CN115453279A - 一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法 - Google Patents

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CN115453279A CN202210958695.9A CN202210958695A CN115453279A CN 115453279 A CN115453279 A CN 115453279A CN 202210958695 A CN202210958695 A CN 202210958695A CN 115453279 A CN115453279 A CN 115453279A
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Abstract

本发明涉及一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法。该装置包括：激光器、分束器、准直系统、小孔光澜、光电探测器、数据采集系统、信号处理系统、盆式绝缘子、多个电极阵列以及永磁体；电极阵列贴放于盆式绝缘子上；电极阵列包括一个检测电极以及一对激励电极；检测电极设于一对激励电极之间；永磁体设于检测电极以及激励电极之间；电极阵列与信号处理系统相连接；信号处理系统与数据采集系统相连接；对于盆式绝缘子的浅层区域，采用激光超声激励模式，对于盆式绝缘子的深层区域，采用电磁激励模式，采用两种激励模式显示盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。本发明实现盆式绝缘子内部缺陷以及应力的检测。

Description

一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法
技术领域
本发明涉及盆式绝缘子检测领域，特别是涉及一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法。
背景技术
随着特高压和超高压电网建设步伐的不断加快，其电力装备的状态检测和故障诊断技术已成为亟待攻克的技术难题，尤其是特高压气体绝缘金属封闭开关设备(GasInsulated Switchgear，GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line，GIL)早期检测是制约输变电设备状态检测和故障诊断技术发展的瓶颈问题。
盆式绝缘子是GIS中的重要绝缘部件，起到支撑、绝缘和隔离气室的重要作用。盆式绝缘子环氧材料应力分布不均匀，运行时在电场、机械荷载和温度等综合作用下容易应力集中产生微裂纹，严重时导致漏气、局部放电、绝缘闪络和烧蚀等故障。近年来，因盆式绝缘子力学性能欠佳造成破裂故障时有发生，严重威胁电网安全可靠运行。但目前，针对盆式绝缘子的应力及微缺陷检测，大多采用有限元仿真分析法来研究盆式绝缘子的应力应变分布情况，尚未有有效检测手段。经近几年对专利的检索发现，对应力的检测方法逐渐得到重视，如“一种GIS盆式绝缘子次表面热应力超声检测装置及方法”(申请号：202111088966.1)，但传统超声的方法需要耦合剂耦合，难以实现在线，“基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置及方法”(申请号：202110925172.X)，虽然有望实现支柱瓷绝缘子的应力远距离带电测量，但是其方法则需要零应力状态下超声波的标定。
发明内容
本发明的目的是提供一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法，实现盆式绝缘子内部缺陷以及应力的检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置，包括：激光器、分束器、准直系统、小孔光澜、光电探测器、数据采集系统、信号处理系统、盆式绝缘子、多个电极阵列以及与所述电极阵列一一对应的永磁体；
所述电极阵列贴放于所述盆式绝缘子上；所述电极阵列包括一个检测电极以及一对激励电极；所述检测电极设于一对所述激励电极之间；所述永磁体设于所述检测电极以及所述激励电极之间；所述电极阵列与所述信号处理系统相连接；所述信号处理系统与所述数据采集系统相连接；
对于所述盆式绝缘子的浅层区域，采用激光超声激励模式：利所述激光器出射的激光经过所述分束器后分成两束，一束激光经过所述准直系统、所述小孔光澜以及所述盆式绝缘子，另一束激光经过所述光电探测器形成的激光信号作为所述数据采集系统的触发信号，利用贴放于所述盆式绝缘子的检测电极以及所述信号处理系统确定振动速度，所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；所述振动信息包括模态、频率以及相位；
对于所述盆式绝缘子的深层区域，采用电磁激励模式：利用所述信号处理系统分别对所述激励电极以及所述检测电极施加相同的正弦激励电压，确定激励电场强度以及检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极与所述检测电极之间任意像素区域的敏感度值，所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
可选的，所述激光超声激励模式，具体包括：
所述激光器出射的激光经过所述分束器后分成两束，一束激光经过所述准直系统和所述小孔光澜后直接激励所述盆式绝缘子产生激光超声信号，产生的激光超声在所述盆式绝缘子内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动信息发生变化，被贴放在盆式绝缘子表面的所述检测电极接收；所述振动信息包括模态、频率以及相位；另一束激光经过所述光电探测器形成的激光信号作为所述数据采集系统的触发信号；所述检测电极接收的振动信息在所述永磁体产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，所述检测电极在所述局部等效电场源下测量电压信号，所述信号处理系统根据所述电压信号确定振动速度，并将所述振动速度传输至所述数据采集系统；所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
可选的，所述电压信号为：
Figure BDA0003790035800000031
其中，u为电压，▽×J2(r)为互易电流密度的旋度，
Figure BDA0003790035800000032
为速度势函数，r为激光器激励点的位置，t为时间，B0为静磁场，ρ0为密度，r'为积分区间内的位置矢量，Ω为积分区间。
可选的，所述振动速度为：
Figure BDA0003790035800000033
其中，v为振动速度，▽为Hamilton算子。
可选的，所述电磁激励模式，具体包括：
将所述激励电极以及所述检测电极围绕的区域离散成若干个像素区域，所述信号处理系统产生正弦激励电压，先仿真计算每一对所述激励电极上施加所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的激励电场强度，再通过所述检测电极上施加相同的所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极以及所述检测电极之间的任意像素区域的敏感度值；所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；
采用电磁激励模式对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子进行测量确定标定图像，采用电磁激励模式对待测盆式绝缘子进行测量确定待测图像，所述数据采集系统对比所述标定图像以及所述待测图像显示所述待测盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
可选的，所述任意像素区域的敏感度值为：
Figure BDA0003790035800000034
其中，mij(a)为任意像素区域a的敏感度值，i为所述激励电极的序号，j所述检测电极的序号，(x,y,z)为任意像素区域a的坐标，U为施加的正弦激励电压，va为任意像素区域a的像素体积，Ei(x,y,z)为激励电场强度，Ej(x,y,z)为检测电场强度，dv为体积分元。
可选的，所述正弦激励电压的频率在KHz，信号幅值在5V-50V之间。
一种多场耦合的盆式绝缘子检测方法，包括：
对于盆式绝缘子的浅层区域，采用激光超声激励模式：激光器出射的激光经过分束器后分成两束，一束激光经过准直系统、小孔光澜以及盆式绝缘子，另一束激光经过光电探测器形成的激光信号作为数据采集系统的触发信号，利用贴放于所述盆式绝缘子的检测电极以及信号处理系统确定振动速度，所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；所述振动信息包括模态、频率以及相位；
对于所述盆式绝缘子的深层区域，采用电磁激励模式：一对激励电极贴放于所述盆式绝缘子上，且所述检测电极设于一对所述激励电极之间；利用所述信号处理系统分别对所述激励电极以及所述检测电极施加相同的正弦激励电压，确定激励电场强度以及检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极与所述检测电极之间任意像素区域的敏感度值，所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
可选的，所述激光超声激励模式，具体包括：
所述激光器出射的激光经过所述分束器后分成两束，一束激光经过所述准直系统和所述小孔光澜后直接激励所述盆式绝缘子产生激光超声信号，产生的激光超声在所述盆式绝缘子内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动信息发生变化，被贴放在盆式绝缘子表面的所述检测电极接收；所述振动信息包括模态、频率以及相位；另一束激光经过所述光电探测器形成的激光信号作为所述数据采集系统的触发信号；所述检测电极接收的振动信息在所述永磁体产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，所述检测电极在所述局部等效电场源下测量电压信号，所述信号处理系统根据所述电压信号确定振动速度，并将所述振动速度传输至所述数据采集系统；所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
可选的，所述电磁激励模式，具体包括：
将所述激励电极以及所述检测电极围绕的区域离散成若干个像素区域，所述信号处理系统产生正弦激励电压，先仿真计算每一对所述激励电极上施加所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的激励电场强度，再通过所述检测电极上施加相同的所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极以及所述检测电极之间的任意像素区域的敏感度值；所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；
采用电磁激励模式对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子进行测量确定标定图像，采用电磁激励模式对待测盆式绝缘子进行测量确定待测图像，所述数据采集系统对比所述标定图像以及所述待测图像显示所述待测盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法，对于盆式绝缘子的浅层区域采用激光超声激励模式，对于盆式绝缘子的深层区域，采用电磁激励模式；激光超声激励模式利用激光超声激励，检测电极接收从而重建振动速度，利用振动速度可以实现内部缺陷检测和应力检测；但同时对于盆式绝缘子内部的缺陷和应力而言，由于激光超声的超声衰减特性影响，盆式绝缘子的深部区域的应力与缺陷很难检测到，因此采用电磁激励模式实现内部缺陷及应力检测，电磁激励检测的电学特性成像可以实现盆式绝缘子在高场强下由于应力集中和存在的缺陷引起的介电特性的变化，是一种动态无损且具有深部功能成像的方法。
因此，采用双模式激励方式，实现振动速度的测量和介电特性的测量，两种测量参数，两种激励模式的耦合成像，且共用检测电极，贴放在盆式绝缘子周围的电极阵列既是电磁激励模式的检测电极也是激光超声激励模式中振动速度测量的检测电极，实现了多模态多参量的成像，实现了盆式绝缘子内部缺陷以及应力的检测。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的多场耦合的盆式绝缘子检测装置结构图。
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做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。
本发明的目的是提供一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置及方法，实现盆式绝缘子内部缺陷以及应力的检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的多场耦合的盆式绝缘子检测装置结构图，如图1所示，本发明公开了一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置，包括：激光器1、分束器2、准直系统3、小孔光澜4、光电探测器5、数据采集系统6、检测电极7、一对激励电极8、信号处理系统9、永磁体10以及盆式绝缘子11；其中，一个检测电极7以及一对激励电极8组成一个电极阵列，与所述电极阵列与所述永磁体10一一对应。
所述电极阵列贴放于所述盆式绝缘子11上；所述电极阵列包括一个检测电极7以及一对激励电极8；所述检测电极7设于一对所述激励电极8之间；所述永磁体10设于所述检测电极7以及所述激励电极8之间；所述电极阵列与所述信号处理系统9相连接；所述信号处理系统9与所述数据采集系统6相连接。
对于所述盆式绝缘子11的浅层区域，采用激光超声激励模式：所述激光器1出射的激光经过所述分束器2后分成两束，一束激光经过所述准直系统3、所述小孔光澜4以及所述盆式绝缘子11，另一束激光经过所述光电探测器5形成的激光信号作为所述数据采集系统6的触发信号，利用贴放于所述盆式绝缘子11的检测电极7以及所述信号处理系统9确定振动速度，所述数据采集系统6根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化；所述振动信息包括模态、频率以及相位。
对于所述盆式绝缘子11的深层区域，采用电磁激励模式：利用所述信号处理系统9分别对所述激励电极8以及所述检测电极7施加相同的正弦激励电压，确定激励电场强度以及检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极8与所述检测电极7之间任意像素区域的敏感度值，所述数据采集系统6根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子11内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
在实际应用中，所述激光超声激励模式，具体包括：所述激光器1出射的激光经过所述分束器2后分成两束，一束激光经过所述准直系统3和所述小孔光澜4后直接激励所述盆式绝缘子11产生激光超声信号，产生的激光超声在所述盆式绝缘子11内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动信息发生变化，被贴放在盆式绝缘子11表面的所述检测电极7接收；所述振动信息包括模态、频率以及相位；另一束激光经过所述光电探测器5形成的激光信号作为所述数据采集系统6的触发信号；所述检测电极7接收的振动信息在所述永磁体10产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，所述检测电极7在所述局部等效电场源下测量电压信号，所述信号处理系统9根据所述电压信号确定振动速度，并将所述振动速度传输至所述数据采集系统6；所述数据采集系统6根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
在实际应用中，所述电压信号为：
Figure BDA0003790035800000071
其中，u为电压，▽×J2(r)为互易电流密度的旋度，
Figure BDA0003790035800000072
为速度势函数，r为激光器1激励点的位置，t为时间，B0为静磁场，ρ0为密度，r'为积分区间内的位置矢量，Ω为积分区间。
在实际应用中，所述振动速度为：
Figure BDA0003790035800000081
其中，v为振动速度，▽为Hamilton算子。
在实际应用中，所述电磁激励模式，具体包括：将所述激励电极8以及所述检测电极7围绕的区域离散成若干个像素区域，所述信号处理系统9产生正弦激励电压，先仿真计算每一对所述激励电极8上施加所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的激励电场强度，再计算所述检测电极7上施加相同的所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极8以及所述检测电极7之间的任意像素区域的敏感度值；所述数据采集系统6根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子11内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化；采用电磁激励模式对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子11进行测量确定标定图像，采用电磁激励模式对待测盆式绝缘子11进行测量确定待测图像，所述数据采集系统6对比所述标定图像以及所述待测图像显示所述待测盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
在实际应用中，所述任意像素区域的敏感度值为：
Figure BDA0003790035800000082
其中，mij(a)为任意像素区域a的敏感度值，i为所述激励电极8的序号，j所述检测电极7的序号，(x,y,z)为任意像素区域a的坐标，U为施加的正弦激励电压，va为任意像素区域a的像素体积，Ei(x,y,z)为激励电场强度，Ej(x,y,z)为检测电场强度，dv为体积分元。
在实际应用中，所述正弦激励电压的频率在KHz，信号幅值在5V-50V之间。
本发明还提供了一种多场耦合的盆式绝缘子检测方法，包括：
对于盆式绝缘子11的浅层区域，采用激光超声激励模式：激光器1出射的激光经过分束器2后分成两束，一束激光经过准直系统3、小孔光澜4以及盆式绝缘子11，另一束激光经过光电探测器5形成的激光信号作为数据采集系统6的触发信号，利用贴放于所述盆式绝缘子11的检测电极7以及信号处理系统9确定振动速度，所述数据采集系统6根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化；所述振动信息包括模态、频率以及相位。
对于所述盆式绝缘子11的深层区域，采用电磁激励模式：一对激励电极8贴放于所述盆式绝缘子11上，且所述检测电极7设于一对所述激励电极8之间；利用所述信号处理系统9分别对所述激励电极8以及所述检测电极7施加相同的正弦激励电压，确定激励电场强度以及检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极8与所述检测电极7之间任意像素区域的敏感度值，所述数据采集系统6根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子11内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
在实际应用中，所述激光超声激励模式，具体包括：所述激光器1出射的激光经过所述分束器2后分成两束，一束激光经过所述准直系统3和所述小孔光澜4后直接激励所述盆式绝缘子11产生激光超声信号，产生的激光超声在所述盆式绝缘子11内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动信息发生变化，被贴放在盆式绝缘子11表面的所述检测电极7接收；所述振动信息包括模态、频率以及相位；另一束激光经过所述光电探测器5形成的激光信号作为所述数据采集系统6的触发信号；所述检测电极7接收的振动信息在所述永磁体10产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，所述检测电极7在所述局部等效电场源下测量电压信号，所述信号处理系统9根据所述电压信号确定振动速度，并将所述振动速度传输至所述数据采集系统6；所述数据采集系统6根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
在实际应用中，所述电磁激励模式，具体包括：将所述激励电极8以及所述检测电极7围绕的区域离散成若干个像素区域，所述信号处理系统9产生正弦激励电压，先仿真计算每一对所述激励电极8上施加所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的激励电场强度，再计算所述检测电极7上施加相同的所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极8以及所述检测电极7之间的任意像素区域的敏感度值；所述数据采集系统6根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子11内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
采用电磁激励模式对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子11进行测量确定标定图像，采用电磁激励模式对待测盆式绝缘子11进行测量确定待测图像，所述数据采集系统6对比所述标定图像以及所述待测图像显示所述待测盆式绝缘子11的内部缺陷变化及应力变化。
实施例1
为了表示多个检测电极7以及多个激励电极8的信号采集与传输，以下将多个检测电极7命名为检测电极阵列，将多个激励电极8命名为激励电极阵列。
本发明包括两个过程，第一个过程为：激光器1出射的激光束经过分束器2后被分成两束，一束激光经过准直系统3的扩束准直和小孔光澜4后直接激励盆式绝缘子11产生激光超声信号，产生的激光超声在盆式绝缘子11内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动的模态以及频率、相位等发生变化，被贴放在盆式绝缘子11表面的检测电极阵列接收，检测电极阵列接收的振动信息在永磁体10产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，因检测电极阵列中的检测电极的电导率已知，因此可以利用检测的电压信号获取振动信息。
另一个过程为贴放在盆式绝缘子11表面的检测电极阵列同时作为介电特性成像的检测电极阵列，实现盆式绝缘子11内部区域介电特性的成像，利用介电特性成像反映盆式绝缘子11内部应力和缺陷的变化。
将多场耦合的盆式绝缘子检测装置划分为激光超声激励模块、电极接收模块和电磁激励检测模块三部分，其中，激光超声激励模块包括激光器1，分束器2、准直系统3、小孔光澜4和光电探测器5，目的是实现激光超声在盆式绝缘子11表面的激励，所述的激光器1为脉冲激光器，波长可以是532nm也可以是1064nm，所述的激光器1发射的激光首先经过分束器2进行分束，一路直接通过准直系统3进行准直和扩束后再经过小孔光澜4到达盆式绝缘子11表面；另一路进入光电探测器5后由光电探测器5接收的信号作为数据采集系统6的触发信号实现后续数据采集系统6和信号处理系统9的采集和处理。
电极接收模块包括数据处理系统9、永磁体10和检测电极阵列，检测电极阵列直接贴于盆式绝缘子11表面，则检测电极阵列的每一个电极测量的电压信号可以表示为：
Figure BDA0003790035800000111
公式(1)说明磁声电信号是由互易电流密度的旋度▽×J2(r)、速度势函数
Figure BDA0003790035800000112
静磁场B0和密度ρ0在整个区域内的相互作用决定的，而且电压u除了是时间的函数以外，它还是与激光超声激励位置有关的函数，用r表示激光器激励点的位置，速度势函数与振动速度v满足如下方程：
Figure BDA0003790035800000113
其中▽为Hamilton算子，t表示时间，从公式(1)已知电导率、静磁场强度B0和密度ρ0，则可以利用时间反转法以及迭代算法等求解振动速度。
电磁激励检测模块包括信号处理系统9，检测电极阵列和激励电极阵列，检测电极阵列和激励电极阵列通过数据线连接信号处理系统9，经过信号处理系统9后由数据采集系统6进行数据的采集并成像，所述的检测电极阵列和激励电极阵列均贴放在盆式绝缘子11上，检测电极阵列和激励电极阵列包围的区域则为测量区域，激励电极阵列位于检测电极阵列的上下两端，激励电极阵列每一次激励一对电极，一对电极通过导线连接，激励电极阵列和检测电极阵列均匀贴放在盆式绝缘子11上，其材料为金属材料，可以是铜箔电极片、铂电极片等，工作时，激励电极阵列每一次有一对激励电极8被激励，检测电极阵列则是通过数据处理单元同时接收所有的信号。所述的信号处理系统9包括电压激励单元、信号检测单元以及控制单元，电压激励单元产生稳定的正弦信号激励，频率在KHz，信号幅值在5V-50V之间，控制单元连接电压激励单元和信号检测单元，每激励一对激励电极8，则检测电极阵列同时采集所有检测信号，检测的信号被数据采集系统6进行采集并进行成像，其成像过程描述如下，首先将激励电极阵列和检测电极阵列围绕的区域离散成若干个像素区域，先通过仿真计算得到在每一对激励电极8上施加电压U后在离散成的所有像素区域产生的电场强度Ei(x,y,z)，再计算在检测电极7片上施加相同的电压U后在离散成的所有像素区域产生的电场强度Ej(x,y,z)，则可以计算得到激励电极8与检测电极7之间的任意像素区域a的敏感度值：
Figure BDA0003790035800000121
其中，x,y,z表示像素区域a的坐标，U表示施加的激励电压，va表示像素区域a的像素体积，i和j分别代表激励电极8和检测电极7的序号，dv体积分元，根据公式(3)可以得到激励电极阵列和检测电极阵列的三维测量区域内的敏感度值，其敏感度值能很好的反映空间区域内介质的分布信息与极板电容之间的关系。
激励电极阵列与检测电极阵列之间的工作方式描述如下：
考虑到盆式绝缘子11的尺寸，激励电极阵列可以设置为16对，32对等任意设置，检测电极阵列同样可以设置为16片，32片等，每一次激励电极阵列中的一对激励电极8激励，则此时所有的检测电极阵列同步接收信号，以16对激励电极8和16片检测电极7为例，总的获取数据为16×16＝256个数据，利用独立获得的256个数据结合公式(3)可以得到敏感值矩阵。
为准确获取对应的内部应力变化，需要对成像区域进行标定，首先对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子11进行测量，经过信号处理系统9和数据采集系统6后进行所有像素区域电容值的测量，并通过公式(3)进行敏感值矩阵的求解及成像，完成标定过程。然后在激励电极阵列和检测电极阵列区域内放入被测目标盆式绝缘子11，经过信号处理系统9和数据采集系统6后得到像素区域的电容值的测量并成像，通过与标定值对比，可以反映盆式绝缘子11内部的应力及缺陷变化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，包括：激光器、分束器、准直系统、小孔光澜、光电探测器、数据采集系统、信号处理系统、盆式绝缘子、多个电极阵列以及与所述电极阵列一一对应的永磁体；
所述电极阵列贴放于所述盆式绝缘子上；所述电极阵列包括一个检测电极以及一对激励电极；所述检测电极设于一对所述激励电极之间；所述永磁体设于所述检测电极以及所述激励电极之间；所述电极阵列与所述信号处理系统相连接；所述信号处理系统与所述数据采集系统相连接；
对于所述盆式绝缘子的浅层区域，采用激光超声激励模式：所述激光器出射的激光经过所述分束器后分成两束，一束激光经过所述准直系统、所述小孔光澜以及所述盆式绝缘子，另一束激光经过所述光电探测器形成的激光信号作为所述数据采集系统的触发信号，利用贴放于所述盆式绝缘子的检测电极以及所述信号处理系统确定振动速度，所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；所述振动信息包括模态、频率以及相位；
对于所述盆式绝缘子的深层区域，采用电磁激励模式：利用所述信号处理系统分别对所述激励电极以及所述检测电极施加相同的正弦激励电压，确定激励电场强度以及检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极与所述检测电极之间任意像素区域的敏感度值，所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
2.根据权利要求1所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，所述激光超声激励模式，具体包括：
所述激光器出射的激光经过所述分束器后分成两束，一束激光经过所述准直系统和所述小孔光澜后直接激励所述盆式绝缘子产生激光超声信号，产生的激光超声在所述盆式绝缘子内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动信息发生变化，被贴放在盆式绝缘子表面的所述检测电极接收；所述振动信息包括模态、频率以及相位；另一束激光经过所述光电探测器形成的激光信号作为所述数据采集系统的触发信号；所述检测电极接收的振动信息在所述永磁体产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，所述检测电极在所述局部等效电场源下测量电压信号，所述信号处理系统根据所述电压信号确定振动速度，并将所述振动速度传输至所述数据采集系统；所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
3.根据权利要求2所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，所述电压信号为：
Figure FDA0003790035790000021
其中，u为电压，▽×J2(r)为互易电流密度的旋度，
Figure FDA0003790035790000022
为速度势函数，r为激光器激励点的位置，t为时间，B0为静磁场，ρ0为密度，r'为积分区间内的位置矢量，Ω为积分区间。
4.根据权利要求3所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，所述振动速度为：
Figure FDA0003790035790000023
其中，v为振动速度，▽为Hamilton算子。
5.根据权利要求1所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，所述电磁激励模式，具体包括：
将所述激励电极以及所述检测电极围绕的区域离散成若干个像素区域，所述信号处理系统产生正弦激励电压，先仿真计算每一对所述激励电极上施加所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的激励电场强度，再计算所述检测电极上施加相同的所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极以及所述检测电极之间的任意像素区域的敏感度值；所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；
采用电磁激励模式对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子进行测量确定标定图像，采用电磁激励模式对待测盆式绝缘子进行测量确定待测图像，所述数据采集系统对比所述标定图像以及所述待测图像显示所述待测盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
6.根据权利要求5所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，所述任意像素区域的敏感度值为：
Figure FDA0003790035790000031
其中，mij(a)为任意像素区域a的敏感度值，i为所述激励电极的序号，j所述检测电极的序号，(x,y,z)为任意像素区域a的坐标，U为施加的正弦激励电压，va为任意像素区域a的像素体积，Ei(x,y,z)为激励电场强度，Ej(x,y,z)为检测电场强度，dv为体积分元。
7.根据权利要求5所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，其特征在于，所述正弦激励电压的频率在KHz，信号幅值在5V-50V之间。
8.一种多场耦合的盆式绝缘子检测方法，其特征在于，所述多场耦合的盆式绝缘子检测方法应用于权利要求1-7任一项所述的多场耦合的盆式绝缘子检测装置，所述多场耦合的盆式绝缘子检测方法包括：
对于盆式绝缘子的浅层区域，采用激光超声激励模式：激光器出射的激光经过分束器后分成两束，一束激光经过准直系统、小孔光澜以及盆式绝缘子，另一束激光经过光电探测器形成的激光信号作为数据采集系统的触发信号，利用贴放于所述盆式绝缘子的检测电极以及信号处理系统确定振动速度，所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；所述振动信息包括模态、频率以及相位；
对于所述盆式绝缘子的深层区域，采用电磁激励模式：一对激励电极贴放于所述盆式绝缘子上，且所述检测电极设于一对所述激励电极之间；利用所述信号处理系统分别对所述激励电极以及所述检测电极施加相同的正弦激励电压，确定激励电场强度以及检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极与所述检测电极之间任意像素区域的敏感度值，所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
9.根据权利要求8所述的多场耦合的盆式绝缘子检测方法，其特征在于，所述激光超声激励模式，具体包括：
所述激光器出射的激光经过所述分束器后分成两束，一束激光经过所述准直系统和所述小孔光澜后直接激励所述盆式绝缘子产生激光超声信号，产生的激光超声在所述盆式绝缘子内部固体介质中传播，经应力集中区域或者缺陷区域后导致振动信息发生变化，被贴放在盆式绝缘子表面的所述检测电极接收；所述振动信息包括模态、频率以及相位；另一束激光经过所述光电探测器形成的激光信号作为所述数据采集系统的触发信号；所述检测电极接收的振动信息在所述永磁体产生的静磁场作用下产生局部等效电场源，所述检测电极在所述局部等效电场源下测量电压信号，所述信号处理系统根据所述电压信号确定振动速度，并将所述振动速度传输至所述数据采集系统；所述数据采集系统根据所述振动速度显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
10.根据权利要求8所述的多场耦合的盆式绝缘子检测方法，其特征在于，所述电磁激励模式，具体包括：
将所述激励电极以及所述检测电极围绕的区域离散成若干个像素区域，所述信号处理系统产生正弦激励电压，先仿真计算每一对所述激励电极上施加所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的激励电场强度，再通过所述检测电极上施加相同的所述正弦激励电压后在离散成所有像素区域产生的检测电场强度，根据所述激励电场强度以及所述检测电场强度计算所述激励电极以及所述检测电极之间的任意像素区域的敏感度值；所述数据采集系统根据所述敏感度值实现所述盆式绝缘子内部区域介电特性的成像，显示所述盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化；
采用电磁激励模式对零应力零缺陷的标准盆式绝缘子进行测量确定标定图像，采用电磁激励模式对待测盆式绝缘子进行测量确定待测图像，所述数据采集系统对比所述标定图像以及所述待测图像显示所述待测盆式绝缘子的内部缺陷变化及应力变化。
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