專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法。
背景技術(shù)：
在輸變電等工業(yè)領(lǐng)域，大量使用的各種材質(zhì)類(lèi)型輸電線(xiàn)受到酸堿腐蝕環(huán)境等的影 響，極易出現(xiàn)剝落、裂痕甚至斷裂等損傷，造成設(shè)備故障。高壓輸電線(xiàn)路經(jīng)過(guò)野外以及城市 居民區(qū)，常年露置在大氣中，經(jīng)常承受著風(fēng)、冰、溫度等各種氣象情況的影響。在雨雪或冰凍 條件下，懸空輸電線(xiàn)、高壓輸電線(xiàn)固定塔架的覆冰則會(huì)造成巨大的災(zāi)害后果。輸電線(xiàn)路覆冰 和積雪常會(huì)引起線(xiàn)路的跳閘、斷線(xiàn)、倒塔、導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)、絕緣子閃絡(luò)和通訊中斷等。由此引發(fā)的 災(zāi)難性事故，對(duì)人民群眾的生活和生命安全構(gòu)成了極大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60% -70%線(xiàn)路故障是由自然條件變化引起的，特別是風(fēng)、覆冰和溫度的 影響最大。我國(guó)冰災(zāi)事故頻繁發(fā)生，在許多地區(qū)因凍雨覆冰使輸電線(xiàn)路載重增加，造成斷 線(xiàn)、倒桿(塔)等事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2004年，我國(guó)部分地區(qū)的500kv線(xiàn)路出現(xiàn) 較大范圍冰閃跳閘、導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)和倒塔斷線(xiàn)事故。2008年年初，我國(guó)南方遭遇罕見(jiàn)的冰雪災(zāi) 害，連續(xù)的凍雨氣候使很多電力輸電導(dǎo)線(xiàn)、塔架上覆冰厚度達(dá)50-100mm，大大超過(guò)了一般電 力輸電網(wǎng)承載覆冰厚度的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致電塔倒塌，電力輸電網(wǎng)大面積癱瘓，進(jìn)而引發(fā) 交通受阻，電煤緊張，通訊不暢，停電停水，林木被毀等一系列問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰雪災(zāi)害造成 的直接損失高達(dá)2530. 5億元人民幣。因此，研究覆冰等其它損傷在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，為我國(guó)電 網(wǎng)防止和控制冰雪等災(zāi)害，提高電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性具有重大的意義。然而傳統(tǒng)的輸電線(xiàn)路 檢測(cè)方法已經(jīng)得不到有力保證，新方法的研究逐步醞釀。對(duì)于輸電線(xiàn)覆冰以及其它損傷缺陷的檢測(cè)種類(lèi)及探測(cè)方法已發(fā)展到十幾種。早期 的方法主要是人工目測(cè)檢查。監(jiān)測(cè)人員采用肉眼或望遠(yuǎn)鏡對(duì)導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行觀測(cè)，查看導(dǎo)線(xiàn)損傷 或者覆冰。而且只有在導(dǎo)線(xiàn)損傷或者覆冰比較嚴(yán)重時(shí)才易被發(fā)現(xiàn)。并且由于人眼要在相當(dāng) 長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)上做遠(yuǎn)距離觀測(cè)，容易疲勞，勞動(dòng)強(qiáng)度大。后來(lái)發(fā)展了航測(cè)法，采用直升機(jī)沿輸電 線(xiàn)路飛行，然后采用人工目測(cè)或者攝像設(shè)備觀測(cè)和記錄沿線(xiàn)各異常點(diǎn)的情況，由于攝影的 限制，因此早期的這些方法檢測(cè)非常慢，而且準(zhǔn)確度不高。在輸電線(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)新方法研究方 面，國(guó)內(nèi)則相對(duì)比較落后，華中科技大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)在此方面已經(jīng)開(kāi)展了一些研究， 并取得了一定的成果。使用彈性波檢測(cè)不僅具有應(yīng)力波檢測(cè)的一系列優(yōu)點(diǎn)，而且探測(cè)距離遠(yuǎn)，探傷效率 高，速度快。另外適用的類(lèi)型也比較多，針對(duì)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的如分層、折疊以及裂紋等缺陷都 能產(chǎn)生比較強(qiáng)的回波。美國(guó)航空航天局(NASA)的Saravanos等人從理論及實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了 利用彈性波檢測(cè)復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的分層損傷。英國(guó)國(guó)防與評(píng)估研究機(jī)構(gòu)的Percival和 Birt則研究利用兩種基本的彈性傳播模式檢測(cè)材料損傷。法國(guó)ONERA結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)系利 用彈性波及小波分析技術(shù)進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的損傷定位的研究。目前應(yīng)用彈性波技術(shù)進(jìn) 行損傷監(jiān)測(cè)最出色的研究工作是Imperial College的兩個(gè)獨(dú)立研究小組。Cawley的小組已研究了方向性L(fǎng)amb波激發(fā)的優(yōu)化，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬材料的損傷，Soutis的小組則致力于 傳感器的布置和信號(hào)的處理問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)，不少單位也在開(kāi)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究。我國(guó) 自90年代中期開(kāi)始，首先在“863”航天高科技計(jì)劃中投入了一定的資金用于支持大型復(fù)雜 結(jié)構(gòu)體系健康自我診斷問(wèn)題的探索性研究。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所應(yīng)崇福等用光彈方法對(duì) 彈性波的應(yīng)力分布進(jìn)行了直接觀察，他們還對(duì)彈性波傳播與散射進(jìn)行了觀察和研究。美國(guó) Simmonds公司研制了 2種獨(dú)立的超聲結(jié)冰探測(cè)測(cè)量系統(tǒng)(IDMS)。系統(tǒng)采用脈沖——回波 技術(shù)，可以探測(cè)結(jié)冰現(xiàn)象及冰層厚度。從國(guó)外資料來(lái)看，輸電線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在方法較多，如圖像檢測(cè)法、紅外檢測(cè) 法、電渦流檢測(cè)法、機(jī)器人檢測(cè)法、彈性波法等，但是大多數(shù)都還不成熟，都處于起步階段。 對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路的覆冰及其它損傷監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方法由于其最大檢測(cè)距離和檢測(cè)精度以 及工程適用性的限制，已不能滿(mǎn)足要求。而基于彈性波的損傷檢測(cè)方法，為這一問(wèn)題的解決 提供了有力的技術(shù)支持。彈性波在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，結(jié)構(gòu)的各種損傷會(huì)引起應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展，這些以及損 傷周?chē)倪吔缍紩?huì)引起結(jié)構(gòu)中傳播的彈性波信號(hào)的散射和能量的吸收。正是基于這種現(xiàn) 象，彈性波可以用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主動(dòng)的彈性波監(jiān)測(cè)方法可以分為四個(gè)過(guò)程 (1)以特定的信號(hào)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，向結(jié)構(gòu)中激發(fā)彈性波信號(hào)。⑵采用壓電傳感器或其他傳 感器在結(jié)構(gòu)的不同位置接受彈性波信號(hào)。(3)對(duì)接受到的彈性波信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取損 傷特征參數(shù)。(4)采用先進(jìn)的定位算法對(duì)損傷進(jìn)行定位。這種技術(shù)的特點(diǎn)是檢測(cè)距離遠(yuǎn)，效 率高。目前，基于彈性波的損傷檢測(cè)系統(tǒng)已在類(lèi)似于輸電線(xiàn)的一維結(jié)構(gòu)中(石油管道檢測(cè)、 鐵軌損傷檢測(cè)等領(lǐng)域)得到實(shí)際的工程應(yīng)用。因此將彈性波檢測(cè)方法應(yīng)用到輸電線(xiàn)路覆冰 及其它損傷檢測(cè)中具有重要的研究?jī)r(jià)值和潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問(wèn)題，提供一種用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方 法，它基于小波變換技術(shù)計(jì)算超聲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間延遲，從而實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)損傷定位的 檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法，它在輸電線(xiàn)路上設(shè)置至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器 進(jìn)行激勵(lì)和接收信號(hào)，分別采集輸電線(xiàn)路健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下的激勵(lì)和傳感信號(hào)，從而 得到兩種狀態(tài)下傳感信號(hào)差信號(hào)，該差信號(hào)即為損傷反射信號(hào)；利用波速在經(jīng)過(guò)損傷反射 后基本保持不變的特點(diǎn)，利用公式^l= Vt^
t t + At其中，Ltl為激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器到接收驅(qū)動(dòng)器的距離，χ為損傷到接收驅(qū)動(dòng)器中點(diǎn)的距離，t 為信號(hào)從激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器傳到接收驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間，At為損傷反射信號(hào)與健康信號(hào)的到達(dá)時(shí)間 延遲，L0為定值，t、Δ t通過(guò)對(duì)損傷和健康信號(hào)分別進(jìn)行Gabor小波變換得到；兩列信號(hào)的 時(shí)間延遲Δ t為二者Gabor小波變換的最大峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間之差，即可進(jìn)行損傷定位。所述Gabor小波變換如下
Gabor 小波函數(shù)定義為
權(quán)利要求
一種用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法，其特征是，它在輸電線(xiàn)路上設(shè)置至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行激勵(lì)和接收信號(hào)，分別采集輸電線(xiàn)路健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下的激勵(lì)和傳感信號(hào)，從而得到兩種狀態(tài)下傳感信號(hào)差信號(hào)，該差信號(hào)即為損傷反射信號(hào)；利用波速在經(jīng)過(guò)損傷反射后基本保持不變的特點(diǎn)，利用公式 <mrow><mfrac> <msub><mi>L</mi><mn>0</mn> </msub> <mi>t</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>x</mi> </mrow> <mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>&Delta;t</mi> </mrow></mfrac> </mrow>其中L0為激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器到接收驅(qū)動(dòng)器的距離，x為損傷到接收驅(qū)動(dòng)器中點(diǎn)的距離，t為信號(hào)從激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器傳到接收驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間，Δt為損傷反射信號(hào)與健康信號(hào)的到達(dá)時(shí)間延遲，L0為定值，t、Δt通過(guò)對(duì)損傷和健康信號(hào)分別進(jìn)行Gabor小波變換得到；兩列信號(hào)的時(shí)間延遲Δt為二者Gabor小波變換的最大峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間之差，即可進(jìn)行損傷定位。
2.如權(quán)利要求1所述的用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法，其特征是，所述Gabor小 波變換如下1 t2Gabor 小波函數(shù)定義為^= 7^exP(—一 + >/>^ja π Ισ其中，σ，ω。為正常數(shù)，t為信號(hào)從激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器傳到接收驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間，它的傅立葉變 換為.^jr1 .Ψ exP(" -Φ^πσ2 2σ (ω-ωε)將Gabor小波函數(shù)看作是中心在t = O的Gaussian窗函數(shù)；它的傅立葉變換的中心為 ω = ω。，而函數(shù)b) α的中心為t = b，它的傅立葉變換的 中心為ω = co。/a，則Gabor小波變換CWTf (a，b)代表函數(shù)f (t)在t = b，ω = co。/a附 近的時(shí)頻成分；考慮沿χ方向傳播，相同單位幅度、角頻率不同的兩個(gè)諧波構(gòu)成的發(fā)散波，其中，kp k2 分別為這兩個(gè)諧波的波數(shù)，W1和W2分別為這兩個(gè)諧波的角頻率y) _ ^-KKx-coIt) e~i{k2x-w2t)使用Gabor小波對(duì)u(x，t)做小波變換得CWTu(x’ a’b) = ^ {e^-^ψ {αωγ) + β^-^ψ (αω2)}當(dāng)Δ ω足夠小時(shí)，得到Gabor小波變換CWTu模\{CWTU )(x, a, b)\ ~yfab\wm (_c)| [1 + cos(2Mx - 2Αωδ)]1'2在小波變換后的模在a = ωε/ω0, b = ( Δ k/Δ ω ) χ = X/Cg時(shí)取得最大值，即在(a， b)平面上的峰值對(duì)應(yīng)著頻率為Qci= co。/a時(shí)的波包以群速度Cg傳播的到達(dá)時(shí)刻，兩列信 號(hào)的時(shí)間延遲At為二者Gabor小波變換的最大峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間之差。
3.如權(quán)利要求1所述的用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法，其特征是，所述驅(qū)動(dòng)器 為壓電片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于輸電線(xiàn)超聲檢測(cè)的損傷定位方法，它通過(guò)獲取超聲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域信號(hào)，采用小波變換技術(shù)計(jì)算超聲導(dǎo)波信號(hào)在激勵(lì)點(diǎn)與損傷點(diǎn)之間的時(shí)間延遲，從而給出輸電線(xiàn)中的損傷位置。本發(fā)明通用性強(qiáng)，可適用于多種基于超聲導(dǎo)波的檢測(cè)裝置，且定位更為準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N29/22GK101975822SQ20101054110
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者傅孟潮, 張華棟, 楊永軍, 裘進(jìn)浩, 趙金龍 申請(qǐng)人:山東電力研究院