CN104034806B - 基于压电换能器侧面加载f模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
基于压电换能器侧面加载F模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法，属于电力设施无损检测领域，本发明利用压电晶片和楔块组装成斜探头固定在拉线杆侧面，激发出F(1,1)模态导波对电力铁塔拉线杆缺陷进行检测，其方法步骤为：步骤一：确定F(1,1)模态的激励频率；步骤二：选择激发出F(1,1)模态的楔块角度；步骤三：斜探头固定在拉线杆侧面；步骤四：利用计算机、任意波形发生器、斜探头搭建检测装置；步骤五：调节检测参数，根据缺陷反射回波时间和F(1,1)模态的群速度可实现对缺陷进行定位。本发明的技术效果是：利用F(1,1)模态导波能够快速有效地探测出电力铁塔拉线杆中的缺陷，并对缺陷进行定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损检测领域中超声导波检测方法，具体涉及一种基于压电换能器侧面加载F模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法。
背景技术
电力铁塔是架设高压输电线的关键设施，为使电力铁塔稳固可靠，需要采用拉线杆对其进行加固。拉线杆实际是一种锚杆，其质量状况对电力铁塔的加固作用影响很大，需要采用有效的无损检测方法对其进行监测和评价。超声导波检测技术具有一处激发，大面积和大范围传播的优势，因此适合于长距离快速检测。
目前，国内外有不少研究者利用L模态对杆状构件进行超声导波检测，而利用F模态对杆状构件进行检测的研究还很少。北京工业大学利用压电传感器，在圆钢棒的侧面采用多个压电晶片阵列加载，激发出L模态导波对圆钢棒缺陷进行检测，虽然该方法能够检测出杆状构件缺陷，但需要采用多通道仪器同时对多个压电晶片进行控制，对检测设备的要求较高。而本发明仅需要计算机、任意波形发生器、一个压电换能器以及楔块就能够实现利用F模态导波对电力铁塔拉线杆缺陷进行检测，检测成本低，而且能够获得丰富的缺陷信息。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于压电换能器侧面加载F模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法，可实现对电力铁塔拉线杆缺陷进行快速有效地检测。
本发明是这样来实现的，基于压电换能器侧面加载F模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法，其特征在于方法步骤如下：
步骤一：根据拉线杆的几何尺寸及其材料参数计算出该构件中超声导波的相速度与群速度频散曲线，在50～150kHz频率范围内确定F(1,1)模态的激励频率；
步骤二：根据F(1,1)模态的相速度和楔块中纵波传播速度，选择相应角度的楔块，该楔块角度根据确定，C为楔块中纵波速度，CP为F(1,1)模态的相速度；
步骤三：将压电晶片和楔块组装成斜探头，为了使声能最大限度地进入拉线杆，压电晶片和楔块组装时在其接触面上涂一层耦合剂,把斜探头固定在拉线杆侧面；
步骤四：搭建检测装置，斜探头连接任意波形发生器，任意波形发生器连接计算机；
步骤五：调节检测参数，检测采用自发自收的方式，考虑到导波的频散特性，任意波形发生器所产生信号的中心频率应与斜探头频率一致，且信号周期数调节为8～15，斜探头在拉线杆中激发出F(1,1)模态的超声导波，若没有缺陷，则无任何缺陷反射回波存在，说明斜探头至前一段距离（≤10米）范围内拉线杆中无缺陷，检测结束，此时可向前移动斜探头继续对下一段拉线杆进行检测；若拉线杆中存在缺陷，则由探头接收缺陷反射回波，并在计算机屏幕上显示出来；通过缺陷反射回波到达探头的时间，将该时间乘以F(1,1)模态的群速度后再除以2，即可确定缺陷与斜探头之间的距离，从而对缺陷进行定位。
本发明的技术效果是：利用F(1,1)模态导波对电力铁塔拉线杆进行检测，能够快速有效地探测出拉线杆中是否存在缺陷，并对该缺陷进行定位，从而对拉线杆进行无损评估，确保电力铁塔的稳固性。
与目前的导波检测方法相比，本发明仅需要计算机、任意波形发生器、一个压电换能器以及楔块就能够实现利用F模态导波对电力铁塔拉线杆缺陷进行检测，检测成本低，而且能够获得丰富的缺陷信息，本发明的结构方框图如图1所示。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
图2 为本发明的相速度频散曲线图。
图3为本发明的 群速度频散曲线图。
图4为本发明的 距离斜探头1000mm处缺陷示意图。
图5为本发明的实施例中100kHz下拉线杆缺陷检测结果。
在图中：1、计算机，2、任意波形发生器，3、压电换能器，4、楔块，5、拉线杆，6、泥土，7、电力铁塔。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1所示，本发明是这样来工作和实施的，基于压电换能器侧面加载F模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法，其特征在于方法步骤如下：
步骤一：根据拉线杆的几何尺寸及其材料参数计算出该构件中超声导波的相速度与群速度频散曲线，在50～150kHz频率范围内确定F(1,1)模态的激励频率；
步骤二：根据F(1,1)模态的相速度和楔块中纵波传播速度，选择相应角度的楔块，该楔块角度根据确定，C为楔块中纵波速度，CP为F(1,1)模态的相速度；
步骤三：将压电晶片和楔块组装成斜探头，为了使声能最大限度地进入拉线杆，压电晶片和楔块组装时在其接触面上涂一层耦合剂,把斜探头固定在拉线杆侧面；
步骤四：搭建检测装置，斜探头连接任意波形发生器，任意波形发生器连接计算机；
步骤五：调节检测参数，检测采用自发自收的方式，考虑到导波的频散特性，任意波形发生器所产生信号的中心频率应与斜探头频率一致，且信号周期数调节为8～15，斜探头在拉线杆中激发出F(1,1)模态的超声导波，若没有缺陷，则无任何缺陷反射回波存在，说明斜探头至前一段距离（≤10米）范围内拉线杆中无缺陷，检测结束，此时可向前移动斜探头继续对下一段拉线杆进行检测；若拉线杆中存在缺陷，则由探头接收缺陷反射回波，并在计算机屏幕上显示出来；通过缺陷反射回波到达探头的时间，将该时间乘以F(1,1)模态的群速度后再除以2，即可确定缺陷与斜探头之间的距离，从而对缺陷进行定位。
对一段长2000mm，直径20mm的拉线杆进行F(1,1)模态导波检测实验，在距离拉线杆端部1000m处有一个表面刻槽缺陷，刻槽深4mm，宽1.5mm，如图4所示。
计算得到该构件中超声导波的相速度和群速度频散曲线，分别如图2、3所示，该实验例选取100kHz频率的压电换能器，从步骤一计算出来的群速度频散曲线可以看出，F(1,1)模态在100kHz频率附近速度变化微弱，其群速度频散曲线趋近平坦，几乎没有频散，很适合选用该模态对拉线杆缺陷进行检测。
选择相应角度的楔块，选用有机玻璃制成的楔块，该材质楔块中纵波速度为2700m/s；100kHz频率处F(1,1)模态的相速度为2700m/s，计算得到楔块角度为90°。
将压电晶片与楔块组装成斜探头，为了使声能最大限度地进入拉线杆，压电晶片和楔块组装时在其接触面上涂一层耦合剂，然后把斜探头固定在拉线杆一端的侧面。
按照步骤四搭建检测装置，调节检测参数，将任意波形发生器所产生信号的中心频率设为100kHz，信号周期数设为10，斜探头在拉线杆中产生F(1,1)模态的超声导波，F(1,1)模态经过缺陷时产生缺陷反射回波，如图5所示，该反射回波的传播时间为0.616ms，从图3得知100kHz频率处F(1,1)模态的群速度为3334m/s，将此群速度乘以缺陷反射回波的传播时间，再除以2即得到斜探头至缺陷的距离为1026mm,相对误差为2.6%，因此利用F(1,1)模态不仅可以检测缺陷，还能够精确定位缺陷位置。
以上实验验证了可以利用压电晶片与楔块组装成斜探头，置于拉线杆侧面，激发出F(1,1)模态导波对电力铁塔拉线杆缺陷进行检测。
Claims (1)
1.基于压电换能器侧面加载F模态导波检测电力铁塔拉线杆缺陷的方法，其特征在于方法步骤如下：
步骤一：根据拉线杆的几何尺寸及其材料参数计算出该构件中超声导波的相速度与群速度频散曲线，在50～150kHz频率范围内确定F(1,1)模态的激励频率；
步骤二：根据F(1,1)模态的相速度和楔块中纵波传播速度，选择相应角度的楔块，该楔块角度根据确定，C为楔块中纵波速度，CP为F(1,1)模态的相速度；
步骤三：将压电晶片和楔块组装成斜探头，楔块与拉线杆接触部位加工成弧面，把斜探头固定在拉线杆侧面；
步骤四：搭建检测装置，斜探头连接任意波形发生器，任意波形发生器连接计算机；
步骤五：调节检测参数，检测采用自发自收的方式，任意波形发生器所产生信号的中心频率应与斜探头频率一致，且信号周期数调节为8～15，斜探头在拉线杆中激发出F(1,1)模态的超声导波，若没有缺陷，则无缺陷反射回波存在，若拉线杆中存在缺陷，则斜探头接收缺陷反射回波，并在计算机上显示出来；通过缺陷反射回波到达斜探头的时间，将该时间乘以F(1,1)模态的群速度后再除以2，即可确定缺陷与斜探头之间的距离，从而对缺陷进行定位。
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