[发明专利]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

说明书

技术领域

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。

发明内容

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，C_L、C_T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C_p与f的关系，再利用C_p和C_g的关系得到C_g与f的关系，C_g与f的关系即为群速度频散曲线；C_p和C_g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。