基于激光超声表面波的盆式绝缘子表面开口缺陷成像与定量_赵洲峰.pdf

基于激光超声表面波的盆式绝缘子表面开口缺陷成像与定量赵洲峰1，薛志祥2，邹君文3，周桢3，吴一峰3，张俊2（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州310014；2.武汉大学动力与机械学院，武汉430062；3.杭州意能电力有限公司，杭州310013）摘要：针对盆式绝缘子表面开口缺陷精准检测的迫切需求，文中提出一种基于激光超声表面波的盆式绝缘子成像检测及缺陷定量方法，利用高速振镜实现超声信号的非接触式扫描激励和快速采集，利用声场互易原理实现超声传播及其与缺陷相互作用过程的动态显示，以相邻信号相关度为指标实现表面开口缺陷的高对比度成像，基于中值滤波和索贝尔算子边缘提取实现缺陷尺寸的精确测量。设计和制造圆孔和刻槽两类缺陷对所提出方法进行验证，结果表明：所提成像方法可以同时检出位于探头正前方以及具有一定偏转角度方位上的缺陷，所提定量方法对位于探头正前方表面开口缺陷的定量精度达到95%。关键词：盆式绝缘子；激光超声；相关度；缺陷定量Imaging and Quantification on Insulating Spacer Surface Opening Defect Based on LaserUltrasonic Surface WaveZHAO Zhoufeng1，XUE Zhixiang2，ZOU Junwen3，ZHOU Zhen3，WU Yifeng3，ZHANG Jun2（1.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.School of Power and MechanicalEngineering，Wuhan University，Wuhan 430062，China；3.E.Energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310013，China）Abstract:In view of the urgent need of accurate defection of insulating spacer surface opening defect，a kind of imaging detection and defect quantitative method of insulating spacer based on laser ultrasonic surface wave is proposedin this paper.The noncontact scanning excitation and fast acquisition of ultrasonic signal are achieved by using highspeed galvanometer.The dynamic display of interaction between ultrasonic propagation and defect is realized by theuse of sound field reciprocity principle.The adjacent signal correlation is taken as indicator so to realize the high contrast imaging of defect，and the accurate measurement of defect size is achieved by edge extraction based on medianfilter and sobel operator.The proposed method is verified by designing and manufacturing such two defects as circular hole and grooving defects.It is shown by the result that the proposed imaging method can simultaneously detectthe defects directly in front of the probe and with a certain deflection angle，and the quantitative accuracy of the proposed method for the defects directly in front of the probe reaches 95%.Key words:insulating spacer；laser ultrasonic；relevance；defect quantitative0引言盆式绝缘子是变电站气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的重要部件，其主要作用是隔离相邻气室、支撑导体及绝缘的重要作用。由于绝缘子自身机械强度不够、现场安装紧固作业不规范、以及承受温度和压力等多物理场载荷1-3，盆式绝缘子可能出现气孔、裂纹和表面附着物等典型缺陷类型4，其中尤其以裂纹的影响最为突出。由绝缘子裂纹扩展以致破裂最终导致的GIS漏气的事故时有发生，极大地影响了电网设备的安全稳定运行。因此，开发有效的盆式绝缘子裂纹缺陷检测技术具有重要意义。目前已报道的盆式绝缘子缺陷检测的方法主第59卷第2期：012701322023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01270132Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.017_收稿日期：20220830；修回日期：20221024基金项目：国家电网总科技部项目(输变电设备金属材料选用、制造及安装工艺要求及设备部件检测方法研究)。Project Supported by the General Science and Technology Department of the State Grid(Research on Metal Material Selection，Manufacturing and Installation Process Requirements of Power Transmission and Transformation Equipment and Testing Methods ofEquipment Components).2023年2月第59卷第2期要包括局部放电检测法、X射线法、振动及超声检测方法等。局放检测主要对表面异常敏感，例如嵌件毛刺、表面金属颗粒敏感，尽管局部放电信号包含了丰富的绝缘状态信息，但是容易受到环境干扰未能直接用于评价盆式绝缘子的结构完整性5-9。X射线可以检测表面及内部缺陷，但是由于设备安全及现场条件限制，多用于盆式绝缘子的出厂检验10。超声和振动法检测由于绝缘子材质衰减大，一般采用低频信号，其分析方法复杂且无法直观得到缺陷影像，信号的采集需要将压电传感器与绝缘子良好耦合11-15。激光超声作为一种宽频带的非接触式检测技术而受到广泛关注。利用激光快速扫描的特征可以采集大量阵列数据，然后利用后处理算法可以实现缺陷成像16。激光超声成像早期多用于金属检测，例如日本学者Takatsubo提出激光超声可视化成像并应用于钢板和钢管检测17。目前，激光超声已经成功用于炭纤维复合材料、风电叶片玻璃钢材料的检测18-22。尽管激光可视化技术可以展现超声与缺陷的相互作用过程，但是对缺陷的定量具有一定的局限性。文中提出一种盆式绝缘子表面开口缺陷的激光超声表面波成像检测及缺陷定量方法，利用激光振镜系统实现在盆式绝缘子表面实现超声波的非接触式扫描激励和快速数据采集，利用声场互易原理实现超声传播及其与缺陷相互作用过程的直观显示，以相关度为指标实现缺陷的高对比度成像，基于中值滤波和索贝尔算子边缘提取实现表面开口缺陷尺寸的测量，设计和制造圆孔和刻槽两类缺陷验证所提方法的可行性。1激光超声成像与定量方法1.1激光超声动态图像激光超声的激励原理见图1，一个脉冲激光器用于激励超声波，超声的激励具有热弹和烧蚀两种机制，为了保证激光对盆式绝缘子表面不产生损伤，文中通过调节脉冲激光器的能量，让激光工作在热弹机制范围内。一个振镜用于实现激光在工件表面按照一定的轨迹扫描，由于振镜具有快速扫描的特点，激光超声系统可以高效地获得工件表面阵列点的超声数据。超声的接收可以使用传统压电探头或者激光干涉仪，对于未知信号频率的情况可以选择激光干涉仪。图1激光超声激励原理Fig.1Laser ultrasonic excitation principle激光在工件表面可以同时激励表面波、纵波和横波等多种波型，由于盆式绝缘子材质的衰减较大(实测纵波衰减系数为0.27 dB/(MHzmm)，且激励体波的能量分配远小于表面波，因此文中利用激光超声表面波进行检测。激光超声动态传播图像主要是基于声场互易原理23，其数据采集和处理过程如下：首先，将振镜扫描的矩形网格编号为D(i，j)，其中1i，jN，在已知扫描起始点的情况下，网格信息可以用来做缺陷定位；其次将激光在每个网格点D(i，j)处激励的超声波，用固定探头进行采集从而得到A扫信号S(k)，其中k=1，2，M，M为信号的采样点数；最后，将每个S(k)信号依次放到网格点矩阵，从而构成三维矩阵D1(i，j，k)。因此，每一时刻k的超声强度分布图像，就可用从三维矩阵中提取第一维和第二维单元构成的二维矩阵表示。声场互易原理是指，当两个探头互为发射接收对的时候，无论哪个探头作为发射端，另一个探头采集到信号都是一样的。因此，在数据处理时，将激光超声系统的激励端和接收端互换，相当于按照时间倒序去显示每一时刻的图像，就可以展示超声传播及其与缺陷相互作用的瞬态过程。1.2基于信号互相关的缺陷成像与定量激光动态成像的不足在于无法对缺陷形貌进行显示和定量。文中提出基于信号互相关的缺陷成像方法，对相邻扫描网格点的A扫信号S1和S2进行互相关运算24，以相关度R作为成像指标，R的表达式为R(i)=K=1MS1(K)S2(K-i)i=0,1,2,m(1)对于相邻激光点来说，由于超声的激励和传播路径类似，相邻信号具有较高的相似度；当存在缺 128陷时，在缺陷的边缘位置则会因为信号变异而导致相似度降低。因此，计算出每个网格点的相关度，构成并绘制相关度矩阵，可以显示出缺陷影像差异。在得到缺陷影像之后，文中再依次利用中值滤波算法对图像进行平滑处理，利用索贝尔算子实现缺陷轮廓边缘提取。2实验与数据分析2.1实验设计选择的盆式绝缘子见图2，材质为环氧树脂基体和第二相氧化铝颗粒复合，外直径为560 mm。利用水刀切割制作盆子试样和加工缺陷，试样表面加工直径约为1.9 mm柱孔，两孔间距8 mm，加工长度为15 mm的刻槽。图2试样加工与数据采集Fig.2Sample processing and data collection实验所用激光超声数据采集系统，其脉冲激光器参数为，波长1 064 nm，脉冲宽度1.6 ns，单脉冲能量2 mJ，重复频率2 kHz；所用振镜参数为偏转角度范围15，分辨率12 rad，孔径7 mm；所用激光器和振镜的控制卡为RTC-5；接收探头频率为1 MHz，晶片尺寸为6 mm8 mm；数据采集卡设置采样频率为125 MHz。对于孔缺陷，激光扫描范围为25 mm15 mm，扫描间距为0.093 mm；对于刻槽缺陷，激光扫描范围为25 mm20 mm，扫描间距为0.116 mm。2.2实验结果分析与讨论激光超声激励信号一般为宽频带信号，由于盆式绝缘子衰减较大，宜选用较低频率的信号进行检测，因此文中选择1 MHz探头进行数据接收，得到的时域和频域信号见图3。从时域信号可以看到，激光在绝缘子表面成功激励出表面波信号，其他体波信号可能由于能量小或者衰减大而未被探测到。通过读取接收探头正前方两个不同