CN102841132B - 高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器 - Google Patents

Abstract

一种高压电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器，属于电磁声学传感器技术领域。外层磁致伸缩传感器用柔性印刷线圈和内层涡流传感器用柔性印刷线圈印刷于基板上，该柔性印刷线圈可卷曲成柱状紧贴于高压输电线表面以形成螺线管线圈，经连接器卡固后安装于被测输电线以进行缺陷检测，解除卡固状态后可从输电线表面拆除。该一体化传感器既可基于磁致伸缩效应，在输电线中激励出纵向模态超声导波，对输电线进行全结构缺陷检测，并实现对缺陷的轴向定位；也可基于涡流效应，利用多通道涡流传感器，检测输电线中缺陷引起的传感器检测线圈的复阻抗变化，实现对缺陷的周向定位；同时，基于涡流场的集肤效应，可确定出缺陷在输电线中的深度位置。

Description

高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器

技术领域：

高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器，属于电磁声学传感器技术领域。

背景技术：

通常情况下，高压输电线是由一层或多层单线围绕其中心线芯螺旋捻制而成，相邻层的捻制方向相反。依据材料不同，单线主要包括铝及铝合金线，中心线芯主要包括镀锌钢线和铝包钢线。高压输电线的健康状况直接影响电力网络的运行安全和经济效益。目前单一功能的传感器都只能对输电线钢芯或铝绞线缺陷进行检测，无法实现两种材料的同时检测。且由于传感器结构复杂和体积、质量较大等原因，在实际检测中存在安装不方便等局限性。因此，需要发展结构简洁，能实现输电线全结构陷检测，方便拆装的新型传感器。

发明内容：

本发明目的是实现柔性磁致伸缩传感器和涡流传感器的结构与功能的统一，利用一体化传感器对输电线内层钢芯和外层铝绞线进行缺陷检测，同时，该一体化传感器可方便安装在输电线结构表面并从其上拆除。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器，包括偏置磁路3、外层柔性印刷线圈4、内层柔性印刷线圈5、基板9和连接器6。外层柔性印刷线圈4、内层柔性印刷线圈5分别印刷于基板9的外侧和内侧；内层柔性印刷线圈5可卷曲紧贴于输电线外层铝绞线1表面，基板9的两端通过连接器6扣合卡固后安装于输电线外层铝绞线1上。外层柔性印刷线圈4用于磁致伸缩传感器，可实现对导线中缺陷的轴向定位；内层柔性印刷线圈5用于多通道涡流传感器，可实现导线缺陷的周向和深度定位。柔性印刷线圈具有薄、轻和柔性可卷曲等物理特性，同时，连接器6的设计使得一体化传感器便于安装和拆卸，由此，一体化传感器更适用于工程实际检测。

外层柔性印刷线圈4内的沿输电线长度方向设置有m组铜线，经连接器6卡固后，形成沿输电线的周向形成螺线管线圈，其中相邻两组线圈正反交替绕制，用于磁致伸缩传感器的感应线圈，m为小于等于16的整数；内层柔性印刷线圈5沿着输电线的长度方向设置有两列螺旋线形线圈，每一列螺旋线形线圈的个数均为n，经连接器6卡固后，每一列中的n个螺旋线形线圈沿输电线的周向均匀布置，且两列螺旋线形线圈在输电线上的周向方向上的位置相同。m表示外层柔性印刷线圈4中线圈组数，n表示内层柔性印刷线圈5沿宽度方向并排两列线圈中每列线圈的个数。

所述的内层柔性印刷线圈5中的螺旋线形线圈的缠绕方向相同，在每个螺旋线形线圈的起点和终点设置连接端口，共设置有4n个连接端口。

偏置磁路3包括条形轭铁、永磁体和鞍片等，放置于外层柔性印刷线圈4和内层柔性印刷线圈5两端，对输电线内层钢芯进行磁化，以形成闭合磁路。

安装于输电线后，通过设置内层柔性印刷线圈5中2n个螺旋线形线圈的4n个连接端口的连接方式，可形成多通道绝对式或差动式涡流传感器。

m为小于等于16的整数，n为大于2小于32的偶数。

本发明的工作原理如下：

工作于磁致伸缩传感器功能时，在导线中激励出纵向模态超声导波，对输电线进行全结构缺陷检测，实现对缺陷的轴向定位；工作于多通道涡流传感器功能时，对比圆周方向每个通道传感器阻抗变化，实现对缺陷的周向定位。同时，通过变频检测方法，调整涡流传感器检测深度，检测得出缺陷在输电线中的深度位置。该一体化传感器集合了磁致伸缩和涡流传感器的共同结构，可实现对输电线外层铝绞线和内层钢芯的全结构缺陷检测，对缺陷进行三维定位，同时其具有柔性可卷曲的物理性质，结构轻便，易于拆装，适用于高压输电线的实际工程检测。

本发明可以获得如下有益效果：

本发明采用以上技术方案，使得一体化传感器既可工作于磁致伸缩传感器，又可工作于多通道涡流传感器，并且结构轻便，易于拆装。利用此一体化传感器既可实现输电线内层钢芯和外层铝绞线的缺陷检测，又可对缺陷的三维位置进行确定。

附图说明：

图1一体化传感器整体安装示意图；

图2外层柔性印刷线圈4示意图；

图3内层柔性印刷线圈5示意图；

图4通道数为n的绝对式涡流传感器端口连线方式；

图5通道数为n的差动式涡流传感器端口连线方式；

图6一体化传感器接收的导波缺陷检测信号；

图7多通道涡流传感器不同通道接收的有缺陷处阻抗测量结果；

图8多通道涡流传感器不同通道接收的无缺陷处阻抗测量结果。

图中：1-输电线外层铝绞线，2-输电线内层钢芯，3-偏置磁路，4-外层柔性印刷线圈，5-内层柔性印刷线圈，6-连接器，7-BNC接头，8-铜线，9-基板。

具体实施方式：

高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器由偏置磁路3、外层柔性印刷线圈4(图2)、内层柔性印刷线圈5(图3)和连接器6等部分组成。被测对象为高压输电线，包括输电线外层铝绞线1和输电线内层钢芯2。柔性印刷线圈由铜线8和基板9等部分组成，柔性印刷线圈的连接部分包括连接器6和BNC接头7等。双层柔性印刷线圈长度大于被测输电线的周长，卷曲后通过连接器6卡固于输电线表面，安装示意图如图1所示。该柔性一体化传感器可适用于对不同结构和尺寸的钢芯铝绞线(如单层或多层钢芯铝绞线)的缺陷检测。

一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时，外层柔性印刷线圈4经连接器连接后，其包括的m组感应线圈中，相邻两组线圈采用正反交替方式绕制，可实现对其中心频率的控制，具体原理参照专利申请号201110303573.8公布的“钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器”中关于磁致伸缩传感器中心频率设计的相关内容。偏置磁路3提供静态偏置磁场以对输电线内层钢芯2进行磁化。外层柔性印刷线圈4中通入一定频率的交变电流，在输电线内层钢芯2中产生交变磁场。当静态偏置磁场和交变磁场都沿输电线轴向时，两磁场相互作用可在输电线内层钢芯中激励出纵向模态超声导波，沿输电线轴向传播。外层柔性印刷线圈4既可作为激励线圈，在输电线内层钢芯2中激励出纵向模态超声导波；也可作为接收线圈，接收输电线中非连续界面处(如缺陷，端面处等)产生的反射回波，以电压信号输出至采集电路。通过对损伤位置反射回波信号的分析，依据时域波形中缺陷回波的时间T，纵向模态导波信号在输电线中的传播波速V，由公式S＝(V·T)/2，计算可得缺陷与传感器的距离S，进而实现输电线中缺陷的轴向定位。图6为柔性一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时，激励纵向模态超声导波后传感器接收的回波信号，其中包括缺陷回波和端面回波信号。

在对缺陷进行轴向定位后，将多通道涡流传感器移动至缺陷所在的轴向位置处，对其进行周向和深度检测。多通道涡流传感器包括绝对式和差动式两种传感器形式。绝对式n通道涡流传感器激励接收端口连线方式如图4所示，p表示内层柔性印刷线圈5并排两列线圈中其中一列线圈个数，q表示内层柔性印刷线圈5并排两列线圈中另一列线圈个数。内层柔性印刷线圈5宽度方向，处于同一排的两个螺旋线形线圈，一个线圈输出端口2p与另一个线圈的输入端口2q-1(p＝q＝n)相连接。差动式n通道涡流传感器激励接收端口连线方式如图5所示，沿内层柔性印刷线圈5宽度方向，处于同一排的两个螺旋线形线圈，一个线圈输出端口2p与另一个线圈的输出端口2q(p＝q＝n)相连接。多通道涡流传感器中的每个通道可平均对应圆周方向一定范围的外围铝绞线，当在内层柔性印刷线圈5中通入一定频率的交变电流，由于电磁感应在输电线中产生涡流场。缺陷会导致输电线的电导率和几何尺寸等发生变化，引起涡流场的畸变，进而导致涡流传感器中覆盖缺陷所在周向区域的通道线圈的阻抗发生变化，而其他通道线圈阻抗不变化。由此，通过比对多通道涡流传感器检测线圈的阻抗测量结果，可对缺陷的周向位置进行确定。图7为柔性一体化传感器工作于多通道涡流传感器时不同通道接收的有缺陷处与健康导线阻抗测量结果对比；图8为多通道涡流传感器不同通道接收的无缺陷处与健康导线阻抗测量结果对比。

在对输电线中缺陷进行轴向和周向定位基础上，继续利用多通道涡流传感器对缺陷进行深度定位。涡流检测中标准透入深度δ指涡流密度衰减至表面值1/e时涡流透入导体的深度。即：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}}$

式中f—交变电流频率，单位Hz；

μ—材料磁导率，单位H/m；

σ—材料电导率，单位S/m。

由上述公式可知，选择不同检测频率时，涡流传感器的检测深度不同。利用多通道涡流传感器，选择缺陷所对应的单通道线圈，实施变频检测，调整线圈的检测深度，依据不同频率条件下对缺陷的检测信号，判定缺陷的深度位置。

通过柔性一体化传感器的磁致伸缩和涡流传感器的功能结合，既可实现对高压输电线的全结构，即外层铝绞线和内层钢芯的缺陷检测，又可实现对输电线中缺陷的轴向，周向和深度的定位，即实现对缺陷的三维定位。

Claims (2)

1.高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器，其特征在于：包括偏置磁路(3)、外层柔性印刷线圈(4)、内层柔性印刷线圈(5)、基板(9)和连接器(6)；外层柔性印刷线圈(4)、内层柔性印刷线圈(5)分别印刷于基板(9)的外侧和内侧；内层柔性印刷线圈(5)可卷曲紧贴于输电线外层铝绞线(1)表面，基板(9)的两端通过连接器(6)扣合卡固后安装于输电线外层铝绞线(1)上；

外层柔性印刷线圈(4)内的沿输电线长度方向设置有m组铜线，经连接器(6)卡固后，形成沿输电线的周向形成螺线管线圈，其中相邻两组线圈正反交替绕制，用于磁致伸缩传感器的感应线圈；内层柔性印刷线圈(5)沿输电线的长度方向设置有两列螺旋线形线圈，每一列螺旋线形线圈的个数均为n，经连接器(6)卡固后，每一列中的n个螺旋线形线圈沿输电线的周向均匀布置，且两列螺旋线形线圈在输电线上的周向方向上的位置相同；m表示外层柔性印刷线圈(4)中线圈组数，n表示内层柔性印刷线圈(5)沿宽度方向并排两列线圈中每列线圈的个数；

所述的内层柔性印刷线圈(5)中的螺旋线形线圈的缠绕方向相同，在每个螺旋线形线圈的起点和终点设置连接端口，共设置有4n个连接端口；

偏置磁路(3)包括条形轭铁、永磁体和鞍片，放置于外层柔性印刷线圈(4)和内层柔性印刷线圈(5)两端，对输电线内层钢芯进行磁化，以形成闭合磁路。

2.根据权利要求1所述的高压输电线缺陷检测用柔性磁致伸缩和涡流一体化传感器，其特征在于：m为小于等于16的整数，n为大于2小于32的偶数。