CN117233037A - 一种基于空气耦合超声的电缆保护管材料密度检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统及方法，该系统包括超声激励组件，超声激励组件包括超声发射接收器以及与超声发射接收器连接的空气耦合超声探头和计算机；空气耦合超声探头通过一带卡槽的底座设置在待检电缆保护管试件的外侧表面，所述带卡槽的底座用于固定探头的压电晶片与待检电缆保护管试件表面之间径向对心，同时确保所述空气耦合超声探头水平放置；超声发射接收器用于使空气耦合超声探头激发入射角为零度的超声纵波。本发明通过超声波在电缆保护管外壁反射前后信号幅值变化以及内外壁反射回波时间差，同时考虑环境温度的因素确定了超声波在电缆保护管中的声阻抗和声速，进而得出电缆保护管的密度。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，尤其是一种基于空气耦合超声的电缆保护管材料密度检测系统及方法。
背景技术
塑料材质的电缆保护管是电力系统中应用量巨大的电缆保护产品，由于各个厂家原材料、生产工艺、设备千差万别，市场竞争加剧，产品质量良莠不齐，导致塑料材质电缆保护管成品存在较多质量问题，而电缆保护管材料密度是表征电缆保护管质量性能的重要指标，是保护管质量检测的重要指标之一。为保证电缆保护管质量合格，在安装前必须对其密度进行检测，特别是现场检测保护管密度很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统及方法，解决了安装前在现场难以完成电缆保护管材料密度的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统，包括超声激励组件，所述超声激励组件包括超声发射接收器以及与超声发射接收器连接的空气耦合超声探头和计算机；
所述空气耦合超声探头通过一带卡槽的底座设置在待检电缆保护管试件的外侧表面，空气耦合超声探头与待检电缆保护管试件表面距离为L，所述带卡槽的底座用于固定探头的压电晶片与待检电缆保护管试件表面之间径向对心，同时确保所述空气耦合超声探头水平放置；
所述超声发射接收器，用于使空气耦合超声探头激发入射角为零度的超声纵波；
所述计算机，用于提取反馈超声信号时域范围内内外壁回波的最大幅值、电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差及电缆保护管壁厚，计算出声波在电缆保护管中传播的速度c；通过提取外壁反射波最大幅值并且将其与入射波幅值结合，计算出空气-电缆保护管界面的反射系数R1；通过温度计测出实时温度，计算出对应温度下空气中的声速和空气密度进而得出实时空气声阻抗Z2，结合空气-电缆保护管界面的反射系数R1计算出电缆保护管的声阻抗Z1；最终，根据电缆保护管的声阻抗Z1和声波在电缆保护管中传播的速度c计算出电缆保护管材料密度ρ。
进一步的，还包括卡座组件，所述卡座组件连接卡座和空耦探头，用于保持探头与电缆保护管相对位置固定且满足要求。
进一步的，所述卡座组件包括基底和与基底连接的卡扣。
进一步的，所述计算机内设置有与高功率超声发射接收器相连的USB数据接口。
一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测方法，其采用上述统进行，所述检测方法包括：
通过数据传输线将高功率超声发射接收器的发射/接收端口与空气耦合超声发射探头连接；通过USB数据接口将所述计算机与高功率超声发射接收器的数据端口连接；
将空气耦合超声探头通过底座设置在待检电缆保护管试件的外侧表面，且空气耦合超声探头与待测试件外侧表面之间的距离设定为L；
启动大功率超声发射接收器，使空气耦合超声探头激发特定频率的超声纵波；
提取反馈超声信号时域范围内内外壁回波的最大幅值、电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差及电缆保护管壁厚，计算出声波在电缆保护管中传播的速度c；通过提取外壁反射波最大幅值并且将其与入射波幅值结合，计算出空气-电缆保护管界面的反射系数R1；通过温度计测出实时温度，计算出对应温度下空气中的声速和空气密度进而得出实时空气声阻抗Z2，结合空气-电缆保护管界面的反射系数R1计算出电缆保护管的声阻抗Z1；最终，根据电缆保护管的声阻抗Z1和声波在电缆保护管中传播的速度c计算出电缆保护管材料密度ρ。
进一步的，声波在电缆保护管中传播的速度表示为：
其中，Δt指电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差,δ指电缆保护管壁厚；
外表面反射声波幅值A2满足如下关系式：
A2＝ A0e-2×L×αR1(1-R2) (3)
其中，α指超声波在空气中的衰减率，R1指空气和电缆保护管之间的反射率，R2指空气和探头之间的反射率，A0指入射声波幅值；
由公式(3)推出空气-电缆保护管界面的反射系数R1：
由声学基础公式推得：
其中，Z1指电缆保护管声阻抗，Z2指空气声阻抗；
最终，得出电缆保护管密度为：
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过设置入射角度和位置，将空气耦合超声探头放在待测电缆保护管试件的外侧面，即可实现对电缆保护管密度的检测，适用各类电缆保护管的检测，特别适用于安装前电缆保护管的现场检测；
2、本发明还可通过动力组件驱动探头沿特定路径移动，实现线性扫描，并利用扫描结果获得电缆保护管密度图像，通过所得到的密度变化图像直接判断电缆保护管内的退化及损伤情况，提高了可视化程度。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
图2为本发明实施例的超声信号传播原理示意图。
图中：1、空气耦合超声探头；2、底座；3、待检电缆保护管试件；4、高功率超声发射接收器；5、计算机。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统，包括超声激励组件，可参考图1，所述超声激励组件包括超声发射接收器4以及分别与其连接的空气耦合超声探头1和计算机5；
如图2所示，空气耦合超声探头1通过底座2设置在待检电缆保护管试件3的外侧表面，空气耦合超声探头1的入射点与待测电缆保护管试件3之间的距离L设定为：
L＝20mm (1)
作为具体实施形式，高功率超声发射接收器4的数据端口与所述计算机5通过USB数据线连接。
工作时，将超声发射接收器4的发射/接收端口与空气耦合超声探头1连接，空气耦合超声探头1通过底座固定在待检电缆保护管试件3的外侧表面，空气耦合超声探头1的入射点与待测电缆保护管试件的外表面之间的距离L设定满足上述公式(1)的要求。
可参考图2，由于空气耦合超声探头1所发射超声纵波垂直入射待测电缆保护管试件3表面，所以所述空气耦合超声探头1激发的超声纵波一部分入射待电缆保护管检试件3内部，一部分会沿着入射声波路径反射回空气耦合超声探头表面，透过待测试件外表面进入试件内部的声波在传播到电缆保护管内表面时将沿着入射声波传播路径反射回空气耦合超声探头1。进一步地，超声纵波从发射经待测试件外侧表面反射至探头与超声纵波从发射经待测试件内侧表面反射至探头声程差为待测电缆保护管试件壁厚的两倍。超声回波信号数据随即被收发一体空气耦合超声探头1接收，进一步会通过USB数据线传输给计算机5上的检测软件并显示。待测电缆保护管试件3材料内部声速，即声波在电缆保护管中传播的速度可表示为：
其中，Δt指电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差,δ指电缆保护管壁厚。
上述实施例，根据实际需要超声发射接收器4可采用高功率型超声发射接收器。
本实施例的一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测方法，采用上述检测系统进行，所述检测方法具体包括：
准备工作：
空气耦合超声探头1与高功率超声发射接收器4的T/R(发射/接收)端口相连，空气耦合超声探头1与底座2连接，然后贴合待测电缆保护管试件3的外侧表面，且探头的入射点与电缆保护管试件外表面之间的距离L的设定满足上述公式(1)的要求；
开始测试：
启动超声发射接收器4，使空气耦合超声探头1激发入射角为0°的超声纵波；
启动计算机8，记录并保存所有扫描点的位置信息和获得的反馈超声信号；
提取反馈超声信号时域范围内的两个回波的最大幅以及最大幅值对应的时间。
作为具体实施形式，进行扫描检测时，首先在计算机5上的检测软件中设定好超声激励组件的工作参数，通过检测软件启动超声激励组件，然后检测程序向空气耦合超声探头1发出控制信号，超声探头对待测电缆保护管试件进行扫描，可参考图2，图中所示为试件的测试平面。
扫描的过程中会实时显示接收到的超声波信号并将扫描数据进行处理和保存，根据接收到的超声信号，提取各个扫描位置时域范围内内外壁超声回波信号的最大幅值记为A1,A2，其中，t1,t2分别为时域范围内两次回波最大幅值所对应的时间。根据内外壁回波的最大幅值、电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差及电缆保护管壁厚可计算出声波在电缆保护管中传播的速度c。
外表面反射声波幅值A2满足如下关系式：
A2＝ A0e-2×L×αR1(1-R2) (3)
其中，α指超声波在空气中的衰减率，R1指空气和电缆保护管之间的反射率，R2指空气和探头之间的反射率，A0指入射声波幅值。
由公式(3)可以推出空气-电缆保护管界面的反射系数R1：
由声学基础公式可推得：
其中，Z1指电缆保护管声阻抗，Z2指空气声阻抗。
最终，可得出电缆保护管密度为：
上述检测方法中，通过空气耦合超声探头发射超声激励信号进入电缆保护管试件并接收回波信号进行分析，进一步地可实现试件整个试件内部区域密度的测量。
实例：对一MPP材料样品，采用密度测量专用电子天平(精度0.1mg)测量其密度，测量结果0.9167g/cm3；采用本申请专利的方法设计制作的超声波密度检测系统，测量同一样品，测量结果为0.9300g/cm3，可见本发明方法是切实可行的。
另外，本发明还可通过动力组件驱动探头沿特定路径移动，实现线性扫描，启动超声发射接收器时记录并保存扫描点的位置信息和获得的反馈超声信号，然后以扫描路径的坐标轴作为密度曲线图的横坐标轴，以由所述两次回波最大幅值计算所得电缆保护管密度值作为密度曲线的纵坐标值，得到沿扫描路径电缆保护管密度的数据矩阵，从而获得电缆保护管密度图像，通过所得到的密度变化图像可直接判断电缆保护管内的退化及损伤情况，提高了可视化程度。
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，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统，其特征在于，包括超声激励组件，所述超声激励组件包括超声发射接收器(4)以及与超声发射接收器(4)连接的空气耦合超声探头(1)和计算机(5)；
所述空气耦合超声探头(1)通过一带卡槽的底座(2)设置在待检电缆保护管试件(3)的外侧表面，空气耦合超声探头(1)与待检电缆保护管试件表面距离为L，所述带卡槽的底座(2)用于固定探头的压电晶片与待检电缆保护管试件(3)表面之间径向对心，同时确保所述空气耦合超声探头(1)水平放置；
所述超声发射接收器(4)，用于使空气耦合超声探头(1)激发入射角为零度的超声纵波；
所述计算机(5)，用于提取反馈超声信号时域范围内内外壁回波的最大幅值、电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差及电缆保护管壁厚，计算出声波在电缆保护管中传播的速度c；通过提取外壁反射波最大幅值并且将其与入射波幅值结合，计算出空气-电缆保护管界面的反射系数R1；通过温度计测出实时温度，计算出对应温度下空气中的声速和空气密度进而得出实时空气声阻抗Z2，结合空气-电缆保护管界面的反射系数R1计算出电缆保护管的声阻抗Z1；最终，根据电缆保护管的声阻抗Z1和声波在电缆保护管中传播的速度c计算出电缆保护管材料密度ρ。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统，其特征在于，还包括卡座组件，所述卡座组件连接卡座和空耦探头，用于保持探头与电缆保护管相对位置固定且满足要求。
3.根据权利要求2所述的基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统，其特征在于，所述卡座组件包括基底和与基底连接的卡扣。
4.根据权利要求2所述的基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测系统，其特征在于，所述计算机(5)内设置有与高功率超声发射接收器(4)相连的USB数据接口。
5.一种基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测方法，其特征在于，其采用权利要求1-4中任一项所述的系统进行，所述检测方法包括：
通过数据传输线将高功率超声发射接收器(4)的发射/接收端口与空气耦合超声发射探头(1)连接；通过USB数据接口将所述计算机(5)与高功率超声发射接收器(4)的数据端口连接；
将空气耦合超声探头(1)通过底座(2)设置在待检电缆保护管试件(3)的外侧表面，且空气耦合超声探头(1)与待测试件外侧表面之间的距离设定为L；
启动大功率超声发射接收器(4)，使空气耦合超声探头(1)激发特定频率的超声纵波；
提取反馈超声信号时域范围内内外壁回波的最大幅值、电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差及电缆保护管壁厚，计算出声波在电缆保护管中传播的速度c；通过提取外壁反射波最大幅值并且将其与入射波幅值结合，计算出空气-电缆保护管界面的反射系数R1；通过温度计测出实时温度，计算出对应温度下空气中的声速和空气密度进而得出实时空气声阻抗Z2，结合空气-电缆保护管界面的反射系数R1计算出电缆保护管的声阻抗Z1；最终，根据电缆保护管的声阻抗Z1和声波在电缆保护管中传播的速度c计算出电缆保护管材料密度ρ。
6.根据权利要求5所述的基于空气耦合超声的电缆保护管密度检测方法，其特征在于，
声波在电缆保护管中传播的速度表示为：
其中，Δt指电缆保护管内外壁回波最大幅值处对应的时间差,δ指电缆保护管壁厚；
外表面反射声波幅值A2满足如下关系式：
A2＝ A0e-2×L×αR1(1-R2) (3)
其中，α指超声波在空气中的衰减率，R1指空气和电缆保护管之间的反射率，R2指空气和探头之间的反射率，A0指入射声波幅值；
由公式(3)推出空气-电缆保护管界面的反射系数R1：
由声学基础公式推得：
其中，Z1指电缆保护管声阻抗，Z2指空气声阻抗；
最终，得出电缆保护管密度为：
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