支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括探头前方不使用楔块或只采用很薄的保护膜，使得超声波相控阵纵波检测在工件内部真正实现近180°范围内的扫查，压电晶片直接作用于被检工件内部产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现被检工件表面及近表面的大角度扫查目的。特别是在一定的范围内，是检测支柱绝缘子表面及近表面缺陷灵敏度很高的方法，取得了理想的效果。
【专利说明】支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，属于超声波相控阵检测领域，可以实现对电网高压支柱瓷绝缘子(以下简称“瓷瓶”)表面及近表面缺陷超声波相控阵检测。
【背景技术】
[0002]国家电力行业推荐的“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波检测方法为爬波检测法。
[0003]爬波系是折射角为接近90°的压缩纵波，其引起的质点振动是纵波和横波的叠力口，声束中包含有横波的成分，速度变化范围为0.8-0.95C (C为纵波声速)。爬波是当第一介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时，在第二介质中产生的。这时第二介质中除了表面下纵波外，还存在折射横波。这种表面下纵波不是纯粹的纵波，还存在有垂直方向的位移分量。爬波检测表面粗糙的工件的表面及近表面缺陷，其灵敏度和分辨力均比表面波高。目前为止解决“瓷瓶”被检区域表面有粘沙、水泥和铸铁法兰等覆盖物的特定条件下超声波检测唯有此法。
[0004]爬波检测法是建立在纵波倾斜入射，利用探头前方声楔块产生波型转换而获得。本发明是利用超声相控阵检测技术，利用纵波直接入射到工件中，对表面及近表面缺陷进行检测。超声波相控阵探头是多个压电晶片的集成，各个晶片按一定的规律分布排列，逐次按预先确定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制超声波束(波阵面)的形状和偏转，可以实现超声波的波束偏转和聚焦。为确定缺陷的位置、形状、大小和方向提供出传统的超声波检测更多信息。我们通过采用本发明的检测方法，对“瓷瓶”表面及近表面缺陷进行检测，取得了良好的检测效果。经过实验，可有效检出探头入射点前50_范围内深度为3_的表面模拟裂纹缺陷，缺陷波的可辨识性由于爬波检测。
[0005]爬波检测存在一定的局限性。爬波在传播过程中连续发生由纵波向横波的波型转换，导致在传播过程中波幅衰减也相当严重，其衰减规律大致与声程的四次方成反比，使得检测范围受到很大限制。在目前大多数实际应用中，都采用双晶探头对焦点附近的缺陷进行检测。通过多年来的实验证实存在以下不足:
a.缺陷反射波不单一，多为一束波，缺陷波与杂波很难区分。结合图1，从图2可以看出，当声程为34.84mm时，杂波与缺陷反射波反射当量之比已接近50% ；
b.探伤系统始波范围大，实际检测中，探头前20mm范围内基本无法发现缺陷或根本无法区分始波与缺陷波；
c.爬波探头能量损耗很快，有效检测范围较小。
[0006]实际工件检测中，杂波反射更为强烈。基于上述种种原因，实际应用中基层检测人员对爬波检测法难以掌握，检测难以开展。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是，充分利用超声波相控阵的声束偏转和聚焦特性，摒弃传统的相控阵探头前方加装楔块，纵波检测只扫查工件内部较小的角度限定范围，对表面和近表面缺陷无法检测的理念；进而研发一种更为合理的、操作性强的检测方法，克服表面波检测法对工件表面粗糙度要求高，以及爬波检测法波形不单一、衰减极快和杂波波幅过高的缺点，改善“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测现状；并通过试验研究，解决类似条件的其它工件的表面及近表面缺陷的检测问题。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案来具体实现:
“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括，探头前方不使用楔块，将压电晶片直接作用于被检工件表面产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现对被检工件表面全角度(接近180°范围)的扫查。
[0009]优选的，在探头前方只安装一层较薄的保护膜。
[0010]压电晶片的数量选择20-32个。
[0011]探头选择5MHz，9X0.5mm, 32晶片探头，纵波波长为:1.27mm，半波长:0.635mm。
[0012]由于压电晶片与工件直接接触，产生的纵波只在第一介质(工件)中传播，主声束不发生波型转换。换能器中的单个晶片的宽度(0.5_)都远小于自身长度(9_)，每一个晶片在较小的声程范围内，可以简化近似地被理解为发射单一柱面波的波源。通过调整仪器控制单个晶片的激励延时，使单个晶片产生的柱面波在换能器前方接近水平方向一定范围内，按一定步长逐点合成聚焦。当传播过程中遇到反射体时，反射体又成为新的波源，探头接收后在仪器界面形成缺陷显示。
[0013]在超声波相控阵无楔块、纵波扇形扫描模式下，扫描角度控制在60-80°范围进行扇形扫描。通过对探头前方50_范围内，深度为3_模拟裂纹(国网公司执行标准扫查灵敏度为深度5_，长度30_)缺陷进行检测，获得的缺陷波型单一，无非相干反射波信号，完全满足“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测要求。
[0014]超声波检测中，声束的发射和接收是通过探头来实现的。因此探头参数的选择尤为重要。当探头的参数选择不合适时，探头的声场分布除了主瓣外还会出现栅瓣和较高的旁瓣，栅瓣是产生伪像的主要原因之一，而旁瓣的出现一方面降低了主瓣的能量，降低了系统的对比度分辨力，另一方面也可能造成伪像。目前，超声波相控阵探头晶片多为均匀线阵排列。均匀线阵的主要参数包括:探头频率(f)、探头阵元数(N)和阵元间距(d)。
[0015]1.相控阵探头频率
探头频率的主要选择依据是被检工件的声学特性和检测要求。一般频率越高检测分辨力越高，但由于衰减的原因使得有效检测范围变小。动态聚焦是超声波相控阵检测的优越性之一，聚焦焦点的动态孔径决定着检测系统的分辨力。设阵元间距为d，阵列探头的孔径
为D (D=nd),晶片数为N,在焦距F处动态孔径宽度％:
Wf = 2.44 AFfnd
从上式可以看出，声束宽度与波长成正比，而与晶片数量N和晶片间距成反比。同种材料声速一定的情况下，频率越高，λ越小，动态孔径越小，分辨力越高；但随着频率的增大，声能的衰减增大。因此在频率的选择时应综合考虑上述因素。通过试验，常用的5MHz、
2.5MHz和2MHz探头均符合在探头前方30mm内发现缺陷的要求。[0016]2.晶片数量和阵元间距
在相控阵探头激发频率一定的情况下，声束主瓣宽度与晶片数量和阵元间距有如下近似关系:(5为声束偏转角度)
【权利要求】
1.支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括，探头前方不使用楔块，将压电晶片直接作用于被检工件表面产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现对被检工件表面及近表面大角度的扫查。
2.如权利要求1所述的支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，其特征在于，在探头前方只安装一层较薄的专用保护膜。
3.如权利要求1所述的瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，其特征在于，压电晶片的数量选择20-32个。
4.如权利要求1所述的瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，其特征在于，探头选择2-5MHz，9X0.5mm, 32晶片探头。
【文档编号】G01N29/04GK104034799SQ201410099885
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】张昕, 李军, 苗兴, 袁芳, 高健, 杨景健, 杨占君, 李玉鹏, 王斌, 赵明忠, 白涛, 孙小平, 席家福 申请人:国家电网公司, 国网甘肃省电力公司, 国网甘肃省电力公司电力科学研究院