CN108226297A - 一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，该方法基于声发射无损检测原理，利用光纤光栅检测真空管动作时，波纹管激发的声发射信号。本方法包括光纤光栅传感器、光纤连接器、光电转换器、可调谐激光源、前置放大器、数据采集卡、计算机、无线信号发射装置、电源等硬件设备。其中光纤光栅传感器由光纤光栅和有机玻璃封装基底组成，固定在真空管动端法兰底部。本方法采用希尔伯特‑黄变换对采集到的声发射信号进行分析，当信号的差异度大于注意值时，利用无线信号发射装置进行报警。基于本方法可以及时准确的检测真空管波纹管的机械状态，保障高压电气开关和电力系统的安全运行。

Description

一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法
技术领域
本发明属于电气设备无损检测领域，具体涉及一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，基于本方法可以及时准确地感知波纹管表面裂纹的产生及发展，从而在真空度下降前及时更换真空管，保障开关电器和电力系统的安全。
背景技术
真空管也称真空灭弧室，是真空有载分接开关、真空断路器、真空负荷开关、真空接触器等高压开关电器的核心设备。真空管利用真空优良的绝缘和熄弧性能，实现带负载下的高压开断，在电极(触头)分断的瞬间迅速熄弧。
真空管的基本结构由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、波纹管组成。其中，波纹管是由厚度为0.1-0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件，起到使电极能够在一定范围内运动并保持真空管真空度的功能。真空管每分合操作一次，相应地使波纹管产生一次机械变形。因此，波纹管是真空管中最易损坏的部件，其金属材料的疲劳寿命决定了真空管的机械寿命。当真空管开断一定次数后，波纹管出现疲劳损坏，管壁产生裂纹，不能保持真空管的气密性，波纹管就失效了。
目前，针对真空管的检修和维护以离线检修为主，检测的特征量是真空管的真空度，然而当真空管真空度出现下降后已经对高压开关电器和电力系统造成了极大的威胁。
发明内容
为了对波纹管的疲劳状态给出及时准确的评估，保障高压开关电器的安全稳定运行。本发明提出一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：
步骤1：在真空管动端法兰盘底部安装光纤光栅传感器；
步骤2：采集正常状态的波纹管在真空管动作时激发的声发射信号，并存储到计算机中，作为标准信号；
步骤3：每次待测波纹管所属真空管动作时，通过光纤光栅传感器采集到的声发射信号；
步骤4：通过希尔伯特-黄变换提取声发射信号的时频分布矩阵；
步骤5：求取待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度，相似度的计算公式如下：
式中，xi为待测波纹管声发射信号时频分布矩阵各行各列的对应元素，yi为标准信号时频分布矩阵各行各列对应的元素，0≤d≤1；
步骤6：当连续10次计算得到的待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度小于设定阈值时，则判断待测波纹管出现裂纹信号，并通过无线信号发射装置发出预警信号。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤1中，光纤光栅长度为20mm，直径为0.5mm；采用有机玻璃作为封装基底材料，封装后传感器长宽高分别为20mm,10mm,3mm；利用胶水粘接在真空管动端法兰底部。
在步骤5中，待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度d越小，则认为测波纹管的状态与正常波纹管差异越大，定义如下判定标准：
当d＞0.9时，认为没有新的声发射信号产生，波纹管正常；
当0.7＜d＜0.9时，认为可能有新的声发射信号产生，但也可能是一些随机干扰，需要对波纹管的状态继续检测；
当d＜0.7时，认为产生了新的较强的声发射信号，判断波纹管表面或焊接处出现了裂纹的概率增大。
在步骤5中，阈值可根据对故障的重视程度进行调整，推荐设定阈值为0.6，即连续10次计算得到的待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度d＜0.6时，则判断待测波纹管出现裂纹信号，并通过无线信号发射装置发出预警信号。
本发明具有以下有益的技术效果：
基于本发明可以及时准确地感知波纹管表面裂纹的产生及发展，从而在真空度下降前及时更换真空管，保障开关电器和电力系统的安全。
附图说明
图1真空管内部结构及本发明光纤光栅传感器的安装位置示意图；
图2为本发明基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法流程示意图。
具体实施方式
为更清楚地表明本发明的目的、技术方案和优点，现结合附图及示例性实例，进一步详细地说明本发明。应当理解，此处所描述的示例性实例仅用以解释本发明，并不限定本发明的适用范围。
本发明提出一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，基于本发明可以及时准确地感知波纹管表面裂纹的产生及发展，从而在真空度下降前及时更换真空管，保障开关电器和电力系统的安全。本发明是基于光纤光栅的声发射检测技术实现的。声发射是材料或结构受外力或内力作用产生裂纹或变形,以弹性波形式释放出应变能的现象。利用声发射检测技术可以实现材料或设备早期损伤的实时检测。常见的光纤光栅利用光纤材料的光敏性，在纤芯形成折射率周期性的变化，从而在光纤中形成一定带宽的滤波器或反射器。当一束宽带光入射进光栅时，符合光栅谐振条件的窄带光将被反射回来，当声发射信号的应力波作用于光纤光栅时，由于几何效应和弹光效应将引起发射波中心波长的改变，从而可以通过分析反射波的变化检测声发射信号，与传统的压电式声发射传感器相比，光纤光栅及其光学传感系统能在强电磁场、高电压环境下工作，并具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小、质量轻等优势。
请参考附图1，附图1为真空管内部结构及本发明光纤光栅传感器的安装位置示意图。图中1为定端盖与定端法兰盘；2为金属屏蔽罩；3为定触头；4为动触头；5为金属波纹管；6为动端盖与动端法兰盘；7为触头导杆；8为陶瓷外壳；9为光纤光栅传感器；10为导光光纤。
图1中，金属波纹管5担负动电极在一定范围内运动和长期保持高真空的功能。真空管每分合操作一次，相应地使波纹管产生一次机械变形。因此波纹管是真空管中最易损坏的部件。波纹管的上端焊接到动触头导杆7上，下端焊接到动端法兰6上。当波纹管表面或焊接处存在机械老化或裂纹时，在真空管动作时会激发故障点产生声发射应力波，通过动导杆或动端法兰传输到光纤光栅9上，导致光纤光栅反射光的中心波长发生改变，由导光光纤10将反射波传输到检测系统，即可检测到波纹管的故障状态。
请参考附图2，附图2为本发明基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法流程示意图。包括如下步骤：
步骤1：在真空管动端法兰盘底部安装光纤光栅传感器。光纤光栅长度约20mm，直径约0.5mm，采用有机玻璃作为封装基底材料，有机玻璃具有弹性模量小，机械强度较高的优点，封装后传感器为长宽高分别为20mm,10mm,5mm；最后将封装好的传感器利用同声502胶水粘接在真空管动端法兰底部。
步骤2：采集正常状态的波纹管在真空管动作时激发的声发射信号，并存储到计算机中，作为标准信号。在数据采集的过程中，使用光电转换器实现光信号与电信号的装换，利用数据采集卡实现电信号的采集和模数转换。
步骤3：每次真空管动作时，通过光纤光栅传感器采集到的声发射信号；
步骤4：通过希尔伯特-黄变换提取声发射信号的时频分布矩阵；
希尔伯特-黄变换包括经验模态分解和希尔伯特变换两步，经验模态分解的原理如下：
1)包络提取：对信号x(t)，提取上包络u(t)和下包络l(t)；
2)检验:令m1(t)＝[u(t)+l(t)]/2，再令h1(t)＝x(t)-m1(t)，完成一次筛选，检查h1(t)是否为固有模态函数；
3)迭代：若h1(t)是固有模态函数，分解结束，如h1(t)不是固有模态函数，则重复上述步骤，直至hk(t)满足固有模态函数条件，令hk(t)＝c1(t)，c1(t)即第一个固有模态函数；
4)循环：令r2(t)＝x(t)-c1(t)重复上述过程，直到获得所有的固有模态函数,c1(t),…,ck(t)。
希尔伯特变换的原理如下：
式中，ci(t′)即是经验模态分解所得的固有模态函数，ai(t)为瞬时幅值，φi(t)为相位函数，wi(t)为瞬时频率，H(w,t)为时频矩阵，RP为复数的求实部运算。
步骤5：求取待测波纹管声发射信号的时频矩阵与标准信号的相似度，相似度的计算公式如下：
式中，xi为待测波纹管声发射信号时频矩阵各行各列的对应元素，yi为标准信号时频矩阵各行各列对应的元素。0≤d≤1，d越小，矩阵的差异越明显，定义如下判定标准：当d＞0.9时，认为没有新的声发射信号产生，波纹管正常；当0.7＜d＜0.9时，认为可能有新的声发射信号产生，但可能是一些随机干扰；当d＜0.7时，认为时频矩阵出现了明显的变化，明显出现了新的较强的声发射信号，波纹管表面或焊接处极有可能出现了裂纹或其他状态的改变，应该引起重视。
步骤6：当连续10次计算得到的声发射与标准信号的差异度大于设定阈值时(阈值可根据对故障的重视程度进行调整，推荐值d＜0.6)，计算机驱动无线信号发射装置发出预警信号。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，其特征在于：
利用光纤光栅传感器检测真空管动作时，波纹管激发的声发射信号，判断真空管波纹管的机械状态，保障高压电气开关和电力系统的安全运行。
2.一种基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：
步骤1：在真空管动端法兰盘底部安装光纤光栅传感器；
步骤2：采集正常状态的波纹管在真空管动作时激发的声发射信号，并存储到计算机中，作为标准信号；
步骤3：每次待测波纹管所属真空管动作时，通过光纤光栅传感器采集到的声发射信号；
步骤4：通过希尔伯特-黄变换提取声发射信号的时频分布矩阵；
步骤5：求取待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度，相似度的计算公式如下：
式中，xi为待测波纹管声发射信号时频分布矩阵各行各列的对应元素，yi为标准信号时频分布矩阵各行各列对应的元素，0≤d≤1；
步骤6：当连续10次计算得到的待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度小于设定阈值时，则判断待测波纹管出现裂纹信号，并通过无线信号发射装置发出预警信号。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，其特征在于：
在步骤1中，光纤光栅长度为20mm，直径为0.5mm；采用有机玻璃作为封装基底材料，封装后传感器长宽高分别为20mm,10mm,3mm；利用胶水粘接在真空管动端法兰底部。
4.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，其特征在于：
在步骤5中，待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度d越小，则认为测波纹管的状态与正常波纹管差异越大，定义如下判定标准：
当d＞0.9时，认为没有新的声发射信号产生，波纹管正常；
当0.7＜d＜0.9时，认为可能有新的声发射信号产生，但也可能是一些随机干扰，需要对波纹管的状态继续检测；
当d＜0.7时，认为产生了新的较强的声发射信号，判断波纹管表面或焊接处出现了裂纹的概率增大。
5.根据权利要求2或4所述的基于光纤光栅的真空管波纹管表面裂纹检测方法，其特征在于：
在步骤5中，阈值可根据对故障的重视程度进行调整，推荐设定阈值为0.6，即连续10次计算得到的待测波纹管声发射信号的时频分布矩阵与标准信号的相似度d＜0.6时，则判断待测波纹管出现裂纹信号，并通过无线信号发射装置发出预警信号。
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