一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置与方法，该装置包括载物台、数字超声波探伤仪、超声探头、机械臂组件、示波器以及计算机。计算机通过信号传输线给步进电机驱动器指令操控三自由度机械臂组件，数字超声波探伤仪产生超声信号并通过与之相连的超声探头穿过载物台中的耦合剂传输至待测薄层压式电介质复合材料的上表面，数字超声波探伤仪通过BNC传输线与示波器相连，并通过网线将波形数据传输至计算机。本发明能够对作为部分电力设备主绝缘的薄层压式电介质复合材料进行超声无损检测，进行超声声速、超声频谱和缺陷超声形貌分析，研究在长时运行状况下材料的缺陷分布与老化状态。

权利要求

1.一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置，其特征在于，包括：

载物台(1)，其作为薄层压式电介质复合材料的放置台面；检测时，在所述载物台(1)内放置耦合剂，耦合剂淹没薄层压式电介质复合材料；

数字超声波探伤仪(11)，其用于产生超声波信号以及接收回波信号；

超声探头(3)，其和所述数字超声波探伤仪(11)相连接，以将超声波探伤(11)仪所产生的超声波信号传输到耦合剂中，穿过耦合剂到达薄层压式电介质复合材料的上表面；以及用于接收超声波信号到达薄层压式电介质复合材料后所产生的回波信号；

机械臂组件，其用于带动所述超声探头(3)多自由度运动；

示波器(14)，其和所述数字超声波探伤仪(11)相连接，用以接收并显示数字超声波探伤仪(11)的回波信号；

计算机(11)，其和所述示波器(14)相连接，用以对示波器(14)所接收到的回波信号进行数据处理与分析，采用超声声速、超声频谱和缺陷超声形貌多途径对薄层压式电介质复合材料试样进行无损检测；

所述机械臂组件包括Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)与X向机械臂(9)、Y‑Z转换台(6‑1)、X‑Y转换台(6‑2)；Z向机械臂(4)通过Y‑Z转换台(6‑1)与Y向机械臂(7)相连，Z向机械臂(4)通过Z向旋钮(5)实现在Z方向的位移；Y向机械臂(7)通过X‑Y转换台(6‑2)与X向机械臂(9)相连，Y向机械臂(7)通过Y向旋钮(8)实现在Y方向的位移；X向机械臂(9)通过X向旋钮(10)实现在X方向的位移；

所述机械臂组件与步进电机驱动器(12)相连，步进电机驱动器(12)与计算机(13)相连，计算机(13)发出控制指令至步进电机驱动器(12)，以控制Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)与X向机械臂(9)、Y‑Z转换台(6‑1)、X‑Y转换台(6‑2)的运动，实现通过夹具固定于Z向机械臂(4)的超声探头(3)在X向、Y向与Z向的位移；

所述载物台(1)、超声探头(3)、Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)、X向机械臂(9)、Y‑Z转换台(6‑1)、X‑Y转换台(6‑2)、数字超声波探伤仪(11)、步进电机驱动器(12)、计算机(13)和示波器(14)均放置于同一水平台；

所述数据处理采用数字滤波器，对采集的数据进行滤波处理，使用汉宁窗进行数据加窗，利用64阶低通FIR滤波器，阻带衰减为60dB，截止频率为5MHz；

所述超声波信号到达薄层压式电介质复合材料后所产生的回波包括：表面波为脉冲波到达耦合剂与待测薄层压式电介质复合材料上表面界面的回波，缺陷波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料内部缺陷的回波，底面波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料下表面的回波；

所述超声声速通过表面波和底面波时间差计算；所述超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现；所述缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图；

所述超声声速通过表面波和底面波时间差计算包括：

对记录的超声原始数据进行超声声速分析，通过寻找表面波与底面波幅值位置，记录两者时间差Δt并量取试样厚度d，通过公式 计算薄层压式电介质复合材料内部声速v；

所述超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现包括：

对记录的超声原始数据进行超声频谱分析，对滤波后的超声数据进行傅里叶变换，截取0～10MHz频段范围的频谱进行分析；

所述缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图包括：

对记录的超声原始数据进行缺陷超声形貌分析，记录扫描区域各超声检测点的二维坐标(x,y)与各点处的幅值特征值A(x,y)，当超声探头沿预定路径扫描完成后，根据各超声检测点(x,y)对应的幅值特征值构造特征值矩阵，将超声检测点按照成像精度F进行像素分组，每组包含F×F个超声检测点，分别计算各组所有超声检测点特征值的平均值，将其作为对应成像像素点的特征值A’(i,j)，重构F像素点特征值矩阵，取像素点特征值矩阵中的最大值max(A’(i,j))和最小值min(A’(i,j))，在此范围内将像素点特征值矩阵所有特征值由小 到大 平 均 分 成 2 5 6 个区 间 ，分 别 对 应 于 整 数 0～ 2 5 5 ，通 过 公式计算出每个像素点的8bit灰度值G(x,y)；最后将灰度值转变为RGB值，实现对缺陷超声成像的彩图绘制。

2.一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置进行，包括如下步骤：S1，打开计算机(13)与步进电机驱动器(12)，通过计算机(13)给出归零指令，指示步进电机驱动器(12)控制Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)、X向机械臂(9)归原位；

S2，将薄层压式电介质复合材料(2)放入载物台(1)底部，待扫描零点位置正对超声探头(3)，向载物台(1)中倒入耦合剂，直至耦合剂淹没薄层压式电介质复合材料(2)并能够接触到超声探头(3)的下表面；

S3，通过计算机(13)设定扫描步骤参数，并设置保存参数以记录示波器实时波形；

S4，打开数字超声波探伤仪(11)与示波器(14)，在示波器(14)上检查波形无误后在计算机(13)点击开始按钮，根据S3所述扫描步骤参数进行扫描，并S3所述保存参数对示波器波形进行实时记录；

S5，对S4中保存的示波器实时参数进行数据处理与数据分析，通过滤波算法对数据进行滤波处理，并利用MATLAB编写软件计算超声声速、超声频谱与缺陷形貌。

说明书

一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电介质与电气绝缘研究领域，具体涉及一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置及方法。

背景技术

[0002] 基于实际工程中电力设备制造工艺与绝缘结构设计的要求，电力设备绝缘系统中广泛存在以纸或纤维布做底材，浸渍胶黏剂后通过热压等方式制成的层压式电介质复合材料，拥有良好的绝缘性能、力学性能和耐热、耐电弧、耐腐蚀等特性。环氧层压玻璃布板由于在高温高湿下介电性能稳定且机械强度高，被广泛用于高压电机主绝缘；层压酚醛纸板机械性能较好，用于变压器油中以及电器设备用绝缘结构零部件；层压酚醛玻璃布板耐水耐热较好，适用于断路器结缘结构件；有机硅环氧玻璃布板由于耐热耐霉用于湿热地区的电气绝缘件；抽水蓄能发电机中线棒主绝缘是以粉云母为基础、环氧胶为粘合剂、玻璃布补强的环氧粉云母玻璃布层压式复合材料。对于上述结构紧凑的层压式电介质复合材料，在长期使用的过程中会发生电热老化，内部易产生气泡、分层、杂质与分布不均等局部性缺陷，从而大幅度影响材料的使用寿命与电力设备的安全稳定运行。超声检测技术具有成本低、使用方便、利于现场无损检测等优点，能够实现对材料内部缺陷的定位与成像，反映材料局部性能的变化。针对均质绝缘材料的超声检测技术已较为成熟，但对于层压式电介质复合材料的超声检测研究较少，且由于试样较薄且多层介质中声衰减大导致难以精准测量，需提出一种对于薄层压式电介质复合材料的超声检测装置及方法，实现故障的精准定位与测量分析。

[0003] 现有文献中出现过的超声检测装置多用于厚电介质材料，且多为单一介质材料如硅橡胶、聚乙烯等，无法直接用于薄层压式电介质复合材料，会存在分辨率低、声信号衰减过大无法测量等问题；现有文献中出现过的超声检测方法多使用单一参数分析，少有同时进行超声声速、超声频谱与缺陷超声形貌分析的超声检测方法，难以全面的对于试样的缺陷特征与老化状态进行评估。

发明内容

[0004] 为了解决上述背景技术所存在的至少一技术问题，本发明提供一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置及方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0006] 一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置，包括：

[0007] 载物台(1)，其作为薄层压式电介质复合材料的放置台面；检测时，在所述载物台(1)内放置耦合剂，耦合剂淹没薄层压式电介质复合材料；

[0008] 数字超声波探伤仪(11)，其用于产生超声波信号以及接收回波信号；

[0009] 超声探头(3)，其和所述数字超声波探伤仪(11)相连接，以将超声波探伤(11)仪所产生的超声波信号传输到耦合剂中，穿过耦合剂到达薄层压式电介质复合材料的上表面；以及用于接收超声波信号到达薄层压式电介质复合材料后所产生的回波信号；

[0010] 机械臂组件，其用于带动所述超声探头(3)多自由度运动；

[0011] 示波器(14)，其和所述数字超声波探伤仪(11)相连接，用以接收并显示数字超声波探伤仪(11)的回波信号；

[0012] 计算机(11)，其和所述示波器(14)相连接，用以对示波器(14)所接收到的回波信号进行数据处理与分析，采用超声声速、超声频谱和缺陷超声形貌多途径对薄层压式电介质复合材料试样进行无损检测。

[0013] 进一步地，所述机械臂组件包括Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)与X向机械臂(9)、Y‑Z转换台(6‑1)、X‑Y转换台(6‑2)；Z向机械臂(4)通过Y‑Z转换台(6‑1)与Y向机械臂(7)相连，Z向机械臂(4)通过Z向旋钮(5)实现在Z方向的位移；Y向机械臂(7)通过X‑Y转换台(6‑2)与X向机械臂(9)相连，Y向机械臂(7)通过Y向旋钮(8)实现在Y方向的位移；X向机械臂(9)通过X向旋钮(10)实现在X方向的位移。

[0014] 进一步地，所述机械臂组件与步进电机驱动器(12)相连，步进电机驱动器(12)与计算机(13)相连，计算机(13)发出控制指令至步进电机驱动器(12)，以控制Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)与X向机械臂(9)、Y‑Z转换台(6‑1)、X‑Y转换台(6‑2)的运动，实现通过夹具固定于Z向机械臂(4)的超声探头(3)在X向、Y向与Z向的位移。

[0015] 进一步地，所述载物台(1)、超声探头(3)、Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)、X向机械臂(9)、Y‑Z转换台(6‑1)、X‑Y转换台(6‑2)、数字超声波探伤仪(11)、步进电机驱动器(12)、计算机(13)和示波器(14)均放置于同一水平台。

[0016] 进一步地，所述数据处理采用数字滤波器，对采集的数据进行滤波处理，使用汉宁窗进行数据加窗，利用64阶低通FIR滤波器，阻带衰减为60dB，截止频率为5MHz。

[0017] 进一步地，所述超声波信号到达薄层压式电介质复合材料后所产生的回波包括表面波为脉冲波到达耦合剂与待测薄层压式电介质复合材料上表面界面的回波，缺陷波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料内部缺陷的回波，底面波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料下表面的回波。

[0018] 进一步地，所述超声声速通过表面波和底面波时间差计算；所述超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现；所述缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图。

[0019] 进一步地，所述超声声速通过表面波和底面波时间差计算包括：

[0020] 对记录的超声原始数据进行超声声速分析，通过寻找表面波与底面波幅值位置，记录两者时间差Δt并量取试样厚度d，通过公式 计算薄层压式电介质复合材料内部声速v。

[0021] 所述超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现包括：

[0022] 对记录的超声原始数据进行超声频谱分析，对滤波后的超声数据进行傅里叶变换，截取0～10MHz频段范围的频谱进行分析。

[0023] 进一步地，所述缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图包括：

[0024] 对记录的超声原始数据进行缺陷超声形貌分析，记录扫描区域各超声检测点的二维坐标(x,y)与各点处的幅值特征值A(x,y)，当超声探头沿预定路径扫描完成后，根据各超声检测点(x,y)对应的幅值特征值构造特征值矩阵，将超声检测点按照成像精度F进行像素分组，每组包含F×F个超声检测点，分别计算各组所有超声检测点特征值的平均值，将其作为对应成像像素点的特征值A’(i,j)，重构F像素点特征值矩阵，取像素点特征值矩阵中的最大值max(A’(i,j))和最小值min(A’(i,j))，在此范围内将像素点特征值矩阵所有特征值由 小到 大平 均分成 256 个区间 ，分别 对应于 整数0 ～25 5 ，通过公式计算出每个像素点的8bit灰度值G(x,y)。最后将灰度
值转变为RGB值，实现对缺陷超声成像的彩图绘制。

[0025] 相应地，本发明提供了一种针对薄层压式电介质复合材料的超声检测方法，采用上述的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置进行，包括如下步骤：

[0026] S1，打开计算机(13)与步进电机驱动器(12)，通过计算机(13)给出归零指令，指示步进电机驱动器(12)控制Z向机械臂(4)、Y向机械臂(7)、X向机械臂(9)归原位；

[0027] S2，将薄层压式电介质复合材料(2)放入载物台(1)底部，待扫描零点位置正对超声探头(3)，向载物台(1)中倒入耦合剂，直至耦合剂淹没薄层压式电介质复合材料(2)并能够接触到超声探头(3)的下表面；

[0028] S3，通过计算机(13)设定扫描步骤参数，并设置保存参数以记录示波器实时波形；

[0029] S4，打开数字超声波探伤仪(11)与示波器(14)，在示波器(14)上检查波形无误后在计算机(13)点击开始按钮，根据S3所述扫描步骤参数进行扫描，并S3所述保存参数对示波器波形进行实时记录；

[0030] S5，对S4中保存的示波器实时参数进行数据处理与数据分析，通过滤波算法对数据进行滤波处理，并利用MATLAB编写软件计算超声声速、超声频谱与缺陷形貌

[0031] 本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

[0032] (1)本发明的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置扫描自由度高且操作便利，可通过编程实现计算机控制步进电机在量程范围内的XYZ三向扫描任意所需路径，最小步长可达2.5μm，同时实现超声声速和试样缺陷超声形貌的测量与分析。

[0033] (2)根据试样类型、尺寸、声速与声衰减系数等参数，可自由选择超声探头频率、形状和型号更换，针对薄层压式电介质复合材料可选取特性型号超声探头，避免由于试样过薄和层压式复合材料声衰减大导致的测量问题。

[0034] (3)利用计算机编程，采用超声声速、超声频谱和缺陷超声形貌多途径对试样进行无损检测，可以全方位对试样的缺陷位置、老化程度等信息进行检测与分析；其中超声声速通过表面波和底面波时间差计算，超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现，缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图。

[0035] (4)对采集的信号进行滤波处理分析，设计了64阶低通FIR滤波器，避免了高频噪声干扰。

[0036] (5)本发明的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测为非接触式无损检测，通过耦合剂实现超声信号的发射与接收，避免缺陷的有损测量对试样产生破坏，同时也避免了接触式测量中接触状态与接触压力对测量结果准确性的影响。

附图说明

[0037] 图1是本发明针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置的结构示意图[0038] 图2是本发明所用脉冲回波法原理图

[0039] 图中：始脉冲为超声探头与耦合剂接触位置处超声探头的发射脉冲波，表面波为脉冲波到达耦合剂与待测薄层压式电介质复合材料上表面界面的回波，缺陷波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料内部缺陷的回波，底面波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料下表面的回波。

[0040] 图3是本发明进行缺陷超声形貌检测时超声检测点矩阵转化为像素矩阵示意图[0041] 图中：左图为超声检测点矩阵，右图为转换后的像素矩阵

[0042] 图4是本发明所选64阶低通FIR滤波器效果图

[0043] 图中：上图为原始波形数据，下图为经过64阶低通FIR滤波器后的波形数据。

[0044] 图5是本发明超声声速检测结果图

[0045] 图中：左图为某单一介质材料超声声速测试结果图，右图为某薄层压式电介质复合材料超声声速测试结果图。

[0046] 图6是本发明超声频谱检测结果图

[0047] 图中：左图为某单一介质材料超声频谱测试结果图，右图为某薄层压式电介质复合材料超声频谱测试结果图。

具体实施方式

[0048] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

[0049] 参阅图1所示，本实施例提供的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置主要包括载物台1、数字超声波探伤仪11、超声探头3、机械臂组件、示波器14以及计算机。另外，为了便于描述位置关系，在图1中建立了笛卡尔坐标。

[0050] 其中，该载物台1作为薄层压式电介质复合材料的放置台面，该薄层压式电介质复合材料2至少包含两种材料，在实施例中，由材料一2‑1与材料二2‑2组成；检测时，在该载物台1内放置耦合剂，耦合剂淹没薄层压式电介质复合材料，但不高于超声探头。

[0051] 该数字超声波探伤仪11则用于产生超声波信号以及接收回波信号。具体地，在本实施例中，该数字超声波探伤仪11选用型号为SIUI CTS‑9006，采样速率240MHz，测量分辨率0.1mm，工作频率范围0.5～10MHz，可产生20～2000Hz的脉冲重复频率。

[0052] 该超声探头3则通过BNC传输线和数字超声波探伤仪11相连接，以将超声波探伤11仪所产生的超声波信号(即脉冲波)传输到耦合剂中，穿过耦合剂到达薄层压式电介质复合材料的上表面，以及接收超声波信号到达薄层压式电介质复合材料后所产生的回波。具体地，如图2所示，始脉冲为超声探头与耦合剂接触位置处超声探头的发射脉冲波，表面波为脉冲波到达耦合剂与待测薄层压式电介质复合材料上表面界面的回波，缺陷波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料内部缺陷的回波，底面波为脉冲波到达待测薄层压式电介质复合材料下表面的回波。

[0053] 该数字超声波探伤仪11通过BNC信号传输线将波形数据输入到示波器14，示波器14通过网线将波形数据传输到计算机13进行数据处理分析，采用超声声速、超声频谱和缺陷超声形貌多途径对薄层压式电介质复合材料试样进行无损检测。其中，该超声声速通过表面波和底面波时间差计算，超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现，缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图。

[0054] 该机械臂组件则用于带动所述超声探头3实现XYZ三个方向的多自由度运动。

[0055] 由此可见，本实施例提供的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置扫描自由度高且操作便利，量程范围内的XYZ三向扫描任意所需路径，最小步长可达2.5μm，同时实现超声声速和试样缺陷超声形貌的测量与分析。

[0056] 具体地，上述的机械臂组件包括Z向机械臂4、Y向机械臂7与X向机械臂9、Y‑Z转换台6‑1、X‑Y转换台6‑2，Z向机械臂4通过Y‑Z转换台6‑1与Y向机械臂7相连，Z向机械臂4通过Z向旋钮5实现在Z方向的位移；Y向机械臂7通过X‑Y转换台6‑2与X向机械臂9相连，Y向机械臂7通过Y向旋钮8实现在Y方向的位移；X向机械臂9通过X向旋钮10实现在X方向的位移；机械臂组件三自由度运动的控制通过信号传输线与步进电机驱动器12相连，步进电机驱动器12通过RS232串口与计算机13相连，计算机13通过RS232串口步进电机驱动器12指令控制机械臂组件实现通过夹具固定于Z向机械臂(4)的超声探头(3)在X向、Y向与Z向的位移。同时，该超声探头3可根据使用需求拆卸更换不同型号的探头，可根据试样类型、尺寸、声速与声衰减系数等参数，可自由选择超声探头频率、形状和型号更换，针对薄层压式电介质复合材料可选取特性型号超声探头，避免由于试样过薄和层压式复合材料声衰减大导致的测量问题。

[0057] 作为本实施例的一种优选，为了避免使用时发生振动，保证检测的准确性，上述的载物台1、超声探头3、Z向机械臂4、Y向机械臂7、X向机械臂9、Y‑Z转换台6‑1、X‑Y转换台6‑2、数字超声波探伤仪11、步进电机驱动器12、计算机13和示波器14均放置于同一水平台。

[0058] 作为本实施例的另一种优选，上述的数据处理采用了数字滤波器，对采集的波形数据信号进行滤波处理，避免采集信号的高频噪声干扰，使用汉宁窗进行数据加窗，利用64阶低通FIR滤波器，阻带衰减为60dB，截止频率为5MHz。

[0059] 具体地，在本实施例中，上述的步进电机驱动器(12)选用型号为Zolix SC300‑2B，驱动器输出频率范围200～20KHz，脉冲速度400pps～18Kpps；上述的示波器(14)选用型号为Pico公司的2207B，采样频率125MS/s，带宽70MHz

[0060] 上述的超声检测装置对薄层压式电介质复合材料的进行超声检测时，过程如下：

[0061] S1，打开计算机13与步进电机驱动器12，通过计算机13给出归零指令，指示步进电机驱动器12控制Z向机械臂4、Y向机械臂7、X向机械臂9归原位；

[0062] S2，将薄层压式电介质复合材料2放入载物台1底部，待扫描零点位置正对超声探头3，向载物台1中倒入耦合剂，直至耦合剂淹没薄层压式电介质复合材料2并能够接触到超声探头3的下表面；

[0063] S3，通过计算机13设定扫描步骤参数，并设置保存参数以记录示波器实时波形；

[0064] S4，打开数字超声波探伤仪11与示波器14，在示波器14上检查波形无误后在计算机13点击开始按钮，根据S3所述扫描步骤参数进行扫描，并S3所述保存参数对示波器波形进行实时记录；

[0065] S5，对S4中保存的示波器实时参数进行数据处理与数据分析，通过滤波算法对数据进行滤波处理，并利用MATLAB编写软件计算超声声速、超声频谱与缺陷形貌。

[0066] 下面结合一个应用场景来对上述的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置进行进一步的说明：

[0067] 在电力设备绝缘系统中广泛存在以纸或纤维布做底材，浸渍胶黏剂后通过热压等方式制成的层压式电介质复合材料，拥有良好的绝缘性能、力学性能和耐热、耐电弧、耐腐蚀等特性。对于上述结构紧凑的层压式电介质复合材料，在长期使用的过程中会发生电热老化，内部易产生气泡、分层、杂质与分布不均等局部性缺陷，从而大幅度影响材料的使用寿命与电力设备的安全稳定运行。

[0068] 以抽水蓄能电机线棒主绝缘材料的环氧云母玻璃布为例，材料结构为环氧浸渍云母玻璃丝布，通过VPI浸渍烘焙工艺制成的薄层压式电介质复合材料，整体绝缘层材料厚度约为5mm，单层云母玻璃丝布厚度约为0.1mm。抽水蓄能电机由于其调峰调频的工作特性需要频繁地启动与关停，会使得环氧云母玻璃布绝缘层内冷热交替变化，加上长时高电压、机械振动以及周围环境的作用，材料会逐渐老化与劣化，甚至出现运行中的击穿停机事故。目前已有研究中多使用有损检测手段对该材料的电热老化特性进行检测，已有的无损超声检测研究也多局限于单一超声声速的测量，难以直观而全面的表征环氧云母玻璃布绝缘层的缺陷状态与老化程度。

[0069] 本发明提供的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置，可用于环氧云母玻璃布的超声检测，流程如下：

[0070] 首先打开计算机13与步进电机驱动器12，通过计算机13给出归零指令，指示步进电机驱动器12控制Z向机械臂4、Y向机械臂7、X向机械臂9归原位；

[0071] 接着将环氧云母玻璃布材料放入载物台1底部，待扫描零点位置正对超声探头3，向载物台1中倒入耦合剂，直至耦合剂淹没环氧云母玻璃布并能够接触到超声探头3的下表面；

[0072] 然后通过计算机13设定扫描步骤参数，该处选取扫描区域为2mm×2mm。设置保存参数，记录扫描区域每个格点位置的示波器实时波形，此处扫描精度为2.5μm；

[0073] 打开数字超声波探伤仪11与示波器14，在示波器14上检查波形无误后在计算机13点击开始按钮，根据所述扫描步骤参数进行扫描，并保存参数对示波器波形进行实时记录；

[0074] 对保存的示波器实时数据通过滤波算法对数据进行滤波处理，采用汉宁窗对数据进行加窗，使用64阶低通FIR滤波器，阻带衰减为60dB，截止频率为5MHz，其滤波效果如图4所示，经过滤波后的超声波形有效的滤去了高频噪声。

[0075] 对记录的超声原始数据进行超声声速分析，通过寻找表面波与底面波幅值位置，记录两者时间差Δt并量取试样厚度d，通过公式 计算试样内部声速v，如图5所示为纯环氧和环氧云母玻璃布超声声速结果对比图，环氧中声速为2500m/s，环氧云母玻璃布中声速为2778m/s。

[0076] 对记录的超声原始数据进行超声频谱分析，对滤波后的超声数据进行傅里叶变换，截取0～10MHz频段范围的频谱进行分析，如图6所示为纯环氧和环氧云母玻璃布超声声速结果对比图，利用此超声检测设备测得纯环氧的超声特征频率为1.2MHz，环氧云母玻璃布的超声特征频率为1.2MHz与3.6MHz。

[0077] 对记录的超声原始数据进行缺陷超声形貌分析。记录扫描区域各超声检测点的二维坐标(x,y)与各点处的幅值特征值A(x,y)，当超声探头沿预定路径扫描完成后，根据各超声检测点(x,y)对应的幅值特征值构造特征值矩阵。鉴于检测点数量较多且临近点特征值相差不大，为降低数据存储压力与彩图成像压力，将超声检测点按照成像精度F进行像素分组，每组包含F×F个超声检测点，分别计算各组所有超声检测点特征值的平均值，将其作为对应成像像素点的特征值A’(i,j)，重构F像素点特征值矩阵，原理示意图如图3所示。

[0078] 取像素点特征值矩阵中的最大值max(A’(i,j))和最小值min(A’(i,j))，在此范围内将像素点特征值矩阵所有特征值由小到大平均分成256个区间，分别对应于整数0～255，通过公式 计算出每个像素点的8bit灰度值G(x,y)。最后将灰度值转变为RGB值，实现对缺陷超声成像的彩图绘制。向环氧云母玻璃丝布中预先引入气泡缺陷与分层缺陷，并通过缺陷超声成像找到预先引入的缺陷。

[0079] 综上，本发明与现有技术相比，具有如下技术优势：

[0080] (1)本发明的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测装置扫描自由度高且操作便利，可通过编程实现计算机控制步进电机在量程范围内的XYZ三向扫描任意所需路径，最小步长可达2.5μm，同时实现超声声速和试样缺陷超声形貌的测量与分析。

[0081] (2)根据试样类型、尺寸、声速与声衰减系数等参数，可自由选择超声探头频率、形状和型号更换，针对薄层压式电介质复合材料可选取特性型号超声探头，避免由于试样过薄和层压式复合材料声衰减大导致的测量问题。

[0082] (3)利用计算机编程，采用超声声速、超声频谱和缺陷超声形貌多途径对试样进行无损检测，可以全方位对试样的缺陷位置、老化程度等信息进行检测与分析；其中超声声速通过表面波和底面波时间差计算，超声频谱通过对原始超声信号进行傅里叶变换实现，缺陷超声形貌通过将缺陷波幅值进行编码后对应颜色RGB值绘制彩图。

[0083] (4)对采集的信号进行滤波处理分析，设计了64阶低通FIR滤波器，避免了高频噪声干扰。

[0084] (5)本发明的针对薄层压式电介质复合材料的超声检测为非接触式无损检测，通过耦合剂实现超声信号的发射与接收，避免缺陷的有损测量对试样产生破坏，同时也避免了接触式测量中接触状态与接触压力对测量结果准确性的影响。

[0085] 上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。