超声波局部放电检测仪各组成部分功能实现

根据超声波检测局部放电的原理，可知超声波传感器接收由局部放电产生的频率高于20KHZ的信号，将超声波信号转换为电信号，经过一系列的处理后，得到表征局部放电的特征量，并基于特征量对绝缘缺陷的有无及严重程度进行判断。

超声波传感器（内置超声波传感器或外置超声波传感器）接收超声波信号后，转换为电信号一路经过放大、dB值获取等处理后交由单片机进行后期的分析与诊断，实现专家系统诊断。另一路信号经过放大、降频、音量调节和功率放大处理得到人耳能够识别的音频信号，通过高保真耳机供操作人员监听。耳机中的信号的异常与否判断局放状态，实现人工辅助判断。

测量电路原理流程如图所示：

超声波模式测量电路原理流程图

1）传感器：主要是完成超声波信号的采集功能，将采集到的超声波信号转换为电压信号，在传感器的选择中，工作频带和灵敏度是两个Z重要的指标。虽然局部放电及其产生的声波信号具有一定的随机性，但它的被检信号频率分布范围变化不大。因此传感器必须频带较大，不会使信号混叠，且几何尺寸小于声波波长。通常选用传感器的ZX频率为40KHz，通频带为3KHz。灵敏度为一65dbMIN。另外内置超声波传感器或外置超声波传感器的信号输入通过电压比较器来进行区分与选择。

2）前置放大：由于传感器接受到的信号过于微弱，不能直接进入信号处理电路，因此在传感器后增加前置放大电路。根据采集到的超声波电压信号特征以及后续处理电路的处理要求，前置放大电路必须要采用高精度低噪声的音频运算放大器，能够把信号提升至mV级以上。综合考虑信噪比以及电路处理要求，前置放大倍数确定为1000倍（60dB）。前置放大倍数通常为1000倍以上。

3）主放选择放大倍数：由于开关柜局放源的程度不同，所产生超声波幅值亦不同。对于幅值大小跨度较大的超声波信号（-30-68dB），同时注意到放大电路会存在饱和溢出的问题，因此需要将信号根据幅值划分成三个不同的区域分别进行针对性放大处理。划分的三个区域分别为:-30dB-28dB，28dB-48dB，48dB-68dB，三路分别对应的放大倍数为100000倍，10000倍和1000倍。除1000倍的路放大在前置放大电路中实现外，其它两路均采用双路低噪声运算放大器实现。三种放大倍数通过CPU控制模拟多路选择开关进行配置后进入后续处理。

4）dB值获取：为了读取更加稳定的dB值，经过放大后的超声波信号，送入到一个均方根直流转换芯片中，将几个周期的超声波信号转换为直流电压，该直流电压信号直接反映dB值大小，只需通过简单AD转换，即可获取dB值。

5）单片机后期处理：单片机获取dB值后，统计60S内的局部放电的严重程度，并在液晶显示屏上以红黄绿三种颜色柱状直观显示测量到的dB值是处于两个阀值划分的三个区域中的那个区域（红色表示超出上限阀值，黄色表示处于上、下限阀值之间，而绿色则表示处于下限阀值以下）。同时在液晶屏右方显示即时测量到的超声波局部放电严重程度（dB值）及危险值（红色）所占的比例，并将其通过3G无线网络发送到云平台上，依据云平台上数据库对测量的数据进行特征分析，可初步判定开关柜是否发生局放，并把结果返回到手持设备中并通过LCD显示给工作人员查阅。

6）放大：前置放大后的信号，通过一个放大倍数恒定的低噪声放大电路后进入混频电路。

7）降频：由于超声波信号不能直接被人耳识别，所以传感器接收到的超声波信号必须通过降频处理。降频原理是通过一个恒定频率的正弦波与检测信号进行混频。混频后的信号包括低频部分与高频部分，经过滤波后保留低频部分，该信号即可被人耳识别。本设计中采用CPU控制产生38.6K的PWM信号与测量到的超声波信号进行混频。

8）音量调节：音量调节电路由数字电位器构成，CPU通过控制数字电位器的阻值来实现对信号幅度的更改。

9）功率放大：功率放大电路由音频放大芯片构成，对混频后的低频信号进行功率放大即可输送到耳机，为人耳感知。

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