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摘要：电力金属材料部件是输电线路的重要组成部分，输电线路金属材料部件失效问题时有发生，因此需对输电线路金属部件进行探伤检测。本文在综合各种无损检测的基础上，提出采用超声波探伤检测方法对输电线路金属部件进行探伤检测，并采用希尔伯特-黄变换方法对超声波信号进行处理，提取超声回波缺陷特征。实验仿真结果表明，该算法能够准确提取超声回波信号特征，并能判断缺陷大小及位置。
关键词：金属部件；超声波探伤；希尔伯特-黄变换；特征提取
Abstract：Power metal parts is an important part of transmission lines.The failure of metal parts of transmission lines often occurs.Therefore，it is necessary to inspect the metal parts of transmission lines.Based on the synthesis of various nondestructive testing methods，this paper proposes the ultrasonic flaw detection method to detect the metal parts of transmission line.The ultrasonic signals are processed by Hilbert-Huang transform to extract the characteristics of ultrasonic echo defects.Experimental results show that this algorithm can accurately extract the characteristics of ultrasonic echo signals，and can determine the size and location of defects.
Key words：Metal parts，ultrasonic flaw detection，Hilbert - Huang transform，feature extraction
1 引言
电力金属材料部件是输电线路的重要组成部分，包括杆塔、输电金具、操作机构、导线等，电力金属材料始终贯穿整个电网，在电网中起到连接、传递、支撑机械及输送电气负荷等作用，而输电线路长期运行在野外，受风吹日晒、雨水侵蚀等各种恶劣环境作用，输电线路中的金属部件出现严重腐蚀及损坏现象，电力金属部件一旦失效，会造成设备损坏及输电线路停电，影响电网的安全性和经济性运行。近年来，输电线路在运行过程中因金属部件损坏而导致的事故时有发生[1-3]。因此，有必要在运行过程中进行无损探伤检测，及时发现缺陷故障，减少此类事故的发生。
无损检测的方法包括有射线检测法、超声波检测法、磁粉探伤法、电磁感应探伤法和浸透探伤法等。在这些探伤方法中，超声波检测法是用的最多且最实用的一种方法，它利用材料本身或内部缺陷的声学特性对超声波传播的影响，非破坏性的探测材料内部和表面缺陷（如气泡、裂纹、夹杂等）大小，形状和分布情况[4-6]。超声波检测具有灵敏度高、检测速度快、穿透力强、成本低、设备简单轻便和对人无害等一系列优点，目前超声波检测技术广泛应用于交通、电力领域中。华南理工大学谢从珍等验证了用常规的超声波检测对复合绝缘子内部缺陷检测的可行性，能够检测出直径为0.5mm的气孔缺陷，但该方法直观性较差，且不适用于输电线路金属部件检测[7]。中北大学顾雯琪等研究了超声波柱状体内缺陷特征的提取方法，并以信噪比为衡量标准比较小波变换与希尔伯特变换的缺陷提取效果，并研究了柱状体内缺陷的三维反演方法，但该方法只适用于输柱状体内缺陷检测 [8]。
2 超声波检测技术
图1.2 脉冲反射法探伤原理和波形
超声波与其它波动一样，具有一般波动的物理性质。在不同的介质交界面会发生透射和反射，声场会发生叠加和干涉，吸收传播中的能量。由于用于检测的各种超声换能器（探头）都具有特定的声束指向性、频带、灵敏度等性能参数。待测物件中的缺陷，对超声波声束而言是个障碍，可以通过超声波与障碍物之间的相互作用来获取缺陷信息，从而达到缺陷检测的目的。在超声探伤中所用声波，多数为脉冲超声波。利用脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理来进行检测[9-10]。其具体过程是：由发射电路转化为机械振动即声能，并耦合到待测工件中。超声波在传播过程中，遇到缺陷或待测工件底面时，会产生反射，反射声波被同一个换能器接收后，通过正向压电效应，将声能又转化成电振荡能。所得的电脉冲经过接收、放大单元，形成反射脉冲信号。经过处理后显示在屏幕上，就可以根据缺陷及底面反射波的大小、有无、位置及形状来判断缺陷的大小、有无及位置，超声波检测原理如图1.1所示。
a）没有缺陷的试块及信号波形 b）有较小缺陷的试块及信号波形
c）有较大缺陷的试块及信号波形
脉冲反射法探伤的反射原理波形如图1.2所示。如图a所示，只有初始波T和底波B时，表示试块完好；如图b所示，在始波T和底波B之间就会出现缺陷波F，表明试块中出现较小缺陷，而缺陷波的位置取决于缺陷波形的声程t有关；如图c所示，在荧光屏上就只有始波T和缺陷波F，表明在试块中出现较大缺陷，全部声能被缺陷反射回去并被接收。因此，可以根据超声回波信号判断缺陷大小及位置。
3超声波探伤缺陷特征提取
金属材料缺陷识别的过程可以分为三步：1.原始信号的预处理，主要包括原始信号的滤波以及去噪等处理，2.通过不同种类的信号处理方法实现信号特征值提取，3.模式识别，主要包括对多种缺陷信号的训练以及学习过程，达到对信号缺陷的自动识别。在整个金属材料缺陷识别的体系中缺陷特征值的提取是最重要的环节，它的成败直接影响着缺陷分类的准确度以及可靠性[11]。
针对超声回波的缺陷特征提取问题，本文采用希尔伯特-黄（HHT）对超声回波进行处理。希尔伯特-黄（HHT）是由经验模态分解和希尔伯特变换组成的。其变换过程可以简要叙述为：针对信号，第一步是EMD分解，之后对得到的IMF分量，针对合适的分量进行Hilbert变换，得到信号的瞬时频率及瞬时幅值[12-14]。
3.1 超声波信号的EMD分解
信号的EMD分解满足条件是含有极大值，极小值这两个极值点。若该条件不满足，即信号无这两个极值点，那么就需要通过微分分解之后积分实现，在已知极大值点和极小值点的基础上，将两个极值点之间的时间长度定义为特征时间尺度。依靠这个时间尺度，将信号中包含的最精细的模态一步步分解出来。
但是分解的过程是不能一直重复进行下去的，这样会使分解得到的IMF分量失去原本的意义，这就需要在分解的最后设定一个停止准则，来保证整个分解过程都具有物理意义。计算两个连续的分解结果得出的标准差SD，其表达式如下：
5．结论
1）通过对超声波检测方法的原理分析，表明超声波探伤可应用于输电线路金属部件检测中。
2）通过Hilbert-Huang变换算法对超声回波信号进行处理，得出超声回波信号的Hilbert谱，能够准确判断缺陷的存在以及大小。
3）采用Hilbert-Huang处理的超声回波信号，存在信噪比较低，且无法判断缺陷类型等问题。缺陷类型的模式识别尚待进一步研究。
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论文作者:张金绪,赵晨
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/11
标签：缺陷论文; 超声波论文; 信号论文; 超声论文; 回波论文; 部件论文; 希尔伯特论文; 《电力设备》2017年第36期论文;