CN105973992B - 环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法：检测在待测绝缘材料中的超声波速度；对待测绝缘件发射超声波脉冲，并且检测反射波，将反射波转换为时间‑电压信号，记录气孔缺陷上、下表面反射波的混叠信号；对混叠信号进行小波变换。本发明的方法，通过气孔缺陷上、下表面的超声反射波分别进行小波变换，求解出小波系数极大值。根据不同阶数小波变换结果，确定出上、下表面超声波反射信号的对应分解阶数，进而在相应阶数小波系数极大值求解结果中找到小波系数极大值对应位置。
Description
技术领域
本发明涉及高压开关设备用环氧浇注绝缘件气孔缺陷的超声波检测方法。
背景技术
环氧浇注绝缘件是高压开关设备的关键零部件之一，起到绝缘、支撑、分割气室等重要作用，其性能将直接决定高压开关设备的绝缘性能及运行可靠性。对于环氧浇注绝缘件质量检测，目前常用的手段是X射线实时成像检测技术。该方法虽然具有效率高、速度快、长期使用成本低、便于图像处理及容易存储的优点，但射线对人体有辐射危害，需要在专用的防护房内进行检测，不利于现场、在线条件下开展。同时，X射线实时成像设备的一次性投入较大，对于绝缘件的特定部位如金属嵌件与浇注树脂界面处的气孔缺陷，由于透照方向的限制存在检测盲区。因此，寻找一种对人体无害、操作灵活、检测灵敏度高的无损检测方法对于进一步提升环氧浇注绝缘件的质量具有重要意义。
对于绝缘产品的质量检测，目前比较常见的手段是射线检测技术。从上世纪60年代开始，超声检测作为无损检测技术的一种方式，获得了快速发展。然而，这种检测技术的应用主要集中于金属和混凝土材料，因为这两种材料具有很好的声传播特性。与常规金属材料相比，环氧浇注绝缘件的超声衰减系数较大，给缺陷信号的提取造成很大困难。
现有的方法还包括时域检测方法，如Auckland等在“Application of ultrasoundto the NDT of solid insulation”一文中，利用超声波时域波形检测出了厚度为20mm聚脂树脂内部埋藏深度9mm直径为0.3mm的气孔缺陷和厚度为20mm聚乙烯内部埋藏深度5mm直径为0.5mm的气孔缺陷。西安交通大学的Yanpeng Hao等在“Ultrasonic nondestructivedetection for defects in epoxy/mica insulation”一文中，利用超声波时域波形和超声波衰减系数对6mm厚环氧/云母复合绝缘材料的老化状态进行了检测。高压开关设备用环氧浇注绝缘件的厚度大多在60mm范围内，且内部允许存在的气孔缺陷尺寸小。当气孔缺陷尺寸较小时，其上下表面的超声波反射信号相互叠加，无法借助时域分析手段确定出上下表面超声波反射信号的出现时间，也无法进行气孔缺陷的定位、定量检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压开关设备用环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法，用于解决时域检测方法对于上、下表面超声波反射信号存在严重叠加效应导致特征参量提取和分析困难，不能够检测微小气孔的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法，步骤如下：
检测在待测绝缘材料中的超声波速度；
对待测绝缘件发射超声波脉冲，并且检测反射波，将反射波转换为时间-电压信号，记录气孔缺陷上、下表面反射波的混叠信号；
对混叠信号进行小波变换，求解出小波系数极大值，根据不同阶数小波变换结果，确定出上下表面超声波反射信号的对应分解阶数，进而在相应阶数小波系数极大值求解结果中找到小波系数极大值对应位置；换算到时间轴上即可求出气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间；
根据气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间和前述步骤获得的超声波速度计算气孔缺陷的位置和尺寸。
检测在待测绝缘材料中的超声波速度时，选择与待测绝缘件相同材料的绝缘件进行检测，或者选择待测绝缘件的无缺陷位置进行检测
本发明的方法，通过气孔缺陷上、下表面的超声反射波分别进行小波变换，求解出小波系数极大值。根据不同阶数小波变换结果，确定出上、下表面超声波反射信号的对应分解阶数，进而在相应阶数小波系数极大值求解结果中找到小波系数极大值对应位置。换算到时间轴上即可求出气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间，最终计算出气孔缺陷的埋藏位置和尺寸。本发明的方法利用了小波分析将被测信号分解为不同尺度小波函数的叠加的特点，非常适合于分析非平稳信号，克服了时域检测方法对于上、下表面超声波反射信号存在严重叠加效应导致特征参量提取和分析困难的问题。利用小波分析方法确定环氧浇注绝缘件内部微小气孔缺陷上下表面位置处超声波反射信号的出现时间，进而可以实现气孔缺陷的定位、定量检测。
实验表明，该方法对于埋藏深度在30mm范围内，直径0.5mm以上的气孔缺陷和埋藏深度在30mm-60mm范围内，直径1.0mm以上的气孔缺陷能够进行准确的定位、定量检测。借助该技术，对于厚度范围在30mm以下的环氧浇注绝缘件，可以采用外表面一次性扫查检测的方法检测出直径0.5mm以上气孔缺陷。对于厚度在30mm-60mm范围内的大厚度绝缘件，采用内、外表面二次扫查检测的方法同样可以达到检测出直径0.5mm气孔的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的一种检测系统；
图2是本发明的另一种检测系统；
图3是检测流程图；
图4是超声波速度检测原理图；
图5是30mm厚度0.5mm直径气孔缺陷上下表面反射信号测试结果；
图6是30mm厚度0.5mm直径气孔缺陷上下表面混叠反射信号小波变换结果；
图7是30mm厚度0.5mm直径气孔缺陷上表面反射信号小波系数极大值求解结果；
图8是30mm厚度0.5mm直径气孔缺陷下表面反射信号小波系数极大值求解结果；
图9是60mm厚度1.0mm直径气孔缺陷上下表面反射信号测试结果；
图10是60mm厚度1.0mm直径气孔缺陷上下表面混叠反射信号小波变换结果；
图11是60mm厚度1.0mm直径气孔缺陷上表面反射信号小波系数极大值求解结果；
图12是60mm厚度1.0mm直径气孔缺陷下表面反射信号小波系数极大值求解结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为超声波检测系统的一种实施例，包括超声波发射器、超声波接收器、探头、示波器和后台计算机。超声波发射器通过探头向待测绝缘件发出超声波、超声波接收器接收反射波，通过示波器转换为时间-电压波形，通过后台计算机进行分析和计算。探头与待测绝缘件之间涂有耦合剂。
如图2为超声波检测系统的另一种实施例，包括超声波探伤仪、接头、探头、示波器和后台计算机。超声波探伤仪通过导线连接接头，接头连接探头，同时接头还连接示波器，示波器连接后台计算机。探头与待测绝缘件之间涂有耦合剂，探头即发射超声波也接收反射波。这种方式之间采用市场上购买的超声波探伤仪，实现更为方便，也较为便携。另外，还可以通过U盘等存储设备将示波器的数据转移到后台计算机上进行分析。
需要说明的是，以上两种超声波检测系统均为现有技术，与现有技术中用于金属探伤的检测系统是相同的。也就是说，本发明的检测系统还可以采用现有技术中用于金属探伤的其他形式的检测系统。
下面对本发明的检测方法进行具体说明。
本发明的检测方法的特点，主要是不依赖超声波衰减，适合环氧绝缘材料。
具体的，环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法，步骤如下：
首先，检测在待测绝缘材料中的超声波速度。可以选择与待测绝缘件相同材料的绝缘件进行检测，也可以选择待测绝缘件的无缺陷位置进行检测，以获得在待测绝缘材料中的超声波速度。
然后，在然后对待测绝缘件发出脉冲超声波，并且检测反射波，将反射波转换为时间-电压信号，找到波形的突变点，并且突变点对应的时间，波形突变点即对应着气孔缺陷，根据突变点对应的时间和上一步骤获得的超声波速度计算气孔缺陷的位置和尺寸。
所谓波形的突变点，即电压发生突变的点，波形突变点即对应着气孔位置。对待测绝缘件表面进行扫描，对于有一个气孔缺陷的位置，其波形的第一个突变点即表示气孔缺陷上表面，第二个突变点表示气孔缺陷下表面，通过第一个时间确定气孔缺陷的上表面位置，通过第二个时间确定气孔缺陷的下表面位置，通过时间差确定气孔缺陷上下表面间距离，即气孔缺陷的尺寸。
为了对本发明的方法进行验证，本发明搭建了检测系统，检测系统由便携式超声波探伤仪、数据连接线、三通连接器、超声波探头、耦合剂、环氧浇注绝缘件试块、数字示波器、USB闪存盘、计算机组成。本专利中便携式超声波探伤仪选用的是美国GE公司生产的USMGo超声波探伤仪，超声波探头的型号为2.5Z10N，环氧浇注绝缘件试块为自制含气孔缺陷标准试块。第一和第二级台阶的高度分别为30mm和60mm，在台阶的上表面分别浇注有直径5.0mm、4.0mm、3.0mm、2.0mm、1.0mm、0.5mm 6个气孔，气孔的深度分别与各自的直径相等。数字示波器是美国泰克公司生产的TDS2012C数字示波器。利用数据连接线将便携式超声波探伤仪和三通连接器3之间实现电气连接，三通连接器的一端通过数据连接线与超声波探头之间实现电气连接，三通连接器的另一端通过数据连接线与数字示波器之间实现电气连接，将耦合剂涂抹到环氧浇注绝缘件试块的待检测部位，利用超声波探头对环氧浇注绝缘件试块上涂抹耦合剂的部位进行气孔损伤检测。采用脉冲反射式检测方式进行气孔缺陷检测，超声波探头的发射信号和接收信号通过三通连接器传送到数字示波器进行波形记录。利用USB闪存盘将数字示波器记录到的波形信号传送到计算机中进行信号分析。
首先进行环氧浇注绝缘件超声波声速测量：利用USM Go超声波探伤仪的高电压、高能量激发方式对超声波探头进行激励。在环氧浇注绝缘件试块的30mm厚度无气孔缺陷位置处，用数字示波器分别记录下始发脉冲和试块下底面超声波反射信号，经USB闪存盘将波形数据传输到计算机上进行分析，结果见图4所示。之后，在图4中测量出始发脉冲和试块下底面超声波反射信号之间的时间间隔为19.36us，据此计算出绝缘件内部的声速为(30×2×10-3)m/(19.36×10-6)s＝3099m/s。
然后进行气孔缺陷定位、定量检测：记录气孔缺陷上、下表面反射波的混叠信号；对混叠信号进行小波变换，求解出小波系数极大值，根据不同阶数小波变换结果，确定出上下表面超声波反射信号的对应分解阶数，进而在相应阶数小波系数极大值求解结果中找到小波系数极大值对应位置；换算到时间轴上即可求出气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间；根据气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间和前述步骤获得的超声波速度计算气孔缺陷的位置和尺寸。例如，对环氧浇注绝缘件试块6上30mm深度即第一级台阶上分布的0.5mm直径气孔缺陷和60mm深度即第二级台阶上分布的1.0mm直径气孔缺陷分别进行检测。
图5所示为30mm厚度0.5mm直径气孔缺陷上下表面混叠信号测量结果，采集时间范围为16-22us，相邻数据点之间的时间间隔为0.004us。采用小波分析方法对图5中的信号进行分析。
图6所示为利用db6小波进行9级尺度分解的结果。观察图6发现，由分解波形的幅度、波形形状和大致出现位置判断，气孔缺陷上表面反射信号的信息主要在第6阶分解结果中体现，气孔缺陷下表面反射信号的信息主要在第7阶的分解结果中体现。
由图7的计算结果可知，D6阶小波系数极大值对应742点，即气孔缺陷上表面反射信号与始发脉冲之间的时间间隔为16+742×0.004＝18.968us，据此计算出气孔缺陷上表面对应位置为(18.968×10-6s×3099m/s)/2＝29.39mm，定位误差0.37％。
由图8的计算结果可知，D7阶小波系数极大值对应839点，即气孔缺陷下表面反射信号与始发脉冲之间的时间间隔为16+839×0.004＝19.356us，据此计算出气孔缺陷下表面对应位置为(19.356×10-6s×3099m/s)/2＝29.99mm。最终计算出气孔尺寸为29.99-29.39＝0.6mm，误差0.1mm。
图9所示为60mm厚度1.0mm直径气孔缺陷上下表面混叠信号测量结果，采集时间范围为35-43us，相邻数据点之间的时间间隔为0.004us。采用小波分析方法对图9中的波形信号进行分析。
图10所示为利用db6小波进行9级尺度分解的结果。观察图10发现，气孔缺陷上表面反射信号的信息主要在第7阶分解结果中体现，气孔缺陷下表面反射信号的信息主要在第8阶分解结果中体现。
由图11的计算结果可知，D7阶小波系数极大值对应709点，即气孔缺陷上表面反射信号与始发脉冲之间的时间间隔为35+709×0.004＝37.836us，据此计算出气孔缺陷上表面对应位置为(37.836×10-6s×3099m/s)/2＝58.63mm，定位误差0.63％。
由图12的计算结果可知，D8阶小波系数极大值对应904点，即气孔缺陷下表面反射信号与始发脉冲之间的时间间隔为35+904×0.004＝38.616us，据此计算出气孔缺陷下表面对应位置为(38.616×10-6s×3099m/s)/2＝59.84mm。最终计算出气孔尺寸为59.84-58.63＝1.21mm，误差0.21mm。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法，其特征在于，步骤如下：
检测在待测绝缘材料中的超声波速度；
对待测绝缘件发射超声波脉冲，并且检测反射波，将反射波转换为时间-电压信号，记录气孔缺陷上、下表面反射波的混叠信号；
对混叠信号进行小波变换，求解出小波系数极大值，根据不同阶数小波变换结果，确定出上下表面超声波反射信号的对应分解阶数，进而在相应阶数小波系数极大值求解结果中找到小波系数极大值对应位置；换算到时间轴上即可求出气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间；
根据气孔缺陷上、下表面超声反射波的出现时间和前述步骤获得的超声波速度计算气孔缺陷的位置和尺寸。
2.根据权利要求1所述的环氧浇注绝缘件微小气孔缺陷的超声小波检测方法，其特征在于，检测在待测绝缘材料中的超声波速度时，选择与待测绝缘件相同材料的绝缘件进行检测，或者选择待测绝缘件的无缺陷位置进行检测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |