本發(fā)明涉及超聲導(dǎo)波測(cè)量與輸電設(shè)備結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是一種基于磁致式扭轉(zhuǎn)波的高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代社會(huì)中，凡有人群生活的地方，凡有生產(chǎn)、交通以及一切經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的場(chǎng)合，凡一切需要探索、開(kāi)發(fā)的所有活動(dòng)中，以及任何一項(xiàng)科技開(kāi)發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目的研制活動(dòng)中，都離不開(kāi)電力和電磁波的應(yīng)用。而電及電磁波的發(fā)生、傳輸及應(yīng)用都必須采用電線電纜作為連接、傳輸?shù)牟考蜃鳛橹鳈C(jī)的繞組材料。高壓電纜的大量使用伴隨而來(lái)的便是大量電纜故障的發(fā)生，電纜故障不僅影響工業(yè)與居民用電以及電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)火災(zāi)，造成環(huán)境污染及生命財(cái)產(chǎn)損失。由此可見(jiàn)，電纜結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)至關(guān)重要。

常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、射線檢測(cè)等。然而這些技術(shù)方法在實(shí)際應(yīng)用中存在需剝離外護(hù)套、逐點(diǎn)檢測(cè)等局限性，導(dǎo)致其檢測(cè)程序多、效率低，檢測(cè)成本偏高。當(dāng)前，研發(fā)一種簡(jiǎn)單高效、低成本、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)迫在眉睫。

超聲導(dǎo)波以其傳輸距離遠(yuǎn)、全截面覆蓋、檢測(cè)靈敏度高、安裝方便、耦合效率高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于管道、橋梁纜索、鋼軌等重要結(jié)構(gòu)的快速檢測(cè)中，是一種較為理想的電纜鋁護(hù)套檢測(cè)方法。然而目前我國(guó)對(duì)于高壓電纜鋁護(hù)套超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于磁致式扭轉(zhuǎn)波的高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)，以提高高壓電纜鋁護(hù)套缺陷檢測(cè)能力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：基于磁致式扭轉(zhuǎn)波的高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)，包括：

上位機(jī)、信號(hào)處理與控制模塊、功率放大模塊、換能器和前置放大模塊；所述的信號(hào)處理與控制模塊包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、回波信號(hào)處理單元和信號(hào)時(shí)序控制單元；

所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元與功率放大模塊相連，功率放大模塊與換能器相連，所述的上位機(jī)將工作參數(shù)傳輸給激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵(lì)信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大模塊功率放大且經(jīng)信號(hào)時(shí)序控制單元時(shí)序調(diào)整后傳送到換能器中；

所述的換能器與前置放大模塊相連，前置放大模塊與回波信號(hào)處理單元相連，回波信號(hào)處理單元與上位機(jī)相連，在導(dǎo)波激勵(lì)過(guò)程中，換能器同時(shí)開(kāi)始接收導(dǎo)波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)前置放大模塊和回波信號(hào)處理單元后上傳到上位機(jī)。

使用換能器接收回波信號(hào)后，通過(guò)上位機(jī)對(duì)于檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行評(píng)估。

本發(fā)明的實(shí)施無(wú)需剝離電纜鋁護(hù)套，裝置簡(jiǎn)單，安裝方便，檢測(cè)效率較高。

進(jìn)一步地，所述的換能器采用磁致伸縮式換能器，該換能器中有兩路線圈，間隔為1/4導(dǎo)波波長(zhǎng)，通過(guò)控制激勵(lì)信號(hào)的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的方向控制。

上述高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟一：確定檢測(cè)模態(tài)、頻率及群速度，將鋁護(hù)套簡(jiǎn)化，視為波紋管，根據(jù)其材料和厚度參數(shù)，按頻散方程繪制出對(duì)應(yīng)的頻散曲線；

步驟二：設(shè)置工作參數(shù)，對(duì)導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出的秒沖進(jìn)行設(shè)置，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)，該導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功率放大模塊傳送到換能器；

步驟三：換能器中通入兩路經(jīng)過(guò)漢寧窗調(diào)制的5個(gè)周期的正弦電信號(hào)，該兩路正弦電信號(hào)的相位差為90°，使用換能器在靠近鋁護(hù)套端面激發(fā)扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波與鋁護(hù)套中的缺陷相互作用產(chǎn)生回波；在導(dǎo)波激勵(lì)過(guò)程中，換能器同時(shí)開(kāi)始接收導(dǎo)波信號(hào)，每個(gè)換能器接收到兩路導(dǎo)波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這兩路電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)時(shí)序控制單元時(shí)序控制后疊加在一起作為該換能器的接收信號(hào)；

通入兩路相位差為90°的電信號(hào)后，在鋁護(hù)套中激勵(lì)的兩路導(dǎo)波信號(hào)在傳播的正向相干疊加，反向相互抵消，從而起到方向控制的作用；

步驟四：換能器接收到的兩路回波信號(hào)在通過(guò)前置放大模塊、回波信號(hào)處理單元依次經(jīng)過(guò)放大、調(diào)理、濾波、a/d轉(zhuǎn)換步驟數(shù)字化，數(shù)字化的回波信號(hào)經(jīng)步驟二發(fā)送的導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)歸一化處理；再將歸一化后的回波信號(hào)傳輸至上位機(jī)。

進(jìn)一步地，步驟一中，檢測(cè)模態(tài)選用零階扭轉(zhuǎn)波模態(tài)，即t(0,1)模態(tài)，激勵(lì)頻率為20-250khz。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施無(wú)需剝離電纜外護(hù)套；僅激勵(lì)一次即可完成對(duì)導(dǎo)波覆蓋區(qū)域的完整檢測(cè)，快速高效；安裝簡(jiǎn)便，檢測(cè)效率較高；檢測(cè)精度較高，靈敏度最高可達(dá)1％橫截面損失，可靠靈敏度達(dá)3％。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并與背景技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例和背景技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。顯而易見(jiàn)地，下面描述中的本發(fā)明實(shí)施例附圖僅僅是一部分實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出了本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成圖；

圖2示出了厚度2.8mm的鋁護(hù)套的導(dǎo)波相速度頻散曲線；

圖3示出了厚度2.8mm的鋁護(hù)套的導(dǎo)波群速度頻散曲線；

圖4示出了高壓電纜鋁護(hù)套簡(jiǎn)化示意圖；

圖5示出了高壓電纜鋁護(hù)裂紋實(shí)驗(yàn)示意圖；

圖6示出了高壓電纜鋁護(hù)套3％裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的本發(fā)明實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見(jiàn)圖1，示出了基于磁致式扭轉(zhuǎn)波的高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖。

在本實(shí)施例中，高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)包括上位機(jī)、導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、回波信號(hào)處理單元、信號(hào)時(shí)序控制單元、功率放大模塊、換能器和前置放大模塊；所述的導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、回波信號(hào)處理單元和信號(hào)時(shí)序控制單元組成信號(hào)處理與控制模塊。

所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元與功率放大模塊相連，功率放大模塊與換能器相連，所述的上位機(jī)將工作參數(shù)傳輸給激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵(lì)信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大模塊功率放大且經(jīng)信號(hào)時(shí)序控制單元時(shí)序調(diào)整后傳送到換能器中；

所述的換能器與前置放大模塊相連，前置放大模塊與回波信號(hào)處理單元相連，回波信號(hào)處理單元與上位機(jī)相連，在信號(hào)激勵(lì)過(guò)程中，換能器將接收到的信號(hào)通過(guò)前置放大模塊和回波信號(hào)處理單元后上傳到上位機(jī)。

所述的換能器采用磁致伸縮式換能器，該換能器中有兩路線圈，間隔為1/4導(dǎo)波波長(zhǎng)，通過(guò)控制激勵(lì)信號(hào)的延時(shí)，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的方向控制。

利用上述高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的步驟如下：

步驟一：確定檢測(cè)模態(tài)、頻率及群速度，將鋁護(hù)套簡(jiǎn)化，視為波紋管，根據(jù)其材料和厚度參數(shù)，按頻散方程繪制出對(duì)應(yīng)的頻散曲線。

步驟二：設(shè)置工作參數(shù)，對(duì)導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出的秒沖進(jìn)行設(shè)置，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)，該導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功率放大模塊傳送到換能器。

步驟三：換能器中通入兩路經(jīng)過(guò)漢寧窗調(diào)制的5個(gè)周期的正弦電信號(hào)，該兩路正弦電信號(hào)的相位差為90°，使用換能器在靠近鋁護(hù)套端面激發(fā)扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波與鋁護(hù)套中的缺陷相互作用產(chǎn)生回波；在導(dǎo)波激勵(lì)過(guò)程中，換能器同時(shí)開(kāi)始接收導(dǎo)波信號(hào)，每個(gè)換能器接收到兩路導(dǎo)波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這兩路電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)時(shí)序控制單元時(shí)序控制后疊加在一起作為該換能器的接收信號(hào)；通入兩路相位差為90°的電信號(hào)后，在鋁護(hù)套中激勵(lì)的兩路導(dǎo)波信號(hào)在傳播的正向相干疊加，反向相互抵消，從而起到方向控制的作用。

步驟四：換能器接收到的兩路回波信號(hào)在通過(guò)前置放大模塊、回波信號(hào)處理單元依次經(jīng)過(guò)放大、調(diào)理、濾波、a/d轉(zhuǎn)換步驟數(shù)字化，數(shù)字化的回波信號(hào)經(jīng)步驟二發(fā)送的導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)歸一化處理；再將歸一化后的回波信號(hào)傳輸至上位機(jī)。

在上位機(jī)中輸入工作參數(shù)，上位機(jī)通過(guò)usb將參數(shù)傳輸給導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元依據(jù)工作參數(shù)選擇信號(hào)規(guī)定的頻率，產(chǎn)生導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)。

進(jìn)一步，參見(jiàn)圖2示出了厚度2.8mm的鋁護(hù)套的導(dǎo)波相速度頻散曲線，圖3示出了厚度2.8mm的鋁護(hù)套的導(dǎo)波群速度頻散曲線。

從圖中可以看出，在0-1000khz范圍內(nèi)，0-2階縱波模態(tài)都存在較為明顯的頻散現(xiàn)象，300khz以下l(0,2)頻散特性較小，l(0,1)在300khz以上頻段具有較好的頻散特性，但是在激勵(lì)過(guò)程中，無(wú)論選擇那個(gè)頻率點(diǎn)，這兩種模態(tài)總是被同時(shí)激勵(lì)出來(lái)。t(0,1)模態(tài)不頻散，t(0,2)模態(tài)的截止頻率在600khz左右，因此，在600khz以下的頻率點(diǎn)激勵(lì)扭轉(zhuǎn)波可激勵(lì)出純凈的非頻散的t(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)。此外，超聲導(dǎo)波在傳播過(guò)程中，低頻導(dǎo)波衰減慢但是檢測(cè)靈敏度低，高頻導(dǎo)波衰減快但檢測(cè)靈敏度高。實(shí)際選擇檢測(cè)頻率點(diǎn)應(yīng)考慮激勵(lì)模態(tài)、衰減率、檢測(cè)靈敏度等多方面因素。故本發(fā)明采用t(0,1)模態(tài)。

進(jìn)一步，參見(jiàn)圖4示出了高壓電纜鋁護(hù)套簡(jiǎn)化示意圖。

在本實(shí)施例中，鋁護(hù)套厚度為2.8mm，波谷內(nèi)徑為125mm，波峰外徑為145mm，軋紋深度為7.2mm，軋紋節(jié)距為30mm。建立的三維模型材料定義為鋁，密度為2700kg/m³，楊氏模量為70gpa，泊松比為0.28，模型軸向長(zhǎng)度為1.5m。

進(jìn)一步，參見(jiàn)圖5示出了高壓電纜鋁護(hù)套裂紋實(shí)驗(yàn)示意圖。

在本實(shí)施例中，對(duì)于被檢測(cè)的鋁護(hù)套，換能器安裝在鋁護(hù)套的一端。試驗(yàn)中在鋁護(hù)套上激勵(lì)單一模態(tài)，根據(jù)頻散曲線結(jié)論，選擇導(dǎo)波激勵(lì)頻率為32khz，激勵(lì)模態(tài)為t(0,1)，周期數(shù)為1，增益為1db。設(shè)定波速為2600m/s，檢測(cè)方式為脈沖回波。在距離換能器1.1m處人工設(shè)置裂紋缺陷，缺陷所占的截面百分比為3％。

進(jìn)一步，參見(jiàn)圖6示出了高壓電纜鋁護(hù)套3％裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)。

在本實(shí)施例中，對(duì)于截面損失3％的缺陷，可以清楚地觀察到缺陷回波和端面回波，檢測(cè)信號(hào)信噪比高。

本發(fā)明的方法實(shí)施無(wú)需剝離電纜外護(hù)套，安裝便捷；本發(fā)明僅激勵(lì)一次即可完成對(duì)導(dǎo)波覆蓋區(qū)域的完整檢測(cè)，快速高效；本發(fā)明裝置檢測(cè)精度較高，靈敏度最高可達(dá)1％橫截面損失，可靠靈敏度達(dá)3％；符合實(shí)際檢測(cè)工作需求。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。