一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测方法及系统与流程

本发明涉及电力设备检测领域，尤其涉及一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测方法及系统。

背景技术：

自20世纪80年代以来，硅橡胶复合绝缘子因其优良的性能，在我国高压输电工程中得到了越来越广泛的应用。然而随着运行年限的增加以及制造工艺等原因，运行线路中的复合绝缘子会发生各种事故，由此造成的危害将十分严重。据有关统计资料显示，在造成绝缘子损坏的原因中芯棒断裂占了很大比重。因此，实现芯棒缺陷快速、准确的检测，对于保障电网安全运行显得非常重要。

目前，对于复合绝缘子缺陷的检测，国内外学者做了大量的研究，常用的检测方法有：紫红外线成像法、电场分布法、漏电流法、超声法等。这些都是针对整个复合绝缘子的缺陷检测方法，主要检测的是制造工艺、自然环境等原因导致的护套内部气孔、护套与芯棒脱粘、外层硅橡胶污染程度等问题，但并不适合芯棒缺陷检测，在芯棒生产厂家的质检中也不实用。清华大学的梁曦东等人利用特制的超声探头，对芯棒脆断时裂纹的扩展进行了检测，具有较高的灵敏度。但是超声波检测需要逐点扫描，耗费时间较长，而且检测过程中会存在盲区，对于盲区中的缺陷将无法检测。吉林大学的卢欣提出了一种基于机器视觉的芯棒缺陷检测系统，该方法自动化程度较高，但只能检测芯棒表面缺陷，并且系统过于复杂，检测效果容易受环境光线影响。

超声导波技术是近年来兴起的一种快速、准确、相对低成本的无损检测方法。相对于超声波检测的点扫描而言，超声导波进行的是线扫描，而且内外缺陷都能检测，该技术目前已被广泛应用在工业管道、钢杆等的检测中。超声导波应用于绝缘子用玻璃钢芯棒缺陷的检测鲜有报道。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测方法及系统，以克服和完善现有技术的不足，实现玻璃钢芯棒缺陷的低成本、快速、准确的检测。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测方法，包括如下步骤：

s1、根据所需检测玻璃钢芯棒的几何尺寸和材料参数，计算出超声导波在玻璃钢芯棒中传播的群速度频散曲线；根据群速度频散曲线确定超声导波的模态、频率和周期数，用于编程调制并得到激励信号；

s2、通过函数信号发生器读取激励信号，并通过功率放大器对激励信号进行放大后连接至玻璃钢芯棒激励端的压电片上，以此来产生芯棒缺陷的超声导波；

s3、玻璃钢芯棒接收端的压电片接收超声导波信号，并将玻璃钢芯棒接收端连接至数字示波器，所述数字示波器用于显示超声导波的波形特征；

s4、根据数字示波器显示的波形特征，判断玻璃钢芯棒是否存在缺陷以及缺陷的具体位置和大小。

进一步地，所述步骤s1中，所述几何尺寸包括玻璃钢芯棒的直径，所述材料参数包括密度、弹性模量以及泊松比；

所述计算出超声导波在玻璃钢芯棒中传播的群速度频散曲线，具体为：

将玻璃钢芯棒视为单层杆类构件，求解超声导波的群速度频散曲线时，将芯棒的几何尺寸和材料参数代入单层杆类的纵向模态的频率方程中计算，其频率方程如下：

式中，d为芯棒的直径，j为beseel函数；α、β与k分别满足如下关系式：

其中，cl、ct分别为玻璃钢芯棒的纵波波速和横波波速，所述纵波波速和横波波速均由玻璃钢芯棒的材料参数决定；ω为圆频率；利用上述各式进行数值求解即得到cp与f的关系，再利用cp和cg的关系得到cg与f的关系，cg与f的关系即为群速度频散曲线；cp和cg的关系如下：

进一步地，所述步骤s1中的激励信号是经过汉宁窗调制的正弦信号，其表达式如下：

式中，f为信号的中心频率，n为信号的周期数。

进一步地，所述步骤s2中的压电片具有正压电效应和负压电效应，用于实现电信号和机械振动的相互转化；所述压电片既为超声导波的激发器也为超声导波的接收器。

进一步地，所述玻璃钢芯棒激励端的压电片，其数量根据玻璃钢芯棒的实际几何尺寸来确定，且数量为4的倍数；所述玻璃钢芯棒激励端的压电片；沿轴向对称等间距地粘贴在芯棒表面；所述玻璃钢芯棒接收端的压电片数量压电片数量为1个，沿轴向粘贴在芯棒表面。

进一步地，所述步骤s4中判断玻璃钢芯棒是否存在缺陷以及缺陷的具体位置和大小，其依据为：如果尾端第一次接收到的波形与经首端反射第二次接收到的波形之间有波包，即为缺陷回波，则判断玻璃钢芯棒缺陷存在；利用缺陷回波与尾端第一次接收到波形之间的时间差判断玻璃钢芯棒的缺陷位置；缺陷回波幅值与首端加载的超声导波幅值之比和缺陷大小成正比，用于判断玻璃钢芯棒的缺陷大小。

进一步地，所述步骤s4中，当玻璃钢芯棒存在缺陷时，主波包之间会有缺陷回波，通过调节数字示波器的光标来测出缺陷回波与主波包之间的时间间隔，根据超声导波的波速算出缺陷的具体位置，缺陷的大小则根据其缺陷回波的幅值来判断。

本发明的另一目的是提供一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测系统，包括计算机、函数信号发生器、功率放大器、数字示波器、玻璃钢芯棒以及若干压电片，所述计算机与所述函数信号发生器，所述函数信号发生器均与所述功率放大器、数字示波器连接；所述玻璃钢芯棒包括激励端和接收端，所述激励端通过压电片连接所述功率放大器，所述接收端通过压电片连接所述数字示波器；其中

所述计算机用于通过软件程序编程出所需要的激励信号；

所述函数信号发生器用于读取激励信号；

所述功率放大器用于将激励信号进行放大；

所述数字示波器用于显示超声导波的波形特征；

所述压电片用于：在玻璃钢芯棒激励端的压电片用于将电信号转化为机械信号，从而在玻璃钢芯棒中激励导波；所述玻璃钢芯棒接收端的压电片将机械信号转化为电信号，将玻璃钢芯棒中的导波显示在示波器上。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：超声导波是一种能够进行长距离、大范围、快速准确、相对低成本的无损检测方法，本发明采用超声导波检测绝缘子用玻璃钢芯棒，克服了大多数检测技术的不足，比如复杂耗时、灵敏度低、检测结果容易受环境影响等；与常规的超声检测相比，超声导波检测能力更强、速度更快，检测过程中芯棒的内、外(上、下)表面均有质点振动，声场遍及整个芯棒，不存在检测盲区，这样大大降低了漏检风险；同时，超声导波检测的波形更加直观，对检测人员的要求和依赖性低，且对检测人员的身体无伤害，非常适合芯棒生产厂家的质检过程。

附图说明

图1是本发明一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中使用直径18mm玻璃钢芯棒的纵向模态相速度频散曲线图；

图3是本发明实施例中使用直径18mm玻璃钢芯棒的纵向模态群速度频散曲线图；

图4是本发明实施例中汉宁窗调制出的正弦信号示意图；

图5是本发明实施例中10周期40khz超声导波在无缺陷玻璃钢芯棒中传播的波形图；

图6是本发明实施例中10周期40khz超声导波在有缺陷玻璃钢芯棒中传播的波形图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测系统，包括计算机、函数信号发生器、功率放大器、数字示波器、玻璃钢芯棒以及若干压电片，所述计算机与所述函数信号发生器，所述函数信号发生器均与所述功率放大器、数字示波器连接；所述玻璃钢芯棒包括激励端和接收端，所述激励端通过压电片连接所述功率放大器，所述接收端通过压电片连接所述数字示波器。其中，压电片由于既有正压电效应又有负压电效应，可以实现电信号和机械振动的相互转化，故既可以作为激励信号的发生器又可以作为接收器。压电片的个数由芯棒的几何尺寸来决定，一般以4的倍数为宜。激励端的压电片需沿芯棒轴向等距对称分布在芯棒表面，这样可以在一定程度上抑制激励信号中f模态的干扰。接收端的压电片只需一个即可，与激励端的压电片同方向粘贴在芯棒表面，激励端和接收端的位置可以根据具体情况决定。

本发明使用上述一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测系统，提供一种基于纵向超声导波的玻璃钢芯棒缺陷检测方法，步骤包括：

s1、根据所需检测玻璃钢芯棒的几何尺寸和材料参数，计算出超声导波在玻璃钢芯棒中传播的群速度频散曲线；根据群速度频散曲线确定超声导波的模态、频率和周期数，用于编程调制并得到激励信号；选择合适导波模态、导波频率的标准是：在该导波频率下对应的导波模态有最大的传播速度，而其他导波模态传播速度小，且在一定导波频率范围内该导波模态群速度变化不大。导波周期的选择标准为：频散现象小、传播衰减小、波包波形清晰、幅值易于观察；其中，所述几何尺寸包括玻璃钢芯棒的直径，所述材料参数包括密度、弹性模量以及泊松比；

所述计算出超声导波在玻璃钢芯棒中传播的群速度频散曲线，具体为：

将玻璃钢芯棒视为单层杆类构件，求解超声导波的群速度频散曲线时，将芯棒的几何尺寸和材料参数代入单层杆类的纵向模态的频率方程中计算，其频率方程如下：

式中，d为芯棒的直径，j为beseel函数；α、β与k分别满足如下关系式：

其中，cl、ct分别为玻璃钢芯棒的纵波波速和横波波速，所述纵波波速和横波波速均由玻璃钢芯棒的材料参数决定；ω为圆频率；利用上述各式进行数值求解即得到cp与f的关系，再利用cp和cg的关系得到cg与f的关系，cg与f的关系即为群速度频散曲线；cp和cg的关系如下：

所述激励信号是经过汉宁窗调制的正弦信号，其表达式如下：

式中，f为信号的中心频率，n为信号的周期数；

s2、通过函数信号发生器读取激励信号，并通过功率放大器对激励信号进行放大后连接至玻璃钢芯棒激励端的压电片上，以此来产生芯棒缺陷的超声导波；所述压电片具有正压电效应和负压电效应，用于实现电信号和机械振动的相互转化；所述压电片既为超声导波的激发器也为超声导波的接收器；

s3、玻璃钢芯棒接收端的压电片接收超声导波信号，并将玻璃钢芯棒接收端连接至数字示波器，所述数字示波器用于显示超声导波的波形特征；

s4、根据数字示波器显示的波形特征，判断玻璃钢芯棒是否存在缺陷以及缺陷的具体位置和大小。其中，判断玻璃钢芯棒是否存在缺陷以及缺陷的具体位置和大小，其依据为：如果尾端第一次接收到的波形与经首端反射第二次接收到的波形之间有波包，即为缺陷回波，则判断玻璃钢芯棒缺陷存在；利用缺陷回波与尾端第一次接收到波形之间的时间差判断玻璃钢芯棒的缺陷位置；缺陷回波幅值与首端加载的超声导波幅值之比和缺陷大小成正比，用于判断玻璃钢芯棒的缺陷大小。当玻璃钢芯棒存在缺陷时，主波包之间会有缺陷回波，通过调节数字示波器的光标来测出缺陷回波与主波包之间的时间间隔，根据超声导波的波速算出缺陷的具体位置，缺陷的大小则根据其缺陷回波的幅值来判断。

实施例

本例中的玻璃钢芯棒试件是由复合绝缘子(广州市迈克林电力有限公司生产，型号为fxbw4-110/100-a)切除两端金具并剥去外层硅橡胶后得到，长度为1.06m直径为18mm，密度2176.17kg·m-3，泊松比为0.30，弹性模量为57gpa。

芯棒可以视为单层杆结构，将材料参数和几何尺寸代入单层杆的纵向模态频率方程中，经过数值求解可以得到相速度的频散曲线如图2所示，利用相速度与群速度的关系可以得到群速度的频散曲线如图3所示。从图3中可以看出：在0-1mhz的频率范围内，总共有7个模态，除了l(0,1)模态外每个模态均有截止频率；频率越高，对应的模态数也就越多，检测时对信号提取和识别难度就越大；对于l(0,1)模态，在0-70khz的范围内群速度曲线较为平缓，说明该频率范围内的频散较小，且在该频率范围内群速度的值最大，故该频率范围内的l(0,1)模态适合检测。

本例中选用激励信号中心频率为40khz，周期数为10，采用的是汉宁窗调制的正弦信号，其波形图如图4所示。在利用汉宁窗调制信号的频谱中，中心频率附近的能量比较集中，在传播过程中衰减小，对信号的识别敏感度较高，利于检测。

通过计算机编程将激励信号存贮在u盘内，之后将u盘插在函数信号发生器上读取调制，函数信号发生器输出的激励信号幅值较小，还不能用于实际检测。激励信号经功率放大器放大后直玻璃钢芯棒试件表面的压电片(由德国pi公司生产，材料编号为pic151)相连，本例中功率放大器的倍数为42db，其实际的波形和幅值如图5和图6中所示。

本例中根据玻璃钢芯棒的直径所确定的激励端压电片的个数为8，8个压电片等距、对称粘贴在靠近芯棒端面处。接收端选在靠近另一个端面处，接收端的压电片个数为1。功率放大器输出的激励信号通过8条子线同时加载在激励端的8个压电片上，以此来增强超声导波的幅值。

图5所示为40khz的超声导波在无缺陷的玻璃钢芯棒试件中传播的波形图，可以看出在2ms的时间内，尾端接收到了4次l(0,1)模态超声导波的波包，且波包幅值因衰减而逐渐减小。波包之间除含有幅值较小的其他干扰模态之外，基本成水平状态，通过光标可以测得相邻波包间的时间间隔大约为410us，此期间超声导波传播的距离为芯棒长度的2倍即2.12m，可以算出该频率下超声导波的群速度为5171m/s，与图3中得出的理论值5046m/s的相对误差只有2.5％。

图6所示为40khz的超声导波在有缺陷的玻璃钢芯棒中传播的波形图，缺陷的尺寸大小为：轴向长度2mm、周向长度20mm、深度5mm，缺陷位置距离信号激励端53cm。可以看出由于缺陷的存在，尾端第一个波包与第二个波包之间明显出现缺陷回波。通过光标可测得缺陷回波峰值与第一个波包峰值间的时间间隔为215us，已得出该频率下超声导波的群速度为5171m/s，此期间内导波传播的距离为接收端到缺陷处距离的两倍，故可算得缺陷处距接收端为56cm，即距离激励端为50cm，与实际位置的误差只有5.6％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。