一种变压器的铁心振动数字化采集设备

技术领域

本发明属于变压器振动监测技术领域，具体而言，涉及一种变压器的铁心振动数字化采集设备。

背景技术

变压器是电力系统中的重要设备,其内部主要由铁芯和绕组组成。为了避免绕组接触空气而造成绝缘破坏,需要在变压器内充填电介质油,起到绝缘和冷却的作用。常用的电介质油有矿物油、硅油等。当变压器在负载状态下工作时,会产生交变磁感应作用在铁芯上,导致铁芯发生磁致伸缩效应而产生机械振动和噪声。主要原因有:1)供电电压、电流的波动会引起铁芯磁密的变化,产生震动。2)铁芯材料自身的磁致伸缩特性也会引起振动。3)铁芯构造及接缝间隙的不均匀也是震动的来源之一。变压器的震动是变压器运转情况分析的重要参考数据之一，传统的变压器铁芯振动采集多采用接触式传感器,如电容式加速度传感器等，这种传感器难以捕捉微小的震动，获得的震动数据不完整。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种变压器的铁心振动数字化采集设备，能够解决现有技术不能捕捉变压器铁心的微小震动，获得的震动数据不完整的技术问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种变压器的铁心振动数字化采集设备，其中，包括激光发射器、光敏电阻板、反射涂层以及控制芯片，所述反射涂层涂设在变压器的铁心表面，所述激光发射器设置在所述第一内壁表面，所述光敏电阻板设置在所述第二内壁表面，其中，所述第一内壁和所述第二内壁为变压器内对称的两个内壁，所述激光发射器发出的激光与所述反射涂层所在平面的入射角为钝角，所述光敏电阻板用于接收所述反射涂层反射的激光并将接收到的激光转化为电信号脉冲；所述光敏电阻板包括基板，所述基板固定设置在所述第二内壁上，所述基板上设置有电流表以及至少1个光敏电阻，当所述光敏电阻的个数超过1个时，所述多个光敏电阻紧密排布；所述至少1个光敏电阻的正极和负极分别连接在所述电流表的正负输入端上，所述电流表与所述控制芯片电连接，所述控制芯片上包括采集模块和处理模块，所述采集模块用于采集所述电流表的电信号脉冲，所述处理模块用于将采集的电信号脉冲转化为振动数据。

本发明提供的一种变压器的铁心振动数字化采集设备的技术效果如下：将铁心震动的幅值转化为激光反射路径长度变化值，并由于变压器内油对激光传输的衰减，进而将激光反射路径长度变化值转化为激光接收的亮度变化，采用这个亮度变化描述铁心震动，由于电信号的记录频率更高，使得全部的震动都能记录下来，避免了不能捕捉微小震动的问题。

在上述技术方案的基础上，本发明的一种变压器的铁心振动数字化采集设备还可以做如下改进:

其中，所述光敏电阻板所在平面与所述反射涂层的反射激光束的夹角为80°～100°。

采用上述改进方案的有益效果为：使得反射激光与光敏电阻板的夹角接近直角，有助于实现更准确的反射激光接收。

进一步的，所述光敏电阻板所在平面与所述反射涂层的反射激光束的夹角为直角，且所述光敏电阻板上设置的至少1个光敏电阻的迎光面能够覆盖由于所述反射涂层振动造成的反射激光束的照射范围。

进一步的，所述激光发射器发出的激光与所述反射涂层所在平面的入射角为160°～175°。

采用上述改进方案的有益效果为：越大的入射角，使得反射激光在光敏电阻板上的入射点越集中，可以使用越少的电流表来实现反射激光的接收。

其中，所述激光发射器发射的为蓝色激光。

采用上述改进方案的有益效果为：蓝色激光被油衰减更厉害，激光路径长度的变化带来的激光亮度变化更明显。

进一步的，所述信号脉冲的采集频率至少为20MHZ。

采用上述改进方案的有益效果为：高频率的脉冲采集频率能够避免遗漏小的震动。

进一步的，所述处理模块用于执行以下步骤：

S10、对采集的每个电信号脉冲进行降噪预处理，得到预处理信号脉冲；

S20、获取预处理信号脉冲的最大值和最小值；

S30、根据预先测量的变压器铁心的最大振幅，利用铁心最大振幅的最大波峰和最大波谷与全部预处理信号的最大值和最小值建立映射关系；

S40、根据建立的映射关系，将全部的预处理信号脉冲转化为铁心振动时序向量集；

S50、将铁心振动时序向量集输出给工作人员。

进一步的，所述对采集的每个电信号脉冲进行降噪预处理的步骤，具体包括：

将多个电信号脉冲作为一个原始信号；

利用数字低通滤波器滤除原始信号中的高频噪声脉冲；

对滤波后的原始信号进行零相位数字滤波得到滤波信号；

计算滤波信号的均值和标准差；

对滤波信号进行均值方差归一化,得到预处理后的信号。

进一步的，所述建立的映射关系为线性映射。

进一步的，所述将全部的预处理信号脉冲转化为铁心振动时序向量集的步骤，具体包括：

提取每个预处理信号脉冲的取样点幅值,形成信号向量；

根据得到的映射关系,将每个信号向量映射到对应的铁心振动向量；

将全部铁心振动向量组合,形成时序矩阵。

与现有技术相比较，本发明提供的一种变压器的铁心振动数字化采集设备的有益效果是：将铁心的震动幅度转化为电信号的电流大小，且由于电信号的变更记录频率大，不会遗漏小的变化，因此本发明的设备能够捕捉微小的震动，确保得到的震动数据完整。

附图说明

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，为了能够区分附图中的铁芯的位置变化状态，对应的附图采用了彩色附图。

图1为本发明提供的一种变压器的铁心振动数字化采集设备的结构示意图；

图2为光敏电阻板的结构示意图；

图3为振动数字化采集原理图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

11、第一内壁；12、第二内壁；21、铁心；22、反射涂层；31、激光发射器；32、光敏电阻板；320、基板；321、光敏电阻；322、电流表。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-2所示，是本发明提供的一种变压器的铁心振动数字化采集设备的一种实施例，在本实施例中，包括激光发射器31、光敏电阻板32、反射涂层22以及控制芯片，反射涂层22涂设在变压器的铁心21表面，激光发射器31设置在第一内壁11表面，光敏电阻板32设置在第二内壁12表面，其中，第一内壁11和第二内壁12为变压器内对称的两个内壁，激光发射器31发出的激光与反射涂层22所在平面的入射角为钝角，光敏电阻板32用于接收反射涂层22反射的激光并将接收到的激光转化为电信号脉冲；光敏电阻板32包括基板320，基板320固定设置在第二内壁12上，基板320上设置有电流表322以及至少1个光敏电阻321，当光敏电阻321的个数超过1个时，多个光敏电阻321紧密排布；至少1个光敏电阻321的正极和负极分别连接在电流表322的正负输入端上，电流表322与控制芯片电连接，控制芯片上包括采集模块和处理模块，采集模块用于采集电流表322的电信号脉冲，处理模块用于将采集的电信号脉冲转化为振动数据。光敏电阻板32所在平面与反射涂层22的反射激光束的夹角为80°～100°。光敏电阻板32所在平面与反射涂层22的反射激光束的夹角为直角，且光敏电阻板32上设置的至少1个光敏电阻321的迎光面能够覆盖由于反射涂层22振动造成的反射激光束的照射范围。激光发射器31发出的激光与反射涂层22所在平面的入射角为160°～175°。信号脉冲的采集频率至少为20MHZ。激光发射器31发射的为蓝色激光。在图2中，采用不同的颜色表示的电路不连接。

其中，处理模块用于执行以下步骤：

S10、对采集的每个电信号脉冲进行降噪预处理，得到预处理信号脉冲；

S20、获取预处理信号脉冲的最大值和最小值；

S30、根据预先测量的变压器铁心的最大振幅，利用铁心最大振幅的最大波峰和最大波谷与全部预处理信号的最大值和最小值建立映射关系；

S40、根据建立的映射关系，将全部的预处理信号脉冲转化为铁心振动时序向量集；

S50、将铁心振动时序向量集输出给工作人员。

进一步的，在上述技术方案中，对采集的每个电信号脉冲进行降噪预处理的步骤，具体包括：

将多个电信号脉冲作为一个原始信号；

利用数字低通滤波器滤除原始信号中的高频噪声脉冲；

对滤波后的原始信号进行零相位数字滤波得到滤波信号；

计算滤波信号的均值和标准差；

对滤波信号进行均值方差归一化,得到预处理后的信号。

进一步的，在上述技术方案中，建立的映射关系为线性映射。

进一步的，在上述技术方案中，将全部的预处理信号脉冲转化为铁心振动时序向量集的步骤，具体包括：

提取每个预处理信号脉冲的取样点幅值,形成信号向量；

根据得到的映射关系,将每个信号向量映射到对应的铁心振动向量；

将全部铁心振动向量组合,形成时序矩阵。

下面对处理模块的一些步骤的具体实施方式进行详细描述：

步骤S10是对采集的每个电信号脉冲进行降噪预处理,得到预处理信号脉冲。其具体实施方式如下:

首先,定义一些变量和常量:

x(n)-采集的原始信号脉冲,其中n表示取样点序号

y(n)-预处理后的信号脉冲

N-信号脉冲取样点数

w(n)-设计的数字低通滤波器的冲激响应

M-滤波器的长度

接着,进行降噪预处理:

通过测量和经验估计原始信号x(n)的有效频带范围,设计一个数字低通滤波器w(n),用于消除高频噪声。滤波器采用FIR(有限脉冲响应)设计,长度为M。

对原始信号x(n)进行零相位数字滤波,得到滤波后的信号

计算滤波后的信号

对滤波后的信号进行均值方差归一化,得到预处理后的信号y(n):

归一化的目的是使信号具有零均值和单位方差,有利于后续特征提取和分析。

上述处理实现了对原始信号脉冲的降噪和规范化预处理,滤除了高频噪声,提升了有效信号特征。预处理后得到的信号y(n)将进入下一步骤进行最大最小值提取。

步骤S30是根据预先测量的变压器铁心的最大振幅,利用铁心最大振幅的最大波峰和最大波谷与全部预处理信号的最大值和最小值建立映射关系。其具体实施方式如下:

首先定义变量和常量:

x

x

y

y

k-映射比例系数

b-映射偏移量

然后进行以下步骤:

在变压器正常工作时,通过振动传感器采集铁心在最大负载条件下的振动信号,测定铁心的最大正向振幅y

对预处理后的信号脉冲进行全局搜索,得到全部脉冲的最大值x

计算映射的比例系数k:

计算映射的偏移量b:

b＝y

利用上面得到的比例关系和偏移量,建立预处理信号x(n)和铁心振幅y(n)之间的映射关系:

y(n)＝k·x(n)+bforn＝0,1,2,...,N-1

其中,N是预处理信号脉冲的取样点数。

这样,通过测量获得的铁心最大振幅信息,就被映射到了预处理信号的幅值范围中,实现了实际物理量与信号量之间的对应关系。

上述方法利用线性映射的思想,根据最大最小值建立了变压器铁心振动幅值和预处理信号幅值之间的比例关系,为后续根据预处理信号还原实际铁心振动提供了基础。

步骤S40是根据建立的映射关系,将全部的预处理信号脉冲转化为铁心振动时序向量集。

具体实施方式:

定义变量

x(n)-第n个预处理信号脉冲,n＝1,2,...,N

y(n)-对应的第n个铁心振动时序向量

k,b-S30步骤中确定的映射比例系数和偏移量

对每个预处理信号脉冲x(n),提取其取样点幅值形成向量:

其中,L是每个脉冲的取样点数。

根据S30步骤得到的映射关系,将每个预处理信号脉冲向量

展开为:

y(n,1)＝k*x(n,1)+b

y(n,2)＝k*x(n,2)+b

...

y(n,L)＝k*x(n,L)+b

将所有铁心振动时序向量

输出铁心振动时序向量集Y,完成预处理信号到铁心振动的转换。

这样,根据S30建立的映射关系,每个预处理信号脉冲都可以转换到对应的铁心振动时序上,实现了从采集信号到实际铁心振动的还原。

如图3所示，本发明的原理是：黑色铁心21表示铁心21的第一位置，红色铁心21表示铁心21的第二位置，震动时，铁心21从第一位置位移到第二位置，带动反射涂层22也发生位移，由于激光发射器31发出的激光束与反射涂层22的入射角为钝角，使得激光经过不同位置的反射涂层22反射后到达光敏电阻板32的距离不同，例如图中L

需要说明的是，反射涂层、激光发射器、光敏电阻、电流表均不需要特别的型号，工作人员在使用时，可以根据设备的安装情况选择使用。

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。