環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法
【專利摘要】本發明涉及環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法：檢測在待測絕緣材料中的超聲波速度；對待測絕緣件發射超聲波脈沖，并且檢測反射波，將反射波轉換為時間?電壓信號，記錄氣孔缺陷上、下表面反射波的混疊信號；對混疊信號進行小波變換。本發明的方法，通過氣孔缺陷上、下表面的超聲反射波分別進行小波變換，求解出小波系數極大值。根據不同階數小波變換結果，確定出上、下表面超聲波反射信號的對應分解階數，進而在相應階數小波系數極大值求解結果中找到小波系數極大值對應位置。
【專利說明】
環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法
技術領域
[0001]本發明涉及高壓開關設備用環氧澆注絕緣件氣孔缺陷的超聲波檢測方法。
【背景技術】
[0002]環氧澆注絕緣件是高壓開關設備的關鍵零部件之一，起到絕緣、支撐、分割氣室等重要作用，其性能將直接決定高壓開關設備的絕緣性能及運行可靠性。對于環氧澆注絕緣件質量檢測，目前常用的手段是X射線實時成像檢測技術。該方法雖然具有效率高、速度快、長期使用成本低、便于圖像處理及容易存儲的優點，但射線對人體有輻射危害，需要在專用的防護房內進行檢測，不利于現場、在線條件下開展。同時，X射線實時成像設備的一次性投入較大，對于絕緣件的特定部位如金屬嵌件與澆注樹脂界面處的氣孔缺陷，由于透照方向的限制存在檢測盲區。因此，尋找一種對人體無害、操作靈活、檢測靈敏度高的無損檢測方法對于進一步提升環氧澆注絕緣件的質量具有重要意義。
[0003]對于絕緣產品的質量檢測，目前比較常見的手段是射線檢測技術。從上世紀60年代開始，超聲檢測作為無損檢測技術的一種方式，獲得了快速發展。然而，這種檢測技術的應用主要集中于金屬和混凝土材料，因為這兩種材料具有很好的聲傳播特性。與常規金屬材料相比，環氧澆注絕緣件的超聲衰減系數較大，給缺陷信號的提取造成很大困難。
[0004]現有的方法還包括時域檢測方法，如Auckland等在“Applicat1n of ultrasoundto the NDT of solid insulat1n”一文中，利用超聲波時域波形檢測出了厚度為20mm聚脂樹脂內部埋藏深度9mm直徑為0.3mm的氣孔缺陷和厚度為20mm聚乙稀內部埋藏深度5mm直徑為0.5mm的氣孔缺陷。西安交通大學的Yanpeng Hao等在“Ultrasonic nondestructivedetect1n for defects in epoxy/mica insulat1n”一文中，利用超聲波時域波形和超聲波衰減系數對6mm厚環氧/云母復合絕緣材料的老化狀態進行了檢測。高壓開關設備用環氧澆注絕緣件的厚度大多在60mm范圍內，且內部允許存在的氣孔缺陷尺寸小。當氣孔缺陷尺寸較小時，其上下表面的超聲波反射信號相互疊加，無法借助時域分析手段確定出上下表面超聲波反射信號的出現時間，也無法進行氣孔缺陷的定位、定量檢測。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種高壓開關設備用環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法，用于解決時域檢測方法對于上、下表面超聲波反射信號存在嚴重疊加效應導致特征參量提取和分析困難，不能夠檢測微小氣孔的問題。
[0006]為實現上述目的，本發明的方案包括:環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法，步驟如下:
[0007]檢測在待測絕緣材料中的超聲波速度；
[0008]對待測絕緣件發射超聲波脈沖，并且檢測反射波，將反射波轉換為時間-電壓信號，記錄氣孔缺陷上、下表面反射波的混疊信號；
[0009]對混疊信號進行小波變換，求解出小波系數極大值，根據不同階數小波變換結果，確定出上下表面超聲波反射信號的對應分解階數，進而在相應階數小波系數極大值求解結果中找到小波系數極大值對應位置;換算到時間軸上即可求出氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間；
[0010]根據氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間和前述步驟獲得的超聲波速度計算氣孔缺陷的位置和尺寸。
[0011 ]檢測在待測絕緣材料中的超聲波速度時，選擇與待測絕緣件相同材料的絕緣件進行檢測，或者選擇待測絕緣件的無缺陷位置進行檢測
[0012]本發明的方法，通過氣孔缺陷上、下表面的超聲反射波分別進行小波變換，求解出小波系數極大值。根據不同階數小波變換結果，確定出上、下表面超聲波反射信號的對應分解階數，進而在相應階數小波系數極大值求解結果中找到小波系數極大值對應位置。換算到時間軸上即可求出氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間，最終計算出氣孔缺陷的埋藏位置和尺寸。本發明的方法利用了小波分析將被測信號分解為不同尺度小波函數的疊加的特點，非常適合于分析非平穩信號，克服了時域檢測方法對于上、下表面超聲波反射信號存在嚴重疊加效應導致特征參量提取和分析困難的問題。利用小波分析方法確定環氧澆注絕緣件內部微小氣孔缺陷上下表面位置處超聲波反射信號的出現時間，進而可以實現氣孔缺陷的定位、定量檢測。
[0013]實驗表明，該方法對于埋藏深度在30mm范圍內，直徑0.5mm以上的氣孔缺陷和埋藏深度在30mm-60mm范圍內，直徑1.0mm以上的氣孔缺陷能夠進行準確的定位、定量檢測。借助該技術，對于厚度范圍在30mm以下的環氧澆注絕緣件，可以采用外表面一次性掃查檢測的方法檢測出直徑0.5mm以上氣孔缺陷。對于厚度在30mm-60mm范圍內的大厚度絕緣件，采用內、外表面二次掃查檢測的方法同樣可以達到檢測出直徑0.5_氣孔的靈敏度。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的一種檢測系統；
[0015]圖2是本發明的另一種檢測系統；
[0016]圖3是檢測流程圖；
[0017]圖4是超聲波速度檢測原理圖；
[0018]圖5是30mm厚度0.5mm直徑氣孔缺陷上下表面反射信號測試結果；
[0019]圖6是30mm厚度0.5mm直徑氣孔缺陷上下表面混疊反射信號小波變換結果；
[0020]圖7是30mm厚度0.5mm直徑氣孔缺陷上表面反射信號小波系數極大值求解結果；
[0021]圖8是30mm厚度0.5mm直徑氣孔缺陷下表面反射信號小波系數極大值求解結果；
[0022]圖9是60mm厚度1.0mm直徑氣孔缺陷上下表面反射信號測試結果；
[0023]圖10是60mm厚度1.0mm直徑氣孔缺陷上下表面混疊反射信號小波變換結果；
[0024]圖11是60mm厚度1.0mm直徑氣孔缺陷上表面反射信號小波系數極大值求解結果；
[0025]圖12是60mm厚度1.0mm直徑氣孔缺陷下表面反射信號小波系數極大值求解結果。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0027]如圖1所示為超聲波檢測系統的一種實施例，包括超聲波發射器、超聲波接收器、探頭、示波器和后臺計算機。超聲波發射器通過探頭向待測絕緣件發出超聲波、超聲波接收器接收反射波，通過示波器轉換為時間-電壓波形，通過后臺計算機進行分析和計算。探頭與待測絕緣件之間涂有耦合劑。
[0028]如圖2為超聲波檢測系統的另一種實施例，包括超聲波探傷儀、接頭、探頭、示波器和后臺計算機。超聲波探傷儀通過導線連接接頭，接頭連接探頭，同時接頭還連接示波器，示波器連接后臺計算機。探頭與待測絕緣件之間涂有耦合劑，探頭即發射超聲波也接收反射波。這種方式之間采用市場上購買的超聲波探傷儀，實現更為方便，也較為便攜。另外，還可以通過U盤等存儲設備將示波器的數據轉移到后臺計算機上進行分析。
[0029]需要說明的是，以上兩種超聲波檢測系統均為現有技術，與現有技術中用于金屬探傷的檢測系統是相同的。也就是說，本發明的檢測系統還可以采用現有技術中用于金屬探傷的其他形式的檢測系統。
[0030]下面對本發明的檢測方法進行具體說明。
[0031]本發明的檢測方法的特點，主要是不依賴超聲波衰減，適合環氧絕緣材料。
[0032]具體的，環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法，步驟如下:
[0033]首先，檢測在待測絕緣材料中的超聲波速度。可以選擇與待測絕緣件相同材料的絕緣件進行檢測，也可以選擇待測絕緣件的無缺陷位置進行檢測，以獲得在待測絕緣材料中的超聲波速度。
[0034]然后，在然后對待測絕緣件發出脈沖超聲波，并且檢測反射波，將反射波轉換為時間-電壓信號，找到波形的突變點，并且突變點對應的時間，波形突變點即對應著氣孔缺陷，根據突變點對應的時間和上一步驟獲得的超聲波速度計算氣孔缺陷的位置和尺寸。
[0035]所謂波形的突變點，即電壓發生突變的點，波形突變點即對應著氣孔位置。對待測絕緣件表面進行掃描，對于有一個氣孔缺陷的位置，其波形的第一個突變點即表示氣孔缺陷上表面，第二個突變點表示氣孔缺陷下表面，通過第一個時間確定氣孔缺陷的上表面位置，通過第二個時間確定氣孔缺陷的下表面位置，通過時間差確定氣孔缺陷上下表面間距離，即氣孔缺陷的尺寸。
[0036]為了對本發明的方法進行驗證，本發明搭建了檢測系統，檢測系統由便攜式超聲波探傷儀、數據連接線、三通連接器、超聲波探頭、耦合劑、環氧澆注絕緣件試塊、數字示波器、USB閃存盤、計算機組成。本專利中便攜式超聲波探傷儀選用的是美國GE公司生產的USMGo超聲波探傷儀，超聲波探頭的型號為2.5Z10N，環氧澆注絕緣件試塊為自制含氣孔缺陷標準試塊。第一和第二級臺階的高度分別為30mm和60mm，在臺階的上表面分別澆注有直徑5.0mm、4.0mm、3.0mm、2.0mm、l.0mm、0.5mm 6個氣孔，氣孔的深度分別與各自的直徑相等。數字示波器是美國泰克公司生產的TDS2012C數字示波器。利用數據連接線將便攜式超聲波探傷儀和三通連接器3之間實現電氣連接，三通連接器的一端通過數據連接線與超聲波探頭之間實現電氣連接，三通連接器的另一端通過數據連接線與數字示波器之間實現電氣連接，將耦合劑涂抹到環氧澆注絕緣件試塊的待檢測部位，利用超聲波探頭對環氧澆注絕緣件試塊上涂抹耦合劑的部位進行氣孔損傷檢測。采用脈沖反射式檢測方式進行氣孔缺陷檢測，超聲波探頭的發射信號和接收信號通過三通連接器傳送到數字示波器進行波形記錄。利用USB閃存盤將數字示波器記錄到的波形信號傳送到計算機中進行信號分析。
[0037]首先進行環氧澆注絕緣件超聲波聲速測量:利用USMGo超聲波探傷儀的高電壓、高能量激發方式對超聲波探頭進行激勵。在環氧澆注絕緣件試塊的30mm厚度無氣孔缺陷位置處，用數字示波器分別記錄下始發脈沖和試塊下底面超聲波反射信號，經USB閃存盤將波形數據傳輸到計算機上進行分析，結果見圖4所示。之后，在圖4中測量出始發脈沖和試塊下底面超聲波反射信號之間的時間間隔為19.36us，據此計算出絕緣件內部的聲速為(30 X 2X10-3)m/(19.36X10-6)s = 3099m/so
[0038]然后進行氣孔缺陷定位、定量檢測:記錄氣孔缺陷上、下表面反射波的混疊信號；對混疊信號進行小波變換，求解出小波系數極大值，根據不同階數小波變換結果，確定出上下表面超聲波反射信號的對應分解階數，進而在相應階數小波系數極大值求解結果中找到小波系數極大值對應位置;換算到時間軸上即可求出氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間；根據氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間和前述步驟獲得的超聲波速度計算氣孔缺陷的位置和尺寸。例如，對環氧澆注絕緣件試塊6上30mm深度即第一級臺階上分布的0.5mm直徑氣孔缺陷和60mm深度即第二級臺階上分布的1.0mm直徑氣孔缺陷分別進行檢測。
[0039]圖5所示為30mm厚度0.5mm直徑氣孔缺陷上下表面混疊信號測量結果，采集時間范圍為16-22US，相鄰數據點之間的時間間隔為0.004us。采用小波分析方法對圖5中的信號進行分析。
[0040]圖6所示為利用db6小波進行9級尺度分解的結果。觀察圖6發現，由分解波形的幅度、波形形狀和大致出現位置判斷，氣孔缺陷上表面反射信號的信息主要在第6階分解結果中體現，氣孔缺陷下表面反射信號的信息主要在第7階的分解結果中體現。
[0041]由圖7的計算結果可知，D6階小波系數極大值對應742點，即氣孔缺陷上表面反射信號與始發脈沖之間的時間間隔為16+742 X0.004 = 18.968us，據此計算出氣孔缺陷上表面對應位置為(18.968 X 10-6s X 3099m/s)/2 = 29.39mm，定位誤差0.37%。
[0042]由圖8的計算結果可知，D7階小波系數極大值對應839點，即氣孔缺陷下表面反射信號與始發脈沖之間的時間間隔為16+839 X 0.004 = 19.356us，據此計算出氣孔缺陷下表面對應位置為(19.356 X 10-6s X 3099m/s)/2 = 29.99mm。最終計算出氣孔尺寸為29.99-29.39 = 0.6mm，誤差 0.1mm。
[0043]圖9所示為60mm厚度1.0mm直徑氣孔缺陷上下表面混疊信號測量結果，采集時間范圍為35-43US，相鄰數據點之間的時間間隔為0.004us。采用小波分析方法對圖9中的波形信號進行分析。
[0044]圖10所示為利用db6小波進行9級尺度分解的結果。觀察圖10發現，氣孔缺陷上表面反射信號的信息主要在第7階分解結果中體現，氣孔缺陷下表面反射信號的信息主要在第8階分解結果中體現。
[0045]由圖11的計算結果可知，D7階小波系數極大值對應709點，即氣孔缺陷上表面反射信號與始發脈沖之間的時間間隔為35+709 X0.004 = 37.836us，據此計算出氣孔缺陷上表面對應位置為(37.836\10-68\3099111/8)/2 = 58.63臟，定位誤差0.63%。
[0046]由圖12的計算結果可知，D8階小波系數極大值對應904點，即氣孔缺陷下表面反射信號與始發脈沖之間的時間間隔為35+904 X 0.004 = 38.616us，據此計算出氣孔缺陷下表面對應位置為(38.616 X 10-6s X 3099m/s )/2 = 59.84mm。最終計算出氣孔尺寸為59.84-58.63 = 1.21mm，誤差0.21mm。
[0047]以上給出了本發明涉及的【具體實施方式】，但本發明不局限于所描述的實施方式。在本發明給出的思路下，采用對本領域技術人員而言容易想到的方式對上述實施例中的技術手段進行變換、替換、修改，并且起到的作用與本發明中的相應技術手段基本相同、實現的發明目的也基本相同，這樣形成的技術方案是對上述實施例進行微調形成的，這種技術方案仍落入本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法，其特征在于，步驟如下: 檢測在待測絕緣材料中的超聲波速度； 對待測絕緣件發射超聲波脈沖，并且檢測反射波，將反射波轉換為時間-電壓信號，記錄氣孔缺陷上、下表面反射波的混疊信號； 對混疊信號進行小波變換，求解出小波系數極大值，根據不同階數小波變換結果，確定出上下表面超聲波反射信號的對應分解階數，進而在相應階數小波系數極大值求解結果中找到小波系數極大值對應位置;換算到時間軸上即可求出氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間； 根據氣孔缺陷上、下表面超聲反射波的出現時間和前述步驟獲得的超聲波速度計算氣孔缺陷的位置和尺寸。2.根據權利要求1所述的環氧澆注絕緣件微小氣孔缺陷的超聲小波檢測方法，其特征在于，檢測在待測絕緣材料中的超聲波速度時，選擇與待測絕緣件相同材料的絕緣件進行檢測，或者選擇待測絕緣件的無缺陷位置進行檢測。
【文檔編號】G01N29/07GK105973992SQ201610395320
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】李繼承, 田 浩, 林生軍, 袁端鵬, 劉暢
【申請人】平高集團有限公司, 國家電網公司