CN104034799A - 支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括探头前方不使用楔块或只采用很薄的保护膜，使得超声波相控阵纵波检测在工件内部真正实现近180°范围内的扫查，压电晶片直接作用于被检工件内部产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现被检工件表面及近表面的大角度扫查目的。特别是在一定的范围内，是检测支柱绝缘子表面及近表面缺陷灵敏度很高的方法，取得了理想的效果。

Description

支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法

技术领域

本发明涉及一种瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，属于超声波相控阵检测领域，可以实现对电网高压支柱瓷绝缘子（以下简称“瓷瓶”）表面及近表面缺陷超声波相控阵检测。

背景技术

国家电力行业推荐的“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波检测方法为爬波检测法。

爬波系是折射角为接近90°的压缩纵波，其引起的质点振动是纵波和横波的叠加，声束中包含有横波的成分，速度变化范围为0.8-0.95C（C为纵波声速）。爬波是当第一介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时，在第二介质中产生的。这时第二介质中除了表面下纵波外，还存在折射横波。这种表面下纵波不是纯粹的纵波，还存在有垂直方向的位移分量。爬波检测表面粗糙的工件的表面及近表面缺陷，其灵敏度和分辨力均比表面波高。目前为止解决“瓷瓶”被检区域表面有粘沙、水泥和铸铁法兰等覆盖物的特定条件下超声波检测唯有此法。

爬波检测法是建立在纵波倾斜入射，利用探头前方声楔块产生波型转换而获得。本发明是利用超声相控阵检测技术，利用纵波直接入射到工件中，对表面及近表面缺陷进行检测。超声波相控阵探头是多个压电晶片的集成，各个晶片按一定的规律分布排列，逐次按预先确定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制超声波束（波阵面）的形状和偏转，可以实现超声波的波束偏转和聚焦。为确定缺陷的位置、形状、大小和方向提供出传统的超声波检测更多信息。我们通过采用本发明的检测方法，对“瓷瓶”表面及近表面缺陷进行检测，取得了良好的检测效果。经过实验，可有效检出探头入射点前50mm范围内深度为3mm的表面模拟裂纹缺陷，缺陷波的可辨识性由于爬波检测。

爬波检测存在一定的局限性。爬波在传播过程中连续发生由纵波向横波的波型转换，导致在传播过程中波幅衰减也相当严重，其衰减规律大致与声程的四次方成反比，使得检测范围受到很大限制。在目前大多数实际应用中，都采用双晶探头对焦点附近的缺陷进行检测。通过多年来的实验证实存在以下不足：

a.缺陷反射波不单一，多为一束波，缺陷波与杂波很难区分。结合图1，从图2可以看出，当声程为34.84mm时，杂波与缺陷反射波反射当量之比已接近50%；

b.探伤系统始波范围大，实际检测中，探头前20mm范围内基本无法发现缺陷或根本无法区分始波与缺陷波；

c.爬波探头能量损耗很快，有效检测范围较小。

实际工件检测中，杂波反射更为强烈。基于上述种种原因，实际应用中基层检测人员对爬波检测法难以掌握，检测难以开展。

发明内容

本发明的目的是，充分利用超声波相控阵的声束偏转和聚焦特性，摒弃传统的相控阵探头前方加装楔块，纵波检测只扫查工件内部较小的角度限定范围，对表面和近表面缺陷无法检测的理念；进而研发一种更为合理的、操作性强的检测方法，克服表面波检测法对工件表面粗糙度要求高，以及爬波检测法波形不单一、衰减极快和杂波波幅过高的缺点，改善“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测现状；并通过试验研究，解决类似条件的其它工件的表面及近表面缺陷的检测问题。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括，探头前方不使用楔块，将压电晶片直接作用于被检工件表面产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现对被检工件表面全角度（接近180°范围）的扫查。

优选的，在探头前方只安装一层较薄的保护膜。

压电晶片的数量选择20-32个。

探头选择5MHz，9×0.5mm，32晶片探头，纵波波长为：1.27mm，半波长：0.635mm。

由于压电晶片与工件直接接触，产生的纵波只在第一介质(工件)中传播，主声束不发生波型转换。换能器中的单个晶片的宽度（0.5mm）都远小于自身长度(9mm)，每一个晶片在较小的声程范围内，可以简化近似地被理解为发射单一柱面波的波源。通过调整仪器控制单个晶片的激励延时，使单个晶片产生的柱面波在换能器前方接近水平方向一定范围内，按一定步长逐点合成聚焦。当传播过程中遇到反射体时，反射体又成为新的波源，探头接收后在仪器界面形成缺陷显示。

在超声波相控阵无楔块、纵波扇形扫描模式下，扫描角度控制在60-80°范围进行扇形扫描。通过对探头前方50mm范围内，深度为3mm模拟裂纹（国网公司执行标准扫查灵敏度为深度5mm，长度30mm）缺陷进行检测，获得的缺陷波型单一，无非相干反射波信号，完全满足“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测要求。

超声波检测中，声束的发射和接收是通过探头来实现的。因此探头参数的选择尤为重要。当探头的参数选择不合适时，探头的声场分布除了主瓣外还会出现栅瓣和较高的旁瓣，栅瓣是产生伪像的主要原因之一，而旁瓣的出现一方面降低了主瓣的能量，降低了系统的对比度分辨力，另一方面也可能造成伪像。目前，超声波相控阵探头晶片多为均匀线阵排列。均匀线阵的主要参数包括：探头频率（f）、探头阵元数（N）和阵元间距（d）。

1.相控阵探头频率

探头频率的主要选择依据是被检工件的声学特性和检测要求。一般频率越高检测分辨力越高，但由于衰减的原因使得有效检测范围变小。动态聚焦是超声波相控阵检测的优越性之一，聚焦焦点的动态孔径决定着检测系统的分辨力。设阵元间距为d，阵列探头的孔径为D(D=nd)，晶片数为N，在焦距F处动态孔径宽度 :

从上式可以看出，声束宽度与波长成正比，而与晶片数量N和晶片间距成反比。同种材料声速一定的情况下，频率越高，λ越小，动态孔径越小，分辨力越高；但随着频率的增大，声能的衰减增大。因此在频率的选择时应综合考虑上述因素。通过试验,常用的5MHz、2.5MHz和2MHz探头均符合在探头前方30mm内发现缺陷的要求。

2.晶片数量和阵元间距

在相控阵探头激发频率一定的情况下，声束主瓣宽度与晶片数量和阵元间距有如下近似关系：（为声束偏转角度）

主瓣的宽度与波长成正比，而与晶片数量N和阵元间距d成反比。在N和d确定的情况下，声束偏转角度与声束的宽度成正比，越大主瓣的宽度越大。虽然理论上偏转角度变化范围可达到≤≤，但在目前的实际应用中仅取到≤≤（其中也有探头前方楔块限制的因素）。我们正是突破了这个理念，采用偏转角度接近极限值时，声束宽度大的特性，进行“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测。

在实际检测中既要考虑声束的宽度以满足扫查到缺陷，也要顾及到声束中扫查到缺陷的部分有较高的能量。通过试验测得在偏转角度为68°时，声束对表面3-5mm的模拟裂纹缺陷发射当量达到极大值。

超声波声束中除了声能占绝大多数的主瓣之外，还有副瓣。如果不采取一定的措施对其加以控制，副瓣的存在将会降低检测系统的分辨力。相控阵探头声场中第n个副瓣的宽度有如下近似关系：

n=±1,2…

由上式可见，要限制副瓣的大小，晶片的数量N不能过大。通过试验，晶片数量过多不但对提高相控阵探头的分辨力作用不大，反而会使副瓣过大导致探头分辨力下降。有关研究表明，晶片数量过多，不但对提高探头分辨力的作用不大，反而会使副瓣过大导致分辨力下降，一般选择20-30之间，从当前市场通用性考虑选择晶片数量为32个。下面的试验验证了这个结论。

1号探头：晶片数量32，阵元间距：0.5mm,晶片宽度：9mm；

2号探头：晶片数量64，阵元间距：1.0mm,晶片宽度：10mm；

将探头放置在“瓷瓶”检测JYZ-BX试块上，首先将入射角度设置为0°，使一次底波显示在显示屏上，逐渐增大声束偏转角度。1号探头在达到仪器最大偏转角度89°时，未产生伪像信号；2号探头在偏转角度调整至40°时即产生了伪像信号。可以看出，晶片数量和阵元间距的影响是明显的。

在探头频率和阵元间距一定的情况下，阵元数增加可增加主瓣幅值，抑制旁瓣，主瓣宽度也同时得到抑制，因此增加阵元数有利于提高相控阵超声波探头品质。但是通道数增加将会增加系统的复杂性，综合考虑，通常一般相控阵超声检测时，阵元数选择为16或32个。目前常用的超声波相控阵线阵探头按晶片数目分主要有8、16、32和64四种，依据上述原因以、绝缘子的结构特性以及探头几何尺寸选择晶片数量32的探头进行检测。

在试验过程中，我们用1号探头对晶片激发数量对缺陷反射当量的影响进行了测试。在所有条件不变的情况下，减少晶片激发数量对同一模拟裂纹缺陷反射当量进行测定。设定激发32个晶片时缺陷反射波幅为80%，逐步减少激发晶片数量。随着探头激发镜片数量的减少，反射当量逐渐降低，在32-20时，变化较为平坦，当激发晶片数小于20时，变化较为明显。当激发晶片数为13时，反射当量降低为50%；当激发晶片数降低为8时，缺陷反射波几乎完全消失。因此说明激发能量（探头晶片数）对反射波当量的影响较大，在条件允许的情况下，应尽可能选择激发晶片数在20-32之间。

由于干涉作用，超声波声场中不仅存在主瓣和旁瓣，还存在栅瓣，栅瓣的存在也是产生伪像的原因之一。阵元间距决定了相控阵检测时最大偏转角度，由于不同材料中声速不同，同一探头检测时声速的最大许可偏转范围也是不同的，最大许可偏转范围需要根据实际工件进行确定。当阵元间距小于波长的一半时，声束可以在工件半平面扫查而不会出现栅瓣;当阵元间距大于波长时，即使声束不偏转也会出现栅瓣，当阵元间距介于半波长和波长之间时，在允许的偏转范围内，将不会出现栅瓣。

采用探头前方不使用楔块或只安装很薄的保护膜，使得超声波相控阵纵波检测真正做到近乎180°范围内的扫查，特别是在一定的范围内，对表面及近表面缺陷检测灵敏度极高的检测方法，取得了理想的效果。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是“瓷瓶”爬波检测示意图。

图2是“瓷瓶”爬波检测波形图。

图3是实施例所述“瓷瓶”检测区域示意图。

图4是实施例所述水平方向合成聚焦示意图。

图5是本发明检测方法检测波形图。

具体实施方式

本发明实施例所述的“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括，探头前方不使用楔块，将压电晶片直接作用于被检工件表面产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现对被检工件表面全角度（接近180°范围）的扫查。

优选的，在探头前方只安装一层较薄的保护膜。

压电晶片的数量选择20-32个。

探头选择5MHz，9×0.5mm，32晶片探头，纵波波长为：1.27mm，半波长：0.635mm。

电力行业“瓷瓶”检测的重要性是不言而喻的，国家电网公司以及全国各省电力公司都制定了相应的检测标准或导则。“瓷瓶”一般由铸铁法兰、水泥和瓷体胶装而成。据统计,国内断裂的瓷绝缘子有95%以上发生在法兰口内30mm到第一伞群之间（见图3）。外露在铸铁法兰外的瓷件表面缺陷肉眼可直接观察。因此，超声波重点检测区域为“瓷瓶”两端铸铁法兰内胶装部位30mm的范围。

由于压电晶片与工件直接接触，产生的纵波只在第一介质(工件)中传播，主声束不发生波型转换。换能器中的单个晶片的宽度（0.5mm）都远小于自身长度(9mm)，每一个晶片在较小的声程范围内，可以简化近似地被理解为发射单一柱面波的波源。通过调整仪器控制单个晶片的激励延时，使单个晶片产生的柱面波在换能器前方接近水平方向一定范围内，按一定步长逐点合成聚焦（见图4）。当传播过程中遇到反射体时，反射体又成为新的波源，探头接收后在仪器界面形成缺陷显示。

如图5所示，在超声波相控阵无楔块、纵波扇形扫描模式下，扫描角度控制在60-80°范围进行扇形扫描。通过对探头前方50mm范围内，深度为3mm模拟裂纹（国网公司执行标准扫查灵敏度为深度5mm，长度30mm）缺陷进行检测，获得的缺陷波型单一，无非相干反射波信号，完全满足瓷瓶表面及近表面缺陷的检测要求。

超声波检测中，声束的发射和接收是通过探头来实现的。因此探头参数的选择尤为重要。当探头的参数选择不合适时，探头的声场分布除了主瓣外还会出现栅瓣和较高的旁瓣，栅瓣是产生伪像的主要原因之一，而旁瓣的出现一方面降低了主瓣的能量，降低了系统的对比度分辨力，另一方面也可能造成伪像。目前，超声波相控阵探头晶片多为均匀线阵排列。均匀线阵的主要参数包括：探头频率（f）、探头阵元数（N）和阵元间距（d）。

1.相控阵探头频率

探头频率的主要选择依据是被检工件的声学特性和检测要求。一般频率越高检测分辨力越高，但由于衰减的原因使得有效检测范围变小。动态聚焦是超声波相控阵检测的优越性之一，聚焦焦点的动态孔径决定着检测系统的分辨力。设阵元间距为d，阵列探头的孔径为D(D=nd)，晶片数为N，在焦距F处动态孔径宽度:

从上式可以看出，声束宽度与波长成正比，而与晶片数量N和晶片间距成反比。同种材料声速一定的情况下，频率越高，λ越小，动态孔径越小，分辨力越高；但随着频率的增大，声能的衰减越大。因此在频率的选择时应综合考虑上述因素。通过试验,常用的5MHz、2.5MHz和2MHz探头均符合在探头前方30mm内发现缺陷的要求。

2.晶片数量和阵元间距

在相控阵探头激发频率一定的情况下，声束主瓣宽度与晶片数量和阵元间距有如下近似关系：（为声束偏转角度）

主瓣的宽度与波长成正比，而与晶片数量N和阵元间距d成反比。在N和d确定的情况下，声束偏转角度与声束的宽度成正比，越大主瓣的宽度越大。虽然理论上偏转角度变化范围可达到≤≤，但在目前的实际应用中仅取到≤≤（其中也有探头前方楔块限制的因素）。我们正是突破了这个理念，采用偏转角度接近极限值时，声束宽度大的特性，进行工件表面及近表面缺陷的检测。

在实际检测中既要考虑声束的宽度以满足扫查到缺陷，也要顾及到声束中扫查到缺陷的部分有较高的能量。通过试验测得在偏转角度为68°时，声束对表面3-5mm的模拟裂纹缺陷发射当量达到极大值。

超声波声束中除了声能占绝大多数的主瓣之外，还有副瓣。如果不采取一定的措施对其加以控制，副瓣的存在将会降低检测系统的分辨力。相控阵探头声场中第n个副瓣的宽度有如下近似关系：

n=±1,2…

由上式可见，要限制副瓣的大小，晶片的数量N不能过大。通过试验，晶片数量过多不但对提高相控阵探头的分辨力作用不大，反而会使副瓣过大导致探头分辨力下降。有关研究表明，晶片数量过多，不但对提高探头分辨力的作用不大，反而会使副瓣过大导致分辨力下降，一般选择20-30之间，从当前市场通用性考虑选择晶片数量为32个。下面的试验验证了这个结论。

1号探头：晶片数量32，阵元间距：0.5mm,晶片宽度：9mm；

2号探头：晶片数量64，阵元间距：1.0mm,晶片宽度：10mm；

将探头放置在瓷瓶检测JYZ-BX试块上，首先将入射角度设置为0°，使一次底波显示在显示屏上，逐渐增大声束偏转角度。1号探头在达到仪器最大偏转角度89°时，未产生伪像信号；2号探头在偏转角度调整至40°时即产生了伪像信号。可以看出，晶片数量和阵元间距的影响是明显的。

在探头频率和阵元间距一定的情况下，阵元数增加可增加主瓣幅值，抑制旁瓣，主瓣宽度也同时得到抑制，因此增加阵元数有利于提高相控阵超声波探头品质。但是通道数增加将会增加系统的复杂性，综合考虑，通常一般相控阵超声检测时，阵元数选择为16或32个。目前常用的超声波相控阵线阵探头按晶片数目分主要有8、16、32和64四种，依据上述原因以、绝缘子的结构特性以及探头几何尺寸选择晶片数量32的探头进行检测。

在试验过程中，我们用1号探头对晶片激发数量对缺陷反射当量的影响进行了测试。在所有条件不变的情况下，减少晶片激发数量对同一模拟裂纹缺陷反射当量进行测定。设定激发32个晶片时缺陷反射波幅为80%，逐步减少激发晶片数量。随着探头激发镜片数量的减少，反射当量逐渐降低，在32-20时，变化较为平坦，当激发晶片数小于20时，变化较为明显。当激发晶片数为13时，反射当量降低为50%；当激发晶片数降低为8时，缺陷反射波几乎完全消失。因此说明激发能量（探头晶片数）对反射波当量的影响较大，在条件允许的情况下，应尽可能选择激发晶片数在20-32之间。

由于干涉作用，超声波声场中不仅存在主瓣和旁瓣，还存在栅瓣，栅瓣的存在也是产生伪像的原因之一。阵元间距决定了相控阵检测时最大偏转角度，由于不同材料中声速不同，同一探头检测时声速的最大许可偏转范围也是不同的，最大许可偏转范围需要根据实际工件进行确定。当阵元间距小于波长的一半时，声束可以在工件半平面扫查而不会出现栅瓣;当阵元间距大于波长时，即使声束不偏转也会出现栅瓣，当阵元间距介于半波长和波长之间时，在允许的偏转范围内，将不会出现栅瓣。

采用探头前方不使用楔块或只安装很薄的保护膜，使得超声波相控阵纵波检测真正做到近乎180°范围内的扫查，特别是在一定的范围内，对“瓷瓶”表面及近表面缺陷检测灵敏度极高的检测方法，取得了理想的效果。

Claims (4)

1.支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括，探头前方不使用楔块，将压电晶片直接作用于被检工件表面产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现对被检工件表面及近表面大角度的扫查。

2.如权利要求1所述的支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，其特征在于，在探头前方只安装一层较薄的专用保护膜。

3.如权利要求1所述的瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，其特征在于，压电晶片的数量选择20-32个。

4.如权利要求1所述的瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，其特征在于，探头选择2-5MHz，9×0.5mm，32晶片探头。