一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法

1.本发明涉及绝缘子检测技术领域，具体为一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法。


背景技术：

2.目前绝缘子主要有棒形和盘形悬式绝缘子两种结构型式，通常起到起到架空导线与输电杆塔之间的连接，以及与地电位的输电杆塔之间起到电气绝缘的作用，防止导线发生对地放电和短路事故。而在变电站中，绝缘子的结构更加多样化，主要包括起到支撑作用的支柱绝缘子，变压器出线套管以及互感器、断路器等设备的空心绝缘子。目前根据材料区分，可以将绝缘子分为陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子三大类。
3.从材料角度分类，绝缘子通常可以分为由无机材料构成的陶瓷、玻璃绝缘子和由有机材料构成的复合绝缘子。陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子具有优良的化学稳定性，对电晕及化学腐蚀有较好的耐受能力。而相较于普通绝缘子，复合绝缘子由有机材料构成，因而重量较轻，具有较好的弹性，不易破碎。
4.复合绝缘子中硅橡胶材料自身的憎水性以及在雨雾及污秽环境下的憎水迁移特性，使其具有良好的抗污闪性。憎水迁移特性是硅橡胶材料中一些具有憎水性的未交联的小分子在硅橡胶表面被污层覆盖，憎水性下降时能迁移至表面的污层，从而使复合绝缘子憎水性在一定时间后能够部分或者完全得到恢复。这些优点使得硅橡胶复合绝缘子自从20世纪80年代投入使用后得到了迅速的发展，使用量逐年增加。
5.当复合绝缘子的外部电场强度超过了对应界限值，其自身产生的电晕现象会引发一系列的化学氧化反应，加上高温、紫外线等外界影响，会大幅度加快复合绝缘子自身的老化速度。在硅橡胶复合绝缘子老化过程中，材料分子层面会发生一系列变化，如主链的降解以及侧基的氧化反应。相较于其他的无机材料，复合绝缘子通过其中的共价键来连接其各部分构成元素，具有更加明显的老化速度。核磁共振可以通过检测待测复合绝缘子分子层面的变化反应其老化程度。有学者通过核磁共振的方式探测橡胶材料老化过程中材料内h原子核的变化，并通过实验表明，随着橡胶材料老化程度加深、材料降解程度增加，h原子核的横向驰豫时间变小。
6.构成复合绝缘子的硅橡胶材料在使用过程中会发生老化，为了检测其老化状态，研究人员提出了许多检测方法，常用的有基于绝缘子外观变化的直接观测法、憎水性检测法、泄漏电流法及热刺激电流法等。直接观测法通过使用观测器材在地面观察或者登上杆塔近距离观察；复合绝缘憎水性检测法是根据复合绝缘子不同老化状态时憎水性的变化对老化状态进行检测，主要有喷水分级法与接触角法；静态接触角法是通过检测水滴与绝缘子表面之间形成的接触角的大小来判断待测绝缘子老化状态；
7.核磁共振技术的研究与发展，使得无损、精准的复合绝缘子老化度测量成为了可能。为了实现在设备快速的获取老化绝缘子的老化程度及其性能测评，则需要做好测评用到的便携式复合绝缘子核磁共振频谱分析仪。在核磁共振测量仪器的脉冲发射端，其脉冲
信号波形的完整性总是面临信号过冲的问题，解决好脉冲信号自身的瞬态效应的问题就变得十分必要。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法，能够解决好脉冲信号自身的瞬态效应。
9.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.本发明提供了一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法，包括以下步骤：
11.s1、对复合绝缘子核磁共振谱仪线圈射频场响应的拉普拉斯变化的列写；
12.s2、对传递函数拉普拉斯变化的提取；
13.s3、推导射频脉冲输出信号。
14.进一步，所述s1中，拉普拉斯变化的列写，包括以下步骤：
15.s101、将线圈产生的射频场响应b1(t)和对光谱仪产生的射频电压v(t)，用卷积式表示，射频场响应b1(t)与光谱仪产生的射频电压的关系为：
16.b1(t)＝∫dt
′
h(t-t
′
)v(t)＝h(t)v(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
17.其中，h(t-t
′
)为延时后的激励响应；h(t)为核磁共振谱仪射频脉冲信号探头系统的响应函数，所述响应函数随系统电路更改的变化而发生变化；
18.s102、b1(t)的时域形式表示为：
[0019][0020]
其中，t1为斜台的上升时间；t为时域；u(t-t1)为t1秒后的阶跃信号；
[0021]
s103、对公式(2)进行拉普拉斯变换：
[0022][0023]
其中，s为复频域；
[0024]
s104、目标脉冲形状的拉普拉斯变换表达式b(s)为：
[0025]
b(s)＝h(s)v(s)
ꢀꢀ
(4)
[0026]
其中，h(s)为核磁共振谱仪射频脉冲信号探头系统的响应函数的拉氏变换形式。
[0027]
进一步，所述s2具体的实现步骤为：
[0028]
s201、通过输入阶跃激励u(t)对阶跃激励的响应y(t)进行测定，并通过阶跃激励u(t)与响应y(t)得出卷积式为：
[0029]
y(t)＝∫dt
′
h(t-t')u(t)＝h(t)u(t)
ꢀꢀ
(5)
[0030]
其中，h(t)为电路响应函数；
[0031]
s202、将公式(5)进行拉普拉斯变换：
[0032][0033]
其中，u(s)阶跃响应信号的拉氏变换形式；u(t)为阶跃激励；t2为阶跃信号的上升时间；
[0034]
s203、将探头系统视为单自由度的二阶线性时不变系统，
[0035]
所述探头系统单位阶跃信号激励下的输出信号y(s)为：
[0036][0037]
其中，ξ为探头系统的阻尼比；ωn为探头系统的谐振频率；td为阶跃激励响应信号的振荡周期；ω1和ω2为系统的两个特征根；ωd为系统自然振荡频率。
[0038]
进一步，所述s203中：
[0039]
当0＜t＜t2时
[0040][0041]
当t＞t2时
[0042][0043]
此时：
[0044][0045][0046]
其中，y
′
(t)为探头系统单位阶跃信号激励下的输出信号的一阶导数；
[0047]
令y
′
(t)＝0
[0048][0049]
其中，和φ为阻尼比相关的表达式；
[0050]
得到振荡到第n个峰值的时刻：
[0051][0052]
进一步，复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲探头的时间模型为：
[0053][0054]
其中，t1为射频脉冲探头时间模型的第一个震荡峰时间点；
[0055]
当ξ＜＜1且t＜＜td时，复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲探头的时间模型简为：
[0056][0057]
进一步，所述传递函数拉普拉斯变化为：
[0058][0059]
进一步，将公式(15)代入公式(4)中，所述射频脉冲输出信号v(s)为：
[0060][0061]
本发明的有益效果为：针对现有复合绝缘子核磁共振波谱仪射频脉冲存在的缺点，针对核磁共振实验中探针调谐会很大程度影响辐照效率和灵敏度，探针调谐的误差会导致核自旋接收到的脉冲的形状与预期的不同。
[0062]
当复合绝缘子核磁共振波谱仪的发射机辐射射频脉冲时，接收器通过拾取线圈监测拾取线圈产生的射频场，在脉冲的前缘和后缘，以及脉冲的振幅和相位都存在瞬态效应。
[0063]
该射频脉冲瞬态补偿方法能够解决好脉冲信号自身的瞬态效应的问题。
附图说明
[0064]
图1为本发明一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法的探头线圈原理图；
[0065]
图2为本发明一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法的信号流程图；
[0066]
图3为本发明脉冲瞬态效应示意图；
[0067]
图4为本发明主动补偿脉冲响应示意图。
[0068]
图5为目标函数b(s)与阶跃函数u(s)乘积曲线图。
[0069]
图6为射频电压v(s)的最终拉普拉斯变换曲线。
具体实施方式
[0070]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0071]
请参阅1，其中,l和rc分别代表线圈内部的等效电感以及等效电阻，而ct和cm则为外部分别与之串并联的电容。在自制的复合绝缘子核磁共振谱仪的探头中，探头线圈由导线直径为d1mm的铜线构成，其线圈直径为d2mm，线圈匝数为n匝，通过使用阻抗分析仪器测量实际的等效电感值l，而测得线圈的实际内阻rc。由于该复合绝缘子核磁共振谱仪工作在20mhz的频率下，可由此推断出该复合绝缘子核磁共振谱仪的探头线圈的等效输入阻抗，通过匹配输入阻抗与实际系统的阻值，计算得ct与cm得实际值分别为。
[0072]
对于加工制作所得得复合绝缘子核磁共振谱仪的探头线圈，用其输出频率为20mhz的射频脉冲信号。
[0073]
利用信号源对系统施加阶跃信号u(t)，从而获得响应的系统阶跃信号y(t)，对输入的阶跃信号u(t)和响应的系统阶跃信号y(t)分别进行拉普拉斯变换，通过比值关系得到系统的冲激响应函数h(s)。通过对期望输出信号的调节，对输出信号b(t)进行拉普拉斯变化得到b(s),并通过输出信号b(s)与冲激响应函数h(s)的比值，最终对输入信号v(t)进行确定。
[0074]
请参阅图2，一种复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲瞬态补偿方法，包括以下步骤：
[0075]
s1、对复合绝缘子核磁共振谱仪线圈射频场响应的拉普拉斯变化的列写；
[0076]
s2、对传递函数拉普拉斯变化的提取；
[0077]
s3、推导射频脉冲输出信号。
[0078]
所述s1中，拉普拉斯变化的列写，包括以下步骤：
[0079]
s101、将线圈产生的射频场响应b1(t)和对光谱仪产生的射频电压v(t)，用卷积式表示，射频场响应b1(t)与光谱仪产生的射频电压的关系为：
[0080]
b1(t)＝∫dt
′
h(t-t
′
)v(t)＝h(t)v(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0081]
其中，h(t-t
′
)为延时后的激励响应；h(t)为核磁共振谱仪射频脉冲信号探头系统的响应函数，所述响应函数随系统电路更改的变化而发生变化；
[0082]
s102、b1(t)的时域形式表示为：
[0083][0084]
其中，t1为斜台的上升时间；t为时域；u(t-t1)为t1秒后的阶跃信号；
[0085]
s103、对公式(2)进行拉普拉斯变换：
[0086][0087]
其中，s为复频域；
[0088]
s104、目标脉冲形状的拉普拉斯变换表达式b(s)为：
[0089]
b(s)＝h(s)v(s)
ꢀꢀ
(4)
[0090]
其中，h(s)为激响应函数。
[0091]
所述s2具体的实现步骤为：
[0092]
s201、通过输入阶跃激励u(t)对阶跃激励的响应y(t)进行测定，并通过阶跃激励u(t)与响应y(t)得出卷积式为：
[0093]
y(t)＝∫dt'h(t-t')u(t)＝h(t)u(t)
ꢀꢀ
(5)
[0094]
其中，h(t)为电路响应函数；
[0095]
s202、将公式(5)进行拉普拉斯变换：
[0096][0097]
其中，u(s)为阶跃相应的拉氏变换形式；u(t)为阶跃激励；t2为阶跃信号的上升时间；
[0098]
s203、将探头系统视为单自由度的二阶线性时不变系统，
[0099]
所述探头系统单位阶跃信号激励下的输出信号y(s)为：
[0100][0101]
其中，ξ为探头系统的阻尼比；ωn为探头系统的谐振频率；td为阶跃激励响应信号的振荡周期；ω1和ω2为系统的两个特征根；ωd为自然振荡频率。
[0102]
所述s203中：
[0103]
当0＜t＜t2时
[0104][0105]
当t＞t2时
[0106][0107]
此时：
[0108][0109]
其中，y
′
(t)为探头系统单位阶跃信号激励下的输出信号的一阶导数；
[0110]
令y
′
(t)＝0
[0111][0112]
其中，和φ为阻尼比相关的表达式；
[0113]
得到振荡到第n个峰值的时刻：
[0114]
复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲探头的时间模型为：
[0115][0116]
其中，t1为射频脉冲探头时间模型的第一个震荡峰时间点；
[0117]
当ξ＜＜1且t＜＜td时，复合绝缘子核磁共振谱仪的射频脉冲探头的时间模型简为：
[0118][0119]
所述传递函数拉普拉斯变化为：
[0120][0121]
请参阅图3，正向幅值部分表示矩形射频脉冲响应的同相分量，而负方向负值部分曲线代表矩形射频脉冲响应的正交分量。使用放置在样品线圈附近的拾取线圈来监测在样品线圈上产生的射频场，拾取线圈连接到核磁共振谱仪的接收器输入，信号则被数字解调为同相和正交分量。
[0122]
请参阅图4，矩形射频脉冲响应的同相和正交分量得到优化，其被设计为产生宽度为50ns的线性前缘和后缘，最终输出近似完美效果的矩形射频脉冲。
[0123]
请参阅图5，图4表示拉普拉斯变换之后，b(s)与阶跃函数u(s)的相乘表达式的曲线图，其中实线代表相乘表达式的实部部分，而虚线代表相乘表达式的虚数部分。
[0124]
请参阅图6，图5表示拉普拉斯变换之后，b(s)与阶跃函数u(s)的相乘除以y(s)所得到的表达式曲线图，即v(s)的曲线图。其中实线代表相乘表达式的实部部分，而虚线代表相乘表达式的虚数部分。h(s)表达式进行提取，并对v(s)表达式中的h(s)进行替换，得到最终的v(s)拉普拉斯变换表达式，由此便完成通过对预期射频信号b(s)的预测，从而对输入电压信号v(s)进行调整，最终得到期望的射频脉冲输出信号v(s)如下：
[0125][0126]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。