CN106950281A - 基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统与检测方法。本发明的检测系统包括上位机、信号处理与控制模块、功率放大模块、换能器和前置放大模块；所述的信号处理与控制模块包括导波激励信号发生单元、回波信号处理单元和信号时序控制单元；所述的导波激励信号发生单元产生相应频率的导波激励信号；在导波激励过程中，换能器同时开始接收导波信号，并将其转换成电信号通过前置放大模块和回波信号处理单元后上传到上位机。本发明实施无需剥离电缆外护套，安装便捷；本发明仅激励一次即可完成对导波覆盖区域的完整检测，快速高效；本发明检测精度较高，灵敏度最高可达1％横截面损失，可靠灵敏度达3％；符合实际检测工作需求。
Description
技术领域
本发明涉及超声导波测量与输电设备结构健康检测领域，尤其是一种基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统及检测方法。
背景技术
在现代社会中，凡有人群生活的地方，凡有生产、交通以及一切经济活动的场合，凡一切需要探索、开发的所有活动中，以及任何一项科技开发创新项目的研制活动中，都离不开电力和电磁波的应用。而电及电磁波的发生、传输及应用都必须采用电线电缆作为连接、传输的部件或作为主机的绕组材料。高压电缆的大量使用伴随而来的便是大量电缆故障的发生，电缆故障不仅影响工业与居民用电以及电网系统的稳定运行，严重时可能引发火灾，造成环境污染及生命财产损失。由此可见，电缆结构健康检测至关重要。
常规的无损检测技术包括漏磁检测、涡流检测、超声检测、机器视觉检测、射线检测等。然而这些技术方法在实际应用中存在需剥离外护套、逐点检测等局限性，导致其检测程序多、效率低，检测成本偏高。当前，研发一种简单高效、低成本、能够实现对高压电缆铝护套检测的无损检测技术迫在眉睫。
超声导波以其传输距离远、全截面覆盖、检测灵敏度高、安装方便、耦合效率高和实用性强等优点使其广泛应用于管道、桥梁缆索、钢轨等重要结构的快速检测中，是一种较为理想的电缆铝护套检测方法。然而目前我国对于高压电缆铝护套超声导波无损检测技术的研究较少。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统，以提高高压电缆铝护套缺陷检测能力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统，包括：
上位机、信号处理与控制模块、功率放大模块、换能器和前置放大模块；所述的信号处理与控制模块包括激励信号发生单元、回波信号处理单元和信号时序控制单元；
所述的激励信号发生单元与功率放大模块相连，功率放大模块与换能器相连，所述的上位机将工作参数传输给激励信号发生单元，所述的激励信号发生单元产生相应频率的激励信号，该激励信号经过功率放大模块功率放大且经信号时序控制单元时序调整后传送到换能器中；
所述的换能器与前置放大模块相连，前置放大模块与回波信号处理单元相连，回波信号处理单元与上位机相连，在导波激励过程中，换能器同时开始接收导波信号，并将其转换成电信号通过前置放大模块和回波信号处理单元后上传到上位机。
使用换能器接收回波信号后，通过上位机对于检测信号进行特征识别，从而实现对于被检对象结构健康进行评估。
本发明的实施无需剥离电缆铝护套，装置简单，安装方便，检测效率较高。
进一步地，所述的换能器采用磁致伸缩式换能器，该换能器中有两路线圈，间隔为1/4导波波长，通过控制激励信号的延时，实现导波的方向控制。
上述高压电缆铝护套检测系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：确定检测模态、频率及群速度，将铝护套简化，视为波纹管，根据其材料和厚度参数，按频散方程绘制出对应的频散曲线；
步骤二：设置工作参数，对导波激励信号发生单元发出的秒冲进行设置，产生相应频率的导波激励信号，该导波激励信号通过功率放大模块传送到换能器；
步骤三：换能器中通入两路经过汉宁窗调制的5个周期的正弦电信号，该两路正弦电信号的相位差为90°，使用换能器在靠近铝护套端面激发扭转波，扭转波与铝护套中的缺陷相互作用产生回波；在导波激励过程中，换能器同时开始接收导波信号，每个换能器接收到两路导波信号，并将其转换成电信号，这两路电信号经过信号时序控制单元时序控制后叠加在一起作为该换能器的接收信号；
通入两路相位差为90°的电信号后，在铝护套中激励的两路导波信号在传播的正向相干叠加，反向相互抵消，从而起到方向控制的作用；
步骤四：换能器接收到的两路回波信号在通过前置放大模块、回波信号处理单元依次经过放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化，数字化的回波信号经步骤二发送的导波激励信号归一化处理；再将归一化后的回波信号传输至上位机。
进一步地，步骤一中，检测模态选用零阶扭转波模态，即T(0,1)模态，激励频率为20-250kHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：检测系统的实施无需剥离电缆外护套；仅激励一次即可完成对导波覆盖区域的完整检测，快速高效；安装简便，检测效率较高；检测精度较高，灵敏度最高可达1％横截面损失，可靠灵敏度达3％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，并与背景技术的技术方案进行对比，下面将对本发明实施例和背景技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的本发明实施例附图仅仅是一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明检测系统的构成图；
图2示出了厚度2.8mm的铝护套的导波相速度频散曲线；
图3示出了厚度2.8mm的铝护套的导波群速度频散曲线；
图4示出了高压电缆铝护套简化示意图；
图5示出了高压电缆铝护裂纹实验示意图；
图6示出了高压电缆铝护套3％裂纹缺陷检测信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本发明实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，示出了基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统构成图。
在本实施例中，高压电缆铝护套检测系统包括上位机、导波激励信号发生单元、回波信号处理单元、信号时序控制单元、功率放大模块、换能器和前置放大模块；所述的导波激励信号发生单元、回波信号处理单元和信号时序控制单元组成信号处理与控制模块。
所述的激励信号发生单元与功率放大模块相连，功率放大模块与换能器相连，所述的上位机将工作参数传输给激励信号发生单元，所述的激励信号发生单元产生相应频率的激励信号，该激励信号经过功率放大模块功率放大且经信号时序控制单元时序调整后传送到换能器中；
所述的换能器与前置放大模块相连，前置放大模块与回波信号处理单元相连，回波信号处理单元与上位机相连，在信号激励过程中，换能器将接收到的信号通过前置放大模块和回波信号处理单元后上传到上位机。
所述的换能器采用磁致伸缩式换能器，该换能器中有两路线圈，间隔为1/4导波波长，通过控制激励信号的延时，可实现导波的方向控制。
利用上述高压电缆铝护套检测系统进行检测的步骤如下：
步骤一：确定检测模态、频率及群速度，将铝护套简化，视为波纹管，根据其材料和厚度参数，按频散方程绘制出对应的频散曲线。
步骤二：设置工作参数，对导波激励信号发生单元发出的秒冲进行设置，产生相应频率的导波激励信号，该导波激励信号通过功率放大模块传送到换能器。
步骤三：换能器中通入两路经过汉宁窗调制的5个周期的正弦电信号，该两路正弦电信号的相位差为90°，使用换能器在靠近铝护套端面激发扭转波，扭转波与铝护套中的缺陷相互作用产生回波；在导波激励过程中，换能器同时开始接收导波信号，每个换能器接收到两路导波信号，并将其转换成电信号，这两路电信号经过信号时序控制单元时序控制后叠加在一起作为该换能器的接收信号；通入两路相位差为90°的电信号后，在铝护套中激励的两路导波信号在传播的正向相干叠加，反向相互抵消，从而起到方向控制的作用。
步骤四：换能器接收到的两路回波信号在通过前置放大模块、回波信号处理单元依次经过放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化，数字化的回波信号经步骤二发送的导波激励信号归一化处理；再将归一化后的回波信号传输至上位机。
在上位机中输入工作参数，上位机通过USB将参数传输给导波激励信号发生单元，导波激励信号发生单元依据工作参数选择信号规定的频率，产生导波激励信号。
进一步，参见图2示出了厚度2.8mm的铝护套的导波相速度频散曲线，图3示出了厚度2.8mm的铝护套的导波群速度频散曲线。
从图中可以看出，在0-1000kHz范围内，0-2阶纵波模态都存在较为明显的频散现象，300kHz以下L(0,2)频散特性较小，L(0,1)在300kHz以上频段具有较好的频散特性，但是在激励过程中，无论选择那个频率点，这两种模态总是被同时激励出来。T(0,1)模态不频散，T(0,2)模态的截止频率在600kHz左右，因此，在600kHz以下的频率点激励扭转波可激励出纯净的非频散的T(0,1)扭转模态。此外，超声导波在传播过程中，低频导波衰减慢但是检测灵敏度低，高频导波衰减快但检测灵敏度高。实际选择检测频率点应考虑激励模态、衰减率、检测灵敏度等多方面因素。故本发明采用T(0,1)模态。
进一步，参见图4示出了高压电缆铝护套简化示意图。
在本实施例中，铝护套厚度为2.8mm，波谷内径为125mm，波峰外径为145mm，轧纹深度为7.2mm，轧纹节距为30mm。建立的三维模型材料定义为铝，密度为2700kg/m3，杨氏模量为70GPa，泊松比为0.28，模型轴向长度为1.5m。
进一步，参见图5示出了高压电缆铝护套裂纹实验示意图。
在本实施例中，对于被检测的铝护套，换能器安装在铝护套的一端。试验中在铝护套上激励单一模态，根据频散曲线结论，选择导波激励频率为32kHz，激励模态为T(0,1)，周期数为1，增益为1dB。设定波速为2600m/s，检测方式为脉冲回波。在距离换能器1.1m处人工设置裂纹缺陷，缺陷所占的截面百分比为3％。
进一步，参见图6示出了高压电缆铝护套3％裂纹缺陷检测信号。
在本实施例中，对于截面损失3％的缺陷，可以清楚地观察到缺陷回波和端面回波，检测信号信噪比高。
本发明的方法实施无需剥离电缆外护套，安装便捷；本发明仅激励一次即可完成对导波覆盖区域的完整检测，快速高效；本发明装置检测精度较高，灵敏度最高可达1％横截面损失，可靠灵敏度达3％；符合实际检测工作需求。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.基于磁致式扭转波的高压电缆铝护套检测系统，其特征在于，它包括：
上位机、信号处理与控制模块、功率放大模块、换能器和前置放大模块；所述的信号处理与控制模块包括导波激励信号发生单元、回波信号处理单元和信号时序控制单元；
所述的导波激励信号发生单元与功率放大模块相连，功率放大模块与换能器相连，所述的上位机将工作参数传输给导波激励信号发生单元，所述的导波激励信号发生单元产生相应频率的导波激励信号，该导波激励信号经过功率放大模块功率放大且经信号时序控制单元时序调整后传送到换能器中；
所述的换能器与前置放大模块相连，前置放大模块与回波信号处理单元相连，回波信号处理单元与上位机相连，在导波激励过程中，换能器同时开始接收导波信号，并将其转换成电信号通过前置放大模块和回波信号处理单元后上传到上位机。
2.根据权利要求1所述的高压电缆铝护套检测系统，其特征在于，所述的换能器采用磁致伸缩式换能器，所述的换能器中有两路线圈，间隔为1/4导波波长，通过控制激励信号的延时，实现导波的方向控制。
3.利用权利要求1或2所述高压电缆铝护套检测系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：确定检测模态、频率及群速度，将铝护套简化，视为波纹管，根据其材料和厚度参数，按频散方程绘制出对应的频散曲线；
步骤二：设置工作参数，对导波激励信号发生单元发出的秒冲进行设置，产生相应频率的导波激励信号，该导波激励信号通过功率放大模块传送到换能器；
步骤三：换能器中通入两路经过汉宁窗调制的5个周期的正弦电信号，该两路正弦电信号的相位差为90°，使用换能器在靠近铝护套端面激发扭转波，扭转波与铝护套中的缺陷相互作用产生回波；在导波激励过程中，换能器同时开始接收导波信号，每个换能器接收到两路导波信号，并将其转换成电信号，这两路电信号经过信号时序控制单元时序控制后叠加在一起作为该换能器的接收信号；
步骤四：换能器接收到的两路回波信号在通过前置放大模块、回波信号处理单元依次经过放大、调理、滤波、A/D转换步骤数字化，数字化的回波信号经步骤二发送的导波激励信号归一化处理；再将归一化后的回波信号传输至上位机。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，步骤一中，检测模态为零阶扭转波模态，即T(0,1)模态，激励频率为20-250kHz。
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