基于 Lamb 波能量和飞行时间的碳纤维复合材料 疲劳损伤成像

碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天等高新技术领域,其在服役过程中会产生疲劳损伤,埋下安全隐患,因此需要对其健康状况进行监测,利用损伤概率成像算法能够得到直观反映结构健康状况的图像,但传统的损伤概率成像算法在无损伤区域的损伤概率高,难以准确定位损伤,针对以上问题,提出基于Lamb波能量和飞行时间的损伤概率成像算法。将待测区域均匀划分成N个像素点,计算每条通道的Lamb波能量与飞行时间损伤因子,确定各通道损伤因子影响区域的概率值并叠加,得到每个像素点的损伤概率并成像。实验结果表明,与目前常用的基于能量损伤因子和互相关损伤因子的损伤概率成像算法进行对比,提出的方法能够直观地反映碳纤维复合材料缺陷情况,并且识别效果更优,成像误差显著减小,误差error分别降低了4.420、2.117、2.055和4.732、2.380、2.647,能够更准确地识别缺陷,有效地保障碳纤维复合材料结构的安全应用。     

基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测及定位

盆式绝缘子作为气体绝缘封闭组合开关设备(GIS)的重要部件,其结构健康对电网的建设有着重要影响。为降低GIS故障率,首先分析了盆式绝缘子的损伤原因,对比了针对其缺陷常用的检测方法,提出了利用超声导波技术对盆式绝缘子的内部气泡、外部附着物及裂纹等缺陷进行检测及定位的方法。并进一步分析了兰姆(Lamb)波在盆式绝缘子中的传播特性,绘制出频散曲线,确定了激励信号的频率,同时通过有限元仿真和检测试验对盆式绝缘子缺陷的检测和定位进行了研究。研究结果表明,采用谐振频率为100 k Hz的压电传感器在盆式绝缘子中激发出Lamb波,并通过压电传感器阵列进行接收。通过比较不同传感器接收信号幅值的衰减率,可以对盆式绝缘子的缺陷进行检测和定位。     

基于导波的大电机定子绝缘损伤检测实验研究

为了获得大型发电机定子绝缘损伤特性,准确评估定子绝缘老化状态,利用超声导波(Lamb波)进行了大电机定子绝缘损伤检测的实验研究。首先利用绝缘材料拉伸性能等实验,得到定子绝缘结构特性参数。然后通过选择压电换能器导波激励信号,求解Rayleigh-Lamb频率方程,获取Lamb波的频散特性曲线和Lamb波在定子绝缘结构中的传播特性;在此基础上,选择导波传播模式和确定导波激励频率。最后通过构建大电机定子绝缘损伤检测系统,进行了定子绝缘损伤检测实验测试,实验结果表明:选择5波头加Hanning窗正弦脉冲作为Lamb波激励信号,频率在15 kHz时,导波传播模式较为单一;导波对表面裂纹损伤比较敏感,Lamb波散射信号在损伤前、后有明显的差异。和无损信号相比,Lamb波S0模式和A0模式波包的幅值都有不同程度的减小,并且波包峰值点的相位均发生延迟,能够有效用于识别定子绝缘的表面裂纹损伤。     

一种新型的放电源空间定位用特高频传感器

采用特高频传感器阵列对放电源进行空间定位可极大地提高电力设备状态检修的效率,该文在研究确立空间定位用特高频传感器性能要求的基础上,基于单极天线理论和曲流技术,设计了一种球面锥形结构的新型特高频传感器。通过仿真及实验检测,对该传感器的性能进行了系统的研究,并对影响传感器各项性能的因素进行了探讨。实验室搭建的局放检测定位平台对传感器阵列的空间定位性能进行了验证。实验结果表明:曲流技术的应用可实现传感器的小型化,本文研制的传感器在500~2 000MHz带宽内具有驻波比低、全向、高灵敏度、及群时延一致性好等特点,基于特高频传感器阵列的定位系统能够对放电源进行准确定位,方位角误差小于2°,能够满足局放源空间定位的要求。     

短空间二维傅里叶变换对铝板的损伤定量研究

针对Lamb波对铝板损伤定量难的问题,使用短空间二维傅里叶变换的方法对其进行了研究。首先,使用空气耦合超声在铝板中激励Lamb波并进行线性扫查获取其时间-空间波场信号;然后,对信号进行短空间二维傅里叶变换获取扫查区域的Lamb波空间-波数曲线,并从中得到损伤的位置、长度和深度信息;最后,根据相速度-频厚积曲线反推出损伤的深度。结果表明,所提方法能够同时对扫查区域的板厚以及损伤的位置、长度和深度进行评估。其中,板厚定量误差最大为5.50%,损伤长度和深度的定量误差最大分别为6.00%和6.67%。     

用于变电站放电源空间定位的特高频传感器研究

基于宽带单极天线理论,设计了一种可用于变电站局部放电空间定位的特高频传感器。该传感器采用椭圆单极贴片的结构,具有全向、宽频带、高灵敏度、驻波比低及群时延稳定等特点,能有效满足变电站放电源全向检测的要求,多个传感器可组成特高频传感器阵列,对放电源进行空间定位。实验室搭建的局放实验平台对该传感器的空间检测及定位性能进行了验证,并成功将由该传感器组建的传感器阵列用于了变电站现场放电在线监测。实验室实验及现场应用结果表明,该传感器能够满足变电站放电源空间定位的要求。     

基于概率成像的复合材料结构健康监测系统

基于虚拟仪器和损伤存在概率成像方法,提出了一种结构健康监测系统的设计方案,用于对结构的关键部位进行实时地健康监测。该系统能快速准确地检测出结构关键部位可能存在的损伤,进而识别损伤的位置及大小,并给出损伤成像图。运用该系统对复合材料结构进行了实验研究,先由系统激励和接收Lamb波信号,再将获得的监测信号与结构完好状态下的基准信号进行对比分析,识别出结构中可能存在的损伤,得到损伤成像图。实验结果表明该系统能快速、有效、准确地识别出结构中损伤的位置及大小,具有一定的工程应用价值。     

基于EFPI传感器的立体形阵列传感器对局放测向的仿真分析

局部放电超声阵列定位技术是将传感器阵列与阵列信号处理方法相结合。本文采用非本征法布里帕罗干涉（Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI）的光纤超声传感器,其灵敏度高,不受电磁干扰的影响;并充分发挥EFPI传感器可放置于油中的优势,改进阵列结构。设计了4阵元EFPI超声传感器正四面体结构阵列,将其置于油箱内部检测局放超声信号,然后利用多信号分类算法(Multiple Signal classification,MUSIC)算法对局放源进行测向;并与平面2×2阵列进行对比;最后,针对阵元位置误差进行校正。结果表明：该阵列传感器能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;且较传统平面阵,具有更高的测向准确度;尤其在阵列盲区方面,立体型阵列传感器可有效地实现空间多角度的信源测向。并利用TCT算法对阵元位置误差进行校正,提高了测向精度,满足了实际工程需要。     

三明治结构氧化铝/低密度聚乙烯纳米复合材料的电性能研究

采用熔融共混和多层热压的方法制备了4种三明治结构的氧化铝/低密度聚乙烯(Al2O3/LDPE)纳米复合材料。利用电声脉冲法测试了复合材料短路时的空间电荷消散曲线,通过电流测试平台研究了复合材料在常温不同直流电场下的电导率变化。结果表明:三明治结构Al2O3/LDPE复合材料的电荷消散速度明显高于纯LDPE,且在高电场下其电导率小于纯LDPE。这是由于通过三明治结构较大程度地将深陷阱引入到LDPE复合材料表面,有效抑制了电荷的注入。     

Al_2O_3/LDPE复合材料导热对电气性能影响研究

利用熔融共混和多层热压的方法制备了7种具有三明治结构的氧化铝/低密度聚乙烯(Al_2O_3/LDPE)纳米复合材料。通过扫描电镜对材料的断面进行分析,得到最佳的热压参数。利用激光闪射扩散热分析仪测试了复合材料的热导率,并通过电流测试平台研究了复合材料在不同温度(30℃、50℃)30 k V/mm电场下的电导变化趋势。结果表明:三明治结构1%Al_2O_3-LDPE/0.5%Al_2O_3-LDPE/1%Al_2O_3-LDPE复合材料的热导率最高,达到0.4 W/(m·K)。当温度升高时,材料的电导率变化不同,热导率高的材料电导率变化相对较小。     

管道电磁超声传感器阵列检测技术研究

采用电磁超声传感器阵列对管道进行缺陷检测,不仅能够提高电磁超声检测信号的信噪比、灵敏度与分辨能力,同时也能增强电磁超声检测的直观性与灵活性。本文详细阐述了基于洛伦兹力的周期永磁铁阵列式电磁超声传感器(PPM-EMAT)激励超声导波的工作原理,及利用全聚焦算法结合极性一致性算法对缺陷进行定位与成像的工作机理。建立了有限元仿真模型,验证了准T(0,1)模态导波在管道结构中的传播过程。利用研制的多通道电磁超声检测系统,对含缺陷的不锈钢管道进行了检测实验,实验结果表明,研制的系统能够检测出管道试样中的多个通孔缺陷,纵向定位误差可控制在1.5%以下,实现了基于阵列电磁超声传感器的管道缺陷成像与定位。     

基于圆环形超声阵列传感器的局放定位系统开发与实验研究

局部放电超声阵列定位方法是一种将超声阵列传感器与阵列信号处理技术相结合的局放定位新方法。文章开发了一套基于圆环形超声阵列传感器的局放定位系统,首先设计研制了超声阵列传感器阵元与阵列传感器装配体,组合后可得到九元和十六元的圆环形超声阵列传感器,并据此搭建了一套局放定位实验系统;然后结合现有局放超声阵列定位方法,开展了大量的局放定位实验研究。结果表明,局放定位系统可以有效实现对局放源的空间定位,满足工程需要。     

谐振式压力传感器温度补偿结构的仿真研究

温度漂移是影响谐振式传感器精度的重要因素，在精密测量场合，必须进行温度补偿，基于此，提出一种可实现温度补偿的谐振式压力传感器新结构。整体结构为硅-玻璃-金属复合结构，通过3种材料的热膨胀系数匹配实现热应力抵消。硅基底上设有补偿梁，进一步补偿工作梁的温度漂移。为了选择合适的玻璃材料，利用有限元方法研究了玻璃的热膨胀系数和厚度与温度灵敏度的关系，结果表明，采用厚度为1.5 mm的pyrex7740#玻璃时传感器的温度灵敏度最低，该结构能够实现温度补偿，提升传感器精度。     

基于暂态对地电压和超声阵列信号的变压器局放定位方法

变压器局部放电的快速、准确定位对于及时排除故障隐患,保障电力系统的安全稳定运行具有重要作用,论文介绍了一种基于暂态对地电压和超声阵列信号的变压器局放定位方法。该方法首先以接收到暂态对地电压(TEV)信号的时刻为基准进行测距,并基于改进FastDOA算法对超声阵列信号进行测向,再根据测距和测向结果实现定位。改进FastDOA算法在传统FastDOA的基础上构造不同孔径的虚拟阵列,并对各虚拟阵列得到的估计谱值加权平均以减小伪峰的影响,可有效提高测向精度。在此基础之上,利用Matlab对基于改进FastDOA的测向算法以及超声阵列传感器结构参数的优化设计进行了仿真分析。最后研制了相应的传感器并搭建了变压器局部放电超声阵列定位实验平台,开展实验研究,结果验证了所提方法的有效性。     

用于变压器中局部放电定位的十字形超声阵列传感器研究

局部放电是电力变压器绝缘劣化的主要原因,研究局部放电定位对提高电网的安全运行很有帮助。该文研制了一种用于电力变压器局部放电定位的复合传感器,并针对该传感器进行了定位仿真和实验。复合传感器由共形的13阵元十字形超声波传感器阵列和2×2阵元的超高频传感器阵列组成。应用高阶累积量处理技术对十字形超声阵列进行虚拟扩展,扩展后阵列具有61个阵元的阵列性能,提高了超声阵列的孔径和方向性锐度,这极大减少了后续硬件电路和成本。利用扩展超声阵列配合超高频阵列来仿真局部放电定位,结果表明扩展阵列具有很好的定位效果。在噪声背景下与多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)方法作了比较,结果表明高阶累积量处理技术能更好地抑制各种高斯色噪声的干扰。基于该十字形超声波阵列传感器进行了局部放电定位实验,结果表明扩展后的十字形超声阵列能精确地定位局部放电,定位的相对误差小于5%。对较少数目阵元的阵列实施虚拟扩展技术,为阵列技术在电力设备上的实用化提供了可能性。     

基于特征空间的油中局部放电定位研究

变压器油中局部放电现象的产生会造成变压器的绝缘劣化,为设备运行带来潜在危险。为了对局部放电源进行及时准确的定位以确保电力系统的稳定运行,首先将基于特征空间的测向方法应用到变压器局部放电源的检测当中,结合阵列信号处理技术对局放源进行测向。然后根据测向获得的方向角信息,利用多阵列测向交叉定位原理,获取局放源的在变压器中的空间位置。最后采用MATLAB进行仿真研究。仿真结果表明,基于特征空间及多阵列测向交叉定位进行局放源定位的误差在3.4cm左右,精度较高,满足实际工程要求。因此,基于特征空间的油中局部放电定位方法是可行的。     

基于L型阵列传感器的局放超声定位实验研究

电气设备局部放电超声阵列定位方法是将超声阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声定位的一种新方法,具有较高的可靠性,能准确实现局放源的空间定位。实验设计研制了超声阵列传感器阵元与阵列传感器装配体,组合得到L型超声阵列传感器,并搭建了一套局放超声定位系统。结合现有的局放超声阵列定位方法,开展了大量的单、双局放源的定位实验研究。结果表明,L型阵列传感器可有效实现对局放超声信号的检测及局放源的空间定位,满足工程需要。     

噪声环境下空耦超声Lamb波铝板扫查成像定量研究

外界噪声会影响Lamb波的损伤成像结果,针对该问题定义了一种基于EMD-Hilbert变换的损伤因子。首先,使用空气耦合超声在铝板中激励-接收A0模态Lamb波,并沿着2个正交的方向上对待检区域进行扫查来获取接收信号。然后,对信号进行EMD分解,求出与原信号相关性最大的IMF分量。对其进行Hilbert变换获取包络曲线,并定义包络曲线能量的相对变化为损伤因子。最后,在扫查信号中添加不同信噪比的白噪声来模拟噪声环境,并在模拟噪声环境前、后进行概率损伤成像。结果表明,所提损伤因子能够有效对铝板中的损伤进行成像,且具有一定的抗噪性。与未添加噪声信号的成像结果相比较,其长度定量误差最大为0.8 mm。     

静电感应空间滤波法固相颗粒速度测量

基于静电传感器空间滤波技术的气固两相流颗粒速度测量方法具有结构简单、数据处理方便等特点。文中从理论上推导了圆环状静电传感器输出信号的功率谱特性与颗粒移动速度之间的关系，并对电极长度、绝缘管段的厚度和屏蔽罩轴向长度等因素对静电传感器空间滤波特性的影响进行了仿真分析，为静电感应空间滤波器的设计提供了理论基础。提出利用小波分析对功率谱特性曲线进行平滑处理的方法，可准确地确定功率谱特性曲线的尖峰频率值fmax。并在加压密相气力输送系统上进行实验研究，结果表明：颗粒体积浓度范围在6.72%~13.04%，气体表观速度在8.63~18.61 m/s之间时，系统重复性优于4%。     

基于复合阵列传感器的应用射线追迹反推变压器中局部放电源

研制了将25阵元十字型超声阵列和2×2阵元特高频阵列共同构成复合阵列传感器。研究了适用于复合阵列传感器的定位算法。将特高频阵列虚拟扩展为13阵元,超声阵列虚拟扩展为193阵元。利用扩展的特高频阵列由双边相关变换算法来预估局部放电源的方位,根据预估结果再对扩展的超声阵列使用旋转信号子空间算法进行精确定向。为了提高单一阵列在局部放电定位中定向成功率和精度,以特高频信号为例,利用基于几何光学与一致性几何绕射理论的射线追迹法研究了对局部放电辐射电磁波轨迹的反演。在变压器模型中的局部放电定位试验表明,基于复合阵列传感器的定位算法对局部放电产生的宽带信号有良好的适应性,以及对局部放电辐射电磁波的追迹反演使定位精确度与成功率均远大于单一阵列的结果,发挥了特高频阵列灵敏度高而超声阵列定向精确度高的优点。