程序信號(hào)處理流程

圖3 超聲信號(hào)采集結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件前面板

局部放電超聲波聲音模塊模擬系統(tǒng)前面板如圖4所示，前面板上半部分由兩個(gè)波形顯示窗口組成，下半部分主要是進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。左邊的波形顯示窗口用來顯示原始波形與包絡(luò)檢波結(jié)果的對比，通過對比可以直觀地發(fā)現(xiàn)包絡(luò)結(jié)果的優(yōu)劣。右邊波形顯示窗口顯示對原始波形、包絡(luò)波形以及調(diào)制后波形進(jìn)行離散傅里葉變換[15-16]后對應(yīng)的頻譜。參數(shù)設(shè)置部分主要參數(shù)說明如下：

1）采集設(shè)置

①采樣頻率：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)示波器的采樣率。

②循環(huán)速率：為了使采集到的波形能夠循環(huán)播放，程序?qū)Υ鎯?chǔ)的波形數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，通過改變循環(huán)速率值的大小，可以改變波形循環(huán)的快慢。

③降采樣因子：包絡(luò)信號(hào)的頻譜中心頻率降低了，根據(jù)香濃采樣定理，降低采樣率后仍能完好采集到完整的波形，通過降采樣可以減少調(diào)頻及聲音輸出是的計(jì)算量，對高采樣數(shù)據(jù)有較為明顯的效果。降采樣因子會(huì)直接影響到載波采樣率、載波采樣數(shù)、每通道采樣數(shù)，間接影響到聲音采樣率。若果采樣率本來就不高，則降采樣因子可設(shè)為1。

2）載波設(shè)置

①幅值：根據(jù)調(diào)幅系數(shù)ma要求來設(shè)置載波幅值，ma一般小于1。

②頻率：設(shè)置預(yù)達(dá)到的可聽聲音頻率，如3 k、4 k。

③采樣率：數(shù)字濾波器調(diào)頻必須滿足dt匹配，即滿足，

④采樣數(shù)：載波采樣數(shù)應(yīng)大于等于降采樣后的波形點(diǎn)數(shù)，即，

3）音頻輸出設(shè)置

①每通道采樣數(shù)：指定緩沖區(qū)中每通道的采樣數(shù)量。

②采樣模式：指定寫入僅為一次（有限采樣）或連續(xù)寫入（連續(xù)采樣）。有限采樣模式下，僅在寫入每通道采樣總數(shù)所指定的采樣個(gè)數(shù)后，才可調(diào)用寫入聲音輸出。連續(xù)采樣模式下，“寫入聲音輸出”VI可隨時(shí)重復(fù)調(diào)用。

③采樣率：設(shè)置聲音操作的采樣率，根據(jù)香濃定理來確定采樣率。

④通道數(shù)：指定通道的個(gè)數(shù)。該輸入可接受的通道數(shù)與聲卡支持的通道數(shù)一致。對于多數(shù)聲卡，1為單聲道，2為立體聲。

⑤每采樣比特率：指定每個(gè)采樣的質(zhì)量，以比特為單位。分辨率通常是16比特和8比特。

圖4 聲音模擬系統(tǒng)前面板

2.3 軟件程序框圖

軟件程序框圖整體在一個(gè)while循環(huán)里，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的不間斷循環(huán)處理。程序框圖從左到右依次由數(shù)據(jù)讀取與循環(huán)、包絡(luò)檢波、頻率調(diào)制、音頻輸出模塊4大塊組成，如圖5所示。

3 測試分析

為了驗(yàn)證程序運(yùn)行的有效性，如圖3所示，GIS顆粒缺陷為例，通過向安裝有顆粒缺陷的GIS腔體加壓使其產(chǎn)生局部放電，并通過超聲波傳感器、放大器及示波器（采樣率500 k）對信號(hào)進(jìn)行采集。模擬系統(tǒng)前面板參數(shù)設(shè)置如表1所示，包絡(luò)測試結(jié)果如圖5所示，對應(yīng)頻譜如圖6所示，音頻信號(hào)圖譜如圖7所示。

圖5 聲音模擬系統(tǒng)程序框圖

表1 軟件參數(shù)設(shè)置

圖6 超聲脈沖信號(hào)及其包絡(luò)

1）包絡(luò)分析

從圖5可以看出，原始脈沖信號(hào)具有正負(fù)極性，而通過程序計(jì)算后包絡(luò)信號(hào)為正極性，這與硬件包絡(luò)處理結(jié)果一致，程序均能對其包絡(luò)進(jìn)行精確求取。

2）頻譜分析

由于本次實(shí)驗(yàn)采用的超聲傳感器中心頻率為38 kHz，如圖6所示，其原始波形諧振頻率在38 kHz左右，而通過包絡(luò)檢波后信號(hào)頻率降到小于100 Hz的水平，圖中還可以看出包絡(luò)信號(hào)幅值大于原始信號(hào)幅值，這是因?yàn)榘j(luò)信號(hào)頻譜覆蓋范圍為0～100 Hz，而原始脈沖信號(hào)頻率覆蓋范圍在35 k～40 kHz之間，相同能量下，頻率范圍越大信號(hào)幅值越低。由于載波信號(hào)的頻率為4 k，因此通過調(diào)制可將包絡(luò)信號(hào)頻率調(diào)制到人耳可聽的頻率范圍內(nèi)。

3）聲音信號(hào)分析

從圖7可以看出，經(jīng)過調(diào)制后聲音信號(hào)和原始波形信號(hào)輪廓基本一致，但聲音信號(hào)的頻率在人耳可聽范圍，而包絡(luò)信號(hào)頻率低于人耳可聽范圍，原始信號(hào)頻率高于人耳可聽范圍。

圖7 頻譜對比圖

圖8 音頻信號(hào)

4 結(jié) 論

針對超聲波局部放電檢測儀調(diào)試問題，本文基于Labview圖形化軟件，提出通過示波器采集超聲信號(hào)，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分別設(shè)計(jì)了包絡(luò)檢波、頻率調(diào)制模塊，從而完成發(fā)聲模塊的設(shè)計(jì)并通過實(shí)驗(yàn)對各個(gè)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，可知：程序均能準(zhǔn)確計(jì)算脈沖信號(hào)的包絡(luò)，通過頻率調(diào)制可將該包絡(luò)信號(hào)頻了移至人耳可聽音頻范圍內(nèi)；通過Labview音頻輸出模塊，可以通過聲音對局放信號(hào)進(jìn)行辨別。

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Design of sound module of partial discharge ultrasonic detection on Labview

LI Ying-ying1，JIAO Chao-qun1，WANG Fei2
（1.Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Ultrasonic detection of partial discharge has been widely used in fault diagnosis in high voltage electrical equipment.In the course of Ultrasonic PD Detector Development，people often need to use software to analyze the sound module.This paper is based on Labview graphics software，digital signal envelope and frequency modulation principle is put forward，basing on the above voice generator modules are designed，and explained the function of the front panel and parameter settings.Finally，the function of the software is verified by experiments，discovered that the software can accurately calculate the pulse envelope signal and complete frequency shift，and ultimately voice simulation，having high application value in Engineering and researching.

labview；partial discharge；ultrasonic；envelope；sound module

TN06

：A

：1674－6236（2017）05-0165-05

2016-02-23稿件編號(hào)：201602110

李瑩瑩（1991—），女，山西運(yùn)城人，碩士研究生。研究方向：電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷。