[發明專利]一種基于縱向超聲導波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法及系統

在審

• 申請號: 201710264917.6
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN106950282A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 鄧紅雷;何戰峰;陳力;夏橋
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 李斌

技術領域

本發明涉及電力設備檢測領域，尤其涉及一種基于縱向超聲導波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法及系統。

背景技術

自20世紀80年代以來，硅橡膠復合絕緣子因其優良的性能，在我國高壓輸電工程中得到了越來越廣泛的應用。然而隨著運行年限的增加以及制造工藝等原因，運行線路中的復合絕緣子會發生各種事故，由此造成的危害將十分嚴重。據有關統計資料顯示，在造成絕緣子損壞的原因中芯棒斷裂占了很大比重。因此，實現芯棒缺陷快速、準確的檢測，對于保障電網安全運行顯得非常重要。

目前，對于復合絕緣子缺陷的檢測，國內外學者做了大量的研究，常用的檢測方法有：紫紅外線成像法、電場分布法、漏電流法、超聲法等。這些都是針對整個復合絕緣子的缺陷檢測方法，主要檢測的是制造工藝、自然環境等原因導致的護套內部氣孔、護套與芯棒脫粘、外層硅橡膠污染程度等問題，但并不適合芯棒缺陷檢測，在芯棒生產廠家的質檢中也不實用。清華大學的梁曦東等人利用特制的超聲探頭，對芯棒脆斷時裂紋的擴展進行了檢測，具有較高的靈敏度。但是超聲波檢測需要逐點掃描，耗費時間較長，而且檢測過程中會存在盲區，對于盲區中的缺陷將無法檢測。吉林大學的盧欣提出了一種基于機器視覺的芯棒缺陷檢測系統，該方法自動化程度較高，但只能檢測芯棒表面缺陷，并且系統過于復雜，檢測效果容易受環境光線影響。

超聲導波技術是近年來興起的一種快速、準確、相對低成本的無損檢測方法。相對于超聲波檢測的點掃描而言，超聲導波進行的是線掃描，而且內外缺陷都能檢測，該技術目前已被廣泛應用在工業管道、鋼桿等的檢測中。超聲導波應用于絕緣子用玻璃鋼芯棒缺陷的檢測鮮有報道。

發明內容

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種基于縱向超聲導波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法及系統，以克服和完善現有技術的不足，實現玻璃鋼芯棒缺陷的低成本、快速、準確的檢測。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：一種基于縱向超聲導波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法，包括如下步驟：

S1、根據所需檢測玻璃鋼芯棒的幾何尺寸和材料參數，計算出超聲導波在玻璃鋼芯棒中傳播的群速度頻散曲線；根據群速度頻散曲線確定超聲導波的模態、頻率和周期數，用于編程調制并得到激勵信號；

S2、通過函數信號發生器讀取激勵信號，并通過功率放大器對激勵信號進行放大后連接至玻璃鋼芯棒激勵端的壓電片上，以此來產生芯棒缺陷的超聲導波；

S3、玻璃鋼芯棒接收端的壓電片接收超聲導波信號，并將玻璃鋼芯棒接收端連接至數字示波器，所述數字示波器用于顯示超聲導波的波形特征；

S4、根據數字示波器顯示的波形特征，判斷玻璃鋼芯棒是否存在缺陷以及缺陷的具體位置和大小。

進一步地，所述步驟S1中，所述幾何尺寸包括玻璃鋼芯棒的直徑，所述材料參數包括密度、彈性模量以及泊松比；

所述計算出超聲導波在玻璃鋼芯棒中傳播的群速度頻散曲線，具體為：

將玻璃鋼芯棒視為單層桿類構件，求解超聲導波的群速度頻散曲線時，將芯棒的幾何尺寸和材料參數代入單層桿類的縱向模態的頻率方程中計算，其頻率方程如下：

式中，d為芯棒的直徑，J為Beseel函數；α、β與k分別滿足如下關系式：

其中，C_L、C_T分別為玻璃鋼芯棒的縱波波速和橫波波速，所述縱波波速和橫波波速均由玻璃鋼芯棒的材料參數決定；ω為圓頻率；利用上述各式進行數值求解即得到C_p與f的關系，再利用C_p和C_g的關系得到C_g與f的關系，C_g與f的關系即為群速度頻散曲線；C_p和C_g的關系如下：

進一步地，所述步驟S1中的激勵信號是經過漢寧窗調制的正弦信號，其表達式如下：

式中，f為信號的中心頻率，n為信號的周期數。

進一步地，所述步驟S2中的壓電片具有正壓電效應和負壓電效應，用于實現電信號和機械振動的相互轉化；所述壓電片既為超聲導波的激發器也為超聲導波的接收器。

進一步地，所述玻璃鋼芯棒激勵端的壓電片，其數量根據玻璃鋼芯棒的實際幾何尺寸來確定，且數量為4的倍數；所述玻璃鋼芯棒激勵端的壓電片；沿軸向對稱等間距地粘貼在芯棒表面；所述玻璃鋼芯棒接收端的壓電片數量壓電片數量為1個，沿軸向粘貼在芯棒表面。