CN109298072A - 基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，包括以下步骤：超声导波信号发生模块发出脉冲信号；脉冲信号经过信号放大模块进行放大；放大后的脉冲信号激励检测模块，使检测模块产生超声导波；沿飞机电缆传播的声波遇到电缆绝缘层缺陷会产生反射信号，反射信号使MFC传感器振动，产生变形，发生电荷量的变化；电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，通过多功能数据采集卡进入计算机进行分析。通过采集反射信号，并根据反射信号与发射信号时间差对缺陷进行定位，从而实现对飞机电缆的实时检测。本发明优点在于能够在电缆工作的情况下对电缆绝缘层的状况进行检测，操作简单，定位精度高，不受电磁场干扰。

Description

基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，属于电力电缆检测技术领域。

背景技术

飞机作为航空航天领域至关重要的一部分，在交通、运输以及军事上都发挥着举足轻重的作用。飞机电缆是飞机内部电子、电气系统信号传输的重要媒介，飞机上飞控、航电、燃油、液压和环控等各系统由不同规格和类型的电缆有机连接，形成一个完整的总体系统，以实现各种信号和指令的及时传输，因此电缆的完整性是保证飞机飞行安全的重要因素。由于飞机上的特殊环境，电缆损坏不可避免，飞机电缆的损坏是长期困扰航空航天领域的棘手问题。值得注意的是，飞机电缆的损坏前期表现为电缆绝缘层的损坏，如果没有及时进行检测处理，将很可能导致信号传输异常、控制失灵、短路失火等后果。因此需要定期对飞机电缆进行检修，一旦维修不当，将造成非常严重的后果。

传统检测飞机电缆的方法有：(1)目检法。目检法属于非电气实验法，主要通过眼睛和放大设备检查电缆外观是否存在可见的缺陷与故障。受飞机结构的限制，目检法检查电缆是相当困难的。(2)绝缘电阻实验法。该方法使用专用绝缘电阻测试仪分析电缆线芯之间、线芯与屏蔽层之间或者线芯与地之间的绝缘电阻值变化，通过诊断是否发生短路或绝缘电阻下降来判断电缆是否有缺陷。由于电缆的绝缘电阻值通常达GΩ级，普通商用绝缘电阻测试仪精度尚且达不到区分GΩ级范围内绝缘电阻值的变化，因此该法仅适用于短路或绝缘电阻明显降低的情况，不能检测出电缆早期和较小的绝缘缺陷。(3)耐压与泄漏电流试验。该方法是给电缆施加上规定时间和幅值的脉冲电压或工频交流电压，测量泄漏电流是否超过规定值(20mA)来判断电缆是否存在缺陷与故障。该方法适用于制造厂检查电缆绝缘缺陷以及研究飞机电缆绝缘老化特性，不适用于在线检测已安装电缆的绝缘特性。(4)击穿法。该方法是给电缆施加足够高的电压，使绝缘薄弱的部位发生放电现象，通过查找放电部位来确定电缆是否有缺陷以及出现缺陷的位置。由于该方法的试验电压较高，因此会对良好电缆的绝缘造成一定的损伤，可能导致电压敏感部件损坏。所以该方法也不适用于在线检测已安装电缆的绝缘特性。

基于超声导波技术的方法可对飞机电缆的结构完整性进行在线检测，并对缺陷进行尺寸评估与定位，并且可在电缆功能失效前进行预警。超声导波信号在沿着电缆传播时，在缺陷处由于声阻抗的变化产生反射波，通过反射波返回的时间对缺陷进行检测与定位。该方法是基于声学方法，因此在检测过程中不受周围复杂电磁场的干扰，并且可以在电缆通电状态下进行检测。

发明内容

本发明针对电缆绝缘层的缺陷(飞机电缆失效的前期表现形式往往是电缆绝缘层的损坏)提出了一种基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，对缺陷进行识别、定位和评估，在电缆功能失效前进行预警。

1.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，包括以下步骤：

S1、超声导波信号发生模块发出脉冲信号；

S2、经过步骤S1产生的脉冲信号经过信号放大模块进行放大；

S3、经过步骤S2放大的脉冲信号激励检测模块，使检测模块产生超声导波；

S4、沿飞机电缆传播的声波遇到电缆绝缘层缺陷时会产生反射信号，反射回的信号使MFC传感器振动，产生变形，发生电荷量的变化；

S5、电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，通过多功能数据采集卡进入计算机进行分析。

其中，MFC传感器核心材料为MFC(Macro Fiber Composite)，即压电纤维复合材料，由美国Smart Material公司生产，用于产生正、逆压电效应。

2.所述的超声导波信号发生模块，可采用计算机，其信号输出设备为带模拟输出功能的多通道数据采集卡；也可采用专门研制开发的超声导波激励电源；也可采用Teletest导波发生装置。

3.所述的信号放大模块为独立的功率放大模块，采用高频率功率放大器。

4.所述的检测模块为MFC传感器组通过固定装置与电缆绝缘层紧密耦合，MFC传感器组为收发一体或一发一收。

5.所述的通过计算脉冲信号的发射与反射回发射位置的时间差对绝缘层的缺陷处进行准确定位；利用Teletest配套软件直接得到缺陷位置信息。

6.S5包括以下步骤：

S5.1计算机对反射信号的处理，包括采用零相位滤波方法；采用小波分析方法；采用匹配滤波器方法减小背景噪声的干扰，提高信噪比；

S5.2计算机对反射信号的特征提取，采用小波分析方法；采用经验模态分解方法；采用混沌分析方法；采用复杂网络方法，通过分析反射信号的波形对飞机电缆缺陷的类别进行判断；

S5.3计算机根据反射信号对缺陷信息的识别，采用人工神经网络方法；采用支持向量机方法；采用深度学习方法。

本发明的优点在于利用超声导波可以实现对电缆的长距离检测，同时对缺陷进行识别、定位和评估(包括种类和尺寸)。基于声学方法的检测过程不受周围复杂电磁场的干扰，并且可在电缆通电状态下进行检测，飞机管理方可利用该技术对电缆的重点部位进行持续在线检测。

附图说明

图1为本发明的系统原理图，其中①为基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测系统，②为MFC超声换能器组，③、④为磨损和割伤，⑤、⑥分别为盖板和紧固件。

图2为飞机电缆仿真时施加的激励信号图。

图3为信号在飞机电缆绝缘无缺陷情况下仿真的时间-位移示意图。

图4为信号在飞机电缆绝缘有缺陷情况下仿真的时间-位移示意图。

图5为仿真时缺陷的示意图。

图6为电缆中L(0，1)导波幅频曲线图。

图7为飞机电缆绝缘层无缺陷情况下的反射信号示意图。

图8为飞机电缆绝缘层缺陷引起的反射信号示意图。

具体实施方式

下面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作进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

本发明针对电缆绝缘层的缺陷(飞机电缆失效的前期表现形式往往是电缆绝缘层的损坏)提出了一种基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，主要构思为：沿飞机电缆传播的声波遇到电缆绝缘层缺陷时产生反射信号，根据反射信号的传播时间对缺陷进行定位。采用此种方法不仅达到了对缺陷的识别、定位和评估，在电缆功能失效前进行预警的目的，而且不受周围复杂电磁场的干扰。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述：

1、利用有限元方法对飞机电缆缺陷检测的信息如下：

(1)飞机电缆长度为2米，内部材料为铁，内径为3mm，杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m³；绝缘层材料为Polyethylene，厚度为1mm，杨氏模量为3.1GPa，泊松比为0.33，密度为1300Kg/m³；

(2)激励信号见图2，采用频率f为36kHz，n₀为5的正弦信号，加窗函数采用汉宁窗，即：

U＝(1-cos(2*pi*f*t/n₀))*sin(2*pi*f*t)(t＜n₀/f)

(3)激励信号作用于电缆单端，产生L波，在另一端添加固定约束；

(4)图3是飞机电缆无缺陷情况下的时间-位移图；根据激励信号传到了探测点(距激励端0.5米处)的时间，用信号传播的距离除以时间，可以计算出信号的传播速度；

(5)图4是飞机电缆有缺陷的时间-位移图(缺陷在1米处，见图5)；当激励信号传播时，遇到缺陷位置开始处会反射回一部分信号到探测点处，但此时不会停止向激励端方向传播，直到传播到信号激励端处，再向探测点处继续传播，到尾端会再次反射回探测点处。已知信号的传播速度以及信号传播到缺陷处的时间，根据信号传播的速度以及时间，可以计算出缺陷的位置。

2、利用超声导波检测电缆缺陷实例

用一对MFC超声换能器对飞机电缆的缺陷进行了检测。所选MFC(Macro FiberComposite)与传统压电陶瓷换能器相比，其最显著的优势是可更好地应用于曲面结构的研究对象上。

具体实验步骤如下：

(1)图1所示为本发明的系统原理图，其中①为基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测系统，其中包括超声导波信号发生模块、信号放大模块，②为MFC超声换能器组，③、④为磨损和割伤，⑤、⑥分别为盖板和紧固件。

(2)对电缆中导波信号衰减进行了测试，在电缆中分别激励L(0，1)模态、频率范围为20-100KHz的超声导波，得到20-100KHz范围内电缆中L(0，1)模态导波的幅频曲线，如图6所示。

(3)根据图6所示的幅频曲线，选择16kHz，5周期的正弦加窗的激励信号，对有缺陷的飞机电缆进行检测。

(4)超声导波信号发生模块发出脉冲信号，脉冲信号经过信号放大模块进行放大；放大后的脉冲信号激励与飞机电缆紧密耦合的检测模块，使检测模块产生超声导波；沿飞机电缆传播的声波遇到电缆绝缘层缺陷会产生反射信号，反射信号使MFC传感器振动，产生变形，发生电荷量的变化；电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，通过多功能数据采集卡进入计算机进行分析。通过采集反射信号，并根据反射信号与发射信号时间差对缺陷进行定位，从而实现对飞机电缆的实时检测。

(5)图7为飞机电缆绝缘层无缺陷情况下的反射信号示意图，仅存在电缆末端的反射信号，当电缆绝缘层存在缺陷时，如图8所示，存在两种幅值较大的信号，分别为电缆缺陷和未端的反射信号。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、超声导波信号发生模块发出脉冲信号；

S2、经过步骤S1产生的脉冲信号经过信号放大模块进行放大；

S3、经过步骤S2放大的脉冲信号激励检测模块，使检测模块产生超声导波；

S4、沿飞机电缆传播的声波遇到电缆绝缘层缺陷时会产生反射信号，反射回的信号使MFC传感器振动，产生变形，发生电荷量的变化；

S5、电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，通过多功能数据采集卡进入计算机进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，其特征在于，所述的超声导波信号发生模块，可采用计算机，其信号输出设备为带模拟输出功能的多通道数据采集卡；也可采用专门研制开发的超声导波激励电源；也可采用Teletest导波发生装置。

3.根据权利要求1所述的基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，其特征在于所述的信号放大模块为独立的功率放大模块，采用高频率功率放大器。

4.根据权利要求1所述的基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，其特征在于检测模块为MFC传感器组通过固定装置与电缆绝缘层紧密耦合，MFC传感器组为收发一体或一发一收。

5.根据权利要求1所述的基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，其特征在于通过计算脉冲信号的发射与反射回发射位置的时间差对绝缘层的缺陷处进行准确定位；利用Teletest配套软件直接得到缺陷位置信息。

6.根据权利要求1所述的基于超声导波的飞机电缆结构完整性在线检测方法，其特征在于，S5包括以下步骤：

S5.1计算机对反射信号的处理，包括采用零相位滤波方法；采用小波分析方法；采用匹配滤波器方法减小背景噪声的干扰，提高信噪比；

S5.2计算机对反射信号的特征提取，采用小波分析方法；采用经验模态分解方法；采用混沌分析方法；采用复杂网络方法，通过分析反射信号的波形对飞机电缆缺陷的类别进行判断；

S5.3计算机根据反射信号对缺陷信息的识别，采用人工神经网络方法；采用支持向量机方法；采用深度学习方法。