CN118348067B - 一种电力设备金属组件的缺陷检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力设备的无损检测技术领域，尤其是指一种电力设备金属组件的缺陷检测方法、装置及计算机可读存储介质。本发明利用非均匀脉冲磁场的分布对被测目标金属组件的三维电导率进行重建，在重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到重建区域分割断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程，进一步得到不同方向的电导率分布，再利用有限差分法对不同方向的电导率分布求解。本发明基于实际应用中脉冲磁场分布不均匀的情况，求解得到的电导率分布更加精确，相比现有技术具有灵敏度高精度高的优势，具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备的无损检测技术领域，尤其是指一种电力设备金属组件的缺陷检测方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
无损检测（Nondestructive Testing，NDT）技术是保证在不损害被检测对象的使用性能关系的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，对被检测对象的材料、零部件、结构进行检测，以此来判断被检测对象的可靠性、完整性、连续性以及其他物理性能。无损检测涉及了物理学、材料学、电子信息技术等多个学科及技术领域。
目前电力设备如气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）、电力杆塔等大型构件承担着电能传输和保护控制等功能，其一旦损坏轻则造成停电故障，带来经济损失，重则造成人员伤亡。现有的检测方法包括超声检测、X射线检测存在测不全、测不了和测不准等问题。单一的物理场检测方法存在检测灵敏度和分辨率不能同时兼顾的问题，而光、热、电耦合的检测方法则具有能够同时实现高灵敏度和高分辨率的优势。
磁声电成像是一种具有电磁的高对比度和超声高分辨率相结合优势的成像方法，对电力设备金属组件进行缺陷检测具有高分辨率和高对比度的优势。现有的电力设备金属组件缺陷检测方法采用时间反演法是基于场分布均匀的假设而实现的，但没有考虑实际检测过程中，激励参数导致脉冲磁场分布不均匀而产生的误差，导致缺陷检测的误差增大。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中没有考虑实际检测中场分布不均匀导致检测误差增大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，包括：
对放置于非均匀脉冲磁场中的被测目标施加激光超声激励，并利用三维磁场测量方法得到非均匀脉冲磁场的分布，利用激光超声测振系统获取被测目标的三维振速分布；
基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布；
对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度；并且在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度；
根据所述基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布和互易的电流密度，得到断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程；基于该方程，利用有限差分，建立等步长的有限差分网格，离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率分布；
利用被测目标的电导率分布对被测目标进行缺陷检测。
优选地，基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布，公式为：
；
其中，为基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布，表示被测目标内部的位置，表示时间，为哈密顿算符，为互易的电流密度，为非均匀脉冲磁场的分布，为被测目标的密度。
优选地，对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度，包括：
对被测目标的三维电导率进行重建，并按照二维断层分割方法对重建区域进行分割，在每一个断层面内得到电流密度与脉冲磁场强度乘积的散度，定义为，其中为脉冲磁场z轴上一个断层面的坐标值，表示断层面上坐标处的散度值。
优选地，在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度，公式为：
；
其中，表示被测目标坐标点处互易的电流密度，为被测目标的电导率，为哈密顿算符，为被测目标坐标点处的三维振速分布。
优选地，根据所述基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布和互易的电流密度，得到断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程，公式为：
；
其中，为被测目标的电导率，为哈密顿算符，为被测目标坐标点处的三维振速分布，为非均匀脉冲磁场的分布，表示断层面内坐标的磁场强度，表示断层面上坐标处的散度值。
优选地，利用有限差分，建立等步长的有限差分网格，包括：
在被测目标的三维电导率的重建区域中建立等步长的有限差分网格，设定在z轴方向有m个节点，在第个断层面上，有限差分网格在y轴方向的节点个数为b，步长为；在x轴方向的节点个数为c，步长为。
优选地，断层面上y轴方向的有限差分表达式为：
；
其中，为被测目标的电导率，为y轴方向有限差分的步长，i、j和k分别表示x轴方向、y轴方向和z轴方向的坐标，有，，，c为x轴方向的有限差分节点个数，b为y轴方向的有限差分节点个数，m为z轴方向的有限差分节点个数。
优选地，离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率，包括：
在z轴方向第个断层面内，对x轴和y轴建立等步长的有限差分网格后，设定电导率分布矩阵的初始值和误差精度；
利用有限差分法求解断层面的每一个x轴方向截面的电导率分布矩阵；
判断当前电导率分布矩阵的误差是否小于等于误差精度，如果当前电导率分布矩阵的误差小于等于误差精度，则停止迭代，否则返回继续利用有限差分法求解断层面的每一个x轴方向截面的电导率分布矩阵；
停止迭代后，得到脉冲磁场z轴方向的电导率分布；
以相同的方法获取脉冲磁场x轴方向和y轴方向的电导率分布。
本发明还提供了一种电力设备金属组件的缺陷检测装置，包括：
激励模块，用于对放置于非均匀脉冲磁场中的被测目标施加激光超声激励，并利用三维磁场测量方法得到非均匀脉冲磁场的分布，利用激光超声测振系统获取被测目标的三维振速分布；
声源分布获取模块，用于基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布；
电导率重建模块，用于对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度；并且在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度；
有限差分求解模块，用于根据所述基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布和互易的电流密度，得到断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程；基于该方程，利用有限差分，建立等步长的有限差分网格，离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率分布；
检测模块，用于利用被测目标的电导率分布对被测目标进行缺陷检测。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种电力设备金属组件的缺陷检测方法的步骤。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：
本发明所述的一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，利用非均匀脉冲磁场的分布对被测目标金属组件的三维电导率进行重建，在重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到重建区域分割断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程，进一步得到不同方向的电导率分布，再利用有限差分法对不同方向的电导率分布求解。本发明基于实际应用中脉冲磁场分布不均匀的情况，求解得到的电导率分布更加精确，相比现有技术具有灵敏度高精度高的优势，具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明一种电力设备金属组件的缺陷检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明提供了一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，针对电力设备金属组件，在脉冲磁场存在的条件下激光激励被测目标，在被测目标内部产生等效电场源，利用检测线圈或检测电极实现等效电场源信号的检测，进一步实现被测目标检测区域的电导率重建。具体包括以下步骤：
S1、对放置于非均匀脉冲磁场中的被测目标施加激光超声激励，在被测目标体中产生等效的电场源，其中表示被测目标内部的位置，为哈密顿算符，为互易的电流密度，与位置处被测目标的电导率和振动速度有关，为非均匀脉冲磁场的分布，与位置处的磁场分布有关。
利用三维磁场测量方法得到非均匀脉冲磁场的分布，利用激光超声测振系统获取被测目标的三维振速分布。
S2、基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布。
传统的时间反演算法假设均匀重建出，再利用测量得到的三维振速分布而重建出电导率分布。本发明不考虑脉冲磁场与激光激励参数的均匀性，基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布，它与电流密度与脉冲磁场强度的散度成正比，公式为：
；
其中，为基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布，表示被测目标内部的位置，表示时间，为哈密顿算符，为互易的电流密度，为非均匀脉冲磁场的分布，为被测目标的密度。
当激光超声激励被测目标时，被测目标内部会产生声压值，其波动场可以认为是在被测目标内部处脉冲电磁激励与激光超声共同作用的位置产生的电场源。
S3、对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度；并且在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度。
由于被测目标的密度为常数，则可以重建出激励的磁场强度与电流密度的散度。
对被测目标的三维电导率进行重建，并按照二维断层分割方法对重建区域进行分割，在每一个断层面内得到电流密度与脉冲磁场强度乘积的散度，定义为，其中为脉冲磁场z轴上一个断层面的坐标值，表示断层面上坐标处的散度值。
在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度，公式为：
；
其中，表示被测目标坐标点处互易的电流密度，为被测目标的电导率，为哈密顿算符，为被测目标坐标点处的三维振速分布。
S4、根据所述基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布和互易的电流密度，得到断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程，公式为：
；
其中，为被测目标的电导率，为哈密顿算符，为被测目标坐标点处的三维振速分布；为非均匀脉冲磁场的分布，表示断层面内坐标的磁场强度，是通过三维磁场测量方法获取脉冲磁场分布的真实场分布，进一步可以得到整个重建区域的非均匀脉冲磁场的分布；表示断层面上坐标处的散度值。
基于上述方程，利用有限差分，建立等步长的有限差分网格，离散重建区域，包括：
在被测目标的三维电导率的重建区域中建立等步长的有限差分网格，设定在z轴方向有m个节点，在第个断层面上，有限差分网格在y轴方向的节点个数为b，步长定义为；在x轴方向的节点个数为c，步长定义为。
以断层面上的y轴方向的有限差分为例，表达式为：
；
其中，为被测目标的电导率，为y轴方向有限差分的步长，i、j和k分别表示x轴方向、y轴方向和z轴方向的坐标，有，，，c为x轴方向的有限差分节点个数，b为y轴方向的有限差分节点个数，m为z轴方向的有限差分节点个数。
以脉冲磁场的z轴方向为例，建立线性方程组，其中为系数矩阵，为第个断层面的x平面内第m个截面上的电导率分布矩阵，为第个断层面的x平面内第m个截面上的三维振速分布矩阵。
根据上述线性方程组，离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率分布，包括：
在z轴方向第个断层面内，对x轴和y轴建立等步长的有限差分网格后，设定电导率分布矩阵的初始值和误差精度；
利用有限差分法求解断层面的x平面内第m个截面上的电导率分布矩阵；
判断当前电导率分布矩阵的误差是否小于等于误差精度，如果当前电导率分布矩阵的误差小于等于误差精度，则停止迭代，否则返回继续利用有限差分法求解断层面的x平面内第m个截面上的电导率分布矩阵；
迭代求解断层面的每一个x轴方向截面的电导率分布矩阵；停止迭代后，得到脉冲磁场z轴方向的电导率分布。
以相同的方法获取脉冲磁场x轴方向的电导率分布，包括：
在x轴方向第个断层面内，对y轴和z轴建立等步长的有限差分网格后，设定电导率分布矩阵的初始值和误差精度；
利用有限差分法求解断层面的每一个y轴方向截面的电导率分布矩阵；
判断当前电导率分布矩阵的误差是否小于等于误差精度，如果当前电导率分布矩阵的误差小于等于误差精度，则停止迭代，否则返回继续利用有限差分法求解断层面的每一个y轴方向截面的电导率分布矩阵；
停止迭代后，得到脉冲磁场x轴方向的电导率分布。
以相同的方法获取脉冲磁场y轴方向的电导率分布，包括：
在y轴方向第个断层面内，对z轴和x轴建立等步长的有限差分网格后，设定电导率分布矩阵的初始值和误差精度；
利用有限差分法求解断层面的每一个z轴方向截面的电导率分布矩阵；
判断当前电导率分布矩阵的误差是否小于等于误差精度，如果当前电导率分布矩阵的误差小于等于误差精度，则停止迭代，否则返回继续利用有限差分法求解断层面的每一个z轴方向截面的电导率分布矩阵；
停止迭代后，得到脉冲磁场y轴方向的电导率分布。
S5、利用被测目标的电导率分布对被测目标进行缺陷检测。
综上所述，本发明提供的一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，利用非均匀脉冲磁场的分布对被测目标金属组件的三维电导率进行重建，在重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到重建区域分割断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程，进一步得到不同方向的电导率分布，再利用有限差分法对不同方向的电导率分布求解。本发明考虑实际应用中脉冲磁场分布不均匀的情况，因此求解得到的电导率分布更加精确，相比现有技术具有灵敏度高精度高的优势，具有广泛的应用前景和潜在的应用价值。
本实施例还提供了一种电力设备金属组件的缺陷检测装置，包括：
激励模块，用于对放置于非均匀脉冲磁场中的被测目标施加激光超声激励，并利用三维磁场测量方法得到非均匀脉冲磁场的分布，利用激光超声测振系统获取被测目标的三维振速分布；
声源分布获取模块，用于基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布；
电导率重建模块，用于对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度；并且在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度；
有限差分求解模块，用于根据所述基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布和互易的电流密度，得到断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程；基于该方程，利用有限差分，建立等步长的有限差分网格，离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率分布；
检测模块，用于利用被测目标的电导率分布对被测目标进行缺陷检测。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种电力设备金属组件的缺陷检测方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，其特征在于，包括：对放置于非均匀脉冲磁场中的被测目标施加激光超声激励，并利用三维磁场测量方法得到非均匀脉冲磁场的分布，利用激光超声测振系统获取被测目标的三维振速分布；
基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布；
对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度；并且在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度；
根据所述基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布和互易的电流密度，得到断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度、该断层面上电导率分布、非均匀脉冲磁场的分布以及被测目标的三维振速分布的方程，公式为：
其中，σ为被测目标的电导率，为哈密顿算符，ur(x,y,za)为被测目标坐标点(x,y,za)处的三维振速分布，B为非均匀脉冲磁场的分布，Ba(x,y,za)表示断层面za内坐标(x,y)的磁场强度，m(x,y,za)表示断层面za上坐标(x,y)处的散度值；
基于该方程，利用有限差分，建立等步长的有限差分网格，包括：在被测目标的三维电导率的重建区域中建立等步长的有限差分网格，设定在z轴方向有m个节点，在第a个断层面za上，有限差分网格在y轴方向的节点个数为b，步长为nb；在x轴方向的节点个数为c，步长为nc；断层面za上y轴方向的有限差分表达式为：
其中，σ为被测目标的电导率，nb为y轴方向有限差分的步长，i、j和k分别表示x轴方向、y轴方向和z轴方向的坐标，有i＝1,2,3,…,c，j＝1,2,3,…,b，k＝1,2,3,…,m；
离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率分布；
利用被测目标的三维电导率对被测目标进行缺陷检测。
2.根据权利要求1所述的一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，其特征在于，基于所述非均匀脉冲磁场的分布，利用时间反演算法得到基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布，公式为：
其中，R(r,t)为基于激光超声激励的磁声电成像的声源分布，r表示被测目标内部的位置，t表示时间，为哈密顿算符，Jr为互易的电流密度，B为非均匀脉冲磁场的分布，ρ0为被测目标的密度。
3.根据权利要求2所述的一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，其特征在于，对被测目标的三维电导率进行重建，定义断层面上电流密度与磁场强度乘积的散度，包括：
对被测目标的三维电导率进行重建，并按照二维断层分割方法对重建区域进行分割，在每一个断层面内得到电流密度与脉冲磁场强度乘积的散度，定义为m(x,y,za)，其中za为脉冲磁场z轴上一个断层面的坐标值，m(x,y,za)表示断层面za上坐标(x,y)处的散度值。
4.根据权利要求3所述的一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，其特征在于，在对被测目标的三维电导率进行重建的过程中引入被测目标的三维振速分布，得到互易的电流密度，公式为：
其中，Jr(x,y,z)表示被测目标坐标点(x,y,z)处互易的电流密度，
σ为被测目标的电导率，为哈密顿算符，ur(x,y,z)为被测目标坐标点(x,y,z)处的三维振速分布。
5.根据权利要求1所述的一种电力设备金属组件的缺陷检测方法，其特征在于，离散重建区域，得到重建区域内不同断层面的电导率分布，进而得到被测目标的三维电导率，包括：
在z轴方向第a个断层面za内，对x轴和y轴建立等步长的有限差分网格后，设定电导率分布矩阵的初始值和误差精度；
利用有限差分法求解断层面za的每一个x轴方向截面的电导率分布矩阵；
判断当前电导率分布矩阵的误差是否小于等于误差精度，如果当前电导率分布矩阵的误差小于等于误差精度，则停止迭代，否则返回继续利用有限差分法求解断层面za的每一个x轴方向截面的电导率分布矩阵；
停止迭代后，得到脉冲磁场z轴方向的电导率分布；
以相同的方法获取脉冲磁场x轴方向和y轴方向的电导率分布。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述一种电力设备金属组件的缺陷检测方法的步骤。
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