本发明涉及一种导体套管接触状态评价的非线性超声导波检测方法，该方法可用于套管之间接触状态变化的无损检测以及安全性评估，属于无损检测领域。
背景技术：
铜套管以其延展性好、导热性和导电性高等优点，常应用于气体绝缘组合电器gis(gasinsulatedswitchgear)中的铝合金导体管的连接。由于设备老化和产品装配公差过大，易导致铝合金导体管与铜套管之间出现接触不良，产生热性故障，严重时会导致套管烧毁并对邻近导体放电引发短路事故，威胁电力系统的安全稳定运行。
现有的gis腔体内导体套管接触状态的检测方法主要有内窥镜法、x光探测法、人员进入检测法等。内窥镜法主要通过使用内窥镜进入腔体内进行检测，由于内窥镜难以纵深检查，成像结果不理想；x光探测法是利用局部区域透过射线强度与周围产生的差异性来判断接触状态是否良好，但其存在主机笨重、难以摆放、辐射严重等缺点；人员进入检测法主要是通过解体开盖、人员进入gis腔体，但该方法存在人员窒息、接触并吸入有毒化合物、带入机具物料易遗漏等风险。
超声导波是一种新兴的无损检测方法，其优势是检测距离长、范围广，可以对难以触碰的区域进行在线检测。传统超声导波技术方法主要是利用超声波通过损伤时发生反射、散射以及模态转换等线性特征，可以很好实现管中裂纹及腐蚀等较大损伤检测，但难以实现管道之间的接触类损伤检测。非线性超声导波检测技术依据超声波与接触界面相互作用产生的非线性效应对结构损伤情况做出评价，它对管中的微裂纹、分层缺陷、疲劳损伤表现出很高的敏感性。
非线性超声导波检测是利用超声导波传播时与闭合微裂纹、分层等接触类结构损伤相互作用而产生的非线性响应，进行微小缺陷和接触状态的检测，从本质上反映了微观缺陷和接触压力对非线性现象的影响，因此可以用于封闭式缺陷或者套管接口处的检测。基于超声的非线性效应，现有的非线性超声无损检测方法主要有高次谐波及次谐波法、波束混叠法以及谐振频率漂移法，其中谐波法是技术最成熟、应用最广泛的一种非线性超声检测方法。
国内外学者采用非线性超声高次谐波法对材料的闭合裂纹、脱粘等接触类结构损伤进行检测方法进行研究。chillaravk等在《nonlinearguidedwavesinplates:anumericalperspective》率先提出弹性材料非线性和位错是引起高次谐波的主要原因。这些结果促使后来的研究者基于高次谐波尤其是二次谐波来研究非线性行为。邓等在《无损评价固体板材疲劳损伤的非线性超声兰姆波方法》不仅研究了板材中出现的高次谐波现象，而且分析了采用lamb波对板材进行损伤评价的结果。yand等在《modellingandmeasurementofthenonlinearbehaviourofkissingbondsinadhesivejoints》中对固固粘接界面的接触声非线性展开了研究，建立了基于二次谐波的接触界面上接触声非线性系数和粘接强度之间的关系。binwu等《nonlinearultrasoniccharacterizingonlinefatiguedamageandinsitumicroscopicobservation》发展了一套在材料疲劳实验机上在线检测超声非线性系数的实验检测系统，利用该系统对3组不同加载应力作用下的az31镁合金疲劳试件进行非线性超声检测，建立了基于二次谐波的正则化非线性系数与疲劳寿命之间的关系。以上都是利用谐波法对闭合裂纹、粘接界面等接触类结构损伤进行检测方法研究，并没有涉及到接触界面状态评估的研究。曾宪超等在《基于微观模型分析的承压粗糙界面接触状态超声评价方法》中利用超声波非线性系数等特征参数表征界面接触状态。郭霞生等在《固体界面接触强度的双频超声研究》中采用一种双频超声方法，利用多个非线性参量来联合获取界面的接触强度。但是以上的方法都是基于体波方法对结构进行检测，无法对难以接触的区域进行在线检测。
目前，利用非线性超声纵向导波对管结构，特别是导体套管这种固固接触类界面变化的检测，还鲜有报道。基于非线性超声导波技术对接触类结构损伤的高敏感性和可以实现长距离、大范围的检测等优点，本专利发展一种用于导体套管接触状态变化检测的方法。利用不同接触压力下，高次谐波幅值上的变化进行套管接触状态检测及安全性评估。
技术实现要素：
本发明旨在提出一种非线性超声导波的方法对导体套管接触状态变化进行检测与评价。该方法采用一激一收检测模式，即两个不同角度的斜探头，一个作为激励传感器，一个作为接收传感器，为了有利于接收接触界面变化导致的非线性参数改变的超声信号，激励传感器在后，接收传感器在前，激励模态为纵向对称l(0,2)模态。将接收到的信号进行fft分析，提取信号二次谐波、三次谐波幅值，求取不同状态下的高次谐波幅值。
铝合金导体套管接触状态发生变化时，套管接触面之间的压力值会发生变化。在外力的作用下，接触面之间会产生开合运动，使接触面之间的间隙发生变化。大量理论分析和试验研究表明，超声波在非完好接触界面处传播时呈现很强的非线性效应，因此可以利用超声波在非完好界面处传播的非线性效应对界面接触特性进行评价。声波在其中传播时质点振动不再满足线弹性关系。单一频率大振幅超声波在存在非完好界面处的固体介质中传播时，与固体介质间产生非线性相互作用会影响二次谐波、三次谐波等高次谐波的产生效率等现象。可以利用二次谐波、三次谐波等高次谐波的幅值，来表征套管直接接触压力的变化。
为实现上述技术方案的分析，本方法采用的试验装置参见图1，该系统包括计算机(1)、非线性声学测量系统(2)、信号选择器(3)、数字示波器(4)、50ω负载阻抗匹配(5)、可调衰减器(6)、超声波激励探头(7)、超声波接收探头(8)、待测试件铝管(9)、铜套管(10)；计算机(1)与非线性声学测量系统(2)之间通过信号线相连，采用计算机(1)中的软件设定各种参数控制非线性声学测量系统硬件激励和接收超声波信号、并对信号进行处理；非线性声学测量系统(2)的高能脉冲信号输出端通过50ω负载(5)、可调衰减器(6)，然后与超声波激励探头(7)相连；超声波接收探头(8)接收端面反射回来的超声波信号，一路超声波信号直接送入非线性声学测量系统通道1，通过非线性声学测量系统(2)的射频信号监控端与信号选择器(3)相连，将接收信号送入数字示波器(4)。另一路超声信号经过非线性声学测量系统输出1输出，经过阻抗匹配(5)，衰减器(6)进行信号衰减，选择出一定频率的信号，经过激励传感器(7)和待测试件铝管(9)，通过接收传感器(8)接收；各个铜套管(10)设置在待测试件铝管(9)中。
本方法提出的基于一种非线性超声导波技术对导体套管接触状态检测方法通过以下步骤实现：
s1按着试验系统装置图1连接试验设备，将超声波激励探头(7)布置在距离左端端面480mm处，超声波接收传感器(8)布置在距离激励传感器左侧150mm处。
s2激励信号参数设置：包括载波信号幅度、宽度，门控放大器放大等级，调制激励信号类型、频率、幅值、相位、直流偏置等，通过计算机(1)中的软件控制snap硬件系统将激励信号送入超声波激励探头(7)。
s3根据snap系统测出激励与接收探头的频率响应特性，根据激励探头与接收探头的频率响应特性在幅值衰减小于-3db的频率范围内并且根据待测试件铝管(9)的激励角度和群速度频散曲线，确定激励探头和接收探头角度。最后在声学非线性系统snap系统hanning模式下激励的单一纵向对称l(0,2)模态超声导波信号。
s4从示波器中截取端面反射信号，根据快速傅里叶变换得到的二次谐波、三次谐波幅值。
s5重复步骤s1)～步骤s4，对不同接触状态的待测试件铝管(9进行检测，将信号快速傅里叶变换之后，求取不同状态下的高次谐波幅值。
附图说明
图1系统框图；
图2.1激励探头的频响曲线图；
图2.2接收探头的频响曲线图；
图3.1套管完全分离时的频域图；
图3.2套管接触状态1时的频域图；
图3.3套管接触状态2时的频域图；
图3.4套管接触状态3时的频域图；
图3.5套管接触状态4时的频域图；
图3.6套管接触状态良好时的频域图；
图4.1不同接触状态下的信号幅值图；
图4.2不同接触状态下的速度图；
图5.1不同接触状态下的二次谐波幅值图；
图5.2不同接触状态下的三次谐波幅值图
图6为铝合金管与铜套管之间接触状态评价的非线性超声导波检测方法实施流程图。
图中：1、计算机，2、非线性声学测量系统，3、信号选择器，4、数字示波器，5、50ω负载阻抗匹配，6、可调衰减器，7、超声波激励探头，8、超声波接收探头，9、导体铝管，10、铜套管。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
本方法提出的基于一种非线性超声导波技术对导体套管接触状态检测方法通过以下步骤实现：
s1按着试验系统装置图1连接试验设备，将超声波激励探头(7)布置在距离左端端面480mm处，超声波接收传感器(8)布置在距离激励传感器左侧150mm出。
s2激励信号参数设置：包括载波信号幅度、宽度，门控放大器放大等级，调制信号类型、频率、幅值、相位、直流偏置等，通过计算机软件控制snap硬件系统将激励信号送入超声波激励探头(7)。
s3根据snap系统测出激励与接收探头的频率响应特性，根据激励与接收探头的频率响应特性在幅值衰减小于-3db的频率范围内并且根据铝管的激励角度和群速度频散曲线，确定激励探头和接收探头角度。最后在声学非线性系统snap系统hanning模式下激励的单一纵向对称l(0,2)模态超声导波信号。
s4从示波器中截取端面反射信号，根据快速傅里叶变换得到的二次谐波、三次谐波幅值。
重复上述s1～s4，对不同接触状态的试件进行检测，将信号快速傅里叶变换之后，求取不同状态下的高次谐波幅值。
本实施例实施过程包括以下步骤：
本实验所检测对象为铝管和铜管(如图1所示)，其中铝管为长度1000mm、直径120mm、厚度为8毫米。铜管为紫铜板经过特殊加工制作而成，长度为200mm、直径为122mm、厚度为1mm，加固在铝管的左端面。为了实现套管不同接触状态设置，这里分为六种接触状态：①完全脱离状态、连接状态1、2、3、4、接触状态良好。套管之间的接触压力通过螺栓控制，每次状态之间接触压力相差0.5mpa，接触压强从完全脱离的0mpa一直加载到2.5mpa，实现套管紧固。
1)将激励探头放在铝管的左端面480mm处，接收激励探头放在距端面330mm处，套管接触长度为100mm(如图1所示)。
2)测量激励与接收探头的频率响应特性(如图2.1和图2.2所示)。在snap系统hanning模式下激励频率为0.5mhz，为了充分接收二次谐波，接收探头为1mhz，激励探头的楔块角度为65°，接收探头角度为68°，激励纵向对称l(0,2)模态。
3)从示波器中截取端面反射信号，将其进行快速傅里叶变换提取二次谐波、三次谐波幅值。
4)根据提取各个谐波幅值，求取高次谐波幅值图与铝合金管与铜套管直接接触压强的变化图。
重复上述步骤1)～步骤3)，求取不同状态高次谐波幅值。重复五次得到的结果对不同导体套管接触状态进行评价。如图5所示，随着套管接触力的增大，二次谐波幅值呈现递减趋势，三次谐波幅值也呈现递减的趋势。所以通过非线性超声导波的方法可以实现导体套管接触状态变化的检测。
图6为铝合金管与铜套管之间接触状态评价的非线性超声导波检测方法实施流程图。
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于导体套管接触状态检测，还可以用于闭合裂纹、脱粘等检测。