CN107024537A - 一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术 - Google Patents

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张庆富
陆杨
刘安宏
何育
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State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Yancheng Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，采用模态分析方法，通过单自由度振子系统实现无损检测，其单自由度振子系统包含质量块，弹簧和阻尼，系统的三个基本元素分别是质量m、刚度k和阻尼c，系统状态可由质量块的位移来描述，激振力F输入给系统的能量表现为质量块的动能和弹簧的弹性势能，并由阻尼在不断耗散共振声学技术可以有效地将缺陷部件从合格部件中筛选出来，具有检测范围广，可以检测整支绝缘子中的全部缺陷；检测效率高等优点，可以实现对绝缘子大面积普查。

Description

一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术
技术领域
本发明涉及绝缘子检测技术领域，尤其涉及一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术。
背景技术
振动是指一个状态改变的过程，即物体的往复运动，它是一种常见的物理现象，其应用也非常广泛。众所周知，振动所产生的波形会沿着直线传播，并且有一定的时间和空间规律。借助这一原理，将其运用到设备仪器探伤检测中会有非常显著的效果。瓷支柱绝缘子是一种特殊的绝缘控件，在变电站和输电线路中的应用非常广泛，但是由于瓷支柱绝缘子工作环境复杂，长期受外界环境的影响，容易出现裂痕或者其他缺陷，降低绝缘效果从而引发严重的电力事故。因此，为了确保电力设备的平稳运行，必须做好瓷支柱绝缘子的探伤检测工作。
为了有效检测出瓷支柱绝缘子裂纹，国内外一直针对瓷绝缘子开展无损伤研究工作，目前国内在对绝缘子的无损检测方面常用的设备有“超声波”和“紫外成像仪”。常用的检测方法有超声波检测，紫外成像检测，红外检测，但这3种瓷绝缘子无损检测方法都存在较严重的局限，不能确保对电力系统瓷绝缘子安全状况进行在线、可靠、快速评估的需要。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，共振声学技术可以有效地将缺陷部件从合格部件中筛选出来，具有检测范围广，可以检测整支绝缘子中的全部缺陷；检测效率高的优点，可以实现对绝缘子大面积普查。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，采用模态分析方法，通过单自由度振子系统实现无损检测，其单自由度振子系统包含质量块，弹簧和阻尼，系统的三个基本元素分别是质量m、刚度k和阻尼c，系统状态可由质量块的位移来描述，激振力F输入给系统的能量表现为质量块的动能和弹簧的弹性势能，并由阻尼在不断耗散，系统的数学表达式，也称为运动微分方程见式（1）
mx''(t)+cx'(t)+kx(t)=F(t) （1）
对于一个无阻尼系统，上述运动方程的解见下式：
（2）
优选的，由上述式（2），无阻尼结构的固有频率f由结构的质量和刚度决定，对于多自由度系统，式（2）中质量和刚度的关系仍然成立，增加刚度会提高固有频率，增加质量会降低固有频率。
优选的，共振检测是基于模态分析方法而简化的一种检测手段，检测流程如下：
（1）对待测件施加一个的敲击力，这个敲击力大小恒定、且可重复输出，在分析频段范围内具有平坦的能量谱；
（2）利用麦克风或加速度传感器以及一个带有抗混叠滤波的高速模数转换器采集待测物在敲击力下产生的声学或振动响应；
（3）对采集的时域数据进行快速傅里叶变换，将其转换成频域数据；
（4）将每个待测件的频域曲线与标准频域曲线进行对比，分析其一致性，标准频域曲线是来自于已知合格部件的测试曲线。
优选的，共振频率表现为频谱曲线上各个峰值，合格件频谱曲线的各个峰值与标准频域曲线是一致的，频谱曲线上峰值的幅度和频率差异表示该待测件与合格件有差异。
本发明的有益效果如下：本发明提出一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，共振声学技术可以有效地将缺陷部件从合格部件中筛选出来，具有检测范围广，可以检测整支绝缘子中的全部缺陷；检测效率高的优点，可以实现对绝缘子大面积普查。
附图说明
图1是本发明具体实施例单自由度振子系统的示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
参照图1，一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，采用模态分析方法，通过单自由度振子系统实现无损检测，其单自由度振子系统包含质量块1，弹簧3和阻尼2，系统的三个基本元素分别是质量m、刚度k和阻尼c，系统状态可由质量块1的位移来描述，激振力F输入给系统的能量表现为质量块1的动能和弹簧3的弹性势能，并由阻尼2在不断耗散，系统的数学表达式，也称为运动微分方程见式（1）
mx''(t)+cx'(t)+kx(t)=F(t) （1）
对于一个无阻尼系统，上述运动方程的解见下式：
（2）
由上述式（2），无阻尼结构的固有频率f由结构的质量和刚度决定，对于多自由度系统，式（2）中质量和刚度的关系仍然成立，增加刚度会提高固有频率，增加质量会降低固有频率。
模态分析是用于研究机械结构的动力学特性一种分析手段，结构的变形通过肉眼很难观察到，但通过模态分析就能将其描述出来，每一种结构都有特定的共振频率，在这些共振频率点处，任意小的能量输入都会被结构本身放大。事实上，结构的振动表现为一系列单频振动的叠加，任何结构产生的声音都是由这类振动引起的，共振声学技术正是利用了结构的这个动力学特性来评价待测部件的整体性和一致性的。
固有频率是结构的全局属性，结构的缺陷会导致固有频率的偏移。例如，裂纹会改变裂纹所在处周围的刚度，密度的变化或气孔会改变结构的质量。裂纹一般会降低结构的刚度，导致固有频率降低，类似的，气孔会导致减小结构质量，进而导致固有频率升高，假如缺陷大小和位置在某一阶模态表现明显，那么这一阶固有频率的偏移是可以通过测量得到的。某些缺陷甚至是可以通过人耳判别出来的，比如存在裂纹的钟产生的钟声和完好的钟产生的钟声是有明显差异的。
共振检测是基于模态分析方法而简化的一种检测手段，检测流程如下：
（1）对待测件施加一个的敲击力，这个敲击力大小恒定、且可重复输出，在分析频段范围内具有平坦的能量谱，一般由手动力锤或电动力锤输出；
（2）利用麦克风或加速度传感器以及一个带有抗混叠滤波的高速模数转换器采集待测物在敲击力下产生的声学或振动响应；
（3）对采集的时域数据进行快速傅里叶变换，将其转换成频域数据；
（4）将每个待测件的频域曲线与标准频域曲线进行对比，分析其一致性，标准频域曲线是来自于已知合格部件的测试曲线。
共振频率表现为频谱曲线上各个峰值，合格件频谱曲线的各个峰值与标准曲线在幅度和频率与标准频域曲线是一致的，频谱曲线上峰值的幅度和频率差异表示该待测件与合格件有差异。
一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，共振声学技术可以有效地将缺陷部件从合格部件中筛选出来，具有检测范围广，可以检测整支绝缘子中的全部缺陷；检测效率高的优点，可以实现对绝缘子大面积普查。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，其特征在于：采用模态分析方法，通过单自由度振子系统实现无损检测，其单自由度振子系统包含质量块，弹簧和阻尼，系统的三个基本元素分别是质量m、刚度k和阻尼c，系统状态可由质量块的位移来描述，激振力F输入给系统的能量表现为质量块的动能和弹簧的弹性势能，并由阻尼在不断耗散，系统的数学表达式，也称为运动微分方程见式（1）
mx''(t)+cx'(t)+kx(t)=F(t) （1）
对于一个无阻尼系统，上述运动方程的解见下式：
（2）。
2.根据权利要求1所述的一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，其特征在于：由上述式（2），无阻尼结构的固有频率f由结构的质量和刚度决定，对于多自由度系统，式（2）中质量和刚度的关系仍然成立，增加刚度会提高固有频率，增加质量会降低固有频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，其特征在于：共振检测是基于模态分析方法而简化的一种检测手段，检测流程如下：
（1）对待测件施加一个的敲击力，这个敲击力大小恒定、且可重复输出，在分析频段范围内具有平坦的能量谱；
（2）利用麦克风或加速度传感器以及一个带有抗混叠滤波的高速模数转换器采集待测物在敲击力下产生的声学或振动响应；
（3）对采集的时域数据进行快速傅里叶变换，将其转换成频域数据；
（4）将每个待测件的频域曲线与标准频域曲线进行对比，分析其一致性，标准频域曲线是来自于已知合格部件的测试曲线。
4.根据权利要求3所述的一种基于共振声学原理的绝缘子无损检测技术，其特征在于：共振频率表现为频谱曲线上各个峰值，合格件频谱曲线的各个峰值与标准频域曲线是一致的，频谱曲线上峰值的幅度和频率差异表示该待测件与合格件有差异。
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