基于毫米波的絕緣子微裂紋檢測技術研究

摘 要：為了對絕緣子進行在線狀態檢測，研究設計了基于毫米波的絕緣子微裂紋檢測裝置。該裝置通過比較不同時刻反射波的強度和時延來觀測絕緣子微裂紋的發展過程。首先，對接收到毫米波信號進行FFT變換分析；其次再通過單元平均恒虛警處理判斷目標信號是否存在；最后通過差值比較法，取實時接收的混頻信號的二維FFT的零速度通道結果，并與初始狀態作差值，從而檢測絕緣子內部是否存在微裂紋。實驗表明，基于該方法設計的絕緣子自感知裝置在絕緣子模擬器上的檢測成功率為95%。

關鍵詞：瓷絕緣子；毫米波；快速傅里葉變換；恒虛警檢測；差值比較法；多徑效應

DOI：10.15938/j.emc.2024.11.006

中圖分類號：TM216

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）11-0057-11

Research on insulator microcrack detection technology based on millimeter waves

YANG Shengzhe¹， JIANG Naisong¹， DING Yiyuan²， HU Qinran¹， WU Zaijun¹， GAO Song³

（1.School of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 211189， China; 2.State Grid International Development Co.， Ltd.， Beijing 100032， China; 3.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：To conduct online condition detection of insulators， a detection device for micro-cracks of insulators based on millimeter waves was researched and designed. This device observes the development process of micro-cracks in insulators by comparing the intensity and time delay of reflected waves at different moments. Firstly， FFT transformation analysis was conducted on the received millimeter wave signal. Secondly， the existence of target signal was judged by unit average constant 1 alarm processing. Finally， the zero velocity channel results of the two-dimensional FFT of the real-time received mixing signal were taken and compared with the initial state to detect the presence of microcracks inside the insulator. The experiment shows that the detection success rate of the insulator self sensing device designed based on this method on the insulator simulator is 95%.

Keywords：porcelain insulator;FMCW;FFT;CFAR;difference comparative law method;multipath effect

0 引 言

隨著國民經濟的高速發展，未來五年國內將有一大批特高壓輸變電工程相繼開工建設^[1]。隨著特高壓輸變電網絡的大力建設，絕緣子的使用數量急劇增長。絕緣子作為輸電線路上不可或缺的關鍵部件，起著耐受電壓和承受機械應力的重要作用^[2]。然而長期的機械應力、強電磁場、復雜的外部環境等多種因素可能會導致絕緣子產生內部隱蔽性缺陷、傘裙老化開裂、芯棒斷裂等劣化情況^[3-4]，直接影響電網的安全可靠運行。

懸式瓷絕緣子主要由絕緣件（瓷件）、鐵帽、鋼腳等部件組成，并通過水泥膠合劑進行膠裝^[5]。絕緣子最易產生裂紋的地方是頭部與主體部分的轉交處，這也是絕緣子承受應力最顯著的地方^[6]。裂紋形成主要是內部結構應力發生了變化。這種變化可能是由出廠時結構不合理導致其內部存在機械應力^[5，7]，也可能是絕緣子中各組分膨脹系數不同，導致在極端環境下瓷絕緣件內部產生很大的軸向壓應力和切向剪應力^[5]，進而使絕緣件斷裂。

絕緣子裂紋的產生是長期累加的結果。開始時，往往在絕緣子內部只產生細小的、尚未形成裂紋的微裂紋。這種微裂紋短期內不會影響絕緣子的安全穩定運行。但隨著時間推移，絕緣子中的微裂紋會逐漸成為裂紋^[8]。進而可能發生絕緣子的脆性斷裂（簡稱脆斷）事故，導致線纜掉落^[10]，甚至引起倒塔等事故。因此，有必要對劣化絕緣子進行在線監測，及時發現內部缺陷，并進行檢修更換。

目前主要的絕緣子裂紋缺陷檢測方法包括直接觀察法、紅外測量法、泄露電流法^[11]。使用直接觀察法進行絕緣子缺陷檢測時，由于變電站內某些設備高度過高或體積過大，因此需要巡檢人員使用雙筒望遠鏡進行觀測，受觀察角度、距離、天氣等因素影響，往往導致檢測結果不可靠^[1]。紅外測零方法主要利用紅外熱像技術生成絕緣子串的熱場分布圖像^[15-17]，通過觀察熱場分布情況來判斷零值絕緣子。然而，當劣化絕緣子的絕緣電阻在5～10兆歐之間時，其上分布電壓很低，其溫升與正常絕緣子相差很小，從熱場分布上很難分別，因此存在判別“盲區”^[18]。絕緣子泄漏電流法則通過測量絕緣子的泄漏電流來感知絕緣電阻的變化^[19-21]。但由于泄漏電流不僅與輸電線路電壓的變化有關，同時也和絕緣子表面污穢程度、老化程度、天氣狀況有關。因此難以確定一個統一的劣質絕緣子判斷依據。盡管在無損檢測領域也存在超聲波或X光探測等方法，但其探測設備普遍體積較大，同時操作復雜，并且需要在停電狀態下進行而不能帶電檢測^[22-2]，因此目前在絕緣子檢測領域應用較少。隨著深度學習的發展，目前也出現了許多基于可見光圖像的絕緣子裂紋檢測算法^[11-1]，但這些算法在進行較小尺度下的目標檢測任務時存在精度不足等缺陷^[14]。

對此，本文提出利用毫米波檢測技術對絕緣子內部微裂紋進行實時監測的方法并開發了相關裝置。該裝置的缺陷檢測算法基于毫米波雷達的快速傅里葉變換分析，利用差值比較法對缺陷的回波進行峰值檢測，進而識別絕緣子內部缺陷。試驗驗證基于該方法開發的自感知裝置在實際絕緣子裂痕檢測中有較高的準確度，可以實現絕緣子實時在線監測，具有較高的實用價值。

1 FMCW無損檢測原理

1.1 FMCW檢測原理

毫米波雷達的基本工作原理是利用高頻電路產生特定調制頻率的電磁波，并通過天線發送電磁波和接收從目標反射回來的電磁波，可以同時對多個目標進行測距、測速以及方位角測量。圖1顯示了一個常見的調頻連續波（frequency modulated continuous wave，FMCW），它是一個正弦波，其頻率隨時間線性增加，是線性調頻信號的一種。

FMCW雷達目前多用于車輛測距或者監控目標檢測等，通過天線發出的調頻連續毫米波與接收到的信號之間的頻率差進行測距。其信號檢測原理圖如圖2所示。

圖中實線表示發射信號，虛線表示接收到的信號，可以看出反射后的波形保留了頻率的變化。對兩信號進行混頻，取兩信號的頻率差Δf與峰值時間差Δt，易得：

Δf=fT－fR；（1）

Δt=2R/c。（2）

式樣：fT和fR分別表示同一時刻發出和接收到的信號的頻率；R表示檢測物體到毫米波雷達的距離；c表示毫米波在空氣中的傳播速度（近似為光速）。

根據三角形相似原理，有

ΔfΔt=BT。（3）

其中：B表示調頻連續波的最大頻率差，即帶寬；T表示調頻連續波頻率變化周期。

將式（2）代入，整理可得被測物體與毫米波雷達的距離為

R=ΔfcT2B。（4）

粗略地說，在每個線性調頻周期內，每個反射波都會產生一個正弦波，并且其頻率與距離成正比。對于移動的物體，在多個chirp之間，反射的正弦波的相位也會因物體與探測器的距離或物體速度的變化而發生變化。相鄰線性調頻脈沖之間的相位差與物體的基本速度成正比。換句話說，可以通過分別估計線性調頻脈沖和線性調頻脈沖的采樣點的頻率來估計反射器的距離和基本速度。

對于正在移動的物體，由于其具有速度，因此反射的信號會產生多普勒效應，這時需要對信號進行進一步解耦處理以求得多普勒效應對其位置的影響。而在本文所研究的絕緣子微裂紋探測的應用場景中，微裂紋的存在可等效為靜止的。因此判斷絕緣子是否有微裂紋的唯一有效判據即為微裂紋隨時間推移所產生的變化。

完整的FMCW雷達硬件原理圖如圖3所示。

其信號發射前端主要由信號混頻器、定向耦合器、功率放大器、帶通濾波器、帶通混頻器與發射天線組成。信號混頻器與定向耦合器對信號進行累加或者耦合，功率放大器對信號進行放大處理，濾波器用來消除信號中原有或因功放產生的毛刺，發射天線用于發射調制連續波，接收天線用于接收來自裂縫的回波。

1.2 微裂紋檢測方法

正使用毫米波FMCW雷達進行無損探測絕緣子裂紋的原理示意圖如圖4所示。

從圖中可以看出，當毫米波信號輻射到絕緣子結構體上，一部分信號從表面反射，另一部分進入材料內部，從內部的裂痕和另一側的表面反射，因此實際測量的情況下，會有多個反射波。反射波的強度和時延受微裂痕的大小、微裂痕與傳感器的距離、微裂痕的開裂方向這三個因素影響。因此通過比較不同時刻反射波的強度和時延可以反映出微裂痕的發展過程。

針對于此，本文提出基于相對測量法的策略來進行絕緣子微裂痕檢測。在絕緣子出廠階段，通過內置傳感器記錄絕緣子內部結構的反射波信息，并以此為參考，定期獲取不同時期的反射波信息，與參考信息進行對比。進而提取因絕緣子微裂紋不斷擴大而帶來的差異，從而用于對絕緣子內部結構性變化進行預警。

2 測距數據處理算法

2.1 快速傅里葉變換

任意一個函數f（t）都可以分解為無窮多個不同頻率正弦信號的和。傅里葉變換的實質是將信號加窗截斷后從時域變換到頻域進行分析，當周期信號滿足狄里赫萊條件時，利用傅里葉變換能夠將其表示為三角函數的線性組合，通過對這些線性組合的處理以達到檢測原始信號的目的。數學上，這種關系可表示為

f^（λ）=12π∫^+∞－∞f（t）e^－jλtdt。（5）

其中：f（t）是給定的；f^（λ）為f（t）的傅里葉變換。

非周期性連續時間信號x（t）的傅里葉變換可以表示為

X（ω）=∫^+∞－∞x（t）e^－jωtdt。（6）

式中算出來的是信號x（t）的連續頻譜。但是，在實際的控制系統中能夠得到的是連續信號x（t）的離散采樣值x（nT）。因此需要利用離散信號x（nT）來計算信號x（t）的頻譜。

有限長離散信號x（n），n=0，1，…，N－1的DFT定義為

X（k）=∑N－1n=0x（n）W^knN，k=0，1，…，N－1。 （7）

其中，WN=e^－j2π/N。可以看出，DFT需要計算大約N²次乘法和N²次加法。當N較大時，計算量很大。而快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的快速算法，是為了降低DFT運算次數的一種快速有效的計算方法。

將x（n）分解為偶數與奇數兩個序列之和，即：

x（n）=x1（n）+x2（n）。（8）

式中：x1（n）為偶數序列；x2（n）為奇數序列，長度都為N/2，則X（k）可表示為

X（k）=∑N/2－1n=0x1（n）W^2knN+∑N/2n=0x2（n）W^（2n+1）kN，k=0，1，…，N－1。（9）

由于

W^2knN=e^－j2πN2kn=e^－j2πN/2kn=W^knN/2。（10）

則X（k）可表示為

X（k）=∑N/2－1n=0x1（n）W^knN/2+WkN∑N/2－1n=0x2（n）W^knN/2=

X1（k）+WkNX2（k），k=0，1，…，N－1。（11）

其中X1（k）和X2（k）分別為x1（n）和x2（n）的N/2點DFT。由于X1（k）和X2（k）均以N/2為周期，且有WkN+N/2=－WkN，所以X（k）又可表示為

X（k）=X1（k）+WkNX2（k），k=0，1，…，N2－1；（12）

X（k+N2）=X1（k）－WkNX2（k），k=0，1，…，N2－1。（13）

FFT算法的原理是通過許多小的更加容易進行的變換去實現大規模的變換，降低了運算要求，提高了運算速度。相對于周期信號而言，它的頻譜屬于離散譜，當使用快速傅里葉變換對其進行頻譜變換時，只有選擇區間為整數倍周期長度的N才能得到正確的頻譜形狀。而對于模擬信號而言，在對其進行相應頻譜變換前，必須對模擬信號選擇采樣點數和采樣間距，使其轉變為時域離散信號后，才能對其進行快速傅里葉變換。

2.2 二維傅里葉變換

在絕緣子內部檢測到的回波及其混頻信號中，包含大量的速度耦合信號。因此有必要對信號進行解耦處理，以保留對目標檢測有重要作用的靜止信號，而篩去其中包含的速度雜波信號。

二維傅里葉變換是進行信號篩選的方法之一。對于FMCW雷達天線發出的調頻連續毫米波，用一般復信號形式表示為

ST（t）=e^{j（ω0t+φ0）}=cos（ω0t+φ0）+

jsin（ω0t+φ0）。（14）

其中：ω0為本振頻率；φ0為初始相位。回波信號為發射信號的延遲。毫米波用一般復信號形式表示為

SR（t）=A·RE（ST（t－τ））=Acos（ω0（t－τ）+φ0）。（15）

對發生信號與接受信號進行IQ混頻后，得到的混頻信號為

ST（t）×SR（t）=cos［ω0（t－τ）+φ0］×cos（ω0t+φ0）=A2［cos（2ω0t－ω0τ+2φ0）+cos（ω0τ）］+Aj2［sin（2ω0t－ω0τ+2φ0）+sin（ω0τ）］。（16）

因此，可以在復數域內對其進行解耦。考慮到線性調頻過程中，每次chirp持續時間Tc很短，因此選擇對單獨線性調頻信號的基帶信號采樣進行FFT處理，得到拍頻fB，隨后將雷達處理過的回波信號分成不同的距離門。

對總共N個線性掃頻信號，重復上述流程。為得到更為精確的結果，在每個單獨距離門中第二個FFT用于生成信號頻譜結果，并將結果按列存儲在一個二維矩陣當中。隨后將二維矩陣合并為三維矩陣并作二維FFT處理，可得到包含速度門與距離門的三維數組，其流程如圖5所示。

其中，其x軸代表著信號發出的通道序號（Channel），與其信號頻率呈正相關；其z軸代表著包含多普勒速度的速度門（doppler gate）；y軸代表著包含距離信息的距離門（range gate）。為取得理想狀態下裂縫的判據，將只保留速度門零通道上的數據，并對這部分數據作進一步處理。

2.3 鋸齒波測距數據處理

FMCW雷達使用的調制波有三角波與鋸齒波兩種。對于三角波而言，信號在三角波的上升沿與下降沿都進行采樣；對于鋸齒波而言，信號只在其上升沿進行采樣。因此，三角波對于產生了多普勒效應的移動物體而言無疑具有更好的檢測特性；而對于靜止物體，鋸齒波可以實現更多的取樣次數，因此更適合選用鋸齒波對其進行探測。

鋸齒波雷達利用差拍信號估計目標的距離和速度參數，但是由于單掃頻信號存在距離和速度耦合的問題，不能像三角波線性調頻連續波一樣僅通過一維傅里葉變換得到目標的距離和速度。

鋸齒波雷達發射信號由多個單掃頻段組成，周期重復，第n個掃頻周期鋸齒波信號表達式如下：

xt（t，n）=A0cos{2π［f0（t－nT）+12μ（t－nT）2］+Φ0}，nT≤t≤（n+1）T。（17）

式中n為一個相關處理周期內鋸齒波的個數。

假設在t=0時刻，雷達前方存在一個距離為r，以速度v（目標相對于雷達的徑向速度，以接近雷達方向為正）勻速運動的目標，則接收到的目標回波信號為

xr（t，n）=KrA0cos{2π［f0（t－nT－τ（t））+12μ（t－nT－τ（t））2］+Φ0+φ0}，

nT+τd≤t≤（n+1）T。（18）

將xt與xr進行混頻和低通濾波，得到差拍信號如下：

xb（t，n）≈12KrA20cos{2π［（2μrc－2vcf0）（t－nT）－

2vf0cnT－2μvtc（t－nT）+2rf0c］－φ0}=

12KrA20cos2π［fb（t－nT）－fvnT］+φb，

nT+τd≤t≤（n+1）T。（19）

式中：fb=2μr－2vf0－2μvtc；fv=2vf0c；φb=4πrf0c－φ0。

考慮系統采用正交雙通道接收信號，對其進行正交變換，得到復差拍信號表達式如下：

xb（t，n）=12KrA20e^{j{2π［fb（t－nT）－fvnT］+φb}}。（20）

對單個掃頻段接收信號xb（t，n）進行快速傅里葉變換可得

xb（f1，n）=∫（n+1）TnT+τd12KrA20e^{j{2π［fb（t－nT）－fvnT］+φb}}e^{－j2πf1（t－nT）}dt=

12KrA20e^{j（2πfvnT+φb）}∫Tτde^{j2π（fb－f1）t}dt。（21）

由式（21）可以看出，單個掃頻段接收信號xb（t，n）的傅里葉變換xb（f1，n）在fb=f1處于頻譜峰值，即：

xb（fb，n）=12KrA20（T－τd）e^{j（－2πfvnT+φb）}≈

12KrA20Te^{j（－2πfvnT+φb）}。（22）

因為鋸齒波線性調頻連續波掃頻周期T非常小，所以快時間維頻譜峰值頻率fb≈2Br/cT ，快時間維可以等效為距離維，頻譜單元可以等效為距離單元。

由上式可以看出，不同掃頻段（慢時間維）的頻譜峰值xb（fb，n）也是單頻信號，實驗通過譜估計可以得到其頻率fv=0，即目標的多普勒頻移為零。根據fv和fb即可得到目標的距離和速度信息：

r=fb+fv2μc;（23）

v=fvc2f0。（24）

因此求取目標的距離和速度信息只需求取混頻信號的fb和fv。從式（19）可以看出，經過低通濾波之后的混頻信號仍然是一個線性調頻連續波。通過對混頻信號中所有chirp進行快速傅里葉變換之后得到距離速度譜，如圖6所示。

通過對第一列做2D-FFT，能夠得到可求取速度信息的fv，通過對chirp1做FFT可以得到關系求取距離信息的頻率fb。鑒于劣化絕緣子中的微裂紋檢測屬于靜態檢測，因此其經過濾波的混頻信號是一個恒頻連續波，因此對其進行FFT，理想情況下只會出現一個頻率峰值fb，通過式（23）可計算出微裂紋的距離信息。

3 差值比較法

3.1 恒虛警處理

本文對雷達雜波進行恒虛警處理。恒虛警檢測技術是指雷達系統在保持虛警概率恒定條件下對接收機輸出的信號與噪聲作判別以確定目標信號是否存在的技術。其根據檢測單元附近的參考單元估計背景干擾的平均功率，從而得到自適應的檢測閾值，使檢測時的虛警概率保持恒定。

本文采用單元平均恒虛警處理（CA CFAR），CA CFAR通過檢測單元附近的若干個參考單元的均值來估計雜波功率水平，從而自適應設定檢測門限。CA CFAR簡單易于實現，效果好壞受噪聲類型的影響。對于CA CFAR，平均虛警概率和噪聲功率大小無關，只與判決單元附近的樣本數N及門限系數a有關，判決門限T表示為：

T=AN∑Ni=1，j=1（xi+xj）；（25）

A=N（P-^－1N－1）。（26）

雷達接收到的回波數據經過FFT 處理，然后再經過包絡檢波輸出，進入滑窗檢測器進行檢測，在CA CFAR中，雜波功率水平由2n個參考單元的算術平均得到，然后歸一化門限A相乘后得到真正的門限T，最后將檢測單元D和門限T進行比較，輸出判決結果。圖7中D為被測目標單元，因為目標的功率可能泄露到相鄰的單元中，會影響CA CFAR檢測器對雜波功率水平的估計，所以P作為保護單元。

3.2 差值比較法

由于不同微裂痕的情況可能會導致反射波表現出相同的強度和時延，這給判斷微裂痕的信息帶來更多的不確定性。因此，本文提出基于相對測量法的策略來進行絕緣子微裂痕檢測。

相對測量法以最初絕緣子安全運行時的狀態檢測作為基準，取其混頻信號的前M項二維FFT的前M項零速度通道結果為F1，F2，…，FM，同時取其均值為FA，其中M為高次諧波數，決定了信號檢測的精度，可根據芯片處理速度進行設置。

同時，取實時接收的混頻信號的二維FFT的零速度通道結果F1，與初始狀態作差值，得到實時差值數據Fp。此時差值數據Fp中的峰值所代表的即為由于裂縫導致的絕緣子內部結構改變而出現的峰值，對其進行定位則可獲取裂縫位置信息。

濾波處理方法消除本身結構影響帶來的峰值后，由于本身毫米波FMCW雷達的帶寬限制，其測量精度受調制波的帶寬所限：以本文所用的60～64 GHz的調頻連續毫米波FMCW雷達為例，其測量精度僅能達到3.75 mm。該精度對于大部分裂縫而言顯得較為龐大，因此，在實時差值數據Fp中會出現離群值。為保證最終結果的可靠性，有必要對其進行剔除或修正。

然而，消除離群值將導致整組數據變得不完整，可能致使信息缺失。本文通過在傳統離群值消除算法的基礎上進行優化，較好地應用于調頻連續波激光雷達回波信號的濾波。

離群值消除算法將離群值作為目標點，離群值周邊沒有足夠的相同類型的相鄰點，其中基于距目標點的距離來定義相同類型的相鄰點。首先，在速度-時間二維散點圖上，循環計算每個點到其他相鄰點的距離，然后插入集合。數據集分布的形狀由數據均值和方差確定，由此可以確定鄰域半徑r和離群數閾值p。當半徑為r的點附近的點數小于離群值閾值p時，可以將該點定義為離群值。當閾值為p時，可以將該點定義為法線點。

體現在數據算法中，比較容易采用的方法是方差檢測法。可以取實時差值數據Fp中的列數據進行方差檢測，對方差較大的數據進行剔除，而僅保留方差較小的特征點，使得數據在進行峰值檢測過程中更加可靠。

3.3 多徑效應與峰值檢測

多徑效應是指在波傳播的過程中，由于其路徑較為復雜，使得最終接收到的多條回波在接收端產生干涉效應，最終呈現出增強或者衰弱的效果。由于絕緣子內部的介電常數與外界空氣相差較大，因此可近似認為毫米波僅在絕緣子內部傳播。在這樣封閉的空間中，多徑效應的影響被更加地放大了。在絕緣子內部傳播的毫米波FFT結果中，由于多徑效應的存在，易在峰值后出現假目標峰。為降低多徑效應的影響，需要進一步提高雷達分辨率。在FMCW雷達中的具體做法主要表現為通過提高雷達上升沿的周期時間T1，以增加雷達截取帶寬，達到增加雷達分辨率的效果。

基于以上的數據處理，最終得到較為平滑的差值數據，因此可以采用簡單有效的遍歷法進行峰值檢測。為了消除多徑效應的影響，僅取遍歷得到的第一個峰為目標并記錄其特征。

最后，對實時輸出信號進行滑窗處理，取一段時間內峰值檢測結果的平均值，并以最終信號結果來判斷有無微裂紋以及微裂紋的存在位置。綜上所述，該裝置整體檢測流程圖如圖9所示。

4 實驗裝置設計

4.1 絕緣子模擬器設計

試驗階段需要絕緣子陶瓷結構能夠從無微裂紋到有微裂紋有一個動態過程，然而燒結的陶瓷結構硬度很高，無法根據試驗需要靈活產生裂紋，因此必須尋找一種與陶瓷材料接近又便于人工制造裂痕的材料。最終本文確定以高嶺土作為實驗對象。首先高嶺土是陶瓷的主要成分，兩者電特性比較接近。其次高嶺土是粉狀物質，便于模擬微裂紋。本文設計的絕緣子模擬器如圖10所示。

采用3D打印制造一個倒杯形結構的容器，用于填充高嶺土。填充后的高嶺土的總體外形呈現一個杯型結構，其厚度和尺寸與實際絕緣子吻合。該容器的外側柱面設計有橫向與斜45度的裂縫插口，用于從外側對高嶺土制造裂痕，從而驗證傳感器的檢測性能。

4.2 硬件設計

傳感器的硬件主要包括三大部分：毫米波雷達芯片、電源管理電路和毫米波天線。硬件設計原理圖如圖11所示。

圖11中毫米波雷達芯片采用加特蘭CAL77S244。該傳感器中封裝了毫米波雷達系統的發送（TX）和接收（RX）射頻組件、時鐘等模擬組件、數模轉換器（ADC）、微控制器（MCU）和雷達信號處理（Sample、FFT、CFAR、DoA）等數字組件。

考慮到實際懸式絕緣子的有限空間，最終版傳感器將LoRA通信模塊與毫米波雷達傳感器集中在同一個電路板上。核心傳感器放置在電路板中間，將把LoRa模組安裝在右上角。整個電路板外邊框提供屏蔽罩安裝固定夾具，用于電磁屏蔽。電路板為尺寸6 cm×6 cm×1 cm的方形，如圖12所示，可以安裝在鐵帽和陶瓷頭部之間。

4.3 試驗結果

1）針對絕緣子模擬器試驗。

利用該試驗裝置，對絕緣子模擬器進行大量反復實驗，并對上述算法不斷優化，最終實現對長度為1 cm，寬度為0.5 mm的裂痕的可靠檢測，判據參數的變化量為10 dB。圖13（a）為絕緣子杯型結構中通過裂縫插口制造的微裂痕。圖13（b）為測試結果。根據測試統計，以高嶺土為實驗對象，本文提出的算法檢測成功率為95%。

2）針對真實絕緣子試驗。

本文對真實的絕緣子進行了反復試驗。圖14為江蘇省電力試驗研究院提供的帶有裂痕的大噸位絕緣子。該絕緣子杯型結構處有一個橫向裂紋，使得上半部分結構完全可以脫落。試驗時將傳感器放置在絕緣子杯型結構頂部，將橫向裂紋從吻合狀態變化為0.5 mm的開裂，并檢測到了裂紋的變化。

通過對低通濾波后的混頻信號進行FFT得到其頻譜。由于裂紋是靜止狀態，因此對恒頻連續波進行FFT理論上只會得到一個頻率，即為fb。實驗條件下會存在雜波，因此選取峰值頻率及臨近幾個峰值頻率，通過式（23）計算可得微裂紋距離雷達信號源的距離。其中峰值頻率fb所對應的距離大約為2.3 cm。經實際測量該絕緣子杯型結構處橫向裂紋到絕緣子頂端平均距離為2.38 cm。

5 結 論

本文以大噸位瓷絕緣子為研究對象，進行了絕緣子本體缺陷自動感知技術研究。該研究基于FMCW毫米波雷達無損檢測原理提出了一種絕緣子微裂紋檢測方法。針對回波中含有大量雜波的情況，本文提出了一種差值比較法對缺陷回波進行峰值檢測，有效降低了雜波的影響。并在此基礎上開發了絕緣子劣化自感知裝置。該裝置封裝后可在大噸位瓷絕緣子頭部鐵帽內進行嵌入式處理，實現實時在線監測絕緣子內部缺陷。試驗表明，該裝置在絕緣子裂紋檢測中有較高的準確度。

參 考 文 獻：

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（編輯：劉素菊）