铝质高压绝缘子超声无损表征

　　铝质瓷绝缘子因其良好的物理化学性能而有着十分广泛的应用[1-2]。瓷体存在的大量孔隙及组织非均匀性是影响绝缘子机械性能和电绝缘稳定性的重要因素[3-4],因此,对瓷绝缘子性能进行表征与评价已成为保障电力系统安全运行的迫切需要[5],具有重要的应用价值[6-9]。

　　本文针对不同烧成温度的铝质瓷坯样品,通过功率谱分析,研究超声频率偏移现象及声衰减与孔隙率的关系,旨在探索一种超声无损表征与评价铝质电瓷材料组织、性能的新途径,从而为检出不合格产品及优化生产工艺、改善产品质量提供科学依据。

　　1　声衰减估算原理

　　由于声衰减系数及其频率特性对于理想和非理想组织存在较大的差异,因而是对瓷体材料进行超声波诊断的重要参量,加之声衰减系数的估算又是声反射系数(继而声阻抗率)估算的必要前提,因而精确的声衰减系数估算方法的建立有着重要的意义。在建立声衰减系数估算方法中[10],通常假定介质为统计均匀的,即声衰减系数与声反射系数只是

　　频率的函数,而与空间位置无关。根据上述假设,本文根据超声诊断的实际情况,把铝质瓷坯料样品的各个不同位置视为是分段均匀的。

　　超声波在介质中传播时,一定频率的声波其相应的声波波长可能与一定大小的孔隙发生谐振,致使声波急剧衰减。声衰减系数的分布和反射系数分布在频域的关系式为∏(f,z)p0(f)e-∫α(f,z)dze-jkz=B(f,z) (1)

　　式中　z—声传播方向的坐标;p0(f)—发射声波(z= 0处)的声压;

　　∏(f,z)—背向反射系数;

　　α(f,z)—声衰减系数;

　　B(f,z)—测得的背向反射信号的衍射修正值。

　　设:入射声波为高斯型脉冲,其幅度频谱为(换能器双向转换已计在内)[10]: p0(f) = 1/(σ2π)exp[- (f-f0)2/2σ2](2)

　　式中　σ2—频谱的协方差;f0—主频率。又设:介质的声衰减系数与频率的关系式为α(f) =βfn(3)

　　则接收到的来自深度z处的背向反射信号的频谱为　 B(f,z) = p0(f) exp[- 2βfnz] (4)

　　由于入射信号的主要频谱分量集中在0 <f<2f0的范围,fn可以展开为

　　式中　fc—反射波的主频率;σ′2—反射波的协方差。

　　由于介质组织可以看成是统计均匀的介质,因而,在实际估算α值时,必须进行相当数量的空间统计平均(本次实验采用512次自动平均处理)。

　　2　样品与实验方法

　　本文以某厂提供的铝质电瓷棒坯料为研究对象,样品分别在1230℃、1260℃、1290℃下烧成,每组16根,直径20mm,表面施釉,如图1(a)。实验首先用CTS32-A型超声探伤仪以水浸脉冲回波法对样品轴向等间距采集数据,实验选用频率为2.5MHz,焦距为36mm的线聚焦探头。依据试棒检测结果选取采样位置进行解剖,制备试样并打磨抛光,见图1(b),进而对试样进行超声测试和金相分析。样品厚度见表1。超声测试采用直接接触回波法,超声波探头为2MHz( 12mm)的纵波及横波平探头,采用DPO4032型示波器进行数据采集,并直接形成数据文件以备计算机处理与分析,在进行横波检测时,以蜂蜜作耦合剂。