CN114047253A - 一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统，本发明技术方案在环氧复合材料标准试样之间设置垫片，通过移动所述垫片，获取超声纵波波形变化情况，并获取超声纵波波形消失时所述垫片对应的位置，测量所述垫片的上表面与所述标准试样上表面间的距离，即可获得超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度，更换不同频率的探头后重复所述操作步骤，即可获得不同频率超声纵波的最大传播深度；检测系统包括：发射纵波的可变角度纵波探头、接收纵波的可变角度纵波探头、探头连接线、超声脉冲发生接收仪、信号传输线、示波器。本发明技术方案能够测量出不同频率超声纵波在环氧复合材料中的传播深度，操作过程简便。

Description

一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统
技术领域
本发明涉及输变电绝缘设备无损检测领域，尤其涉及一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因可靠性高、安全性强，而广泛应用于城市高电压电网或地势复杂、狭小区域的电力系统中。GIS组合电器大尺寸绝缘件是GIS的关键部件，其性能优劣将直接影响GIS的可靠运行。
GIS大尺寸绝缘件由环氧复合材料浇注而成，在制造过程中，因浇注工艺质量控制不理想，其内部会产生较大残余应力，会劣化GIS大尺寸绝缘件的性能，进而对GIS的安全可靠运行产生威胁，因此，对GIS大尺寸绝缘件的残余应力进行检测对保障电网安全运行起着至关重要的作用。
超声临界折射纵波法由于指向性好、便于现场操作、可实现无损检测，适用于GIS大尺寸绝缘件残余应力的检测。在应力检测过程中，超声临界折射纵波在环氧复合材料中传播时，传播深度与其频率有关。
但是，目前还没有能直接测量出不同频率超声临界折射纵波在环氧复合材料中传播深度的检测方法，一定程度上限制了超声临界折射纵波法在GIS大尺寸绝缘件残余应力检测中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统。
本发明提供一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，具体步骤包括：
(1)将垫片放置在两个标准试样之间，所述两个标准试样夹持所述垫片，所述两个标准试样和所述垫片均为环氧复合材料；
(2)将发射纵波的可变角度纵波探头固定在其中一个标准试样表面上，将接收纵波的可变角度纵波探头对应固定在另一个标准试样相同的表面上；
(3)向下移动所述垫片，获取超声纵波波形信息，获取所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置；
(4)在所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置，获取所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面间的距离，即为所述超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度；
(5)更换不同频率探头，重复步骤(2)～(4)。
优选地，所述垫片和所述两个标准试样的浇注工艺相同。
优选地，所述将垫片放置在两个标准试样之间，所述两个标准试样夹持所述垫片，具体包括：所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面在同一高度平面。
优选地，将超声纵波发射探头和超声纵波接收探头固定在所述两个标准试样上，具体包括：利用胶带将位于同一侧的所述超声纵波发射探头和超声纵波接收探头分别固定在标准试样表面。
优选地，所述向下移动所述垫片，具体包括：所述垫片伸出所述标准试样，手动控制所述垫片伸出部分，使所述垫片在所述标准试样之间垂向缓慢移动。
更进一步地，所述获取所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面间的距离，具体包括：在所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置，测量所述垫片上表面与所述两个标准试样的上表面间的距离，即为对应于所述超声纵波探头频率的超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度。
更进一步地，超声纵波探头与所述两个标准试样之间、所述两个标准试样与所述垫片之间均涂抹耦合剂。
一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法的系统，包括：
发射纵波的可变角度纵波探头、接收纵波的可变角度纵波探头、探头连接线、超声脉冲发生接收仪、信号传输线、示波器；
所述探头连接线的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；将另一个探头连接线的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的接收端连接；将所述信号传输线的一端与所述超声脉冲发生接收仪的同步端连接，另一端与所述示波器连接。
更进一步地，还包括计算机，用于获取超声纵波波形数据信息，进行数据处理，准确获取波形消失时刻。
更进一步优选地，所述发射纵波的可变角度纵波探头和接收纵波的可变角度纵波探头属于纵波压电型接触式探头，采用矩形复合材料压电晶片，探头底面为平面矩形，探头设计为窄条状，纵波发射的角度可在0°至90°间调节；
更进一步优选地，所述超声脉冲发生接收仪为负方波激励、方波幅度及宽度可调的具有低噪声响应、增益可调的脉冲发生接收器；
更进一步优选地，所述示波器为带宽100MHz、最大采样率达2.5GS/s、高输入阻抗的四通道高性能数字存储示波器；
更进一步优选地，所述探头连接线为匹配所述超声脉冲发生接收仪与所述发射纵波或接收纵波的可变角度纵波超声探头的信号线；
更进一步优选地，所述信号传输线为杂散电感小于1mH、电阻小于5mΩ的传输线。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统，本发明技术方案在环氧复合材料标准试样之间设置垫片，通过移动所述垫片，获取超声纵波波形变化情况，并获取超声纵波波形消失时所述垫片对应的位置，测量所述垫片的上表面与所述标准试样上表面间的距离，即可获得超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度，更换不同频率的探头后重复所述操作步骤，即可获得不同频率超声纵波的最大传播深度，操作过程简便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明具体实施方式提供的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法的流程示意图；
图2为本发明具体实施方式提供的一种实施测量不同频率超声纵波在环氧复合材料中传播深度方法的系统示意图；
附图标记说明：超声脉冲发生接收仪1，示波器2，发射纵波的可变角度纵波探头3、接收纵波的可变角度纵波探头4，信号传输线5，标准试样A6，垫片7，标准试样B8，探头连接线9，计算机10。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部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申请的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明实施例提供了一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统，具体请参阅图1至图2。
本实施例中的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，具体步骤包括：
(1)将垫片放置在两个标准试样之间，所述两个标准试样夹持所述垫片，所述两个标准试样和所述垫片均为环氧复合材料；
(2)将发射纵波的可变角度纵波探头固定在其中一个标准试样表面上，将接收纵波的可变角度纵波探头对应固定在另一个标准试样相同的表面上；
(3)向下移动所述垫片，获取超声纵波波形信息，获取所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置；
(4)在所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置，获取所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面间的距离，即为所述超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度；
(5)更换不同频率探头，重复步骤(2)～(4)。
具体地，在步骤(1)中选用的所述两个标准试样和所述垫片的材料与浇注工艺均相同，根据检测GIS大尺寸绝缘件的需要，也可选用与所测GIS大尺寸绝缘件相同的材料与浇注工艺，所述两个标准试样为两组相同的长方体，每组外形尺寸长度x宽度x高度为70mm×60mm×90mm，所述垫片外形尺寸长度x宽度x高度为70mm×30mm×2mm；
具体地，在步骤(1)中，所述垫片夹放在两只超声纵波探头之间，将一个下表面水平的物体放置在标准试样A6、标准试样B8与垫片7的上表面，向上移动垫片7至无法继续向上移动，此时垫片7上端与标准试样A6和标准试样B8的上表面在同一高度平面；垫片7夹放在两个标准试样之间时，静摩擦力可保持垫片不发生位移，手动移动垫片时，垫片才会移动，所以保持垫片7与标准试样A6、标准试样B8的上表面高度一致后不需要任何动作就能保持垫片与标准试样上表面高度不变。
具体地，在步骤(2)中利用胶带将发射纵波的可变角度纵波探头3固定在标准试样A6的上表面，将接收纵波的可变角度纵波探头4相应固定在标准试样B8的上表面，根据Snell原理确定两个可变角度纵波探头的角度，所述胶带粘贴在两个标准试样的前后表面以使两只探头位于同一侧以便于超声纵波的接收，保持试验过程中两只探头在标准试样表面固定。
具体地，在步骤(3)中，可变角度纵波探头发出的纵波在探头楔块和标准试样A6表面折射，在标准试样A6中产生超声临界折射纵波，超声临界折射纵波通过垫片7从标准试样A6中传播到标准试样B8中，被标准试样B8表面的可变角度纵波探头4接收；所述垫片7两端分别伸出所述标准试样5mm，手动控制所述垫片7两端伸出部分，使所述垫片7在标准试样A6和标准试样B8之间上下缓慢移动；试验开始时，保持垫片7上端与标准试样A6、标准试样B8上表面高度一致，观察示波器上波形图形信息，同时向下移动垫片，示波器上波形随垫片移动而发生变化；当波形消失时，停止移动所述垫片，所述垫片7固定在所述波形消失时对应的位置。
具体地，在步骤(4)中由于标准试样A6、标准试样B8放在同一水平面上，所以所述两个标准试样的上表面即为标准试样A6或标准试样B8的上表面；若标准试样A6高于标准试样B8水平放置，则所述两个标准试样的上表面为所述标准试样A6的上表面；本实施例中当所述垫片7固定在所述波形消失时对应的位置后，测量所述垫片7上表面与标准试样A6或标准试样B8的上表面间的距离，即为该频率超声纵波在环氧复合材料中传播的最大深度范围。
具体地，在步骤(5)中，更换不同频率的可变角度纵波探头，重复步骤(2)～(4)，完成不同频率超声纵波在环氧复合材料中传播深度的测量，即可得到不同频率超声纵波在环氧复合材料中的传播深度。
更优选的实施例中，为了增加耦合效果，两个超声纵波探头与两个标准试样之间、标准试样与垫片之间均涂抹耦合剂。
本实施例中的一种实施测量不同频率超声临界折射纵波在环氧复合材料中传播深度的方法的系统，包括：超声脉冲发生接收仪1、示波器2、发射纵波的可变角度纵波探头3、接收纵波的可变角度纵波探头4、信号传输线5、探头连接线9；
所述探头连接线9的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头3连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪1的输出端连接；将另一个探头连接线9的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头4连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪1的接收端连接；将所述信号传输线5的一端与所述超声脉冲发生接收仪1的同步端连接，另一端与所述示波器2连接。
在更优选的实施例中，还包括计算机10，通过数据传输，获取示波器2的超声纵波波形数据信息，进行数据处理，准确获取波形消失时刻。
在更优选的实施例中，所述发射纵波的可变角度纵波探头3和接收纵波的可变角度纵波探头4属于纵波压电型接触式探头，采用矩形复合材料压电晶片，探头底面为平面矩形，探头设计为窄条状，纵波发射的角度可在0°至90°间调节。
在更优选的实施例中，所述超声脉冲发生接收仪为负方波激励、方波幅度及宽度可调的具有低噪声响应、增益可调的脉冲发生接收器，其发射电路由高性能方波脉冲发生器和高压电路组成，接收电路具有低噪声和宽频带的特点，保证了超声发生、接收信号的质量。
在更优选的实施例中，所述示波器2为带宽100MHz、最大采样率达2.5GS/s、高输入阻抗的四通道高性能数字存储示波器，实时显示接收到的超声信号。
在更优选的实施例中，所述探头连接线9为匹配所述超声脉冲发生接收仪与所述发射纵波或接收纵波的可变角度纵波超声探头的信号线，具有低噪声、抗干扰能力强等特点，保证超声脉冲发生接收仪的输出电信号能够高质量地被可变角度纵波探头接收，同时，保证可变角度纵波探头接收到超声信号转换成的电信号高质量地返回到超声脉冲发生接收仪的接收端。
在更优选的实施例中，所述信号传输线5为杂散电感小于1mH、电阻小于5mΩ的传输线，缩短了高频信号在传输过程中相位延迟，保证示波器接收到的电信号与超声脉冲发生接收仪信号输出端的电信号实时同电位、同相位，极大减小了检测误差，保证了检测精度。
以上所述，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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)将垫片放置在两个标准试样之间，所述两个标准试样夹持所述垫片，所述两个标准试样和所述垫片均为环氧复合材料；
(2)将发射纵波的可变角度纵波探头固定在其中一个标准试样表面上，将接收纵波的可变角度纵波探头对应固定在另一个标准试样相同的表面上；
(3)向下移动所述垫片，获取超声纵波波形信息，获取所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置；
(4)在所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置，获取所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面间的距离，即为所述超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度；
(5)更换不同频率探头，重复步骤(2)～(4)。
2.根据权利要求1所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，其特征在于：所述垫片和所述两个标准试样的浇注工艺相同。
3.根据权利要求1所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法和系统，其特征在于，所述将垫片放置在两个标准试样之间，所述两个标准试样夹持所述垫片，具体包括：
所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面在同一高度平面。
4.根据权利要求1所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，其特征在于，将超声纵波发射探头和超声纵波接收探头固定在所述两个标准试样上，具体包括：
利用胶带将位于同一侧的所述超声纵波发射探头和超声纵波接收探头分别固定在标准试样表面。
5.根据权利要求1所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，其特征在于，所述向下移动所述垫片，具体包括：
所述垫片伸出所述标准试样，手动控制所述垫片伸出部分，使所述垫片在所述标准试样之间垂向缓慢移动。
6.根据权利要求5所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，其特征在于，所述获取所述垫片上端与所述两个标准试样的上表面间的距离，具体包括：
在所述超声纵波波形信息消失时所述垫片相应的位置，测量所述垫片上表面与所述两个标准试样的上表面间的距离，即为对应于所述超声纵波探头频率的超声纵波在环氧复合材料中的最大传播深度。
7.根据权利要求6所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法，其特征在于：超声纵波探头与所述两个标准试样之间、所述两个标准试样与所述垫片之间均涂抹耦合剂。
8.一种实现权利要求1-7中任一项所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法的系统，其特征在于，包括：
发射纵波的可变角度纵波探头、接收纵波的可变角度纵波探头、探头连接线、超声脉冲发生接收仪、信号传输线、示波器；
所述探头连接线的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；将另一个探头连接线的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的接收端连接；将所述信号传输线的一端与所述超声脉冲发生接收仪的同步端连接，另一端与所述示波器连接。
9.根据权利要求8所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法的系统，其特征在于：还包括计算机，用于获取超声纵波波形数据信息，进行数据处理，准确获取波形消失时刻。
10.根据权利要求9所述的一种测量环氧复合材料中超声纵波传播深度的方法的系统，其特征在于：所述发射纵波的可变角度纵波探头和接收纵波的可变角度纵波探头属于纵波压电型接触式探头，采用矩形复合材料压电晶片，探头底面为平面矩形，探头设计为窄条状，纵波发射的角度可在0°至90°间调节；
所述超声脉冲发生接收仪为负方波激励、方波幅度及宽度可调的具有低噪声响应、增益可调的脉冲发生接收器；
所述示波器为带宽100MHz、最大采样率达2.5GS/s、高输入阻抗的四通道高性能数字存储示波器；
所述探头连接线为匹配所述超声脉冲发生接收仪与所述发射纵波或接收纵波的可变角度纵波超声探头的信号线；
所述信号传输线为杂散电感小于1mH、电阻小于5mΩ的传输线。
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