专利名称：一种用于输电线超声检测的损伤定位方法
技术领域：
本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种用于输电线超声检测的损伤定位方法。
背景技术：
在输变电等工业领域，大量使用的各种材质类型输电线受到酸碱腐蚀环境等的影 响，极易出现剥落、裂痕甚至断裂等损伤，造成设备故障。高压输电线路经过野外以及城市 居民区，常年露置在大气中，经常承受着风、冰、温度等各种气象情况的影响。在雨雪或冰冻 条件下，悬空输电线、高压输电线固定塔架的覆冰则会造成巨大的灾害后果。输电线路覆冰 和积雪常会引起线路的跳闸、断线、倒塔、导线舞动、绝缘子闪络和通讯中断等。由此引发的 灾难性事故，对人民群众的生活和生命安全构成了极大的威胁。据统计，60% -70%线路故障是由自然条件变化引起的，特别是风、覆冰和温度的 影响最大。我国冰灾事故频繁发生，在许多地区因冻雨覆冰使输电线路载重增加，造成断 线、倒杆(塔)等事故，造成了巨大的经济损失。2004年，我国部分地区的500kv线路出现 较大范围冰闪跳闸、导线舞动和倒塔断线事故。2008年年初，我国南方遭遇罕见的冰雪灾 害，连续的冻雨气候使很多电力输电导线、塔架上覆冰厚度达50-100mm，大大超过了一般电 力输电网承载覆冰厚度的技术标准，从而导致电塔倒塌，电力输电网大面积瘫痪，进而引发 交通受阻，电煤紧张，通讯不畅，停电停水，林木被毁等一系列问题。据统计，冰雪灾害造成 的直接损失高达2530. 5亿元人民币。因此，研究覆冰等其它损伤在线监测技术，为我国电 网防止和控制冰雪等灾害，提高电网的运行可靠性具有重大的意义。然而传统的输电线路 检测方法已经得不到有力保证，新方法的研究逐步酝酿。对于输电线覆冰以及其它损伤缺陷的检测种类及探测方法已发展到十几种。早期 的方法主要是人工目测检查。监测人员采用肉眼或望远镜对导线进行观测，查看导线损伤 或者覆冰。而且只有在导线损伤或者覆冰比较严重时才易被发现。并且由于人眼要在相当 长的导线上做远距离观测，容易疲劳，劳动强度大。后来发展了航测法，采用直升机沿输电 线路飞行，然后采用人工目测或者摄像设备观测和记录沿线各异常点的情况，由于摄影的 限制，因此早期的这些方法检测非常慢，而且准确度不高。在输电线在线检测新方法研究方 面，国内则相对比较落后，华中科技大学和哈尔滨工程大学在此方面已经开展了一些研究， 并取得了一定的成果。使用弹性波检测不仅具有应力波检测的一系列优点，而且探测距离远，探伤效率 高，速度快。另外适用的类型也比较多，针对结构中常见的如分层、折叠以及裂纹等缺陷都 能产生比较强的回波。美国航空航天局(NASA)的Saravanos等人从理论及实验上证实了 利用弹性波检测复合材料梁结构的分层损伤。英国国防与评估研究机构的Percival和 Birt则研究利用两种基本的弹性传播模式检测材料损伤。法国ONERA结构损伤力学系利 用弹性波及小波分析技术进行碳纤维复合材料的损伤定位的研究。目前应用弹性波技术进 行损伤监测最出色的研究工作是Imperial College的两个独立研究小组。Cawley的小组已研究了方向性Lamb波激发的优化，可实时监测金属材料的损伤，Soutis的小组则致力于 传感器的布置和信号的处理问题。在国内，不少单位也在开展结构健康监测的研究。我国 自90年代中期开始，首先在“863”航天高科技计划中投入了一定的资金用于支持大型复杂 结构体系健康自我诊断问题的探索性研究。中国科学院声学研究所应崇福等用光弹方法对 弹性波的应力分布进行了直接观察，他们还对弹性波传播与散射进行了观察和研究。美国 Simmonds公司研制了 2种独立的超声结冰探测测量系统(IDMS)。系统采用脉冲——回波 技术，可以探测结冰现象及冰层厚度。从国外资料来看，输电线检测技术发展到现在方法较多，如图像检测法、红外检测 法、电涡流检测法、机器人检测法、弹性波法等，但是大多数都还不成熟，都处于起步阶段。 对于长距离输电线路的覆冰及其它损伤监测，传统方法由于其最大检测距离和检测精度以 及工程适用性的限制，已不能满足要求。而基于弹性波的损伤检测方法，为这一问题的解决 提供了有力的技术支持。弹性波在结构中传播时，结构的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这些以及损 伤周围的边界都会引起结构中传播的弹性波信号的散射和能量的吸收。正是基于这种现 象，弹性波可以用来对结构中的损伤进行监测。主动的弹性波监测方法可以分为四个过程 (1)以特定的信号激励驱动元件，向结构中激发弹性波信号。⑵采用压电传感器或其他传 感器在结构的不同位置接受弹性波信号。(3)对接受到的弹性波信号进行分析处理，提取损 伤特征参数。(4)采用先进的定位算法对损伤进行定位。这种技术的特点是检测距离远，效 率高。目前，基于弹性波的损伤检测系统已在类似于输电线的一维结构中(石油管道检测、 铁轨损伤检测等领域)得到实际的工程应用。因此将弹性波检测方法应用到输电线路覆冰 及其它损伤检测中具有重要的研究价值和潜力。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种用于输电线超声检测的损伤定位方 法，它基于小波变换技术计算超声导波检测信号的时间延迟，从而实现输电线损伤定位的 检测。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种用于输电线超声检测的损伤定位方法，它在输电线路上设置至少两个驱动器 进行激励和接收信号，分别采集输电线路健康状态和损伤状态下的激励和传感信号，从而 得到两种状态下传感信号差信号，该差信号即为损伤反射信号；利用波速在经过损伤反射 后基本保持不变的特点，利用公式^l= Vt^
t t + At其中，Ltl为激励驱动器到接收驱动器的距离，χ为损伤到接收驱动器中点的距离，t 为信号从激励驱动器传到接收驱动器的时间，At为损伤反射信号与健康信号的到达时间 延迟，L0为定值，t、Δ t通过对损伤和健康信号分别进行Gabor小波变换得到；两列信号的 时间延迟Δ t为二者Gabor小波变换的最大峰值所对应的时间之差，即可进行损伤定位。所述Gabor小波变换如下
Gabor 小波函数定义为
权利要求
一种用于输电线超声检测的损伤定位方法，其特征是，它在输电线路上设置至少两个驱动器进行激励和接收信号，分别采集输电线路健康状态和损伤状态下的激励和传感信号，从而得到两种状态下传感信号差信号，该差信号即为损伤反射信号；利用波速在经过损伤反射后基本保持不变的特点，利用公式 <mrow><mfrac> <msub><mi>L</mi><mn>0</mn> </msub> <mi>t</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>x</mi> </mrow> <mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>Δt</mi> </mrow></mfrac> </mrow>其中L0为激励驱动器到接收驱动器的距离，x为损伤到接收驱动器中点的距离，t为信号从激励驱动器传到接收驱动器的时间，Δt为损伤反射信号与健康信号的到达时间延迟，L0为定值，t、Δt通过对损伤和健康信号分别进行Gabor小波变换得到；两列信号的时间延迟Δt为二者Gabor小波变换的最大峰值所对应的时间之差，即可进行损伤定位。
2.如权利要求1所述的用于输电线超声检测的损伤定位方法，其特征是，所述Gabor小 波变换如下1 t2Gabor 小波函数定义为^= 7^exP(—一 + >/>^ja π Ισ其中，σ，ω。为正常数，t为信号从激励驱动器传到接收驱动器的时间，它的傅立叶变 换为.^jr1 .Ψ exP(" -Φ^πσ2 2σ (ω-ωε)将Gabor小波函数看作是中心在t = O的Gaussian窗函数；它的傅立叶变换的中心为 ω = ω。，而函数b) α的中心为t = b，它的傅立叶变换的 中心为ω = co。/a，则Gabor小波变换CWTf (a，b)代表函数f (t)在t = b，ω = co。/a附 近的时频成分；考虑沿χ方向传播，相同单位幅度、角频率不同的两个谐波构成的发散波，其中，kp k2 分别为这两个谐波的波数，W1和W2分别为这两个谐波的角频率y) _ ^-KKx-coIt) e~i{k2x-w2t)使用Gabor小波对u(x，t)做小波变换得CWTu(x’ a’b) = ^ {e^-^ψ {αωγ) + β^-^ψ (αω2)}当Δ ω足够小时，得到Gabor小波变换CWTu模\{CWTU )(x, a, b)\ ~yfab\wm (_c)| [1 + cos(2Mx - 2Αωδ)]1'2在小波变换后的模在a = ωε/ω0, b = ( Δ k/Δ ω ) χ = X/Cg时取得最大值，即在(a， b)平面上的峰值对应着频率为Qci= co。/a时的波包以群速度Cg传播的到达时刻，两列信 号的时间延迟At为二者Gabor小波变换的最大峰值所对应的时间之差。
3.如权利要求1所述的用于输电线超声检测的损伤定位方法，其特征是，所述驱动器 为压电片。
全文摘要
本发明公开了一种用于输电线超声检测的损伤定位方法，它通过获取超声导波检测信号的时域信号，采用小波变换技术计算超声导波信号在激励点与损伤点之间的时间延迟，从而给出输电线中的损伤位置。本发明通用性强，可适用于多种基于超声导波的检测装置，且定位更为准确。
文档编号G01N29/22GK101975822SQ20101054110
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者傅孟潮, 张华栋, 杨永军, 裘进浩, 赵金龙 申请人:山东电力研究院