CN117538285A - 一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法、系统及装置，涉及缺陷检测技术领域。方法包括：利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号；待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的；根据待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。本发明利用太赫兹波检测绝缘纸板缺陷，在维持绝缘纸板缺陷检测精度的基础上，降低检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及缺陷检测技术领域，特别是涉及一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法、系统及装置。
背景技术
在科技发展的推动下，中国不断优化电力资源配置，随着电网体系日趋庞大，以及输电容量和电压等级的提升，对电工绝缘材料的性能以及电网的安全稳定运行提出了更高的要求。这也对电学器件内绝缘材料的品质提出了更高的要求，变压器内部所用油纸材料为典型的内绝缘材料，在实际运行中，油纸绝缘材料可能存在分层、脱粘、异物等各类结构性缺陷，严重影响设备性能，但是由于这些缺陷尺寸很小，且隐藏在材料内部，难以检测。目前，工业X射线计算机断层扫描技术、红外成像技术和超声探测技术主要用于检测此类缺陷，但是以上方法具有设备昂贵，操作复杂，有辐射风险，检测范围有限等缺点，不宜作为非接触式无损检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法、系统及装置，在维持绝缘纸板缺陷检测精度的基础上，降低检测成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，包括：
利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号；所述待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的；
根据所述待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。
可选的，所述待测时域电场信号的振幅呈衰减趋势。
可选的，根据所述待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况，包括：
构建以时间为横轴，以振幅为纵轴，构建待测时域电场信号的波形图；
基于所述波形图确定存在反射信号波形的时间段为缺陷时间段；所述反射信号波形为波形图中振幅变化量大于振幅变化量阈值，且振幅与衰减趋势振幅值的差值小于0，且振幅与衰减趋势振幅值的差值的绝对值大于差值阈值；
确定缺陷时间段内待测绝缘纸板中的所有扫描位置为气隙缺陷区域；所述气隙缺陷区域指待测绝缘纸板中的第一材质层和第二材质层的粘接区域存在气隙缺陷。
可选的，在确定缺陷时间段内待测绝缘纸板中的所有扫描位置为气隙缺陷区域之后，还包括：
根据所述波形图中的反射信号波形确定太赫兹信号通过绝缘纸板的时间；
获取真空光速、正品临界厚度和介质折射率；
根据真空光速、介质折射率和太赫兹信号通过绝缘纸板的时间，确定缺陷临界厚度；
确定缺陷临界厚度与正品临界厚度之差为缺陷厚度。
可选的，所述缺陷临界厚度为：
其中，d为缺陷临界厚度，c为真空光速，n为介质折射率、t为太赫兹信号通过介质的时间。
可选的，在利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号之前，还包括：
获取太赫兹波穿过缺陷绝缘纸板的多个第一时域电场信号；
获取太赫兹波穿过无缺陷绝缘纸板的多个第二时域电场信号；
根据所述第一时域电场信号和所述第二时域电场信号，确定波形图中振幅变化量大于振幅变化量阈值，且振幅与衰减趋势振幅值的差值小于0，且振幅与衰减趋势振幅值的差值的绝对值大于差值阈值的区域为气隙缺陷区域的标志。
一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测系统，包括：
待测时域电场信号获取模块，用于利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号；所述待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的；
缺陷状况确定模块，用于根据所述待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法。
可选的，所述存储器为可读存储介质。
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：
本发明的目的是提供一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法、系统及装置，太赫兹波检测方法满足对材料的非接触、无损、高精度的检测要求。搭建太赫兹检测平台，利用太赫兹信号在不同介质中的传播速度和特性不同，对正常变压器绝缘纸板和含有缺陷绝缘纸板进行太赫兹检测，基于太赫兹时域信号的幅值和时延特性，能够判断绝缘纸板中气隙缺陷存在的位置和尺寸，该方法从理论上和实验上证明了利用太赫兹技术对绝缘纸板内部缺陷进行非接触无损检测的可行性，为设备的安全可靠运行提供保障。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中绝缘纸板缺陷检测方法流程图；
图2为本发明实施例1中缺陷样本制作第一示意图；
图3为本发明实施例1中缺陷样本制作第二示意图；
图4为本发明实施例1中绝缘纸板缺陷检测方法原理图；
图5为本发明实施例1中太赫兹时域光谱检测平台结构示意图；
图6为本发明实施例1中良好界面传播图；
图7为本发明实施例1中存在气隙界面传播图；
图8为本发明实施例1中缺陷样本和非缺陷样本的太赫兹时域信号对比图；
图9为本发明实施例1中气隙缺陷厚度信号提取示意图。
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基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法、系统及装置，在维持绝缘纸板缺陷检测精度的基础上，降低检测成本。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，包括：
步骤101：利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号。待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的。待测时域电场信号的振幅呈衰减趋势。
步骤102：根据待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。
步骤102，包括：
步骤102-1：构建以时间为横轴，以振幅为纵轴，构建待测时域电场信号的波形图。
步骤102-2：基于波形图确定存在反射信号波形的时间段为缺陷时间段。反射信号波形为波形图中振幅变化量大于振幅变化量阈值，且振幅与衰减趋势振幅值的差值小于0，且振幅与衰减趋势振幅值的差值的绝对值大于差值阈值。
步骤102-3：确定缺陷时间段内待测绝缘纸板中的所有扫描位置为气隙缺陷区域。气隙缺陷区域指待测绝缘纸板中的第一材质层和第二材质层的粘接区域存在气隙缺陷。
步骤102-4：根据波形图中的反射信号波形确定太赫兹信号通过绝缘纸板的时间。
步骤102-5：获取真空光速、正品临界厚度和介质折射率。
步骤102-6：根据真空光速、介质折射率和太赫兹信号通过绝缘纸板的时间，确定缺陷临界厚度。缺陷临界厚度为：
其中，d为缺陷临界厚度，c为真空光速，n为介质折射率、t为太赫兹信号通过介质的时间。
步骤102-7：确定缺陷临界厚度与正品临界厚度之差为缺陷厚度。
在步骤101之前，还包括：
步骤103：获取太赫兹波穿过缺陷绝缘纸板的多个第一时域电场信号。
步骤104：获取太赫兹波穿过无缺陷绝缘纸板的多个第二时域电场信号。
步骤105：根据第一时域电场信号和第二时域电场信号，确定波形图中振幅变化量大于振幅变化量阈值，且振幅与衰减趋势振幅值的差值小于0，且振幅与衰减趋势振幅值的差值的绝对值大于差值阈值的区域为气隙缺陷区域的标志。
下面，基于纤维素绝缘纸板对本方案进行具体说明，如图2，本发明包括如下步骤。
1.样本制作。
使用50mm*50mm，3、4、5mm厚纤维素绝缘纸板，如图1所示。绝缘纸板的粘接缺陷厚度一般在几十微米到几百微米不等，为了制作纸板之间的粘接缺陷，使用聚醋酸乙烯酯作为粘合剂，将两块绝缘纸板粘接到一起。绝缘纸板之间形成面积为30mm*50mm的脱粘缺陷，缺陷为2到20微米，如图3和图4所示。
2.检测平台。
检测平台使用太赫兹时域光谱技术搭建，包括飞秒激光器、分束器、延时器、探测器和信号处理模块，如图5所示。
飞秒激光器产生一束脉冲激光，通过分束器分成探测光和抽运光，抽运光通过时间延迟装置到达光导电天线并产生太赫兹信号，穿过样品后，和作为参考信号的探测光同时到达太赫兹探测器，信号通过锁相放大器之后到达信息处理模块，由计算机记录电场信息。
3.分析方法。
受生产中工艺水平的影响，复合绝缘纸板界面中可能存在气隙，此外，性能不良的绝缘纸板长期运行后界面会有蚀损缺陷，不同性质的界面中太赫兹波的传播规律也不同，图6和图7分析了几种界面中太赫兹波的传播过程。
规定入射波为E0，介质表面的反射波为Er0，第一个界面处多次反射造成的向外传播的波为Eri，i＝1，2，3，…。当介质1厚度很小时，可能会存在多次反射波的互相影响。根据下式，介质中反射波Er0与Er1对应传输时延为：
式中，d1为介质1的厚度，n为介质1的折射率，c为真空中的光速。
假设Er0、Er1之间的时间差为Δt，Er1与Er21之间的时间差为Δt1，Δt和Δt1分别为太赫兹波经过2d1、2d2的时间，脉冲波的两过零点时间宽度约为t，若Δt，和Δt1都超过t，则介质1表面和介质2背面的反射波无法与界面上的反射波进行叠加，无须考虑其叠加影响。对于不同介质，由于折射率会对太赫兹波速产生影响，导致该临界厚度不同，临界厚度公式如下：
式中，c为真空中的光速、d为临界厚度、n为介质折射率、t为太赫兹信号通过介质的时间。
界面气隙、杂质的厚度量级一般为微米级，其上的反射波会与界面处反射波有叠加，反射波在界面处的情况如图7所示。界面处存在气隙缺陷时，界面处反射系数发生变化，与无界面气隙时相比，其幅值、相位都发生变化。当存在气隙时，界面处第一个反射波Er1的计算公式如下：
p(ω,2d1)为太赫兹波的传播因子，ω入射频率，d为介质厚度，c为真空中的光速，Δt为太赫兹信号通过第一层介质的时间，Δt1为太赫兹信号通过第二层介质的时间，e为自然对数的底数。
因此当界面存在气隙时，界面处反射波E的幅值有明显增大，且相位与无气隙时相反。同时，界面存在气隙时，波的叠加作用会对反射波产生影响，为分析反射波的叠加特性，结合太赫兹探测原理分析叠加特性。
分别对正常样品和缺陷样品进行太赫兹反射检测，信号入射角度设置为12°，聚焦到样品缺陷处，信号会在每个界面发生反射和折射。两个相邻的脉冲峰之间的差值表示信号在介质中传播的时间差。空气的折射率约为1，小于纸板，所以信号穿过界面1的信号为正，穿过界面2的信号为负。
图8显示了太赫兹信号穿过不同厚度绝缘纸板的信号。不同厚度的绝缘纸板呈现了类似的信号波形，在缺陷界面处出现了明显的反射信号，该信号是在纸板和缺陷界面处反射形成。在缺陷处出现两个反射信号，其中一个来自于纸板上界面，一个来自于缺陷下界面。对于不同厚度的绝缘纸板，无论在粘接的区域还是脱粘的区域，太赫兹信号都随着厚度的增大而减小，这是由于比尔博朗定理，太赫兹信号在纸板内部传播的时间、路程越长，信号衰减越多。
根据缺陷区域的太赫兹反射信号，可以获得缺陷区域大小的信息，如图9所示。以本次实验中缺陷样本信号为依据，缺陷信号表示为上两个界面的反射信号，以波谷到波峰为分割，3mm的纸板信号为例，太赫兹信号时间延迟为1.13ps，根据厚度计算公式缺陷厚度为15μm。
实施例2
为了执行上述实施例1对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测系统，包括：
待测时域电场信号获取模块，用于利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号。待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的。
缺陷状况确定模块，用于根据待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。
实施例3
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例1所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法。
其中，存储器为可读存储介质。
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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (9)
1.一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，其特征在于，包括：
利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号；所述待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的；
根据所述待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，其特征在于，所述待测时域电场信号的振幅呈衰减趋势。
3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，其特征在于，根据所述待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况，包括：
构建以时间为横轴，以振幅为纵轴，构建待测时域电场信号的波形图；
基于所述波形图确定存在反射信号波形的时间段为缺陷时间段；所述反射信号波形为波形图中振幅变化量大于振幅变化量阈值，且振幅与衰减趋势振幅值的差值小于0，且振幅与衰减趋势振幅值的差值的绝对值大于差值阈值；
确定缺陷时间段内待测绝缘纸板中的所有扫描位置为气隙缺陷区域；所述气隙缺陷区域指待测绝缘纸板中的第一材质层和第二材质层的粘接区域存在气隙缺陷。
4.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，其特征在于，在确定缺陷时间段内待测绝缘纸板中的所有扫描位置为气隙缺陷区域之后，还包括：
根据所述波形图中的反射信号波形确定太赫兹信号通过绝缘纸板的时间；
获取真空光速、正品临界厚度和介质折射率；
根据真空光速、介质折射率和太赫兹信号通过绝缘纸板的时间，确定缺陷临界厚度；
确定缺陷临界厚度与正品临界厚度之差为缺陷厚度。
5.根据权利要求4所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，其特征在于，所述缺陷临界厚度为：
其中，d为缺陷临界厚度，c为真空光速，n为介质折射率、t为太赫兹信号通过介质的时间。
6.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法，其特征在于，在利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号之前，还包括：
获取太赫兹波穿过缺陷绝缘纸板的多个第一时域电场信号；
获取太赫兹波穿过无缺陷绝缘纸板的多个第二时域电场信号；
根据所述第一时域电场信号和所述第二时域电场信号，确定波形图中振幅变化量大于振幅变化量阈值，且振幅与衰减趋势振幅值的差值小于0，且振幅与衰减趋势振幅值的差值的绝对值大于差值阈值的区域为气隙缺陷区域的标志。
7.一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测系统，其特征在于，包括：
待测时域电场信号获取模块，用于利用预设路线匀速移动待测绝缘纸板中的扫描位置，得到待测时域电场信号；所述待测时域电场信号是利用太赫兹波穿过待测绝缘纸板中扫描位置后得到的；
缺陷状况确定模块，用于根据所述待测时域电场信号，确定待测绝缘纸板中的缺陷状况。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求1至6中任一项所述的一种基于太赫兹波的绝缘纸板缺陷检测方法。
9.根据权利要求8所述的一种电子设备，其特征在于，所述存储器为可读存储介质。
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| CN117969449A (zh) * | 2024-03-29 | 2024-05-03 | 三峡金沙江云川水电开发有限公司 | 一种太赫兹检测发电机定子线棒绝缘缺陷的方法及系统 |
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