本發(fā)明涉及電力設(shè)備檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)80年代以來，硅橡膠復(fù)合絕緣子因其優(yōu)良的性能，在我國高壓輸電工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而隨著運(yùn)行年限的增加以及制造工藝等原因，運(yùn)行線路中的復(fù)合絕緣子會發(fā)生各種事故，由此造成的危害將十分嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)芯棒缺陷快速、準(zhǔn)確的檢測，對于保障電網(wǎng)安全運(yùn)行顯得非常重要。

目前，對于復(fù)合絕緣子缺陷的檢測，國內(nèi)外學(xué)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(gè)復(fù)合絕緣子的缺陷檢測方法，主要檢測的是制造工藝、自然環(huán)境等原因?qū)е碌淖o(hù)套內(nèi)部氣孔、護(hù)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(chǎn)廠家的質(zhì)檢中也不實(shí)用。清華大學(xué)的梁曦東等人利用特制的超聲探頭，對芯棒脆斷時(shí)裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行了檢測，具有較高的靈敏度。但是超聲波檢測需要逐點(diǎn)掃描，耗費(fèi)時(shí)間較長，而且檢測過程中會存在盲區(qū)，對于盲區(qū)中的缺陷將無法檢測。吉林大學(xué)的盧欣提出了一種基于機(jī)器視覺的芯棒缺陷檢測系統(tǒng)，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(tǒng)過于復(fù)雜，檢測效果容易受環(huán)境光線影響。

超聲導(dǎo)波技術(shù)是近年來興起的一種快速、準(zhǔn)確、相對低成本的無損檢測方法。相對于超聲波檢測的點(diǎn)掃描而言，超聲導(dǎo)波進(jìn)行的是線掃描，而且內(nèi)外缺陷都能檢測，該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)管道、鋼桿等的檢測中。超聲導(dǎo)波應(yīng)用于絕緣子用玻璃鋼芯棒缺陷的檢測鮮有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法及系統(tǒng)，以克服和完善現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)玻璃鋼芯棒缺陷的低成本、快速、準(zhǔn)確的檢測。

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

s1、根據(jù)所需檢測玻璃鋼芯棒的幾何尺寸和材料參數(shù)，計(jì)算出超聲導(dǎo)波在玻璃鋼芯棒中傳播的群速度頻散曲線；根據(jù)群速度頻散曲線確定超聲導(dǎo)波的模態(tài)、頻率和周期數(shù)，用于編程調(diào)制并得到激勵(lì)信號；

s2、通過函數(shù)信號發(fā)生器讀取激勵(lì)信號，并通過功率放大器對激勵(lì)信號進(jìn)行放大后連接至玻璃鋼芯棒激勵(lì)端的壓電片上，以此來產(chǎn)生芯棒缺陷的超聲導(dǎo)波；

s3、玻璃鋼芯棒接收端的壓電片接收超聲導(dǎo)波信號，并將玻璃鋼芯棒接收端連接至數(shù)字示波器，所述數(shù)字示波器用于顯示超聲導(dǎo)波的波形特征；

s4、根據(jù)數(shù)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(jìn)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(shù)包括密度、彈性模量以及泊松比；

所述計(jì)算出超聲導(dǎo)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(gòu)件，求解超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線時(shí)，將芯棒的幾何尺寸和材料參數(shù)代入單層桿類的縱向模態(tài)的頻率方程中計(jì)算，其頻率方程如下：

式中，d為芯棒的直徑，j為beseel函數(shù)；α、β與k分別滿足如下關(guān)系式：

其中，cl、ct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(shù)決定；ω為圓頻率；利用上述各式進(jìn)行數(shù)值求解即得到cp與f的關(guān)系，再利用cp和cg的關(guān)系得到cg與f的關(guān)系，cg與f的關(guān)系即為群速度頻散曲線；cp和cg的關(guān)系如下：

進(jìn)一步地，所述步驟s1中的激勵(lì)信號是經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的正弦信號，其表達(dá)式如下：

式中，f為信號的中心頻率，n為信號的周期數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟s2中的壓電片具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)，用于實(shí)現(xiàn)電信號和機(jī)械振動的相互轉(zhuǎn)化；所述壓電片既為超聲導(dǎo)波的激發(fā)器也為超聲導(dǎo)波的接收器。

進(jìn)一步地，所述玻璃鋼芯棒激勵(lì)端的壓電片，其數(shù)量根據(jù)玻璃鋼芯棒的實(shí)際幾何尺寸來確定，且數(shù)量為4的倍數(shù)；所述玻璃鋼芯棒激勵(lì)端的壓電片；沿軸向?qū)ΨQ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(shù)量壓電片數(shù)量為1個(gè)，沿軸向粘貼在芯棒表面。

進(jìn)一步地，所述步驟s4中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，其依據(jù)為：如果尾端第一次接收到的波形與經(jīng)首端反射第二次接收到的波形之間有波包，即為缺陷回波，則判斷玻璃鋼芯棒缺陷存在；利用缺陷回波與尾端第一次接收到波形之間的時(shí)間差判斷玻璃鋼芯棒的缺陷位置；缺陷回波幅值與首端加載的超聲導(dǎo)波幅值之比和缺陷大小成正比，用于判斷玻璃鋼芯棒的缺陷大小。

進(jìn)一步地，所述步驟s4中，當(dāng)玻璃鋼芯棒存在缺陷時(shí)，主波包之間會有缺陷回波，通過調(diào)節(jié)數(shù)字示波器的光標(biāo)來測出缺陷回波與主波包之間的時(shí)間間隔，根據(jù)超聲導(dǎo)波的波速算出缺陷的具體位置，缺陷的大小則根據(jù)其缺陷回波的幅值來判斷。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)字示波器、玻璃鋼芯棒以及若干壓電片，所述計(jì)算機(jī)與所述函數(shù)信號發(fā)生器，所述函數(shù)信號發(fā)生器均與所述功率放大器、數(shù)字示波器連接；所述玻璃鋼芯棒包括激勵(lì)端和接收端，所述激勵(lì)端通過壓電片連接所述功率放大器，所述接收端通過壓電片連接所述數(shù)字示波器；其中

所述計(jì)算機(jī)用于通過軟件程序編程出所需要的激勵(lì)信號；

所述函數(shù)信號發(fā)生器用于讀取激勵(lì)信號；

所述功率放大器用于將激勵(lì)信號進(jìn)行放大；

所述數(shù)字示波器用于顯示超聲導(dǎo)波的波形特征；

所述壓電片用于：在玻璃鋼芯棒激勵(lì)端的壓電片用于將電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號，從而在玻璃鋼芯棒中激勵(lì)導(dǎo)波；所述玻璃鋼芯棒接收端的壓電片將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為電信號，將玻璃鋼芯棒中的導(dǎo)波顯示在示波器上。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：超聲導(dǎo)波是一種能夠進(jìn)行長距離、大范圍、快速準(zhǔn)確、相對低成本的無損檢測方法，本發(fā)明采用超聲導(dǎo)波檢測絕緣子用玻璃鋼芯棒，克服了大多數(shù)檢測技術(shù)的不足，比如復(fù)雜耗時(shí)、靈敏度低、檢測結(jié)果容易受環(huán)境影響等；與常規(guī)的超聲檢測相比，超聲導(dǎo)波檢測能力更強(qiáng)、速度更快，檢測過程中芯棒的內(nèi)、外(上、下)表面均有質(zhì)點(diǎn)振動，聲場遍及整個(gè)芯棒，不存在檢測盲區(qū)，這樣大大降低了漏檢風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，超聲導(dǎo)波檢測的波形更加直觀，對檢測人員的要求和依賴性低，且對檢測人員的身體無傷害，非常適合芯棒生產(chǎn)廠家的質(zhì)檢過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中使用直徑18mm玻璃鋼芯棒的縱向模態(tài)相速度頻散曲線圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中使用直徑18mm玻璃鋼芯棒的縱向模態(tài)群速度頻散曲線圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中漢寧窗調(diào)制出的正弦信號示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中10周期40khz超聲導(dǎo)波在無缺陷玻璃鋼芯棒中傳播的波形圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中10周期40khz超聲導(dǎo)波在有缺陷玻璃鋼芯棒中傳播的波形圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本申請作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)字示波器、玻璃鋼芯棒以及若干壓電片，所述計(jì)算機(jī)與所述函數(shù)信號發(fā)生器，所述函數(shù)信號發(fā)生器均與所述功率放大器、數(shù)字示波器連接；所述玻璃鋼芯棒包括激勵(lì)端和接收端，所述激勵(lì)端通過壓電片連接所述功率放大器，所述接收端通過壓電片連接所述數(shù)字示波器。其中，壓電片由于既有正壓電效應(yīng)又有負(fù)壓電效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)電信號和機(jī)械振動的相互轉(zhuǎn)化，故既可以作為激勵(lì)信號的發(fā)生器又可以作為接收器。壓電片的個(gè)數(shù)由芯棒的幾何尺寸來決定，一般以4的倍數(shù)為宜。激勵(lì)端的壓電片需沿芯棒軸向等距對稱分布在芯棒表面，這樣可以在一定程度上抑制激勵(lì)信號中f模態(tài)的干擾。接收端的壓電片只需一個(gè)即可，與激勵(lì)端的壓電片同方向粘貼在芯棒表面，激勵(lì)端和接收端的位置可以根據(jù)具體情況決定。

本發(fā)明使用上述一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測系統(tǒng)，提供一種基于縱向超聲導(dǎo)波的玻璃鋼芯棒缺陷檢測方法，步驟包括：

s1、根據(jù)所需檢測玻璃鋼芯棒的幾何尺寸和材料參數(shù)，計(jì)算出超聲導(dǎo)波在玻璃鋼芯棒中傳播的群速度頻散曲線；根據(jù)群速度頻散曲線確定超聲導(dǎo)波的模態(tài)、頻率和周期數(shù)，用于編程調(diào)制并得到激勵(lì)信號；選擇合適導(dǎo)波模態(tài)、導(dǎo)波頻率的標(biāo)準(zhǔn)是：在該導(dǎo)波頻率下對應(yīng)的導(dǎo)波模態(tài)有最大的傳播速度，而其他導(dǎo)波模態(tài)傳播速度小，且在一定導(dǎo)波頻率范圍內(nèi)該導(dǎo)波模態(tài)群速度變化不大。導(dǎo)波周期的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：頻散現(xiàn)象小、傳播衰減小、波包波形清晰、幅值易于觀察；其中，所述幾何尺寸包括玻璃鋼芯棒的直徑，所述材料參數(shù)包括密度、彈性模量以及泊松比；

所述計(jì)算出超聲導(dǎo)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(gòu)件，求解超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線時(shí)，將芯棒的幾何尺寸和材料參數(shù)代入單層桿類的縱向模態(tài)的頻率方程中計(jì)算，其頻率方程如下：

式中，d為芯棒的直徑，j為beseel函數(shù)；α、β與k分別滿足如下關(guān)系式：

其中，cl、ct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(shù)決定；ω為圓頻率；利用上述各式進(jìn)行數(shù)值求解即得到cp與f的關(guān)系，再利用cp和cg的關(guān)系得到cg與f的關(guān)系，cg與f的關(guān)系即為群速度頻散曲線；cp和cg的關(guān)系如下：

所述激勵(lì)信號是經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的正弦信號，其表達(dá)式如下：

式中，f為信號的中心頻率，n為信號的周期數(shù)；

s2、通過函數(shù)信號發(fā)生器讀取激勵(lì)信號，并通過功率放大器對激勵(lì)信號進(jìn)行放大后連接至玻璃鋼芯棒激勵(lì)端的壓電片上，以此來產(chǎn)生芯棒缺陷的超聲導(dǎo)波；所述壓電片具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)，用于實(shí)現(xiàn)電信號和機(jī)械振動的相互轉(zhuǎn)化；所述壓電片既為超聲導(dǎo)波的激發(fā)器也為超聲導(dǎo)波的接收器；

s3、玻璃鋼芯棒接收端的壓電片接收超聲導(dǎo)波信號，并將玻璃鋼芯棒接收端連接至數(shù)字示波器，所述數(shù)字示波器用于顯示超聲導(dǎo)波的波形特征；

s4、根據(jù)數(shù)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。其中，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，其依據(jù)為：如果尾端第一次接收到的波形與經(jīng)首端反射第二次接收到的波形之間有波包，即為缺陷回波，則判斷玻璃鋼芯棒缺陷存在；利用缺陷回波與尾端第一次接收到波形之間的時(shí)間差判斷玻璃鋼芯棒的缺陷位置；缺陷回波幅值與首端加載的超聲導(dǎo)波幅值之比和缺陷大小成正比，用于判斷玻璃鋼芯棒的缺陷大小。當(dāng)玻璃鋼芯棒存在缺陷時(shí)，主波包之間會有缺陷回波，通過調(diào)節(jié)數(shù)字示波器的光標(biāo)來測出缺陷回波與主波包之間的時(shí)間間隔，根據(jù)超聲導(dǎo)波的波速算出缺陷的具體位置，缺陷的大小則根據(jù)其缺陷回波的幅值來判斷。

實(shí)施例

本例中的玻璃鋼芯棒試件是由復(fù)合絕緣子(廣州市邁克林電力有限公司生產(chǎn)，型號為fxbw4-110/100-a)切除兩端金具并剝?nèi)ネ鈱庸柘鹉z后得到，長度為1.06m直徑為18mm，密度2176.17kg·m-3，泊松比為0.30，彈性模量為57gpa。

芯棒可以視為單層桿結(jié)構(gòu)，將材料參數(shù)和幾何尺寸代入單層桿的縱向模態(tài)頻率方程中，經(jīng)過數(shù)值求解可以得到相速度的頻散曲線如圖2所示，利用相速度與群速度的關(guān)系可以得到群速度的頻散曲線如圖3所示。從圖3中可以看出：在0-1mhz的頻率范圍內(nèi)，總共有7個(gè)模態(tài)，除了l(0,1)模態(tài)外每個(gè)模態(tài)均有截止頻率；頻率越高，對應(yīng)的模態(tài)數(shù)也就越多，檢測時(shí)對信號提取和識別難度就越大；對于l(0,1)模態(tài)，在0-70khz的范圍內(nèi)群速度曲線較為平緩，說明該頻率范圍內(nèi)的頻散較小，且在該頻率范圍內(nèi)群速度的值最大，故該頻率范圍內(nèi)的l(0,1)模態(tài)適合檢測。

本例中選用激勵(lì)信號中心頻率為40khz，周期數(shù)為10，采用的是漢寧窗調(diào)制的正弦信號，其波形圖如圖4所示。在利用漢寧窗調(diào)制信號的頻譜中，中心頻率附近的能量比較集中，在傳播過程中衰減小，對信號的識別敏感度較高，利于檢測。

通過計(jì)算機(jī)編程將激勵(lì)信號存貯在u盤內(nèi)，之后將u盤插在函數(shù)信號發(fā)生器上讀取調(diào)制，函數(shù)信號發(fā)生器輸出的激勵(lì)信號幅值較小，還不能用于實(shí)際檢測。激勵(lì)信號經(jīng)功率放大器放大后直玻璃鋼芯棒試件表面的壓電片(由德國pi公司生產(chǎn)，材料編號為pic151)相連，本例中功率放大器的倍數(shù)為42db，其實(shí)際的波形和幅值如圖5和圖6中所示。

本例中根據(jù)玻璃鋼芯棒的直徑所確定的激勵(lì)端壓電片的個(gè)數(shù)為8，8個(gè)壓電片等距、對稱粘貼在靠近芯棒端面處。接收端選在靠近另一個(gè)端面處，接收端的壓電片個(gè)數(shù)為1。功率放大器輸出的激勵(lì)信號通過8條子線同時(shí)加載在激勵(lì)端的8個(gè)壓電片上，以此來增強(qiáng)超聲導(dǎo)波的幅值。

圖5所示為40khz的超聲導(dǎo)波在無缺陷的玻璃鋼芯棒試件中傳播的波形圖，可以看出在2ms的時(shí)間內(nèi)，尾端接收到了4次l(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波的波包，且波包幅值因衰減而逐漸減小。波包之間除含有幅值較小的其他干擾模態(tài)之外，基本成水平狀態(tài)，通過光標(biāo)可以測得相鄰波包間的時(shí)間間隔大約為410us，此期間超聲導(dǎo)波傳播的距離為芯棒長度的2倍即2.12m，可以算出該頻率下超聲導(dǎo)波的群速度為5171m/s，與圖3中得出的理論值5046m/s的相對誤差只有2.5％。

圖6所示為40khz的超聲導(dǎo)波在有缺陷的玻璃鋼芯棒中傳播的波形圖，缺陷的尺寸大小為：軸向長度2mm、周向長度20mm、深度5mm，缺陷位置距離信號激勵(lì)端53cm。可以看出由于缺陷的存在，尾端第一個(gè)波包與第二個(gè)波包之間明顯出現(xiàn)缺陷回波。通過光標(biāo)可測得缺陷回波峰值與第一個(gè)波包峰值間的時(shí)間間隔為215us，已得出該頻率下超聲導(dǎo)波的群速度為5171m/s，此期間內(nèi)導(dǎo)波傳播的距離為接收端到缺陷處距離的兩倍，故可算得缺陷處距接收端為56cm，即距離激勵(lì)端為50cm，與實(shí)際位置的誤差只有5.6％。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。