基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法与流程

本发明涉及输变电绝缘设备检测技术领域，尤其涉及一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法。

背景技术：

盆式绝缘子是电网中气体绝缘金属封闭开关设备(gasinsulatedmetal-enclosedswitchgear，gis)的重要绝缘部件，也是薄弱环节之一。盆式绝缘子环氧材料应力分布不均匀，运行时在电场、机械荷载和温度等综合作用下容易应力集中产生微裂纹，严重时导致漏气、局部放电、绝缘闪络和烧蚀等故障。而盆式绝缘子应力集中是导致绝缘问题的根本原因之一。近年来，因力学性能欠佳造成破裂故障时有发生，严重威胁电网安全可靠运行。因此，盆式绝缘子的应力检测对电网的安全运行起着至关重要的作用。

盆式绝缘子的应力包括制造过程产生的残余应力，也包括运输、安装和运行过程中因外界荷载作用而使内应力的改变量，即附加的内应力，以及运输颠簸振动和机械摩擦、安装导电杆安装倾斜和螺栓紧固力不均匀、开关引起的机械振动，外壳和导体在电流交变电磁场中的电动力等产生的应力。

现有技术中，应力检测方法可分为有损和无损两大类。有损检测将试样局部分离，使应力得到释放，对被测试样会产生损害，如钻孔法、环芯法、切槽法、压痕法、剥层法等。无损检测利用材料物理性质来测量应力，包括x射线法、磁性法、光弹法等，x射线法根据晶面间距变化确定应力，适用于晶体材料。磁性法基于磁致伸缩效应，适用于铁磁材料。光弹法基于光双折射原理，能检测透明物质。

本发明人在实施本发明的过程中发现，现有技术中存在以下技术问题：

现有技术的检测方法多用于金属材料，且检测的多为表面应力，对材料原结构会产生破坏，不适用于环氧复合材料的内部应力无损检测。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法，能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测，并提高检测的准确性。

本发明实施例一提供一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法，包括：

拉伸装置对第一待测环氧试块施加切向拉伸应力，应变测量仪通过设置于所述第一待测环氧试块上的应变片采集所述第一待测环氧试块的应变量；

超声纵波发射探头向所述第一待测环氧试块发射超声纵波，超声探伤仪采集所述超声纵波通过所述第一待测环氧试块时的波形；

根据所述第一待测环氧试块的应变量和厚度值计算所述超声纵波的实际声程；

获取所述超声纵波通过所述第一待测环氧试块的声时值，根据所述超声纵波的实际声程和声时值计算所述超声纵波的声速，得到所述拉伸应力与所述声速的对应关系；

根据所述拉伸应力与所述声速的对应关系得到所述第一待测环氧试块的声弹性系数和声弹性对应关系；

所述拉伸装置对第二待测环氧试块施加大小不同的切向拉伸应力，所述应变测量仪通过设置于所述第二待测环氧试块上的应变片采集所述第二待测环氧试块的应变量；

通过所述第二待测环氧试块的应变量以及所述声弹性对应关系计算所述第二待测环氧试块次表面应力值。

作为上述方案的改进，所述第一待测环氧试块与所述第二待测环氧试块的大小和形状均相同。

作为上述方案的改进，所述根据所述第一待测环氧试块的应变量和厚度值计算所述超声纵波的实际声程，具体包括：将所述第一待测环氧试块的厚度值与所述第一待测环氧试块的应变量之差作为所述超声纵波的实际声程。

作为上述方案的改进，所述根据所述超声纵波的实际声程和声时值计算所述超声纵波的声速，具体包括：

根据下式计算所述超声纵波的声速：

式中，tn为第n次加压超声传播时间，单位ns；ln为第n次加压试样中超声声程，hn为第n次加压环氧试样厚度，h0为零应力试样厚度，单位均为mm；dh为第n次加压沿沿超声传播方向的形变量，εn为第n次加载应力方向的形变量，单位mm。

作为上述方案的改进，所述根据所述拉伸应力与所述声速的对应关系得到所述第一待测环氧试块的声弹性系数和声弹性对应关系，具体包括：

生成所述拉伸应力与所述声速的拟合曲线，将所述拟合曲线的斜率作为所述第一待测环氧试块的声弹性系数，并得到如下式所示的声弹性对应关系：

式中，v表示超声纵波声速,单位m/s；v0表示无应力状态下的超声纵波声速，单位m/s；k表示声弹性系数，单位/mpa；σ表示加载应力，σ0表示初始应力，单位均为mpa。

作为上述方案的改进，所述第一待测环氧试块为哑铃型。

作为上述方案的改进，所述第一待测环氧试块的厚度为10mm，中间部分宽度为25mm，两端宽度为35mm，夹持部分为50mm，中间横截面积为2.5×10^-4m²，原始长度为90mm，平行长度为140mm，总长度为294mm。

本发明实施例提供的一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法，具有如下有益效果：

采用了哑铃型环氧标准试样，横截面应力-应变均匀分布，保证了测量的垂直应力的准确性；根据一待测环氧试块计算声弹性系数，采用大小和形状相同的另一待测环氧试块验证声弹性系数，计算了测量误差，确保了应力检测的准确性；采用了超声纵波反射法，由于应力引起的声时变化较小，易受超声纵波发射探头与被测物体接触面耦合剂涂抹不均匀影响，从而消除了接触面耦合造成的声时测量误差，保证声时测量的准确性；能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测，并提高检测的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法的流程示意图。

图2是本发明一具体实施方式提供的第一待测环氧试块的结构示意图。

图3是本发明一具体实施例提供的1.5mhz和1.0mhz的拉伸应力下与声程、声时、声速的拟合曲线图。

图4是本发明一具体实施例提供的第二待测环氧试块检测误差示意图。

图5是本发明实施例提供的环氧试块垂直应力超声纵波检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例提供的一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法的流程示意图，包括：

s101、拉伸装置对第一待测环氧试块施加切向拉伸应力，应变测量仪通过设置于第一待测环氧试块上的应变片采集第一待测环氧试块的应变量；

s102、超声纵波发射探头向第一待测环氧试块发射超声纵波，超声探伤仪采集超声纵波通过第一待测环氧试块时的波形；

s103、根据第一待测环氧试块的应变量和厚度值计算超声纵波的实际声程；

s104、获取超声纵波通过第一待测环氧试块的声时值，根据超声纵波的实际声程和声时值计算超声纵波的声速，得到拉伸应力与声速的对应关系；

s105、根据拉伸应力与声速的对应关系得到第一待测环氧试块的声弹性系数和声弹性对应关系；

s106、拉伸装置对第二待测环氧试块施加大小不同的切向拉伸应力，应变测量仪通过设置于第二待测环氧试块上的应变片采集第二待测环氧试块的应变量；

s107、通过第二待测环氧试块的应变量以及声弹性对应关系计算第二待测环氧试块次表面应力值。

具体来说，检测方法采用超声纵波反射法，选择超声纵波受物体织构效应影响较小，对应力敏感，衰减低，垂直于应力方向入射。选择反射法消除了耦合层厚度离散对超声传播时间测量的影响。

进一步地，第一待测环氧试块与第二待测环氧试块的大小和形状均相同。

进一步地，参见图2，是第一待测环氧试块的结构示意图，第一待测环氧试块为哑铃型。

进一步地，第一待测环氧试块的厚度a＝10mm，中间部分宽度b＝25mm，两端宽度为b＝35mm，夹持部分h＝50mm。中间横截面积s0＝a×b＝2.5×10^-4m²。原始长度l0＝90mm。平行长度lc＝l0+2b＝140mm，总长度lt＝lc+2h1+2h＝294mm

具体地，检测对象为哑铃型环氧标准试样垂直应力，即切应力。

在一具体的实施方式中，声弹性系数超声低频分段常用频率为1.5mhz，声弹性系数越大，对应力越敏感。

具体地，第二待测环氧试块与第一待测环氧试块的大小和形状均相同，能够保证第二待测环氧试块对第一待测环氧试块得到的声弹性系数的验证的准确性，控制其他变量带来的影响。

进一步地，根据第一待测环氧试块的应变量和厚度值计算超声纵波的实际声程，具体包括：将第一待测环氧试块的厚度值与第一待测环氧试块的应变量之差作为超声纵波的实际声程。

进一步地，根据超声纵波的实际声程和声时值计算超声纵波的声速，具体包括：

根据下式计算超声纵波的声速：

式中，tn为第n次加压超声传播时间，单位ns；ln为第n次加压试样中超声声程，hn为第n次加压环氧试样厚度，h0为零应力试样厚度，单位均为mm；dh为第n次加压沿沿超声传播方向的形变量，εn为第n次加载应力方向的形变量，单位mm。

进一步地，根据拉伸应力与声速的对应关系得到第一待测环氧试块的声弹性系数和声弹性对应关系，具体包括：

生成拉伸应力与声速的拟合曲线，将拟合曲线的斜率作为第一待测环氧试块的声弹性系数，并得到如下式所示的声弹性对应关系：

式中，v表示超声纵波声速,单位m/s；v0表示无应力状态下的超声纵波声速，单位m/s；k表示声弹性系数，单位/mpa；σ表示加载应力，σ0表示初始应力，单位均为mpa。

具体地，本实施例中σ0取值为0。

在一具体实施例中，将gis盆式绝缘子环氧试块设计为两个相同的哑铃型标准试样，即第一待测环氧试块a和第二待测环氧试块b；对a试样等应力梯度施加切向拉伸应力，在0～50mpa范围内以应力梯度δσ＝5mpa增加，记录相应的应变两与声时；根据应变量与哑铃型标准试样厚度计算实际声程；根据声程和声时计算声速；绘制切向拉伸应力与声速拟合曲线，参见图3，是本发明一具体实施例提供的1.5mhz和1.0mhz的拉伸应力下与声程、声时、声速的拟合曲线图；根据曲线斜率得到哑铃型环氧标准试样声弹性系数及声弹性公式；测量b试样不同载荷下超声声时及试样的应变值；根据声弹性公式计算b试样应力值，验证检测方法的准确性。参见图4，是本发明一具体实施例提供的第二待测环氧试块检测误差示意图。

在另一具体实施例中，参见图5，是本发明实施例提供的环氧试块垂直应力超声纵波检测系统的结构示意图，系统包括超声探伤仪、超声纵波发射探头、拉伸装置、应变测量仪及其应变片、计算机、示波器、连接线。

超声探伤仪，用于获得每次垂直拉伸应力加载的超声纵波在环氧试块传播的波形图；

超声纵波发射探头型号为1.5p14，中心频率为1.5mhz，直径14mm，采用杂波少波形效果较好的复合材料探头以降低衰减率，探头压电晶片由锆钛酸铅(pzt)与环氧树脂复合材料制作而成。

拉伸装置为万能试验机，该万能试验机为单轴应力拉伸试验装置，容量100kn，精度1级(精度1％)，用于对哑铃型环氧标准试样进行拉伸，按一定应力梯度增量增大拉伸应力；

应变测量仪为jmts-116型号高性能静态测试仪，测量仪应变精度为±10^-6，满足不同应力梯度下10^-4应变变化测量要求，通过哑铃型环氧标准试样上的应变片测量应力加载方向的伸长形变量；

示波器为tektronix型号dpo3102，试验采样率2.5gs/s，采样周期0.4ns，带宽20mhz。示波器与超声探伤仪相连，用于对超声波形进行采集和分析；

计算机，用于垂直应力与超声纵波声速进行数据拟合，绘制垂直拉伸应力-超声纵波声速拟合曲线。具体地，超声探伤仪采用一发一收模式，超声原始发射波由发射探头发出，穿过环氧试样后由接收探头接收，超声纵波的传播方向垂直于万能拉伸试验机所加的应力。

另外，超声纵波发射探头和哑铃型环氧标准试样接触面采用超声专用耦合剂进行耦合。

本发明实施例提供的一种基于超声纵波反射的环氧试块的垂直应力检测方法、装置及存储介质，具有如下有益效果：

采用了哑铃型环氧标准试样，横截面应力-应变均匀分布，保证了测量的垂直应力的准确性；根据一待测环氧试块计算声弹性系数，采用大小和形状相同的另一待测环氧试块验证声弹性系数，计算了测量误差，确保了应力检测的准确性；采用了超声纵波反射法，由于应力引起的声时变化较小，易受超声纵波发射探头与被测物体接触面耦合剂涂抹不均匀影响，从而消除了接触面耦合造成的声时测量误差，保证声时测量的准确性；能够在不损坏对盆式绝缘子环氧试块的情况下，对盆式绝缘子环氧试块的次表面表面应力进行检测，并提高检测的准确性。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。