CN112495743A - 换能器和待测接地极的缺陷检测方法 - Google Patents

换能器和待测接地极的缺陷检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种换能器和待测接地极的缺陷检测方法。其中，该换能器包括：线圈和周期性永磁体，其中，线圈位于周期性永磁体的正下方，用于在被通入交变电流后，在待测接地极中激发超声导波，其中，线圈相互无交叉、交变电流方向一致，并且位于周期性永磁体正下方的线圈方向指向超声导波的会聚焦点；周期性永磁体为极性相互交错排列，且整体向一侧开口的>结构，用于引导超声导波会聚在开口侧的会聚焦点上，其中，周期性永磁体的交错磁极按照磁极间的界面与周期性永磁体正下方的线圈垂直的方式排列。本发明实现了对待测接地极缺陷的高效、准确检测的技术效果。

Description

换能器和待测接地极的缺陷检测方法
技术领域
本发明涉及缺陷检测领域，具体而言，涉及一种换能器和待测接地极的缺陷检测方法。
背景技术
金属板材在工业生产中应用十分广泛，也是构成多种重要工业设施的重要结构。然而，这些设备中的金属板材在长期运行过程中，介质腐蚀、材料老化、地质灾害、外力冲击及意外事故等不可避免会使其产生缺陷。若未及时进行检测修复，会对这些设备的安全稳定运行造成极大的负面影响，极易导致介质泄漏，甚至引起火灾和爆炸，造成严重的环境污染、经济损失甚至人员伤亡。为了及时发现金属板材中存在的缺陷，并采取措施避免事故的发生，维护其安全稳定运行，需要按时对金属板材等结构件进行检测，这对于确保人民生命财产安全、保证正常的工业生产生活具有重大意义。
高压输电杆塔作为电能传播的载体，是实现工业化和城镇化道路上重要的一环。但是，以短路为主的各类故障时刻威胁着杆塔所处地面人员的安全，由此造成的二次安全事故也不计其数。其原因在于故障电流或雷击电流通过接地装置直接进入大地会导致局部场强的畸变，过高的跨步电压的存在会显著增加该区域的危险性。因此，一种较为实用的解决方案就是将接地装置进行改良，即采用各种形式的接地极来降低局部的电场强度，从而避免电场畸变带来的安全问题。但是在长期的使用中，由于土壤酸碱度失衡、微生物腐蚀等原因会导致接地极的损坏，无法正常工作，这将严重影响到电力系统的安全稳定运行。但是接地极一般铺设在地下一定深度的位置，无法直观地观察到其是否已经失去功能性。因此，亟需一种有效的方法对接地极可能存在的缺陷或断裂进行检测。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种换能器和待测接地极的缺陷检测方法，以至少解决难以对接地极的缺陷高效、准确地检测的的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种换能器，包括：线圈和周期性永磁体，其中，所述线圈位于所述周期性永磁体的正下方，用于在被通入交变电流后，在待测接地极中激发超声导波，其中，所述线圈相互无交叉、交变电流方向一致，并且位于所述周期性永磁体正下方的线圈方向指向所述超声导波的会聚焦点；所述周期性永磁体为极性相互交错排列，且整体向一侧开口的>结构，用于引导所述超声导波会聚在开口侧的所述会聚焦点上，其中，所述周期性永磁体的交错磁极按照磁极间的界面与所述周期性永磁体正下方的线圈垂直的方式排列。
可选地，所述换能器包括两个所述周期性永磁体，两个所述周期性永磁体的>结构开口方向相反地结合成X型结构。
可选地，所述周期性永磁体正下方的磁感线方向垂直于所述待测接地极的表面，所述线圈共心缠绕且中心为所述X型结构的中心，其中，位于所述X型结构正下方的线圈方向与正上方的周期性永磁体的边垂直。
可选地，所述周期性永磁体的>结构为圆弧状的>结构。
可选地，所述周期性永磁体的>结构为直线状的>结构。
可选地，还包括测量装置，其中，所述测量装置包括：脉冲电源发生器，脉冲电源接收器，导线，匹配电阻和示波器；其中，所述脉冲电源发生器与所述线圈连接，用于为所述线圈提供交变电流。
可选地，还包括：屏蔽罩。
可选地，还包括：绝缘材料，其中，所述绝缘材料位于所述线圈与所述待测接地极之间。
可选地，所述周期性永磁体相邻磁极的间距为所述超声导波的半波长。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种采用上述任一项所述换能器的待测接地极的缺陷检测方法，包括：将所述待测接地极平行放置于所述换能器的线圈和周期性永磁体的正下方；通过向所述换能器的线圈通入交变电流，在所述待测接地极中激发超声导波；接收所述超声导波的回波；根据所述超声导波和所述超声导波的回波，确定所述待测接地极表面的缺陷信息。
在本发明实施例中，采用线圈和周期性永磁体，通过在线圈中通入交流电，在待测接地极中激发超声导波并接收超声导波的回波，达到了确定待测接地极表面的缺陷信息的目的，从而实现了对待测接地极缺陷的高效、准确检测的技术效果，进而解决了难以对接地极的缺陷高效、准确地检测的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的换能器的结构框图；
图2是根据本发明可选实施方式提供的接地极缺陷检测装置的示意图；
图3是根据本发明可选实施方式的X型结构换能器的结构示意图；
图4是根据本发明可选实施方式提供的待测接地极的缺陷反射信号示意图；
图5是根据本发明实施例提供的待测接地极的缺陷检测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种换能器，图1是根据本发明实施例的换能器的结构框图，如图1所示，该换能器10包括：线圈12和周期性永磁体14，下面对该换能器10进行具体说明。
线圈12位于周期性永磁体14的正下方，用于在被通入交变电流后，在待测接地极中激发超声导波，其中，线圈相互无交叉、交变电流方向一致，并且位于周期性永磁体正下方的线圈方向指向超声导波的会聚焦点；
周期性永磁体14为极性相互交错排列，且整体向一侧开口的>结构，用于引导超声导波会聚在开口侧的会聚焦点上，其中，周期性永磁体的交错磁极按照磁极间的界面与周期性永磁体正下方的线圈垂直的方式排列。
在本发明实施例中，采用线圈12和周期性永磁体14，通过周期性永磁体14的极性相互交错排列，且整体向一侧开口的>结构，实现了将超声导波会聚在开口侧的会聚焦点上，达到了聚焦超声导波，提高超声导波转换效率的目的，从而实现了对待测接地极缺陷的高效、准确检测的技术效果，进而解决了难以对接地极的缺陷高效、准确地检测的技术问题。
高压输电杆塔作为电能传播的载体，为了地面人员的安全会采用扁钢板式接地极来降低局部电场强度，避免电场畸变带来的安全问题。由于扁钢板式接地极以及类似的待测接地极铺设在地下的一定深度的位置，因此对与此类金属板进行检测存在一定困难，例如难以确定待测金属板上的缺陷的位置，难以对缺陷进行精确检测等。
工业在役金属板的在线检测方法主要包括涡流检测、漏磁检测及超声检测等，但每种方法都有自身的适用范围及局限性。由于原理上的特点，涡流检测和漏磁检测难以有效检测出材料内部的微小裂纹；超声检测技术具有穿透能力强、缺陷定位准确、灵敏度高、检测速度快等优点，但常规超声体波逐点扫描的工作方式难以对大规模金属板构件进行检测，而且无法实现对各种服役环境探头无法直接接触到的金属板构件的检测。由于超声体波在金属板等波导中传播时，受波导边界束缚并经过复杂的反射、干涉及波型转换，可形成沿波导延伸方向传播的超声导波，而超声导波具有衰减小、传播距离远、声场100％覆盖构件厚度、易于调节导波模态等特点，因此，本发明实施例使用超声导波对埋在地下的待测接地极进行检测，可实现单端激励、长距离检测以及对结构和服役环境都很复杂的待测接地极的持续监测，从而能极大提高检测效率。
然而，相关技术中的传统超声导波换能器存在多种缺点，无法很好地解决技术问题。传统的超声导波换能器难以方便快捷的确定待测接地极缺陷位置，同时由于超声导波的信号能量转换效率很低，导致检测结果不精确，漏检率较高。
本实施例提供的换能器包括整体向一侧开口的>结构的周期性永磁体，可以引导超声导波会聚在开口侧的会聚焦点上，能够有效地聚焦超声波的信号能量，进而提高信号的强度与检测的精度。
作为一种可选的实施例，换能器还可以包括测量装置，其中，测量装置包括脉冲电源发生器，脉冲电源接收器，导线，匹配电阻和示波器；脉冲电源发生器与线圈连接，用于为线圈提供交变电流。匹配电阻用于稳定电路，示波器用于查看接收到的超声导波的回波，脉冲电源发生器用于为换能器提供交变电流，脉冲电源接收器用于接收已经转换为电信号的超声导波的回波。可选地，导线的截面积可以为0.5mm2-1mm2，匹配电阻的阻值为100Ω-150Ω。
作为一种可选的实施例，换能器还可以包括屏蔽罩或法拉第笼，用以屏蔽空间电磁场的干扰和环境因素的影响。
作为一种可选的实施例，换能器还可以包括绝缘材料，其中，绝缘材料位于线圈与待测接地极之间。为了防止换能器中的带电元件接触到待测接地极导致漏电，可以使用绝缘材料将带电元件和待测接地极隔开，例如，绝缘材料可以为聚酰亚胺薄膜或者其他绝缘材料。此外，还可以通过将换能器提离待测接地极的方式实现绝缘，例如，将换能器提离待测接地极1mm-2mm高度处。
作为一种可选的实施例，周期性永磁体相邻磁极的间距为超声导波的半波长。例如，X型周期性永磁体的各磁极的间距为1.6mm-3.2mm，则超声导波的半波长为1.6mm-3.2mm。若交流电的频率为1MHz，则超声导波的横波波速为3.2km/s-6.4km/s。
作为一种可选的实施例，换能器可以包括两个周期性永磁体，两个周期性永磁体的>结构开口方向相反地结合成X型结构。通过采用包括两个周期性永磁体并将两个周期性永磁体的>结构开口方向相反地结合成X型结构的方式，可以向相反的方向同时发出超声导波，扩大检测的效率，同时解决难以使用超声导波换能器确定待测接地极中缺陷位置的问题。
首先，本实施例将超声导波的能量进行聚焦是一种非常有效的检测手段，可以提高检测的精度。其次，通过将X型结构的周期性永磁体对称放置在待测接地极的中心位置，将X型周期性永磁体的两个焦点分别朝向待测接地极的两端，可以避免待测接地极边界的反射和衍射波带来的信号不对称影响，进而检测出待测接地极的缺陷的位置。需要说明的是，待测接地极表面除换能器外应当无任何其他的超声耦合介质。作为一种可选的实施方式，待测接地极可以为扁钢板式接地极，待测扁钢板式接地极厚度均匀且材料一致，待测扁钢板式接地极可以为长、宽、厚为200×100×1mm的尺寸。另外，在确定了待测接地极的缺陷位置后，还可以将换能器的任一焦点对准待测接地极的缺陷位置，对缺陷进行精确的定量检测，精准的检测出缺陷的形状、尺寸、深度等细节信息。作为一种可选的实施方式，X型周期性永磁体其每个部分的磁化强度应保持一致，例如可以为1.21T，以保证激发超声导波的能量大小符合要求。X型周期性永磁体的剩余磁通密度可以为0.8T-1.5T，X型周期性永磁体的X型边长尺寸可以为10mm-100mm。
作为一种可选的实施例，周期性永磁体正下方的磁感线方向垂直于待测接地极的表面，线圈共心缠绕且中心为X型结构的中心，其中，位于X型结构正下方的线圈方向与正上方的周期性永磁体的边垂直。
需要说明的是，根据上述实施例，换能器的线圈可以为密绕式载流导线，例如，可以是共心的跑道线圈。周期性永磁体正下方的磁感线方向垂直于待测接地极的表面，同时，周期性永磁体正下方的线圈的方向可以根据周期性永磁体的交错磁极的排布方向而确定，或者根据>结构的焦点位置选用交错磁极的排布方向符合要求的周期性永磁体，实现激发待测接地极中规则的超声导波的目的。
跑道线圈通交变电流后，会在跑道线圈的正下方的待测接地极中产生涡流，涡流在磁场中受洛伦兹力，因此涡流在正上方的周期性永磁体产生的磁场中受力，在待测接地极中激发超声导波。当周期性永磁体正下方的线圈的方向为与交错排列的磁极的界面垂直的情况下，即与周期性永磁体的边垂直的情况下，待测接地极中的涡流会在规则地交错变化的磁场中受力，产生半波长等于交错磁极中两相邻磁极中心间距的超声导波，用于对待测接地极中的缺陷进行检测。
作为一种可选的实施方式，X型周期性永磁体下方的线圈的截面积可以为0.2mm2-0.5mm2，X型跑道线圈的匝数可以为10-100，X型跑道线圈的分段长度可以为6.4mm-80mm。
作为一种可选的实施例，周期性永磁体的>结构可以为圆弧状的>结构。当周期性永磁体的>结构为圆弧状的>结构的情况下，>结构的周期性永磁体的焦点在圆心上，此时周期性永磁体下方的线圈的方向为指向焦点，即指向圆弧状>结构的圆心。
作为一种可选的实施例，周期性永磁体的>结构可以为直线状的>结构。在将两个直线状的>结构结合形成直线状的X结构的情况下，任一侧的焦点与周期性永磁体正下方的线圈方向有关。通过改变周期性永磁体正下方的线圈的位置，可以将超声导波会聚的焦点的位置由近向远调节。此外，还可以改变直线状的>结构的开口大小调节焦点的位置，例如，当将直线状的>结构的开口由60°调整为90°时，在其他条件不变的情况下，直线状>结构的焦点位置被调整为更靠外的位置。
由上述可选的实施例可知，X型周期性永磁体所处位置可以为平行于待测板表面，而且其弯折大小与聚焦点位置有关。跑道线圈的各个线圈的缠绕方向均与X型周期性永磁体的边垂直，且线圈中的电流的相位与幅值一致，相邻线圈所成角度也保持一致；例如，载流线圈的密绕方向保持一致并具有同一个激励源，载流线圈的规格一致，规格包括材料、尺寸与适用范围。
根据上述实施例及可选的实施例，本发明实施例提供一种可选的实施方式，用以实现对接地极缺陷的检测，图2是根据本发明可选实施方式提供的接地极缺陷检测装置的示意图，该装置具体包括：脉冲电源201，匹配电阻202，超声导波换能器接收端203，超声导波换能器发射端204和示波器205，其中，脉冲电源201包括脉冲电流发射端206和脉冲电流测量端207。
脉冲电源的脉冲电流发射端206通过匹配电阻202与超声导波换能器的发射端204相连，用于在待测接地极中激发超声导波。脉动电源的脉冲电流测量端207通过匹配电阻202与超声导波换能器接收端203连接，用于接收待测接地极中的超声导波的回波，并将回波送入示波器205。示波器205用于将接收到的超声导波的回波信号以电信号的形式展示出来，根据接收到的超声导波的回波信号进行分析得到被测接地极的缺陷的位置和缺陷的具体情况。此外，适用于杆塔接地极缺陷检测装置还可以包括用于接收导波信号的换能器，结构与发射端的结构相同且焦点位置一致。实施检测时，待测接地极例如扁钢板式接地极，可以被良好地固定，以避免外界振动带来的测量误差。
图3是根据本发明可选实施方式的X型结构换能器的结构示意图，如图3所示，X型结构换能器包括X型结构周期性永磁体301和线圈302，X型结构周期性永磁体301和线圈302都位于待测接地极303的正上方，待测接地极303水平放置，两个周期性永磁体开口朝向待测接地极的两端。线圈为跑道线圈，共心密绕，在周期性永磁体正下方的线圈从俯视图的角度看实际为重合的。左侧>结构周期性永磁体的焦点位置，为上下两部分线圈的延长线的会聚点。如图所示，周期性永磁体的交错磁极的界面方向可以与周期性永磁体的边平行，周期性永磁体正下方的线圈方向可以既与永磁体的边垂直，也与永磁体的磁极的界面垂直。
图4是根据本发明可选实施方式提供的待测接地极的缺陷反射信号示意图，如图4所示，通过将超声导波的回波转换为电信号，并通过示波器显示出来，可以对缺陷反射信号进行可视化。通过对缺陷反射信号的可视化处理和分析，可以实现精确检测待测接地极的缺陷信息。
实施例2
根据本发明实施例，提供了一种待测接地极的缺陷检测方法，图5是根据本发明实施例提供的待测接地极的缺陷检测方法的流程图，如图5所示，该方法包括如下步骤：
步骤S502，将待测接地极平行放置于换能器的线圈和周期性永磁体的正下方；
步骤S504，通过向换能器的线圈通入交变电流，在待测接地极中激发超声导波；
步骤S506，接收超声导波的回波；
步骤S508，根据超声导波和超声导波的回波，确定待测接地极表面的缺陷信息。
通过上述步骤，采用实施例1中的任意一种换能器，通过向换能器的线圈通入交变电流以激发待测接地极中的超声导波，接收超声导波的回波，并据此确定待测接地极表面的缺陷信息，达到了无损确定待测接地极表面的缺陷信息的目的，实现了对待测接地极缺陷的高效、准确检测的技术效果，进而解决了难以对接地极的缺陷高效、准确地检测的技术问题。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
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单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种换能器，其特征在于，包括：线圈和周期性永磁体，其中，
所述线圈位于所述周期性永磁体的正下方，用于在被通入交变电流后，在待测接地极中激发超声导波，其中，所述线圈相互无交叉、交变电流方向一致，并且位于所述周期性永磁体正下方的线圈方向指向所述超声导波的会聚焦点；
所述周期性永磁体为极性相互交错排列，且整体向一侧开口的>结构，用于引导所述超声导波会聚在开口侧的所述会聚焦点上，其中，所述周期性永磁体的交错磁极按照磁极间的界面与所述周期性永磁体正下方的线圈垂直的方式排列。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能器包括两个所述周期性永磁体，两个所述周期性永磁体的>结构开口方向相反地结合成X型结构。
3.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，所述周期性永磁体正下方的磁感线方向垂直于所述待测接地极的表面，所述线圈共心缠绕且中心为所述X型结构的中心，其中，位于所述X型结构正下方的线圈方向与正上方的周期性永磁体的边垂直。
4.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，所述周期性永磁体的>结构为圆弧状的>结构。
5.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，所述周期性永磁体的>结构为直线状的>结构。
6.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括测量装置，其中，所述测量装置包括：
脉冲电源发生器，脉冲电源接收器，导线，匹配电阻和示波器；
其中，所述脉冲电源发生器与所述线圈连接，用于为所述线圈提供交变电流。
7.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括：
屏蔽罩。
8.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括：
绝缘材料，其中，所述绝缘材料位于所述线圈与所述待测接地极之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的换能器，其特征在于，
所述周期性永磁体相邻磁极的间距为所述超声导波的半波长。
10.一种采用权利要求1至9中任一项所述的换能器的待测接地极的缺陷检测方法，其特征在于，包括：
将所述待测接地极平行放置于所述换能器的线圈和周期性永磁体的正下方；
通过向所述换能器的线圈通入交变电流，在所述待测接地极中激发超声导波；
接收所述超声导波的回波；
根据所述超声导波和所述超声导波的回波，确定所述待测接地极表面的缺陷信息。
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