一种输电导线的超声导波无损检测装置及损伤识别方法
阅读说明：本技术 一种输电导线的超声导波无损检测装置及损伤识别方法 (Ultrasonic guided wave nondestructive detection device for power transmission conductor and damage identification method ) 是由 朱云祥 陈哲 吴宇奇 屠锋 郑翀 曹枚根 周文松 于 2020-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种输电导线的超声导波无损检测装置,包括控制器和超声导波检测组件,超声导波检测组件包括磁铁、第一线圈和第二线圈,第一线圈和磁铁形成一个电磁超声导波检测机构,第二线圈和磁铁形成一个洛伦兹力超声导波检测机构,本发明的优点：通过电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构分别对输电导线的铝绞线结构层和钢芯结构层进行检测,由于超声导波适用于长距离检测,可在一端安装实现对输电导线的无损检测,并通过控制器实现检测信号的实时接收,从而实现了对输电导线的钢芯铝绞线外层铝线和内层钢芯结构层的损伤检测,另外,本发明还提供了一种输电导线的损伤识别方法,用于处理上述超声导波无损检测装置发出的信号。(The invention relates to an ultrasonic guided wave nondestructive testing device of a power transmission wire, which comprises a controller and an ultrasonic guided wave detection assembly, wherein the ultrasonic guided wave detection assembly comprises a magnet, a first coil and a second coil, the first coil and the magnet form an electromagnetic ultrasonic guided wave detection mechanism, and the second coil and the magnet form a Lorentz force ultrasonic guided wave detection mechanism, and the ultrasonic guided wave nondestructive testing device has the advantages that: the aluminum stranded wire structure layer and the steel core structure layer of the power transmission wire are respectively detected by the electromagnetic ultrasonic guided wave detection mechanism and the Lorentz force ultrasonic guided wave detection mechanism, the ultrasonic guided wave is suitable for long-distance detection, nondestructive detection on the power transmission wire can be realized by mounting at one end, and real-time receiving of detection signals is realized by the controller, so that damage detection on the outer aluminum wire layer and the inner steel core structure layer of the steel core aluminum stranded wire of the power transmission wire is realized.)
技术领域
本发明涉及一种输电导线的超声导波无损检测装置及损伤识别方法。
背景技术
输电导线在输电网络中跨越长距离传输电力，是基础设施建设中能源配置的核心骨架，在输电导线的服役过程中，由于跨度较大，且大面积的暴露在环境中，容易受到各种因素的影响，如拉应力和电压应力的影响，环境中风致振动、结冰、挂冰融化和雷击的影响，以及可能存在由人为形成的损伤破坏。当输电导线本身存在初始结构制造缺陷时，在外在因素的影响下，缺陷会进一步扩大和发展，从而出现保护层断裂、结构丝发生破坏(扭断、断裂、腐蚀、老化)以及接地导线的松动和断裂，并最终导致结构故障和失效。这些损伤破坏首先会出现在外围铝绞线层，在这一阶段如果不采取适当的保护措施，损伤会进一步的发展最终导致作为承力部件的钢芯发生结构失效，当钢芯部分发生破坏时，会造成非常严重的安全威胁和事故问题。
通常的输电导线检测方法有：人工目视检测法(直升机辅助)、射频噪声监测、涡流检测、红外系统监测等等。但是这些方法都存在着一定程度的缺陷，在普适性、操作难度、检测精度上有着难以避免的问题存在，如人工目视检测法(直升机辅助)，人工目视检查耗时长，效率低，且容易出现人为的误判，在空中采用直升机辅助检测还易因直升机故障坠亡造成检测人员的伤亡。
发明内容
本发明所要达到的目的就是提供一种输电导线的超声导波无损检测装置，能同时对输电导线的钢芯铝绞线的不同结构层进行检测，简化了操作难度。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种输电导线的超声导波无损检测装置，包括控制器和安装在输电导线上的超声导波检测组件，所述超声导波检测组件包括磁铁以及分别缠绕在输电导线上的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和磁铁形成一个用于检测输电导线的铝绞线结构层的电磁超声导波检测机构，所述第二线圈和磁铁形成一个用于检测输电导线的钢芯结构层的洛伦兹力超声导波检测机构，所述电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构均包括激发端和接收端，所述接收端与控制器相连，所述控制器上还连接有对信号进行处理和分析的PC机。
优选的，所述磁铁还包括套设置在输电导线上的安装环，所述磁铁一体成型在安装环的内侧壁上。
优选的，所述磁铁包括N极和S极，所述N极设置在安装环的一端，所述S极设置在安装环的另一端。
优选的，所述接收端通过导线与控制器相连。
另外，本发明还提供了一种输电导线的损伤识别方法，用于处理上述所述的超声导波无损检测装置发出的信号，所述损伤识别方法依次包括以下步骤：
步骤一：建立不同材料不同传播距离的超声导波传播的波形字典矩阵，得到不同传播距离的波形向量dm，以及所有传播距离的波形向量构成字典矩阵D，其中：
其中，
步骤二:基于步骤一获取的字典矩阵D对实际接收的信号y进行稀疏贝叶斯学习，其线性模型为：y＝Dw，即：
其中：y为检测得到的信号，w为波形匹配的权重；
步骤三：采用超声导波无损检测装置进行超声导波检测，得到损伤的反射或透射信号，铝绞线结构层中的损伤信号为A，钢芯结构层中的损伤信号为B，根据步骤二获取的稀疏贝叶斯学习的线性模型，将该模型应用到输电导线的损伤识别中，得到以下公式：
其中D1为铝绞线不同传播距离的超声导波传播的波形字典矩阵，D2为钢芯不同传播距离的超声导波传播的波形字典矩阵；
步骤四：根据基于稀疏贝叶斯学习计算所得到的权重w，筛选得到与检测信号波形匹配程度最高的权重w，根据最高权重w确定结构层材料，进一步分析得到缺陷的所在结构层、所在位置，以及根据缺陷信号的信号幅值的特征，并对缺陷的损伤程度进行判定。
通过建立权重参数来确定不同材料结构层在固定传播距离下的波形匹配程度，从而以此区分特定材料结构层的波形来区分不同结构层的损伤，可实现对输电导线的快速检测，为输电导线的结构安全提供保障。
综上所述，本发明的优点：通过电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构分别对输电导线的铝绞线结构层和钢芯结构层进行检测，由于超声导波适用于长距离检测，可在一端安装实现对输电导线的无损检测，并通过控制器实现检测信号的实时接收，并通过PC机实时的分析，从而实现了对输电导线的钢芯铝绞线外层铝线和内层钢芯结构层的损伤检测；另外，通过超声导波检测组件将电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构集成为一体结构，方便同时对铝绞线结构层和钢芯结构层同时进行检测，而且整个超声导波检测组件共用一对磁铁，从而简化了整个超声导波检测组件的结构，其次，由于第一线圈和第二线圈为缠绕在输电导线上，因此可通过放置在磁铁与输电导线之间的不同位置的第一线圈和第二线圈来得到不同磁感线方向的磁场，根据磁场与线圈不同的配置方式，激发洛伦兹力与磁致伸缩力来产生不同的超声导波，无需额外的辅助设备就可以产生检测所需的超声导波，提高了检测效率。
本发明的其他特点和优点将会在下面的
具体实施方式
、附图中详细的揭露。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
图1为本发明一种输电导线的超声导波无损检测装置的结构示意图；
图2为本发明中超声导波检测组件的结构示意图；
图3为本发明为两个超声导波检测组件的结构示意图；
图4为本发明为一个超声导波检测组件的结构示意图；
图5为本发明钢芯上不同距离处的导波传播波形图；
图6为本发明同时识别钢芯铝绞线上不同结构层缺陷的损伤信号图。
附图标记：
1控制器、2超声导波检测组件、3磁铁、31 N极、32 S极、4第一线圈、5第二线圈、6PC机、7安装环、8导线、9输电导线。
具体实施方式
实施例一
如图1、图2所示，一种输电导线的超声导波无损检测装置，包括控制器1和安装在输电导线9上的超声导波检测组件2，所述超声导波检测组件2包括磁铁3以及分别缠绕在输电导线9上的第一线圈4和第二线圈5，所述第一线圈4和磁铁3形成一个用于检测输电导线9的铝绞线结构层的电磁超声导波检测机构，所述第二线圈5和磁铁3形成一个用于检测输电导线9的钢芯结构层的洛伦兹力超声导波检测机构，所述电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构均包括激发端和接收端，所述接收端与控制器1相连，所述控制器1上还连接有对信号进行处理和分析的PC机6。
通过电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构分别对输电导线9的铝绞线结构层和钢芯结构层进行检测，由于超声导波适用于长距离检测，可在一端安装实现对输电导线9的无损检测，并通过控制器1实现检测信号的实时接收，并通过PC机6实时的分析，从而实现了对输电导线9的钢芯铝绞线外层铝线和内层钢芯结构层的损伤检测；另外，通过超声导波检测组件2将电磁超声导波检测机构和洛伦兹力超声导波检测机构集成为一体结构，方便同时对铝绞线结构层和钢芯结构层同时进行检测，而且整个超声导波检测组件2共用一对磁铁3，从而简化了整个超声导波检测组件2的结构，其次，由于第一线圈4和第二线圈5为缠绕在输电导线9上，因此可通过放置在磁铁3与输电导线9之间的不同位置的第一线圈4和第二线圈5来得到不同磁感线方向的磁场，根据磁场与线圈不同的配置方式，激发洛伦兹力与磁致伸缩力来产生不同的超声导波，无需额外的辅助设备就可以产生检测所需的超声导波，提高了检测效率。
所述磁铁3还包括套设在输电导线9上的安装环7，所述磁铁3一体成型在安装环7的内侧壁上，安装环7能实现磁铁3快速的安装在第一线圈4和第二线圈5外，另外，将磁铁3与安装环7设置成一体式结构，能简化磁铁3与安装环7之间的安装工艺，提高磁铁3的固定质量，所述磁铁3包括N极31和S极32，所述N极31设置在安装环7的一端，所述S极32设置在安装环7的另一端，本实施例中的第二线圈5设置在N极和S极之间，所述第一线圈4设置在S极或/和N极之间，能使安装环7内形成不同的磁感线方向的磁场，根据产生的磁场与第一线圈4和第二线圈5来激发洛伦兹力与磁致伸缩力来产生超声导波，所述第一线圈4、第二线圈5均通过导线8与控制器1相连，能将测量得到的信号快速的传递至控制器1内，本实施例中导线8采用屏蔽信号线。
如图3所示，输电导线9上安装有两个超声导波检测组件2，一个超声导波检测组件2为超声导波的激励装置，另一个超声导波检测组件2为超声导波的接收装置，使用时，将两个超声导波检测组件2分别安装在输电导线9的两端，此时，超声导波检测组件2中的第一线圈4和两个第二线圈5的具体布置分布如图2所示，其中一个超声导波检测组件2中的第一线圈4作为电磁超声导波检测机构的激发端，以及第二线圈5作为洛伦兹力超声导波检测机构的激发端，另外一个超声导波检测组件2中的第二线圈5作为洛伦兹力超声导波检测机构的接收端，以及第一线圈4电磁超声导波检测机构的接收端，其中一端的超声导波检测组件2激发两种在不同结构层传播、由不同机制的力所激发的超声导波，在通过另一端的超声导波检测组件2接收缺陷的透射信号，两种超声导波检测组件2分别针对不同材料结构层的超声导波信号，在激励和接收信号时能够对相应地进行筛选，得到在某一材料结构层较为纯净的超声导波信号。
如图4所示，输电导线9上安装有一个超声导波检测组件2，超声导波的接收装置同时为超声导波的激励装置和接收装置，具体使用时，将超声导波检测组件2安装在输电导线9的一端，使用导线8将超声导波检测组件2中的第一线圈4和第二线圈5与控制器1相连，同时将控制器1通过数据线与PC机6相连，此时，超声导波检测组件2中第一线圈4和第二线圈5的具体布置如图2所示，具体包括两个第一线圈4和两个第二线圈5，其中一个第一线圈4作为电磁超声导波检测机构的激发端，其中一个第二线圈5作为洛伦兹力超声导波检测机构的激发端，另外一个第二线圈5作为洛伦兹力超声导波检测机构的接收端，以及另外一个第一线圈4电磁超声导波检测机构的接收端，当输电导线9无损伤时，使用超声导波检测组件2会收到端部回波的信号；当输电导线9的铝绞线结构层有缺陷存在时，会在电磁超声信号通道接收到缺陷信号；当输电导线9的钢芯结构层有缺陷存在时，会在磁致伸缩信号通道接收到缺陷信号；当输电导线9的铝绞线结构层和钢芯结构层都有缺陷存在时，则会在两个信号通道都接收到缺陷信号。
实施例二
本实施例公开了一种输电导线的损伤识别方法，用于处理实施例一所述的超声导波无损检测装置发出的信号，所述损伤识别方法依次包括以下步骤：
步骤一：建立不同材料不同传播距离的超声导波传播的波形字典矩阵，钢芯上不同距离处的导波传播波形图如图5所示，得到不同传播距离的波形向量dm，以及所有传播距离的波形向量构成字典矩阵D，其中：
其中，
步骤二:基于步骤一获取的字典矩阵D对实际接收的信号y进行稀疏贝叶斯学习，其线性模型为：y＝Dw，即：
其中：y为检测得到的信号，w为波形匹配的权重；
步骤三：采用超声导波无损检测装置进行超声导波检测，得到损伤的反射或透射信号，铝绞线结构层中的损伤信号为A，钢芯结构层中的损伤信号为B，根据步骤二获取的稀疏贝叶斯学习的线性模型，将该模型应用到输电导线的损伤识别中，得到以下公式：
其中D1为铝绞线不同传播距离的超声导波传播的波形字典矩阵，D2为钢芯不同传播距离的超声导波传播的波形字典矩阵；
步骤四：根据基于稀疏贝叶斯学习计算所得到的权重w，筛选得到与检测信号波形匹配程度最高的权重w，根据最高权重w确定结构层材料，进一步分析得到缺陷的所在结构层、所在位置，以及根据缺陷信号的信号幅值的特征，图6为同时识别钢芯铝绞线上不同结构层缺陷的损伤信号图，并对缺陷的损伤程度进行判定。
通过建立权重参数来确定不同材料结构层在固定传播距离下的波形匹配程度，从而以此区分特定材料结构层的波形来区分不同结构层的损伤，可实现对输电导线的快速检测，为输电导线的结构安全提供保障。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。