CN114308600B - 用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器，其包括同轴的由内到外设置的软胶背衬、压电晶片和匹配层；所述匹配层采用多层匹配子层的结构，所述匹配层的外表面设置有保护薄膜，所述匹配层的内表面上设置有凹槽，所述压电晶片的一端嵌入所述凹槽中；所述压电晶片通过第一电极与所述软胶背衬连接，通过第二电极与所述匹配层连接。针对空气耦合超声换能器探头进行了优化设计，基于匹配层以及匹配电路的优化设计，提高了空气耦合超声换能器的可靠性、灵敏度以及声波转换效率，实现了空气耦合超声换能器在高压开关柜检测方面的灵敏度和测量精度。

Description

用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器

技术领域

本公开属于声学换能器技术领域，具体涉及一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着电力系统的快速发展，开关柜作为电力系统的重要设备，其安全稳定运行对整个电力系统至关重要。长期运行的开关柜可能会出现绝缘劣化的显现，绝缘缺陷任其发展会对绝缘造成严重损伤。用于电力系统中的开关柜数量众多，开关柜内部结构紧凑、部件众多、其布局也较为复杂；进行开关柜内部绝缘缺陷的检修时一般采用断电检修。但是，开关柜的柜体对开关柜绝缘缺陷的非接触式检测会产生一定的影响，很难检测出开关柜存在的绝缘缺陷。

据发明人了解，当开关柜内部出现绝缘缺陷时，一般采用利用非接触空气耦合超声换能器在柜体外部缝隙完成信号的接收。空气耦合超声换能器是实现声能和电能相互转化的器件，又是非接触检测系统的核心组成，空气耦合超声换能器在非接触检测系统起到至关重要的作用，换能器的好坏直接决定检测的结果。现有的检测方法对开关柜绝缘缺陷检测的灵敏度和准确度存在一定的缺陷。

目前，换能器存在的问题是空气中超声波衰减较快，空气的声阻抗与材料的声阻抗差别较大，使得空气耦合超声换能器的效率低、频带窄、脉冲余振长。为解决这些问题，需要进行空气耦合超声换能器的优化设计。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器，本公开针对空气耦合超声换能器探头进行了优化设计，基于匹配层以及匹配电路的优化设计，提高了空气耦合超声换能器的可靠性、灵敏度以及声波转换效率，实现了空气耦合超声换能器在高压开关柜检测方面的灵敏度和测量精度。

根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器，采用如下技术方案：

一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器，包括同轴的由内到外设置的软胶背衬、压电晶片和匹配层；

所述匹配层采用多层匹配子层的结构，所述匹配层的外表面设置有保护薄膜，所述匹配层的内表面上设置有凹槽，所述压电晶片的一端嵌入所述凹槽中；

所述压电晶片通过第一电极与所述软胶背衬连接，通过第二电极与所述匹配层连接。

根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，采用了第一方案中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器，采用如下技术方案：

用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，包括匹配电路、信号采集模块和空气耦合超声换能器；

超声信号通过匹配电路传输到空气耦合超声换能器中，再通过信号采集模块将实时采集到的换能器阻抗信号反馈给匹配电路；

基于电容和电感进行匹配电路的改进，匹配电路输入端的阻抗依次与第一电感、第一电容以及并联相接的第二电感和第二电容串联连接；所述并联相接的第二电感和第二电容的两端与空气耦合超声换能器等效电路相并联。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开添加了多层匹配子层的结构，降低了压电元件与空气之间的阻抗梯度，提高了能量传递的效率，进一步提高了压电换能器的灵敏度。

(2)为使压电元件和匹配层接触更加紧凑，在匹配层上设置了较浅的凹槽，以提高换能器的可控性；在匹配层的最外表面层添加了一层金属保护薄膜，可有效阻挡匹配层受到气体中杂质的磨损或者是氧化，提高换能器的使用寿命。

(3)因软胶背衬具有较好的密封性，其密度和阻抗值也比空气背衬和轻背衬小，因此采用软胶作为背衬结构，确保了空气耦合超声换能器较好的接收灵敏度。

(4)对超声换能器匹配电路进行优化设计，通过匹配电路设计是为了提高电声的转化率，改善空气耦合超声换能器的灵敏度和频率带宽特性，进而保证空气耦合超声换能器中的信号上升速度快、余振减小，实现系统有较高的测量精度和较大的量程。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例一中用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器的中间剖视图；

图2是本公开实施例一中用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器的结构图；

图3是本公开实施例一中声波的传递示意图；

图4是本公开实施例二中用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统的结构图；

图5是本公开实施例二中匹配电路的电路图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本公开实施例介绍了一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器。

为提高空气耦合超声换能器的灵敏度，本实施例介绍了一种新型的空气耦合超声换能器。在空气耦合超声换能器中，压电晶片是整个换能器的核心部件。为实现了声阻抗过渡，本实施例适当的对匹配层的数量进行设计，设计了一种四层匹配子层的空气耦合器。

如图1所示的一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器(后续简称换能器)，采用圆柱形结构，包括同轴的由内到外设置的硬质密封胶层、金属压板、软胶背衬、压电晶片和匹配层；圆柱形结构的外层设置有塑料保护内壳和金属外壳。远离压电晶片的软胶背衬的一侧连接金属压板，金属压板的另一侧连接硬质密封胶层；硬质密封胶层的中轴线处设置有与所述金属压板连接的导线；软胶背衬采用中空的环状结构。

换能器在检测系统中占据重要地位，软胶背衬主要用来吸收反方向传递的超声波，当背衬的声阻抗越大，对压电晶片所起的阻尼作用就会越大；当压电晶片受到短暂的电脉冲激励后，能够快速的停止振动，提高换能器的带宽。

在本实施例中，软胶背衬采用白色软胶制作的背衬结构。

如图3所示，匹配层的外表面设置有保护薄膜，匹配层的内表面(匹配层与压电晶片的粘接面)上设置有凹槽，压电晶片的一端嵌入凹槽中；凹槽是为了更好地实现压电晶片与匹配层的粘接，有效提高换能器的可控性。由于前端会长期暴露在环境中，很可能会受到空气中杂质的污染或色是磨损，从而影响换能器的工作。

在本实施例中，保护薄膜采用金属保护薄膜，通过匹配层阻挡气体中杂质的磨损或氧化，提高空气耦合超声换能器的使用寿命。

如图2所示，将换能器划分为声学前端和声学后端，声学后端一般指的是压电晶片中间横截面到背衬部分，声学前端是压电晶片材料中间横截面到负载部分，压电晶片通过第一电极与软胶背衬连接，通过第二电极与匹配层连接；在图中，Z₀为压电晶片声阻抗；Z_e1、Z_e2为电极的声阻抗；Z_p1、Z_p2、Z_p3、Z_p4为四层匹配层的声阻抗；Z_b为背衬的声阻抗；Z_L为负载的声阻抗；d₀为压电晶片的厚度；d_e1、d_e2为电极厚度；d_p1、d_p2、d_p3、d_p4为四层匹配层的厚度；v₀为压电晶片材料的声速；v_e1、v_e2为电极材料的声速；v_p1、v_p2、v_p3、v_p4为四层匹配层材料中的声速。

实施例二

本实施例介绍了一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，采用了实施例一种所介绍的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器。

如图4所示的一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，包括匹配电路、信号采集模块和空气耦合超声换能器；超声信号通过匹配电路传输到空气耦合超声换能器中，再通过信号采集模块将实时采集到的换能器阻抗信号反馈给匹配电路。

因外界的温度、负载等因素会对换能器的阻抗及频率特性产生一定的影响，可能会导致阻抗失配，本实施例通过实时采集换能器阻抗来匹配电路，有效解决了换能器工作的阻抗失配问题。

匹配电路是信号传输的纽带，在换能器匹配电路设计中，目前采用电感电容的并串联的方式，为更好的改善匹配电路，本实施例基于电感和电容进行匹配电路的改进：首先将第一电感L₁与第一电容C₁串联，再与相互并联的第二电感L₂和第二电容C₂相串联，相互并联的第二电感L₂和第二电容C₂再与含四层匹配子层的空气耦合超声换能器等效电路相并联。

空气耦合超声换能器等效电路包括第三电容C₀、第四电容-C₀、互感线圈和空气耦合超声换能器等效电阻Z_p；空气耦合超声换能器等效电阻与互感线圈相并联，再与第四电容-C₀相串联，串联后的电路再与第三电容C₀相并联。

当四层匹配子层自由振动的时候，用F₁表示指换能器输入端等效振动的应力，用F₂表示换能器输出端等效振动的应力；当匹配层自由振动时，F₁＝F₂＝0，认为两个力学短路，等效电路简化，进一步得到简化换能器自由振动时的等效电阻方程；通过匹配层电路的优化设计提高了电声的转换率，改善了空气耦合器的灵敏度，从而保证系统有较好的测量精度。

换能器自由振动时，满足F₁＝F₂＝0这一条件，进行换能器电路的简化，简化后的换能器等效电路如图5所示。

当耦合器自由振动时，所述空气耦合超声换能器等效电阻的大小与所述第三电容、第四电容以及与四层匹配层换能器的晶片的静态电容C₀、机电转换系数N和整个换能器等效后的输入阻抗Z有关。

当匹配电路忽略不计时，可得到整个换能器的等效电阻

其中，Z_L代表的是匹配电路输入端的阻抗；Z_P代表的是换能器的等效电阻、C₀代表的是换能器静态电容、L₁是一个串联的电感、C₁是一个串联的电容；L₂、C₂为并联的电感和电容；Z代表的是自由振动时圆柱换能器输入阻抗，N代表的是机电转换系数。

本实施例对匹配电路进行了优化设计，通过设计换能器及匹配电路可以有效的改善检测系统的可靠性和稳定性，提高超声无损检测系统性能指标的准确性为科学性提供依据。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，采用了用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器，所述用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器包括同轴的由内到外设置的软胶背衬、压电晶片和匹配层；所述匹配层采用多层匹配子层的结构，所述匹配层的外表面设置有保护薄膜，所述匹配层的内表面上设置有凹槽，所述压电晶片的一端嵌入所述凹槽中；所述压电晶片通过第一电极与所述软胶背衬连接，通过第二电极与所述匹配层连接；

该匹配系统包括：匹配电路、信号采集模块和空气耦合超声换能器；

超声信号通过所述匹配电路传输到所述空气耦合超声换能器中，再通过所述信号采集模块将实时采集到的换能器阻抗信号反馈给所述匹配电路；

基于电容和电感进行所述匹配电路的改进，所述匹配电路输入端的阻抗依次与第一电感、第一电容以及并联相接的第二电感和第二电容串联连接；所述并联相接的第二电感和第二电容的两端与空气耦合超声换能器等效电路相并联。

2.如权利要求1中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述空气耦合超声换能器采用圆柱形结构，所述圆柱形结构的外层设置有塑料保护内壳和金属外壳。

3.如权利要求1中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，远离所述压电晶片的软胶背衬的一侧连接金属压板，所述金属压板的另一侧连接硬质密封胶层。

4.如权利要求3中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述硬质密封胶层的中轴线处设置有与所述金属压板连接的导线。

5.如权利要求1中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述软胶背衬采用中空的环状结构。

6.如权利要求1中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述保护薄膜采用金属保护薄膜，通过匹配层阻挡气体中杂质的磨损或氧化，提高空气耦合超声换能器的使用寿命。

7.如权利要求1中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述软胶背衬吸收反方向传递的超声波，软胶背衬的声阻抗越大，对压电晶片的阻尼作用越大；压电晶片受到电脉冲激励后停止振动，以提高换能器的带宽。

8.如权利要求1中所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述空气耦合超声换能器等效电路包括第三电容、第四电容、互感线圈和空气耦合超声换能器等效电阻；空气耦合超声换能器等效电阻与互感线圈相并联，再与第四电容相串联，串联后的电路再与第三电容相并联。

9.如权利要求8所述的用于开关柜绝缘缺陷非接触式检测的空气耦合超声换能器匹配系统，其特征在于，所述空气耦合超声换能器等效电阻的大小与所述第三电容、第四电容与四层匹配层换能器的晶片的静态电容、机电转换系数和整个换能器等效后的输入阻抗有关。

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