CN113916989A - 一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声波技术领域，公开了一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法包括：通过超声波收发模块产生超声波作用于被测物体并接收反射回波；通过数据采集模块将超声回波模拟信号转换成数字信号；通过机械扫描模块自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描；在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；通过信号处理模块利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，并生成二维图像。本发明能使高性能环氧绝缘件内部缺陷检测流程简化，提前检测出不合格的绝缘件，避免绝缘发生击穿，保证了电网的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于超声波技术领域，尤其涉及一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统。
背景技术
目前，绝缘件是高压开关设备中的薄弱环节，尤其是高性能环氧绝缘件在设备中运用较多，其性能将直接决定开关设备的绝缘性能及运行可靠性。对高压开关设备而言，其电压等级的提高主要取决于高性能环氧绝缘件的性能，而其性能主要由其内部有无微小气泡及裂纹缺陷所决定。电力设备中的绝缘材料在运行中遭受到电场、热场、机械应力等的作用，内部容易产生气隙或裂纹等微观缺陷，使其绝缘性能逐渐下降，最终导致绝缘发生击穿。电力设备一旦发生故障，就有可能危及电网的安全，造成重大经济损失。因此，电力设备的绝缘状态检测显得尤为重要。近年来，对于电力设备绝缘状态检测的研究主要集中在传统电气参数的测量，如介电常数、介质损耗、击穿电压等，这些电气参数能够在一定程度上反映材料的整体劣化程度、缺陷量等，但对于缺陷的位置及绝缘的损伤程度尚不能给出令人满意的结论。相比传统的各种电气参数检测方法，超声检测方法具有设备简单、操作方便、检测结果受其他缺陷干扰小、无破坏性等显著优点，因而在绝缘材料内部缺陷的检测方面具有广阔的应用前景。
超声检测方法在电力设备中的应用可追溯到20世纪90年代，A McGrail等将医用的超声探头用于绝缘材料的检测，从而验证了绝缘材料超声检测的可行性。此后超声检测法被广泛应用于各种电力设备中，D W Auckland等利用低频超声直探头对套管中的分层缺陷进行检测，同时还能检测电缆中的水树枝及瓷绝缘子中的裂纹。P Walter等研究了聚焦探头发出的超声波在材料中的传播特性，并将这种方法用于电树枝形态的检测。J KNelson等深入研究了低频超声法检测发电机定子线棒主绝缘缺陷的方法。国内在绝缘材料内部缺陷超声检测方面也进行了大量的研究，取得了很多实用性的成果。虽然该领域的研究与应用已经取得了一定的进展，然而对于绝缘材料内部典型缺陷基本形态及超声频谱特性的研究还不够深入，材料内部缺陷的检测方法还不够完善，检测精度也较低，目前仍停留在定性检测阶段，无法对不同形态的缺陷进行准确识别。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统的对于电力设备绝缘状态检测的研究主要集中在传统电气参数的测量，如介电常数、介质损耗、击穿电压等，但对于缺陷的位置及绝缘的损伤程度尚不能给出令人满意的结论。
(2)现有超声检测方法对于绝缘材料内部典型缺陷基本形态及超声频谱特性的研究还不够深入，材料内部缺陷的检测方法还不够完善，检测精度也较低，目前仍停留在定性检测阶段，无法对不同形态的缺陷进行准确识别。
(3)现有时域检测方法对于表面、缺陷和底面超声波反射信号存在严重叠加问题，同时还存在特征参量提取和分析困难，不能够检测微小气孔和裂纹缺陷的问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：超声检测缺陷的尺寸及形态还处于定性阶段；无法根据材料性质及环境噪音选择合适分辨力，检测精度低；反射信号叠加并夹杂环境噪音，对于缺陷信号处理优化方法不完善。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明可形成检测高性能环氧绝缘件质量的解决方案，能够快速、有效的检测出高性能环氧绝缘件的内部气泡及裂纹等微小缺陷，解决目前无法准确判断高性能环氧绝缘件质量及后期维护的问题。为后续高性能环氧绝缘件内部微小缺陷检测标准化奠定基础。发明成果可提升高性能环氧绝缘件检测技术水平，简化检测流程，支撑超声无损检测相关设备的研发，并产生显著的社会、经济效益。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统，尤其涉及一种基于超声波技术的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统。
本发明是这样实现的，一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法包括以下步骤：
步骤一，通过超声波收发模块产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波；
步骤二，通过数据采集模块将超声回波模拟信号转换成数字信号；
步骤三，通过机械扫描模块自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描；
步骤四，在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；
步骤五，通过信号处理模块利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，并生成二维图像。
各个步骤的积极作用：步骤一中超声波收发模块使声发射和声接收同时进行，能够提升检测效率；步骤二数据采集模块将模拟信号转化为计算机更易保存识别分析的数据信号方便处理；步骤三四通过控制改变扫描步长来匹配需要的检测范围，获取更多缺陷信号数据提升缺陷分辨率；步骤五利用软件处理分析缺陷及正常区域信号数据，以增加缺陷图像边缘分辨率，使得二维缺陷图像尺寸更精确。
进一步，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括：
利用聚焦脉冲回波法，用超声波探伤仪搭建高性能环氧绝缘件内部缺陷的超声检测系统；通过异质界面反射波干涉效应对高性能环氧绝缘件的时域信号进行功率谱分析并进行归一化处理，实现高性能环氧绝缘件内部缺陷的测量。
进一步，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括：
首先采用不同中心频率的探头进行试验，确定不同的频率与高性能环氧绝缘件厚度关系以及材料声阻抗对超声波频率的影响；利用超声波混叠信号干涉规律，通过试验获得不同频率超声波在高性能环氧绝缘件中的传播特性，进行新环氧绝缘件内部无损检测；其次利用脉冲回波法，根据反射的回波信号开展电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测，分析检测出高性能环氧绝缘件内部是否存在气泡缺陷、裂纹缺陷以及定量缺陷位置大小。
进一步，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括：
首先，检测在待测绝缘材料中的超声波速度，根据高性能环氧绝缘件的声衰减选择合适的耦合剂，改善探头与试样之间声能的传递而涂抹在探头和检测面之间的液体薄层，用于排除探头与被测试样之间的空气，使超声波能够有效地穿透试样从而达到检测的目的。
然后，固定换能器于XY轴滚珠丝杆定位装置上调节好探头与试样的位置使之能在耦合剂润滑的作用下能匀速滑动并不损伤试样表面，通过软件调节定位装置合适的扫描步长。
其次，通过超声波收发装置调节合适的频率对高性能环氧绝缘件发出激励，并同时接收反射回波，将反射回波的幅值及相位变化数据传回计算机进行分析，处理出幅值相位变化明显的数据，并进行滤波计算，得到缺陷信号数据。
最后通过计算机软件，将正常位置数据与存在缺陷位置数据汇总处理得出直观二维缺陷分布图像，并计算出缺陷位置及其尺寸。
进一步，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括将未经过噪声处理与经过噪声处理后的波形进行对比，包括：
(1)电噪声的数学模型，电噪声是一种连续型随机变量，用统计特征量来表征，所述电噪声的数学模型为：
式中，p(n)为概率分布密度，采用信号平均技术消除噪声。
(2)迭加算法的实现，仪器实际收到的信号可以分解为正常回波信号和干扰噪声两部分；设n次连续测量中仪器收到不含噪声的正常回波信号为Uk(t),k＝1,2,3,…,no，进行同步迭加，即按对应时间进行相加：
式中，Uo(t)为迭加处理后的回波信号，Uk(t)为单次测量的正常回波信号，k为迭加次数，T为触发周期。
(3)将噪声看成是平稳的随机信号，数学期望为：
E(p(x))＝0；
随着迭加次数的增加，由于噪声信号的幅度正负成对称分布，所以迭加过程中噪声的幅度正负相消，迭加后随着次数k的增加，迭加后的噪声值接近零。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统，包括超声波收发模块、数据采集模块、机械扫描模块和信号处理模块。
其中，所述超声波收发模块，用于产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波；
所述数据采集模块，用于将超声回波模拟信号转换成数字信号；
所述机械扫描模块，用于自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描，在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；
所述信号处理模块，用于利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，生成二维图像。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置由便携式超声波探伤仪、数据连接线、多通道采集卡、超声波探头、耦合剂、高性能环氧绝缘件试块、定位装置以及计算机组成。
其中，所述便携式超声波探伤仪选用的是超声波脉冲发射器USB-UT350，超声波探头选用奥林巴斯的DHC785双晶探头，频率为5MHz，此探头在同一个外壳中装有由隔音屏障分开的两个晶片，一个晶片发射纵波，另一个晶片作为接收器接收声波；所述试验耦合剂为医用级水性高分子凝胶，高性能环氧绝缘件试块为自制含气孔缺陷标准试块，第一和第二级台阶的高度分别为30mm和60mm，在台阶的上表面分别浇注有直径5.0mm、4.0mm、3.0mm、2.0mm、1.0mm、0.5mm 6个气孔，气孔的深度分别与各自的直径相等。
进一步，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置，还包括：
利用数据连接线将便携式超声波探伤仪和多通道采集卡连接，另一端通过数据连接线与计算机之间连接，多通道采集卡的另一端通过数据连接线与计算机连接，将耦合剂涂抹到环高性能环氧绝缘件试块的待检测部位，利用超声波探头对高性能环氧绝缘件试块上涂抹耦合剂的部位进行气孔损伤检测；采用脉冲回波法进行气孔缺陷检测，超声波探头的发射信号和接收信号通过多通道采集卡传送到计算机进行波形记录。
进行高性能环氧绝缘件试块0.5mm气孔缺陷进行测量：利用超声波脉冲发射器USB-UT350超声波探头进行激励；在环氧浇注绝缘件试块的20mm厚度处0.5mm气孔缺陷位置处，用计算机分别记录下始发脉冲和试块下底面超声波反射信号，经多通道采集卡将波形数据传输到计算机上进行分析，测量出始发脉冲和试块下底面超声波反射信号之间的时间间隔，并根据超声波在高性能环氧树脂绝缘材料中的声速v，计算出缺陷所处的位置。
对缺陷波形进行数据处理与分析：程序开始后，对控制面板内的所有控件初始化，再对采集卡的各项参数初始化；打开采集卡，进而启动采集卡，如果打开采集卡或者启动采集卡失败，将报错并回到初始化参数模块，否则正常运行进入空闲状态，等待控制面板的任务。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用聚焦脉冲回波法，用超声波探伤仪搭建高性能环氧绝缘件内部缺陷的超声检测系统；通过异质界面反射波干涉效应对高性能环氧绝缘件的时域信号进行功率谱分析并进行归一化处理，实现高性能环氧绝缘件内部缺陷的测量。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：随着生产规模的逐渐扩大，高性能环氧绝缘件在设备中运用较多，对其可靠性提出了越来越高的要求。为避免在运行过程绝缘材料失效，提升运行稳定性，开发电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统显得非常迫切。本项目能够对已投入运行或未投入运行的高性能环氧绝缘件内部缺陷进行检测及质量评估，工作人员只需通过后台信息一体化平台专家软件就能清楚的了解涂层内部缺陷及脱粘情况，可以起到提前发现隐患、消除隐患，发现异常、排除异常的重要作用，可有效遏制事故的发生。同时，也提高了工作人员的检修效率，节省大量的人力、物力、财力。本发明的成功研发将解决设备绝缘配合失效故障隐患，解决供电安全性与设备老化之间的矛盾。随着产品的逐步产业化，也必将产生巨大的经济效益。
本发明提供的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，利用聚焦脉冲回波法，用超声波探伤仪搭建高性能环氧绝缘件内部缺陷的超声检测系统；通过异质界面反射波干涉效应对高性能环氧绝缘件的时域信号进行功率谱分析并进行归一化处理，实现高性能环氧绝缘件内部缺陷的测量。本发明通过试验获得不同频率超声波在高性能环氧绝缘件内部的传播特性，进行内部缺陷的无损检测；最后基于脉冲回波法，在获得不同高性能环氧绝缘件内部缺陷上下反射回波的基础上，结合数理统计法与当量法，掌握高性能环氧绝缘件内部缺陷参数(位置、类型、尺寸等)与超声波波形间的对应关系。同时，本发明形成了一整套的高性能环氧绝缘件内部缺陷的检测方法，开展高性能环氧绝缘件内部缺陷内部微小气泡及裂纹缺陷检测。
本发明通过超声无损检测技术，使用硬件与软件结合的方法对缺陷波形数据进行处理分析，最后对微小缺陷进行识别判定。本发明利用超声波混叠信号干涉规律，开展电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测，分析检测出高性能环氧绝缘件内部是否存在气泡缺陷、裂纹缺陷以及定量缺陷位置大小，解决了时域检测方法对于表面、缺陷和底面超声波反射信号存在严重叠加问题，同时解决了特征参量提取和分析困难，不能够检测微小气孔和裂纹缺陷的问题。
本发明针对电力系统高性能环氧绝缘件内部存在缺陷问题，根据目前超声波无损检测技术具有较强的穿透能力、较高的检测精度、不会对样品产生损伤以及使用便捷等特点开展电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷超声检测，能使目前对高性能环氧绝缘件内部缺陷检测流程简化，检测精度优化，提前检测出不合格的绝缘件，避免绝缘发生击穿，保证电网的安全稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统结构框图；
图中：1、超声波收发模块；2、数据采集模块；3、机械扫描模块；4、信号处理模块。
图3是本发明实施例提供的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置示意图。
图4是本发明实施例提供的超声波在异介质中的传播示意图。
图5是本发明实施例提供的脉冲回波法示意图。
图6是本发明实施例提供的检测系统检测尺寸0.5mm气孔缺陷时域图基示意图。
图7是本发明实施例提供的超声波无损检测系统软件进行数据处理分析的流程图。
图8是本发明实施例提供的超声检测系统未经过噪声处理与经过噪声处理后的波形对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法包括以下步骤：
S101，通过超声波收发模块产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波；
S102，通过数据采集模块将超声回波模拟信号转换成数字信号；
S103，通过机械扫描模块自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描；
S104，在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；
S105，通过信号处理模块利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，并生成二维图像。
如图2所示，本发明实施例提供的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统包括：
超声波收发模块1，用于产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波；
数据采集模块2，用于将超声回波模拟信号转换成数字信号；
机械扫描模块3，用于自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描，在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；
信号处理模块4，用于利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，生成二维图像。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
本发明实施例提供的基于超声波技术的电力系统高性能环氧绝缘件表面微裂纹检测方法，当高性能环氧绝缘件表面有微裂纹甚至裂纹延展至材料内部时，其特征及步骤如下：
采用斜楔双探头一收一发模式，当发射探头发射声波在试样表面下传播至裂纹处时遇到环氧-空气界面，部分声波沿原路返回，部分声波继续沿直线传播至接收探头，表现为接收波。由于裂纹处有部分声波反射，接收探头获得的声波能量减小，表现为接收波幅值减小。
检测系统的工作原理为:超声波脉冲仪产生的脉冲信号到达扫描电路和发射电路，扫描电路工作使示波器电子束在水平方向上偏转，屏幕上显示为水平扫描线；发射电路工作使探头内压电晶片振动，产生的超声纵波在试样中传播，遇试样底部或缺陷处的环氧-空气界面后发生反射，晶片接收后转换为电信号，返回超声仪使电子束在垂直方向上偏转。两者同时作用，在示波器中观察到最终波形，计算机进行最后的数据处理整合。
实施例1
本发明实施例提供的基于超声波技术的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，其特征及步骤如下：
(1)反射波波形分析
a)如图4所示高性能环氧绝缘件介质中不同界面的超声回波相互叠加，无法直接读取对应界面回波的时间延迟，需要通过异质界面反射波干涉效应对样品的时域信号进行功率谱分析并进行归一化处理，实现内部缺陷的测量。
b)脉冲回波法受材料声衰减和表面粗糙度的影响很大，且当待测介质厚度小于两倍波长时，介质上下表面的反射回波就会混迭在一起，不易分辨。利用水浸脉冲回波法解决声衰减与表面粗糙度的影响。
c)在已知环氧绝缘材料声速v的条件下根据超声波的干涉规律对信号进行功率谱分析，通过计算功率谱曲线相邻极值间的频率间隔Δf，将声速和频率间隔带入关系式，可求出缺陷所在厚度位置。
(2)高性能环氧绝缘件内部缺陷超声波无损检测研究
a)实际情况中，介质特性具有非线性，各处的声压与密度之间呈非线性，在复合材料中还存在着各向异性的问题。
b)超声探伤信号可被看作是一系列不同时刻到达的不同成分的信号的叠加，它们在时域和频域上是很混乱的，通过调整探头中心频率分辨缺陷回波。
c)超声波是具有典型突变信号性质，单纯的时间域和频率域分析都不能表征其时频局部特性。因此在超声波数字信号处理中引入时频分析手段，提取超声检测信号在时频相平面的特征。
d)采用水浸脉冲回波法或使用耦合剂以减少超声波在材料表面及内部由于声阻抗而产生的衰减，采用水浸或涂抹耦合剂聚焦声能，提高检测能力。
e)超声波在室温硫化硅橡胶中有着较高的衰减系数，且在现场会产生噪音与回波信号重叠，优化系统准确快速分辨缺陷信号。
实施例2
本发明的目的是提供一种基于超声波技术的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，利用超声波混叠信号干涉规律，开展电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测，分析检测出高性能环氧绝缘件内部是否存在气泡缺陷、裂纹缺陷以及定量缺陷位置大小，解决时域检测方法对于表面、缺陷和底面超声波反射信号存在严重叠加问题，解决特征参量提取和分析困难，不能够检测微小气孔和裂纹缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于超声波技术的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，包括超声波收发模块、数据采集模块、机械扫描模块和信号处理模块四个部分。其中超声波收发模块是产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波。数据采集模块的功能是将超声回波模拟信号转换成数字信号。机械扫描模块是自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，可以使探头沿指定的路径扫描，在预定的空间点发射超声波，然后接收反射波信号，并且可以控制扫描步长直至完全重构内部缺陷。信号处理模块的功能是利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，生成二维图像。
本发明的另一技术方案是，一种具体按照以下步骤实施：
首先采用不同中心频率的探头进行试验，研究不同的频率与高性能环氧绝缘件厚度关系以及材料声阻抗对超声波频率的影响，通过试验获得不同频率超声波在高性能环氧绝缘件中的传播特性，进行新环氧绝缘件内部无损检测；其次利用脉冲回波法如图5所示，根据反射的回波信号开展高性能环氧绝缘件内部气泡裂纹缺陷等检测。
本发明针对电力系统高性能环氧绝缘件内部存在缺陷问题，根据目前超声波无损检测技术具有较强的穿透能力、较高的检测精度、不会对样品产生损伤以及使用便捷等特点开展电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷超声检测，能使目前对高性能环氧绝缘件内部缺陷检测流程简化，检测精度优化，提前检测出不合格的绝缘件，避免绝缘发生击穿，保证电网的安全稳定运行。
实施例3
如图3所示为超声波检测系统的一种示意图，包括计算机，超声波发射器、超声波接收器、xy轴滚珠丝杆定位装置、换能器、耦合剂及高性能环氧绝缘件。定位装置带动探头在试样表面进行Z字扫查，信号经由超声收发装置传至PC，计算机软件对原始信号进行处理分析计算出缺陷尺寸、位置并生成二维缺陷直观图至软件界面。
本发明实施例提供的基于超声波技术的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，步骤如下：
首先，检测在待测绝缘材料中的超声波速度，根据高性能环氧绝缘件的声衰减选择合适的耦合剂，改善探头与试样之间声能的传递而涂抹在探头和检测面之间的液体薄层，用来排除探头与被测试样之间的空气，使超声波能够有效地穿透试样从而达到检测的目的。耦合剂同时有润滑作用，可减少探头和试样之间的摩擦，防止试样表面磨损探头，便于探头的移动。
然后，固定换能器于XY轴滚珠丝杆定位装置上调节好探头与试样的位置使之能在耦合剂润滑的作用下能匀速滑动并不损伤试样表面，通过软件调节定位装置合适的扫描步长。
其次，通过超声波收发装置调节合适的频率对高性能环氧绝缘件发出激励，并同时接收反射回波，将反射回波的幅值及相位变化数据传回计算机进行分析，处理出幅值相位变化明显的数据，再进一步进行滤波计算，得到缺陷信号数据。
最后通过计算机软件，将正常位置数据与存在缺陷位置数据汇总处理得出直观二维缺陷分布图像，并计算出缺陷位置及其尺寸。
本发明搭建了检测系统，检测系统由便携式超声波探伤仪、数据连接线、多通道采集卡、超声波探头、耦合剂、高性能环氧绝缘件试块、定位装置、计算机组成。本发明中便携式超声波探伤仪选用的是超声波脉冲发射器USB-UT350，超声波探头选用奥林巴斯的DHC785双晶探头，此探头在同一个外壳中装有由隔音屏障分开的两个晶片，一个晶片发射纵波，另一个晶片作为接收器接收声波。该探头改进了近表面的分辨率，避免了高温应用所需的多延迟块，在粗糙或弯曲表面上的耦合效果好，减少了粗晶粒或易散射材料中的直接反向散射噪声，将低频单晶探头的穿透性与高频单晶探头的近表面分辨率性能结合在一起。探头的频率为5MHz，在保证分辨率的情况下具有良好的穿透性能。试验耦合剂为医用级水性高分子凝胶，高性能环氧绝缘件试块为自制含气孔缺陷标准试块。第一和第二级台阶的高度分别为30mm和60mm，在台阶的上表面分别浇注有直径5.0mm、4.0mm、3.0mm、2.0mm、1.0mm、0.5mm 6个气孔，气孔的深度分别与各自的直径相等。利用数据连接线将便携式超声波探伤仪和多通道采集卡连接，另一端通过数据连接线与计算机之间连接，多通道采集卡的另一端通过数据连接线与计算机连接，将耦合剂涂抹到环高性能环氧绝缘件试块的待检测部位，利用超声波探头对高性能环氧绝缘件试块上涂抹耦合剂的部位进行气孔损伤检测。采用脉冲回波法进行气孔缺陷检测，超声波探头的发射信号和接收信号通过多通道采集卡传送到计算机进行波形记录。
首先进行高性能环氧绝缘件试块0.5mm气孔缺陷进行测量：利用超声波脉冲发射器USB-UT350超声波探头进行激励。在环氧浇注绝缘件试块的20mm厚度处0.5mm气孔缺陷位置处，用计算机分别记录下始发脉冲和试块下底面超声波反射信号，经多通道采集卡将波形数据传输到计算机上进行分析，结果如图6所示。之后，在图6中测量出始发脉冲和试块下底面超声波反射信号之间的时间间隔为14.86us，根据超声波在高性能环氧树脂绝缘材料中的声速v，可以计算出缺陷所处的位置。
图7所示为对缺陷波形进行数据处理与分析过程，程序开始后，首先对控制面板内的所有控件初始化，再对采集卡的各项参数初始化，以防过大过小的参数对采集卡造成不必要的损伤。然后打开采集卡，进而启动采集卡，如果打开采集卡或者启动采集卡失败，将报错并回到初始化参数模块，否则正常运行进入空闲状态，等待控制面板的任务。
图8为未经过噪声处理与经过噪声处理后的波形对比，超声波检测系统中的电噪声受电子元器件本身，电路板工艺和电源的影响都较大，这类噪声的特点是幅度呈对称分布，经交流放大后直流分量为零，可认为基本属于具有各态遍布性的广义平稳随机过程，具有很宽的频率范围。
电噪声的数学模型，电噪声是一种连续型随机变量，一般用统计特征量来表征。其数学模型为：
式中p(n)为概率分布密度，常见的电噪声是白噪声，此时噪声具有平坦的功率谱密度。一般认为不同次测量得到的噪声是不相关的。消除这种噪声的有效方法就是采用信号平均技术。
迭加算法的实现，仪器实际收到的信号可以分解为正常回波信号和干扰噪声两部分。设n次连续测量中仪器收到正常回波信号(不含噪声)为Uk(t),k＝1,2,3,…,no现对其进行同步迭加，即按对应时间进行相加：
式中Uo(t)为迭加处理后的回波信号，Uk(t)为单次测量的正常回波信号，k为迭加次数，T为触发周期。
由于噪声是随机的，而且各次测量的噪声互不相关，可以看成是平稳的随机信号，其数学期望：
E(p(x))＝0
随着迭加次数的增加，由于噪声信号的幅度正负成对称分布，所以迭加过程中噪声的幅度正负相消，迭加后随着次数k的增加，迭加后的噪声值接近零。
如图6所示为在环氧浇注绝缘件试块的20mm厚度处0.5mm气孔缺陷位置处定点检测试验波形，图8为未经过信号处理夹杂环境噪音的波形与处理过后的波形示意图，在实际检测中试验选择合适的衰减及增益，使得出现完整起始波、缺陷回波及地面回波，最后通过多组数据分析汇总，由于同位置缺陷回波幅值不同，最后根据幅值大小通过软件确定缺陷的尺寸及位置。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法包括以下步骤：
步骤一，通过超声波收发模块产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波；
步骤二，通过数据采集模块将超声回波模拟信号转换成数字信号；
步骤三，通过机械扫描模块自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描；
步骤四，在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；
步骤五，通过信号处理模块利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，并生成二维图像。
2.如权利要求1所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括：
利用聚焦脉冲回波法，用超声波探伤仪搭建高性能环氧绝缘件内部缺陷的超声检测系统；通过异质界面反射波干涉效应对高性能环氧绝缘件的时域信号进行功率谱分析并进行归一化处理，实现高性能环氧绝缘件内部缺陷的测量。
3.如权利要求1所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括：
首先采用不同中心频率的探头进行试验，确定不同的频率与高性能环氧绝缘件厚度关系以及材料声阻抗对超声波频率的影响；利用超声波混叠信号干涉规律，通过试验获得不同频率超声波在高性能环氧绝缘件中的传播特性，进行新环氧绝缘件内部无损检测；其次利用脉冲回波法，根据反射的回波信号开展电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测，分析检测出高性能环氧绝缘件内部是否存在气泡缺陷、裂纹缺陷以及定量缺陷位置大小。
4.如权利要求1所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括：
首先，检测在待测绝缘材料中的超声波速度，根据高性能环氧绝缘件的声衰减选择合适的耦合剂，改善探头与试样之间声能的传递而涂抹在探头和检测面之间的液体薄层，用于排除探头与被测试样之间的空气，使超声波能够有效地穿透试样从而达到检测的目的；
然后，固定换能器于XY轴滚珠丝杆定位装置上调节好探头与试样的位置使之能在耦合剂润滑的作用下能匀速滑动并不损伤试样表面，通过软件调节定位装置合适的扫描步长；
其次，通过超声波收发装置调节合适的频率对高性能环氧绝缘件发出激励，并同时接收反射回波，将反射回波的幅值及相位变化数据传回计算机进行分析，处理出幅值相位变化明显的数据，并进行滤波计算，得到缺陷信号数据；
最后通过计算机软件，将正常位置数据与存在缺陷位置数据汇总处理得出直观二维缺陷分布图像，并计算出缺陷位置及其尺寸。
5.如权利要求1所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法，还包括将未经过噪声处理与经过噪声处理后的波形进行对比，包括：
(1)电噪声的数学模型，电噪声是一种连续型随机变量，用统计特征量来表征，所述电噪声的数学模型为：
式中，p(n)为概率分布密度，采用信号平均技术消除噪声；
(2)迭加算法的实现，仪器实际收到的信号可以分解为正常回波信号和干扰噪声两部分；设n次连续测量中仪器收到不含噪声的正常回波信号为Uk(t),k＝1,2,3,…,no，进行同步迭加，即按对应时间进行相加：
式中，Uo(t)为迭加处理后的回波信号，Uk(t)为单次测量的正常回波信号，k为迭加次数，T为触发周期；
(3)将噪声看成是平稳的随机信号，数学期望为：
E(p(x))＝0；
随着迭加次数的增加，由于噪声信号的幅度正负成对称分布，所以迭加过程中噪声的幅度正负相消，迭加后随着次数k的增加，迭加后的噪声值接近零。
6.一种实施权利要求1～5任意一项所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统，包括超声波收发模块、数据采集模块、机械扫描模块和信号处理模块；
其中，所述超声波收发模块，用于产生一定频率及脉冲宽度的超声波作用于被测物体并接收反射回波；
所述数据采集模块，用于将超声回波模拟信号转换成数字信号；
所述机械扫描模块，用于自动检测系统的基础，采用双向进步电机控制探头，使探头沿指定的路径扫描，在预定的空间点发射超声波后，接收反射波信号，并控制扫描步长直至完全重构内部缺陷；
所述信号处理模块，用于利用软件分析数据与缺陷回波的特征参数，生成二维图像。
7.一种应用如权利要求1～5任意一项所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测方法的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置由便携式超声波探伤仪、数据连接线、多通道采集卡、超声波探头、耦合剂、高性能环氧绝缘件试块、定位装置以及计算机组成；
其中，所述便携式超声波探伤仪选用的是超声波脉冲发射器USB-UT350，超声波探头选用奥林巴斯的DHC785双晶探头，频率为5MHz，此探头在同一个外壳中装有由隔音屏障分开的两个晶片，一个晶片发射纵波，另一个晶片作为接收器接收声波；所述试验耦合剂为医用级水性高分子凝胶，高性能环氧绝缘件试块为自制含气孔缺陷标准试块，第一和第二级台阶的高度分别为30mm和60mm，在台阶的上表面分别浇注有直径5.0mm、4.0mm、3.0mm、2.0mm、1.0mm、0.5mm 6个气孔，气孔的深度分别与各自的直径相等。
8.如权利要求7所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置，其特征在于，所述电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测装置，还包括：
利用数据连接线将便携式超声波探伤仪和多通道采集卡连接，另一端通过数据连接线与计算机之间连接，多通道采集卡的另一端通过数据连接线与计算机连接，将耦合剂涂抹到环高性能环氧绝缘件试块的待检测部位，利用超声波探头对高性能环氧绝缘件试块上涂抹耦合剂的部位进行气孔损伤检测；采用脉冲回波法进行气孔缺陷检测，超声波探头的发射信号和接收信号通过多通道采集卡传送到计算机进行波形记录；
进行高性能环氧绝缘件试块0.5mm气孔缺陷进行测量：利用超声波脉冲发射器USB-UT350超声波探头进行激励；在环氧浇注绝缘件试块的20mm厚度处0.5mm气孔缺陷位置处，用计算机分别记录下始发脉冲和试块下底面超声波反射信号，经多通道采集卡将波形数据传输到计算机上进行分析，测量出始发脉冲和试块下底面超声波反射信号之间的时间间隔，并根据超声波在高性能环氧树脂绝缘材料中的声速v，计算出缺陷所处的位置；
对缺陷波形进行数据处理与分析：程序开始后，对控制面板内的所有控件初始化，再对采集卡的各项参数初始化；打开采集卡，进而启动采集卡，如果打开采集卡或者启动采集卡失败，将报错并回到初始化参数模块，否则正常运行进入空闲状态，等待控制面板的任务。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用聚焦脉冲回波法，用超声波探伤仪搭建高性能环氧绝缘件内部缺陷的超声检测系统；通过异质界面反射波干涉效应对高性能环氧绝缘件的时域信号进行功率谱分析并进行归一化处理，实现高性能环氧绝缘件内部缺陷的测量。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求6所述的电力系统高性能环氧绝缘件内部缺陷检测系统。
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