CN112067179A - 环氧试块的次表面应力检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环氧试块的次表面应力检测系统，包括：超声脉冲发生器、超声纵波发射探头、超声脉冲接收器、超声纵波接收探头、示波器、加压装置和处理器；超声纵波发射探头的输出端和超声纵波接收探头的输入端分别连接待测环氧试块的两端；加压装置向待测环氧试块的两端加载应力；超声脉冲发生器向超声纵波发射探头输出脉冲信号；超声纵波接收探头接收穿过待测环氧试块的纵向超声波；处理器根据波形信号计算待测环氧试块的声弹性系数，并根据声弹性系数得到待测环氧试块次表面应力的压强。本发明公开的一种环氧试块的次表面应力检测系统，能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测。

Description

环氧试块的次表面应力检测系统

技术领域

本发明涉及输变电绝缘设备检测技术领域，尤其涉及一种环氧试块的次表面应力检测系统。

背景技术

在电力系统中，盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备(Gas insulatedmetal-enclosed switchgear，GIS)的关键部件，具有电气绝缘、隔离气室、支撑导体的作用。因此，盆式绝缘子表面应力与气体绝缘金属封闭开关设备的正常工作密切相关。

现有技术中，内应力检测方法为：将试样局部分离，使内应力得到释放，对被测试样会产生损害，如钻孔法、环芯法、切槽法、压痕法、剥层法等。

因此，需要一种环氧试块的次表面应力检测系统，能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测。

发明内容

本发明实施例提供一种环氧试块的次表面应力检测系统，能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测。

本发明实施例一提供一种环氧试块的次表面应力检测系统，包括：超声脉冲发生器、超声纵波发射探头、超声脉冲接收器、超声纵波接收探头、示波器、加压装置和处理器；

所述超声纵波发射探头的输出端和所述所述超声纵波接收探头的输入端分别连接待测环氧试块的两端；所述加压装置向待测环氧试块的两端加载应力；

所述超声脉冲发生器的输出端与所述超声纵波发射探头的输入端连接，并向所述超声纵波发射探头输出脉冲信号，以驱动所述超声纵波发射探头向所述待测环氧试块发射纵向超声波；

所述超声脉冲接收器的输入端与所述超声纵波接收探头的输出端连接；所述超声纵波接收探头接收穿过所述待测环氧试块的纵向超声波，并转换为电信号输入所述超声脉冲接收器；

所述超声脉冲接收器的输出端与所述示波器的输入端连接；所述示波器显示接收到的波形信号，并将接收到的波形信号发送至所述处理器；

所述处理器根据所述波形信号计算所述待测环氧试块的声弹性系数，并根据所述声弹性系数得到所述待测环氧试块次表面应力的压强。

作为上述方案的改进，所述超声纵波发射探头和所述超声纵波接收探头均为所述超声纵波可变角探头；

所述超声纵波可变角探头为若干对不同频率的长方体型可变角探头。

作为上述方案的改进，所述加压装置向待测环氧试块的两端加载应力，包括：所述加压装置按预设的应力梯度，向所述待测环氧试块增大压力压强。

作为上述方案的改进，所述超声脉冲发生器向所述待测环氧试块发射临界折射纵波，所述临界折射纵波的传播方向平行于所述加压装置施加的应力作用方向。

作为上述方案的改进，所述处理器还用于将所述待测环氧试块次表面应力压强与临界折射纵波固定传播距离内的传播时间进行数据拟合，并绘制次表面应力-临界折射纵波传播时间拟合曲线。

作为上述方案的改进，所述根据所述波形信号计算所述待测环氧试块的声弹性系数，具体包括：

根据下式计算所述声弹性系数：

式中，K为声弹性系数；T₀为临界折射纵波在待测环氧试块零应力下传播参考时间，单位为μs；dσ为应力变化量，表示加载应力下应力σ与零应力σ₀之差，单位MPa；dT为传播时间变化量，表示加载应力下传播时间T与零应力下传播参考时间T₀差值，单位为μs；E为待测环氧试块的弹性模量。

作为上述方案的改进，所述根据所述声弹性系数得到所述待测环氧试块次表面应力的压强，具体包括：

根据下式计算加载不同应力时，所述待测环氧试块次表面应力的压强：

其中，σ_c为待测环氧试块次表面应力的压强，单位MPa；K为声弹性系数；E为弹性模量，已知环氧试块的弹性模量为12.25GPa；T为临界折射纵波在加载应力的待测环氧试块中的传播时间，单位μs；T₀为临界折射纵波在试块零应力下传播参考时间，单位μs；σ₀为环氧试块未施加外部应力时的初始应力压强，单位MPa。

作为上述方案的改进，还包括：根据所述超声纵波发射探头的频率，通过下式获得所述超声纵波发射探头的频率对应的待测环氧试块次表面应力深度；

D＝V×f^-0.92

式中，D为超声临界折射纵波检测的待测环氧试块次表面应力深度，V为待测环氧试块内的超声声速，f为超声纵波发射探头的频率；

计算所述超声纵波发射探头的不同频率对应的待测环氧试块次表面应力深度，并根得到所述待测环氧试块次表面应力深度不同时，所述待测环氧试块次表面应力的压强。

本发明实施例提供的一种环氧试块的次表面应力检测系统，具有如下有益效果：

根据固定传播距离内超声临界折射纵波传播时间与应力呈线性关系的声弹性系数公式，完成超声临界折射纵波固定传播距离内传播时间与次表面应力的曲线拟合，得到声弹性系数；通过根据波形获取超声临界折射纵波传播时间，计算得到待测GIS环氧试块次表面应力。利用超声临界折射纵波声速，能够快速、无损地检测到GIS环氧试块的次表面应力压强值，从而实现能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测，得到不同应力条件和不同次表面深度下的应力压强值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种环氧试块的次表面应力检测系统的结构示意图。

图2是本发明一具体实施方式提供的超声波传播方向和应力方向示意图。

图3是本发明一具体实施方式提供的环氧试块的次表面应力检测系统的结构示意图。

图4是本发明一具体实施方式提供的次表面应力-临界折射纵波传播时间拟合曲线示意图。

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作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，是本发明实施例提供的一种环氧试块的次表面应力检测系统的结构示意图，包括：超声脉冲发生器1、超声纵波发射探头2、超声脉冲接收器3、超声纵波接收探头4、示波器5、加压装置6和处理器7；

超声纵波发射探头2的输出端和超声纵波接收探头4的输入端分别连接待测环氧试块的两端；加压装置6向待测环氧试块的两端加载应力；

超声脉冲发生器1的输出端与超声纵波发射探头2的输入端连接，并向超声纵波发射探头2输出脉冲信号，以驱动超声纵波发射探头2向待测环氧试块发射纵向超声波；

超声脉冲接收器3的输入端与超声纵波接收探头4的输出端连接；超声纵波接收探头4接收穿过待测环氧试块的纵向超声波，并转换为电信号输入超声脉冲接收器3；

超声脉冲接收器3的输出端与加压装置6的输入端连接；加压装置6显示接收到的波形信号，并将接收到的波形信号发送至处理器7；

处理器7根据波形信号计算待测环氧试块的声弹性系数，并根据声弹性系数得到待测环氧试块次表面应力的压强。

具体地，加压装置6为微机控制万能试验机。

进一步地，超声纵波发射探头2和超声纵波接收探头4均为超声纵波可变角探头；

超声纵波可变角探头为若干对不同频率的长方体型可变角探头。

具体地，超声纵波可变角探头为3对(6个)不同频率的长方体型可变角探头，超声纵波可变角探头的入射角度调节范围为0～90°，声轴(声波传播方向的轴线)偏移角度≤2°，3对探头尺寸长16mm、宽10mm。3对探头的频率分别是2.5MHz、1.5MHz和1MHz。

进一步地，加压装置6向待测环氧试块的两端加载应力，包括：加压装置6按预设的应力梯度，向待测环氧试块增大压力压强。

进一步地，参见图2，超声脉冲发生器1向待测环氧试块发射临界折射纵波，临界折射纵波的传播方向平行于加压装置6施加的应力作用方向。

进一步地，处理器7还用于将待测环氧试块次表面应力压强与临界折射纵波固定传播距离内的传播时间进行数据拟合，并绘制次表面应力-临界折射纵波传播时间拟合曲线。

在一具体的实施方式中，参见图3，首先使用一对探头(如频率为2.5MHz的探头)，将探头固定在待测环氧试块次上，两个探头平行放置且在同一中心线上，两个探头距离设置为3mm；开启待测环氧试块次表面应力超声检测系统，微机控制万能试验机对环氧试块按应力梯度施加压缩应力，记录相应的应力压强值以及临界折射纵波通过环氧试块次表面的波形图；通过实验确定好最佳固定声程，固定好两探头使他们之间的距离为固定声程；根据记录的波形图计算超声波发射与接收之间的声时差，得到对应每次应力加载的临界折射纵波在待测环氧试块次表面固定声程的传播时间；绘制如图4所示的次表面应力-临界折射纵波传播时间拟合曲线，计算环氧试块声弹性系数；优选地，待测环氧试块为长350mm、宽35mm、高18mm的长方体。

具体地，微机控制万能试验机对环氧试块按应力梯度施加压缩应力，是指按5MPa的应力梯度增量增大环氧试块的压力压强，增大到50MPa时停止。超声脉冲发生器1和超声脉冲接收器3搭载于超声仪中，处理器7搭载于计算机中。

具体地，采用水作为两个超声探头和环氧试块接触的耦合剂。

需要说明的是，两个探头固定在环氧试块上是指，两个可变角超声纵波探头用高粘性双面胶带粘贴在同一木板上固定其距离为3cm。

进一步地，根据波形信号计算待测环氧试块的声弹性系数，具体包括：

根据下式计算声弹性系数：

式中，K为声弹性系数；T₀为临界折射纵波在待测环氧试块零应力下传播参考时间，单位为μs；dσ为应力变化量，表示加载应力下应力σ与零应力σ₀之差，单位MPa；dT为传播时间变化量，表示加载应力下传播时间T与零应力下传播参考时间T₀差值，单位为μs；E为待测环氧试块的弹性模量。

具体地，已知GIS环氧试块的弹性模量为12.25GPa。

进一步地，根据声弹性系数得到待测环氧试块次表面应力的压强，具体包括：

根据下式计算加载不同应力时，待测环氧试块次表面应力的压强：

其中，σ_c为待测环氧试块次表面应力的压强，单位MPa；K为声弹性系数；E为弹性模量，已知环氧试块的弹性模量为12.25GPa；T为临界折射纵波在加载应力的待测环氧试块中的传播时间，单位μs；T₀为临界折射纵波在试块零应力下传播参考时间，单位μs；σ₀为环氧试块未施加外部应力时的初始应力压强，单位MPa。

进一步地，还包括：根据超声纵波发射探头2的频率，通过下式获得超声纵波发射探头2的频率对应的待测环氧试块次表面应力深度；

D＝V×f^-0.92

式中，D为超声临界折射纵波检测的待测环氧试块次表面应力深度，V为待测环氧试块内的超声声速，f为超声纵波发射探头2的频率；

计算超声纵波发射探头2的不同频率对应的待测环氧试块次表面应力深度，并根得到待测环氧试块次表面应力深度不同时，待测环氧试块次表面应力的压强。

具体来说，先采用2.5MHz的探头，计算此时的次表面深度的应力压强值；再更换探头频率，更换为1.5MHz探头，得到探头频率为1.5MHz时，对应的待测环氧试块次表面深度的应力压强值。即不同探头频率，超声临界折射纵波检测次表面应力深度不一样，更换不同频率的探头，就可以得到不同次表面深度的应力压强值。

本发明实施例提供的一种环氧试块的次表面应力检测系统、装置及存储介质，具有如下有益效果：

根据固定传播距离内超声临界折射纵波传播时间与应力呈线性关系的声弹性系数公式，完成超声临界折射纵波固定传播距离内传播时间与次表面应力的曲线拟合，得到声弹性系数；通过根据波形获取超声临界折射纵波传播时间，计算得到待测GIS环氧试块次表面应力。利用超声临界折射纵波声速，能够快速、无损地检测到GIS环氧试块的次表面应力压强值，从而实现能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测，得到不同应力条件和不同次表面深度下的应力压强值。

另外，所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述环氧试块的次表面应力检测系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个环氧试块的次表面应力检测系统的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述环氧试块的次表面应力检测系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述环氧试块的次表面应力检测系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，包括：超声脉冲发生器、超声纵波发射探头、超声脉冲接收器、超声纵波接收探头、示波器、加压装置和处理器；

所述超声纵波发射探头的输出端和所述所述超声纵波接收探头的输入端分别连接待测环氧试块的两端；所述加压装置向待测环氧试块的两端加载应力；

所述超声脉冲发生器的输出端与所述超声纵波发射探头的输入端连接，并向所述超声纵波发射探头输出脉冲信号，以驱动所述超声纵波发射探头向所述待测环氧试块发射纵向超声波；

所述超声脉冲接收器的输入端与所述超声纵波接收探头的输出端连接；所述超声纵波接收探头接收穿过所述待测环氧试块的纵向超声波，并转换为电信号输入所述超声脉冲接收器；

所述超声脉冲接收器的输出端与所述示波器的输入端连接；所述示波器显示接收到的波形信号，并将接收到的波形信号发送至所述处理器；

所述处理器根据所述波形信号计算所述待测环氧试块的声弹性系数，并根据所述声弹性系数得到所述待测环氧试块次表面应力的压强。

2.如权利要求1所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，所述超声纵波发射探头和所述超声纵波接收探头均为所述超声纵波可变角探头；

所述超声纵波可变角探头为若干对不同频率的长方体型可变角探头。

3.如权利要求1所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，所述加压装置向待测环氧试块的两端加载应力，包括：所述加压装置按预设的应力梯度，向所述待测环氧试块增大压力压强。

4.如权利要求1所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，所述超声脉冲发生器向所述待测环氧试块发射临界折射纵波，所述临界折射纵波的传播方向平行于所述加压装置施加的应力作用方向。

5.如权利要求4所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，所述处理器还用于将所述待测环氧试块次表面应力压强与临界折射纵波固定传播距离内的传播时间进行数据拟合，并绘制次表面应力-临界折射纵波传播时间拟合曲线。

6.如权利要求5所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，所述根据所述波形信号计算所述待测环氧试块的声弹性系数，具体包括：

根据下式计算所述声弹性系数：

式中，K为声弹性系数；T₀为临界折射纵波在待测环氧试块零应力下传播参考时间，单位为μs；dσ为应力变化量，表示加载应力下应力σ与零应力σ₀之差，单位MPa；dT为传播时间变化量，表示加载应力下传播时间T与零应力下传播参考时间T₀差值，单位为μs；E为待测环氧试块的弹性模量。

7.如权利要求6所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，所述根据所述声弹性系数得到所述待测环氧试块次表面应力的压强，具体包括：

根据下式计算加载不同应力时，所述待测环氧试块次表面应力的压强：

其中，σ_c为待测环氧试块次表面应力的压强，单位MPa；K为声弹性系数；E为弹性模量，已知环氧试块的弹性模量为12.25GPa；T为临界折射纵波在加载应力的待测环氧试块中的传播时间，单位μs；T₀为临界折射纵波在试块零应力下传播参考时间，单位μs；σ₀为环氧试块未施加外部应力时的初始应力压强，单位MPa。

8.如权利要求6所述的一种环氧试块的次表面应力检测系统，其特征在于，还包括：根据所述超声纵波发射探头的频率，通过下式获得所述超声纵波发射探头的频率对应的待测环氧试块次表面应力深度；

D＝V×f^-0.92

式中，D为超声临界折射纵波检测的待测环氧试块次表面应力深度，V为待测环氧试块内的超声声速，f为超声纵波发射探头的频率；

计算所述超声纵波发射探头的不同频率对应的待测环氧试块次表面应力深度，并根得到所述待测环氧试块次表面应力深度不同时，所述待测环氧试块次表面应力的压强。

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