環(huán)氧復(fù)合絕緣內(nèi)部缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

郝艷捧，黃盛龍，申子魁，劉琳，張瀅瀅，梁學(xué)致，陽(yáng)林

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)因具有可靠性高、占地面積小、空間利用率高、受外界影響小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[1]。然而在中國(guó)，GIS設(shè)備故障率遠(yuǎn)超預(yù)期，環(huán)氧復(fù)合絕緣子引發(fā)的GIS故障尤為突出。環(huán)氧復(fù)合絕緣子主要由雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、酸酐類固化劑和Al2O3等澆注而成，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造等因素或電、熱、機(jī)械等多場(chǎng)耦合作用引發(fā)的環(huán)氧復(fù)合絕緣子內(nèi)部氣泡[3]、裂紋[1]、密度不均勻[5]等缺陷在早期較小，雖然不會(huì)造成其絕緣性能大幅降低，但長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣性能逐步劣化，最終引發(fā)沿面閃絡(luò)或絕緣擊穿，甚至引發(fā)爆裂，造成停電事故。因此，在環(huán)氧復(fù)合絕緣子投入電網(wǎng)前盡可能發(fā)現(xiàn)其微小缺陷極為重要。

目前GIS環(huán)氧復(fù)合絕緣子狀態(tài)檢測(cè)主要集中在缺陷存在時(shí)，局部放電產(chǎn)生的電磁波、電流、聲波、紫外線、化學(xué)成分等特征量變化。特高頻法和脈沖電流法檢測(cè)靈敏度較高，但前者不能定量分析放電，無(wú)法判斷缺陷發(fā)展的嚴(yán)重程度[5]，后者無(wú)法實(shí)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位[6]。局部放電超聲波檢測(cè)對(duì)絕緣子內(nèi)部氣泡產(chǎn)生的放電信號(hào)靈敏度不高，定位困難[8]。X射線難以檢測(cè)寬度較小的裂紋，且便捷性和安全性有待提高[9]?；瘜W(xué)檢測(cè)法成分分析時(shí)間長(zhǎng)，且難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[10]。

超聲檢測(cè)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有高靈敏度、便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，能定位成像材料內(nèi)部缺陷，反映其局部性能變化。目前可采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的“片析檢查”來(lái)檢測(cè)盆式絕緣子不同部位密度[11]，“片析檢查”屬于破壞性試驗(yàn)，而超聲無(wú)損檢測(cè)可利用超聲波傳播特性來(lái)確定材料密度。西班牙Arturas等人采用超聲浸水檢測(cè)法對(duì)以環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂為基礎(chǔ)的2種復(fù)合材料進(jìn)行了聲阻抗和密度檢測(cè)[12]；平高集團(tuán)采用超聲波聲速和幅度譜峰值作為特征參量，定量表征不同致密度的滅弧噴口[13]；北京航空航天大學(xué)研究了基于超聲衰減及聲速變化量的SiCp/Al復(fù)合材料顆粒分布均勻性的成像方法[14]；捷克Kravcov等人采用寬帶超聲脈沖回波法測(cè)量純鎢樣品局部密度分布[15]。目前學(xué)者對(duì)超聲檢測(cè)材料密度的研究集中在金屬及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，而對(duì)GIS用EP/Al2O3復(fù)合絕緣材料的研究較少。

針對(duì)GIS絕緣子用環(huán)氧復(fù)合絕緣材料內(nèi)部集中性缺陷，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了各種超聲檢測(cè)方法。2015年，西安交通大學(xué)用超聲檢測(cè)環(huán)氧試樣內(nèi)部20 mm深處模擬的氣隙和裂紋，用底面反射波的頻譜特性區(qū)分不同孔徑氣隙和不同取向裂紋[16]；2017年，天津理工大學(xué)用蘭姆波檢測(cè)盆式絕緣子表面高1 mm的微裂紋及微小附著物，但需要將壓電陶瓷片嵌入材料邊沿，不能檢測(cè)已生產(chǎn)或已投入運(yùn)行的含缺陷絕緣子[17]；2019年，浙江大學(xué)利用超聲導(dǎo)波定位檢測(cè)出盆式絕緣子0.2 mm表面裂紋和直徑2 mm 內(nèi)部氣孔[18]；2019年，華南理工大學(xué)分別利用超聲反射法、臨界折射縱波法檢測(cè)GIS用環(huán)氧材料內(nèi)部缺陷，發(fā)現(xiàn)1 MHz超聲縱波探頭可用于檢測(cè)深度50 mm內(nèi)直徑為2 mm的氣泡缺陷和深度40 mm內(nèi)直徑為1 mm的橫向裂紋缺陷[19]，2.5 MHz超聲臨界折射縱波(critically refracted longitudinal waves，LCR)可用于檢測(cè)高度為0.5 mm表面微裂紋[20]；2023年，甘肅電科院利用低頻雙探頭超聲橫波法檢測(cè)盆式絕緣子螺栓孔附近裂紋，并進(jìn)行了定性分析[21]。

現(xiàn)有環(huán)氧復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷超聲檢測(cè)方法效率低，密度分布超聲檢測(cè)方法有待完善[22]。同時(shí)超聲信息無(wú)法與計(jì)劃?rùn)z測(cè)路線外的樣品位置信息融合，致使其還停留在人工檢測(cè)和定性分析階段，缺陷漏檢率高，且無(wú)法準(zhǔn)確表征缺陷的形態(tài)、類別和絕緣材料的密度分布。對(duì)此，本文提出環(huán)氧復(fù)合絕緣缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與方法，自動(dòng)融合檢測(cè)位置信息和超聲特征量，并分別檢測(cè)密度不均勻和人工預(yù)制含不同深度、取向裂紋缺陷的試樣，驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效性。

1 超聲自動(dòng)成像系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

本文搭建超聲快速自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，其由超聲發(fā)生接收儀、數(shù)字示波器、縱波直探頭、位置傳感器、計(jì)算機(jī)和待測(cè)試樣組成。超聲發(fā)生接收儀為高精度數(shù)字超聲儀CTS-8077PR，可調(diào)脈寬范圍80 kHz～20 MHz；數(shù)字示波器型號(hào)Tektronix MDO3014，帶寬100 MHz，最大采樣率2.5 GHz；探頭為復(fù)合材料晶片的超聲縱波直探頭，標(biāo)稱頻率2.5 MHz，內(nèi)徑為6 mm，外徑為8 mm，聲軸偏差小于2°；位置傳感器型號(hào)PAW3395，追蹤速率390 000 in/s，解析度26 000 in-1；探頭中心與位置傳感器的中心位置保持在同一水平線上，且檢測(cè)過(guò)程中距離保持不變。

圖1 絕緣缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic automatic detection system for insulation defect

該系統(tǒng)通過(guò)超聲發(fā)生接收儀發(fā)出脈沖信號(hào)，使得放置在待測(cè)試樣表面的探頭振動(dòng)，發(fā)射超聲波到待檢測(cè)試樣中。超聲波在接觸到缺陷時(shí)，試樣底面反射產(chǎn)生回波，超聲回波信號(hào)被同一探頭接收。超聲信號(hào)通過(guò)電纜線傳輸?shù)綌?shù)字示波器，數(shù)字示波器經(jīng)串行端口通過(guò)NI-VISA協(xié)議與計(jì)算機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)超聲時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收。同時(shí)結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)記錄位置信息，并在計(jì)算機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)氧復(fù)合絕緣缺陷重構(gòu)。

1.2 自動(dòng)檢測(cè)方法

本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測(cè)軟件，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、超聲特征量自動(dòng)計(jì)算和內(nèi)部集中性缺陷/密度圖像顯示等模塊，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件框架圖Fig.2 Software framework diagram of the automatic detection system.

1.2.1 檢測(cè)定位

獲取掃描區(qū)域?qū)崟r(shí)位置信息。光電式位置傳感器可快速獲得掃描區(qū)域的表面圖像，經(jīng)高速數(shù)字信號(hào)處理后，對(duì)圖像特征信息進(jìn)行特征提取分析，得到位置傳感器的位移方向和距離。位置傳感器的位置不能與探頭位置完全重合，位置傳感器的虛擬終端位置需要映射到探頭的實(shí)際位置空間。建立多檢測(cè)坐標(biāo)系(如圖1所示)，計(jì)算機(jī)上光電位置傳感器的虛擬坐標(biāo)系用{M}表示，超聲波探頭的實(shí)際物理坐標(biāo)系用{U}表示。坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(1)

式中：Mx、My分別為位置傳感器在虛擬坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；Ux、Uy分別為超聲探頭在待檢測(cè)試樣表面的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；dx、dy分別為位置傳感器和超聲探頭在x、y軸方向上的初始位置差值，檢測(cè)過(guò)程中保持不變。經(jīng)實(shí)際測(cè)試得位置傳感器單次掃描極限約為38.9 mm×69.1 mm的長(zhǎng)方形區(qū)域，本文比例系數(shù)a取0.036，理論上檢測(cè)位置精度為0.036 mm。

全尺寸試樣檢測(cè)區(qū)域拓展。位置傳感器單次檢測(cè)范圍有限且固定不變，為實(shí)現(xiàn)大于位置傳感器單次檢測(cè)范圍的全尺寸試樣檢測(cè)，根據(jù)位置傳感器單次長(zhǎng)方形檢測(cè)范圍對(duì)試樣進(jìn)行分次檢測(cè)區(qū)域劃分和去邊緣化檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 待測(cè)環(huán)氧試樣分次檢測(cè)區(qū)域超聲掃描示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic scan of the fractional detection area of epoxy specimen to be tested

在區(qū)域A內(nèi)可按非固定的隨機(jī)路徑檢測(cè)完成后，向相鄰區(qū)域平移。當(dāng)觸及單次掃描區(qū)域邊界時(shí)自動(dòng)標(biāo)記方向并沿該方向拓展，位置信息自動(dòng)疊加1個(gè)單位方向的檢測(cè)長(zhǎng)度﹝見(jiàn)式(2)﹞。此外，為避免記錄重復(fù)位置數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)比實(shí)時(shí)位置和歷史數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)非重復(fù)性獲取。

(2)

式中：M′x和M′y分別為分次檢測(cè)時(shí)位置傳感器在虛擬坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；Mh或Mv分別為單次檢測(cè)時(shí)位置傳感器的橫向、縱向檢測(cè)長(zhǎng)度。

1.2.2 超聲特征提取

對(duì)數(shù)字示波器采集的超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波分析處理。本文采用sym8小波基函數(shù)、5層分解層數(shù)以及軟硬閾值折衷閾值函數(shù)，其中軟硬閾值折衷閾值函數(shù)

(3)

式中：cD1為第1層分解的小波系數(shù)；N為超聲時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；fmid為取中值函數(shù)[21]。

超聲檢測(cè)信號(hào)去噪效果如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，小波分析法可以有效對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪處理并保證信號(hào)不失真。當(dāng)缺陷回波幅值較小時(shí)，相比于去噪前的原始波形，去噪后波形可以更明顯觀測(cè)到缺陷，避免因噪聲存在導(dǎo)致的誤判。

圖4 小波分析去噪前、后的超聲檢測(cè)波形Fig.4 Ultrasonic detection waveforms before and after denoising by wavelet analysis

采用超聲反射法檢測(cè)含缺陷試樣的典型波形，結(jié)果如圖5所示。其中：T、F和B分別為試樣上表面、缺陷上表面和試樣底面的超聲回波，T、F、B用作下標(biāo)，表示與該類型超聲回波有關(guān)的變量，下同；ΔTE1和ΔTE2分別為試樣缺陷、底面回波的超聲傳播時(shí)間；ti和Ui分別為試樣的第i個(gè)波峰的時(shí)間和電壓；tk和Uk分別為試樣上表面超聲回波的尾波峰的時(shí)間和電壓；tn和Un分別為試樣底面超聲回波的尾波峰的時(shí)間和電壓；Δti、TiV0分別為回波波形的第i個(gè)波峰和第i+1個(gè)波峰之間時(shí)間差、零信號(hào)時(shí)間；TmaxV為超聲探頭檢測(cè)盲區(qū)的超聲傳播時(shí)間。

圖5 超聲反射法檢測(cè)缺陷的典型波形Fig.5 Typical waveforms of ultrasonic reflectometry defect detection

根據(jù)超聲波形中的ti和Ui可計(jì)算得到上表面回波T中首波峰和尾波峰之間所有相鄰波峰間的時(shí)間差倍數(shù)Kti、幅值倍數(shù)KVi、時(shí)間差最大倍數(shù)Kmt和幅值最大倍數(shù)KmV﹝式(4)、(5)﹞。缺陷超聲檢測(cè)位置和波形特征量自動(dòng)成像算法流程如圖6所示，

圖6 缺陷超聲檢測(cè)位置和波形特征量自動(dòng)成像算法流程Fig.6 Real-time calculation process of ultrasonic detection propagation time of defects and bottom surface

(i=3，…，k)；

(4)

(5)

缺陷超聲檢測(cè)位置和波形特征量自動(dòng)成像算法流程計(jì)算步驟如下：

步驟1，采用1.2.1節(jié)檢測(cè)定位方法非重復(fù)性獲取探頭位置{M′x，M′y}和超聲波形，并對(duì)原始超聲波形小波分析去噪。

步驟2，利用多重比較判別法提取超聲波形的ti、Ui，并計(jì)算TiV0、Kti和KVi。

步驟3，根據(jù)Ui/U1是否為當(dāng)前最小值以及TiV0是否大于TmaxV建立雙重判據(jù)，按波形數(shù)據(jù)點(diǎn)順序判定，若判據(jù)均成立，則獲取tk、Uk，并確定Kmt、KmV。

步驟4，分別計(jì)算Δti/Δti-1、Ui/Ui-1并與Kmt、KmV作比較，按波形數(shù)據(jù)點(diǎn)順序判定，若多重判據(jù)均成立，則判定為回波存在，并統(tǒng)計(jì)回波數(shù)量。根據(jù)回波數(shù)量判定，并獲取tF、UF和tB、UB。

步驟5，根據(jù)上述步驟獲取的超聲特征量構(gòu)建超聲檢測(cè)位置-超聲特征數(shù)據(jù)集{M′x，M′y，ΔTE1/ΔTE2}。

傳統(tǒng)人工超聲檢測(cè)需人工記錄探頭檢測(cè)位置，并在示波器上用光標(biāo)標(biāo)記并進(jìn)行人工計(jì)算獲得ΔTE1和ΔTE2。而本文自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置傳感器和超聲探頭一體化，利用傳感器實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取檢測(cè)位置和超聲波形，用圖6算法進(jìn)行缺陷超聲檢測(cè)位置和波形特征量自動(dòng)成像，并繪制出試樣集中性缺陷、密度分布云圖。

1.2.3 環(huán)氧密度均勻性實(shí)時(shí)成像方法

測(cè)量試樣厚度d2，則試樣內(nèi)部超聲聲速

(6)

本文使用的環(huán)氧復(fù)合材料在廣義上呈現(xiàn)各向同性[24-25]。超聲縱波在無(wú)限大各向同性均勻彈性體內(nèi)傳播時(shí)，對(duì)特定彈性體或彈性體內(nèi)某個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，聲速c僅取決于彈性體的密度ρ、楊氏彈性模量E和泊松比σ，在一定程度上可以通過(guò)聲速分布圖像直觀反饋其密度分布狀態(tài)。本文利用試樣進(jìn)行試驗(yàn)，證明了EP/Al2O3復(fù)合材料體系的密度與超聲聲速呈線性正相關(guān)[26]。EP/Al2O3材料體系的密度與聲速關(guān)系如式(7)所示：

ρ=Kc+B.

(7)

式中參數(shù)K、B僅與EP、Al2O3和固化劑的型號(hào)有關(guān)。

環(huán)氧密度均勻性實(shí)時(shí)成像方法過(guò)程如下：首先，用超聲檢測(cè)位置和波形特征量自動(dòng)成像算法流程獲取ΔTE2，并計(jì)算得各點(diǎn)聲速c、密度ρ，構(gòu)建檢測(cè)位置-密度特征數(shù)據(jù)集{M′x，M′y，ρ}，最后，用Kriging插值自動(dòng)繪制試樣密度分布云圖。

1.2.4 環(huán)氧缺陷實(shí)時(shí)成像方法

在圖3中試樣相同厚度區(qū)域內(nèi)的掃描路徑上，統(tǒng)計(jì)在第n次檢測(cè)時(shí)圖6的第2個(gè)超聲回波傳播時(shí)間tn，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差s(tn)，利用新數(shù)據(jù)點(diǎn)與其前的數(shù)據(jù)集算術(shù)平均值之差的絕對(duì)值TdA>s(tn)為判據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)缺陷情況。

(8)

(9)

(10)

同種材料配方制備的試樣內(nèi)部聲速c相同，則試樣內(nèi)部首回波深度

(11)

環(huán)氧缺陷實(shí)時(shí)成像方法過(guò)程如下：首先利用圖6算法自動(dòng)獲得的波形特征量進(jìn)行試樣缺陷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再計(jì)算各檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的dst，構(gòu)建檢測(cè)位置-缺陷位置特征數(shù)據(jù)集{M′x，M′y，dst}，最后用Kriging插值自動(dòng)繪制成環(huán)氧復(fù)合絕緣裂紋缺陷成像圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷各關(guān)鍵參量的直觀統(tǒng)計(jì)分析。

2 試驗(yàn)

2.1 試樣

為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)氧復(fù)合絕緣密度均勻性與內(nèi)部集中缺陷的有效性，基于某公司GIS盆式絕緣子用EP/Al2O3材料配方，采用相同澆注工藝制備了環(huán)氧復(fù)合絕緣試樣，如圖7所示。

圖7 缺陷檢測(cè)用環(huán)氧試樣實(shí)物Fig.7 Epoxy samples for defect detection

為驗(yàn)證超聲檢測(cè)環(huán)氧復(fù)合材料密度均勻性的可行性，制備200 mm×200 mm×10 mm的平板試樣A﹝圖7(a)﹞。超聲檢測(cè)試樣A密度分布后，在平板試樣A兩側(cè)指定位置，切割10個(gè)10 mm×10 mm×10 mm的試樣，以字母a—j排序依次命名﹝圖7(b)﹞，檢測(cè)其密度作為超聲檢測(cè)局部密度的對(duì)比研究。為驗(yàn)證本系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)氧復(fù)合材料缺陷的有效性，制備底面直徑為100 mm、高30 mm的圓柱試樣，并分別沿距試樣下邊緣20 mm和右邊緣10 mm處切割得到試樣B，以提高超聲檢測(cè)試樣形狀多樣化﹝圖7(c)﹞。分別在試樣B下表面、前側(cè)面和右側(cè)面通過(guò)人工鉆孔模擬豎向、斜向和橫向裂紋缺陷﹝圖7(d)、(e)、(f)﹞，其中下表面的豎裂紋頂部距上表面的深度，與前側(cè)面斜裂紋長(zhǎng)度中心點(diǎn)上表面、橫裂紋上表面距上表面的深度保持一致。試樣缺陷分別用直徑Φ、長(zhǎng)度d、缺陷上邊緣距試樣上表面高度h表征。

2.2 超聲密度、缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

測(cè)量試樣A、B每個(gè)位置的超聲傳播時(shí)間t，代入式(6)計(jì)算得出試樣內(nèi)部超聲聲速c，將其代入式(7)、(11)，計(jì)算相應(yīng)位置的密度、缺陷深度，構(gòu)建檢測(cè)位置-密度、缺陷深度特征數(shù)據(jù)集，并繪制環(huán)氧復(fù)合絕緣試樣密度云圖、缺陷成像圖。

為驗(yàn)證超聲檢測(cè)密度的可行性，分別測(cè)量圖7(b)所示試樣a—j的質(zhì)量m、體積V，依據(jù)密度公式計(jì)算其密度。質(zhì)量測(cè)量采用精密分析天平SETPRO FA214A，實(shí)際分度值為0.1 mg；體積尺寸測(cè)量采用MNT 951數(shù)字游標(biāo)卡尺，精度為0.01 mm。每個(gè)試樣質(zhì)量、尺寸均測(cè)量10次，取10組的平均值作為最終值。

3 結(jié)果與分析

3.1 密度自動(dòng)成像

平板試樣A密度分布的超聲自動(dòng)成像結(jié)果如圖8所示。超聲檢測(cè)試樣A的密度不均勻程度最大相差0.193 g/cm3，試樣密度分布總體呈現(xiàn)由上至下增加趨勢(shì)，這是由于Al2O3顆粒沿重力方向發(fā)生沉降現(xiàn)象。試樣A澆注口下方密度較小，最小為2.046 g/cm3，試樣底部?jī)蓚?cè)密度較大，最大為2.239 g/cm3，其原因是在澆注平板試樣過(guò)程中，高溫條件下環(huán)氧樹(shù)脂和Al2O3顆粒混合后從中間澆注口倒入模具中，并以錐形從中間向兩側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致Al2O3顆粒在試樣底部?jī)蓚?cè)持續(xù)積累，進(jìn)一步加深試樣密度不均勻程度。

圖8 平板試樣密度分布云圖Fig.8 Density distribution of flat samples

在檢測(cè)效率方面，對(duì)試樣A在檢測(cè)點(diǎn)數(shù)相同的情況下，傳統(tǒng)人工超聲檢測(cè)時(shí)間約為2 h，本文自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間約20 min，檢測(cè)效率顯著提升。

超聲自動(dòng)成像檢測(cè)和質(zhì)量體積法測(cè)量試樣局部區(qū)域密度的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。2種測(cè)試方式密度結(jié)果在區(qū)域a′—區(qū)域e′、區(qū)域f′—區(qū)域j′內(nèi)呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。超聲檢測(cè)局部試樣密度最大差值為0.115 g/cm3，實(shí)際測(cè)量局部試樣密度最大差值為0.07 g/cm3，單次檢測(cè)誤差最大為4.8%。本文所述系統(tǒng)會(huì)在一定程度上放大了材料密度不均勻性，有利于實(shí)現(xiàn)絕緣子高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測(cè)。

圖9 不同測(cè)試方法下試樣密度結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of specimen density results of different detection methods

3.2 內(nèi)部集中性缺陷自動(dòng)成像

試樣B的3號(hào)缺陷和無(wú)缺陷區(qū)域的原始超聲響應(yīng)如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，當(dāng)缺陷存在時(shí)，原始超聲信號(hào)中會(huì)存在缺陷上表面回波F。用圖6算法獲得tF、tB，并計(jì)算得到ΔTE1和ΔTE2。其中，3號(hào)缺陷超聲波形特征值計(jì)算見(jiàn)表1。將ΔTE1和ΔTE2分別代入式(6)、(11)，計(jì)算得出3號(hào)缺陷的深度為15.14 mm，誤差為0.93%。

表1 試樣B的3號(hào)缺陷超聲波形特征值Tab.1 Ultrasonic waveform characteristic values of No.3 defect of sample B

圖10 樣品B的3號(hào)缺陷和無(wú)缺陷區(qū)域的原始超聲響應(yīng)圖Fig.10 Original ultrasound responses of No.3 defect and the area without defects of sample B

試樣B的缺陷位置和超聲自動(dòng)成像如圖11所示。從圖11(b)中可以看出，顏色最深處出現(xiàn)在試樣B的6號(hào)缺陷附近，距離試樣上表面11.01 mm，低于缺陷中心位置到試樣上表面距離，這是由于該處人工裂紋缺陷采用傾斜45度打孔，導(dǎo)致斜裂紋上部分距上表面更近，該部分超聲波信號(hào)更早反射回到探頭。

圖11 缺陷位置示意圖和超聲自動(dòng)成像結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of defect location and automatic ultrasound imaging

對(duì)比圖11(a)和圖11(b)，超聲自動(dòng)成像的缺陷位置和實(shí)際位置一致。大部分斜向裂紋位置無(wú)法完整表征，這是由于斜向裂紋和探頭超聲傳播方向有一定角度，超聲波到達(dá)缺陷界面時(shí)，反射波不能沿原路返回，當(dāng)缺陷距離試樣上表面越遠(yuǎn)，缺陷尺寸越小，探頭越難接收缺陷反射波信號(hào)。

從圖11(b)可以看出，利用本文超聲自動(dòng)成像系統(tǒng)檢測(cè)試樣整體形貌具有可行性。不同類型缺陷呈現(xiàn)出不同形狀且與缺陷原貌一致，但超聲自動(dòng)檢測(cè)成像比缺陷原貌尺寸較大。這是由于隨著探頭在檢測(cè)過(guò)程中偏離缺陷中心，當(dāng)探頭邊緣仍能接觸到缺陷時(shí)，雖然缺陷回波電壓幅值降低，但其超聲傳播時(shí)間與探頭位于缺陷中心時(shí)保持一致(如圖12所示)，造成在實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭可檢測(cè)到缺陷區(qū)域半徑r2比缺陷區(qū)域半徑r1大。雖然這會(huì)導(dǎo)致成像結(jié)果在一定程度上放大，但更容易實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)和識(shí)別。

圖12 缺陷檢測(cè)區(qū)域放大原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of defect detection amplification principle

在檢測(cè)效率方面，試樣B檢測(cè)點(diǎn)數(shù)相同的情況下，人工超聲檢測(cè)時(shí)間約為1.5 h，本文自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間約15 min，檢測(cè)效率顯著提升。

通過(guò)超聲檢測(cè)裂紋缺陷和密度分布結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試樣B由于密度分布不均勻引起的超聲傳播時(shí)間變化不明顯，其原因是試樣B的超聲檢測(cè)方向平行于澆注方向，導(dǎo)致該方向超聲檢測(cè)結(jié)果密度相對(duì)變化不大；此外，當(dāng)試樣內(nèi)部存在缺陷時(shí)，缺陷對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響程度遠(yuǎn)大于密度分布不均勻的影響。

分別用本文檢測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)人工超聲檢測(cè)2種方式檢測(cè)試樣B中6個(gè)不同位置、尺寸和取向的自制非斜向裂紋缺陷。每種缺陷測(cè)量10次，取10組的平均值作為最終值，得到不同檢測(cè)方式下的超聲傳播時(shí)間及其誤差，如圖13所示。

圖13 傳統(tǒng)人工超聲檢測(cè)與系統(tǒng)檢測(cè)缺陷可靠性對(duì)比Fig.13 Reliability comparison of traditional manual ultrasonic detection and system detection methods

由圖13可以看出，2種檢測(cè)方式相同裂紋缺陷的超聲傳播時(shí)間誤差最大為1.64%，最小為0.092%，表明本文超聲自動(dòng)成像系統(tǒng)在檢測(cè)環(huán)氧復(fù)合絕緣缺陷位置的精度、準(zhǔn)確率層面可以替代傳統(tǒng)人工超聲檢測(cè)。

4 結(jié)論

針對(duì)環(huán)氧復(fù)合絕緣材料現(xiàn)有超聲檢測(cè)結(jié)果不直觀、檢測(cè)效率低等問(wèn)題，本文基于超聲脈沖反射原理研制了一種環(huán)氧復(fù)合絕緣缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)位置信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集并自動(dòng)融合超聲波形、超聲特征量自動(dòng)計(jì)算等步驟，實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧復(fù)合絕緣材料缺陷的自動(dòng)檢測(cè)和表征。

a)用環(huán)氧復(fù)合絕緣密度均勻性的超聲自動(dòng)成像方法檢測(cè)了環(huán)氧復(fù)合絕緣平板的密度分布，與質(zhì)量體積法測(cè)量的局部密度誤差小于4.8%，檢測(cè)效率明顯提高。

b)分別用環(huán)氧復(fù)合絕緣裂紋缺陷自動(dòng)成像方法和傳統(tǒng)人工超聲方式檢測(cè)6種不同位置、尺寸和取向的裂紋缺陷，超聲傳播時(shí)間誤差最大僅1.64%，缺陷檢測(cè)結(jié)果與其原貌具有一致性，檢測(cè)效率提高近6倍。

c)本文檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了絕緣材料的內(nèi)部集中缺陷和密度均勻性檢測(cè)的統(tǒng)一，在絕緣子出廠試驗(yàn)和故障分析、缺陷定位方面，較傳統(tǒng)人工檢測(cè)方式在檢測(cè)效率和直觀性上具有一定優(yōu)勢(shì)。

后續(xù)還將對(duì)非平板絕緣子及絕緣子的大弧度和邊緣區(qū)域開(kāi)展檢測(cè)研究。