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超聲波檢測的靈敏度-換能元件的靈敏度

來源:揚州國浩電氣有限公司   2017年10月16日 15:41  

超聲波的檢測裝置一般都包括接收器,放大器及指示器三個部件。整個檢測裝置的靈敏度主要是決定于接收器和放大器,而接收器又是超聲波測量技術(shù)中zui關(guān)鍵的部件。

 

接收器的作用是將局部放電所產(chǎn)生的超聲波盡可能多地收集到還能元件中,再由還能元件將超聲波轉(zhuǎn)換成一定頻率的電信號。還能元件的靈敏度以每微巴聲壓所產(chǎn)生的電壓(微伏)來表示(即μv/μbar)。有時也有用負的dB值對1V/μbar來表示。例如-80dB對1V/μbar即100μV/μbar。zui常用的還能元件有壓電陶瓷和各種晶體。設(shè)計不同形狀和尺寸的壓電陶瓷,可以使相應(yīng)頻率覆蓋很寬的范圍(0.1hz到25MHZ)。可以做成寬頻帶相應(yīng),也可以做成窄頻帶的諧振換能器。后者的靈敏度較高可以做到30-200μV/μbar。

 

在液體材料中,局部放電產(chǎn)生的超聲波聲壓比較大,表中列出了在距離放電位置10cm的地方測得不同放電電源產(chǎn)生的頻率45kHz的超聲波電壓。從表中數(shù)值可以看出超聲波的聲壓大約正比于放電電荷的平方根

 

表1距離放電位置10cm處測得不同放電源產(chǎn)生的45kHz的超聲波電壓

 

放電電荷(pC)101001000
聲壓(μ/bar)5.51755

 

用超聲波檢測法來檢查礦物油中的局部放電是比較靈敏的。當放電量為1pC時,在距離放電位置100米的地方也可以順利地測量出來。但實際上用液體絕緣的電氣設(shè)備都有金屬外殼,超聲波通過鋼板做的外殼大約要衰減10倍。因此可以檢測的放電量一般不小于10pC。如果放電是發(fā)生在油浸固體材料中的氣隙或油中氣隙,則由于超聲波被反射和吸收,即使放電量大于1000pC也不一定能檢測出來。

 

在空氣中局部放電發(fā)生的聲波聲壓比較小,在距離放電電荷為1pC的火花放電10cm的地方,測得的聲壓約為0.0001μbar。這比油中的聲壓約小20000倍。要用靈敏度很高的還能元件(1000μv/μbar),在距離放電位置1米的地方可以檢測的放電量要不小于50pC。為了提高測量的靈敏度,可以采用波導管和拋物鏡反射器。

 

由于超聲波在空氣中散射使得聲壓與傳播距離d成反比。若用一根聲阻抗比空氣阻抗大得多的管子接近放電位置,則超聲波進入管內(nèi)就不會產(chǎn)生散射,而是沿著管子長度傳播到管子的另一端,于是在另一端的還能元件就可以得到比較強的超聲波。這就是利用聲波導提高靈敏度的方法。例如用內(nèi)經(jīng)為2.54cm的有機玻璃管,測量頻率為40kHz的超聲波在空氣中的衰減只有9dB/M,在用此波導管時,在距離放電源1米出的聲壓比距離1厘米處的聲壓降低了8倍,而不用波導管時大約降低了200倍。這說明了波導管可以使靈敏度提高25倍。考慮到波導管兩頭還會產(chǎn)生一些波反射,因此,實際上靈敏度約增大10倍左右。

 

超聲波在波導管內(nèi)的衰減是與管壁的摩擦有關(guān),波導管的內(nèi)徑愈小,摩擦就愈大,衰減也愈大。同時衰減又與頻率的平方根成正比,因此超聲波在波導管內(nèi)的衰減大致可用下式估算

公式

式中f為超聲波頻率(Hz),R為波導管的內(nèi)經(jīng)(cm)。

 

上式?jīng)]有考慮波導管的材料以及管壁厚度的影響,計算結(jié)果不是很正確的。圖3-7是用不同內(nèi)徑的有機玻璃波導管在不同的距離(離放電源)下,測得不同頻率的超聲波信號與不用波導管時測得的信號相比較。圖中縱坐標是代表用波導和不用波導時測得的超聲波信號之比,橫坐標是代表離放電位置的距離。圖中曲線表明用2.54cm內(nèi)徑的有機玻璃波導管時,在距離2米之內(nèi)測量40Khz頻率的超聲波信號,靈敏度可提高約10倍。而用內(nèi)徑為1.27cm的有機玻璃波導管靈敏度就比較小。用同一內(nèi)徑的波導管測80kHZ超聲波的靈敏度比40kHZ的小。

 

波導提高聲壓的倍數(shù)和放電距離的關(guān)系

圖3-7波導提高聲壓的倍數(shù)和放電距離的關(guān)系,1一波導管內(nèi)徑2.54,頻率
40kHz,  2一波導管內(nèi)徑1.27,頻率40kHz,  1一波導管內(nèi)徑1.27,頻率80kHz

 

用波導管同樣也可以提高檢測液體中放電產(chǎn)生的超聲波的靈敏度。但在礦物油中不能用有機玻璃做到波管,因為有機玻璃的聲波阻抗與礦物油差不多。超聲波可以通過管壁向外散射,而不是只局限在管內(nèi)傳播,這就失去了波導管的作用。內(nèi)徑為1.27cm的鋼管在礦物油中做作聲波導管可以收到很好的效果。但鋼管靠近放電部位會影響局部放電狀態(tài),而且也不安全。近年來發(fā)現(xiàn)用玻璃纖維光導管做礦物油中的聲波導管,可以得到更好的效果。應(yīng)用這種聲波導也可提高靈敏度約10倍。

 

開關(guān)柜局部放電檢測中,超聲波傳感器主要是完成超聲波信號的采集功能,將采集到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。在傳感器的選擇中,工作頻帶和靈敏度是兩個zui重要的指標。雖然局部放電及其產(chǎn)生的聲波信號具有一定的隨機性,但它檢測頻率分布范圍變化不大,因此需要一個頻帶較大,不會使信號混疊,且傳感器的幾何尺寸必須小于聲波波長的增益?zhèn)鞲衅鳌?/p>

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