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超声波检测的灵敏度-换能元件的灵敏度
点击次数:1273 发布时间:2017-10-16

超声波的检测装置一般都包括接收器,放大器及指示器三个部件。整个检测装置的灵敏度主要是决定于接收器和放大器,而接收器又是超声波测量技术中zui关键的部件。

 

接收器的作用是将局部放电所产生的超声波尽可能多地收集到还能元件中,再由还能元件将超声波转换成一定频率的电信号。还能元件的灵敏度以每微巴声压所产生的电压(微伏)来表示(即μv/μbar)。有时也有用负的dB值对1V/μbar来表示。例如-80dB对1V/μbar即100μV/μbar。zui常用的还能元件有压电陶瓷和各种晶体。设计不同形状和尺寸的压电陶瓷,可以使相应频率覆盖很宽的范围(0.1hz到25MHZ)。可以做成宽频带相应,也可以做成窄频带的谐振换能器。后者的灵敏度较高可以做到30-200μV/μbar。

 

在液体材料中,局部放电产生的超声波声压比较大,表中列出了在距离放电位置10cm的地方测得不同放电电源产生的频率45kHz的超声波电压。从表中数值可以看出超声波的声压大约正比于放电电荷的平方根

 

表1距离放电位置10cm处测得不同放电源产生的45kHz的超声波电压

 

放电电荷(pC)101001000
声压(μ/bar)5.51755

 

用超声波检测法来检查矿物油中的局部放电是比较灵敏的。当放电量为1pC时,在距离放电位置100米的地方也可以顺利地测量出来。但实际上用液体绝缘的电气设备都有金属外壳,超声波通过钢板做的外壳大约要衰减10倍。因此可以检测的放电量一般不小于10pC。如果放电是发生在油浸固体材料中的气隙或油中气隙,则由于超声波被反射和吸收,即使放电量大于1000pC也不一定能检测出来。

 

在空气中局部放电发生的声波声压比较小,在距离放电电荷为1pC的火花放电10cm的地方,测得的声压约为0.0001μbar。这比油中的声压约小20000倍。要用灵敏度很高的还能元件(1000μv/μbar),在距离放电位置1米的地方可以检测的放电量要不小于50pC。为了提高测量的灵敏度,可以采用波导管和抛物镜反射器。

 

由于超声波在空气中散射使得声压与传播距离d成反比。若用一根声阻抗比空气阻抗大得多的管子接近放电位置,则超声波进入管内就不会产生散射,而是沿着管子长度传播到管子的另一端,于是在另一端的还能元件就可以得到比较强的超声波。这就是利用声波导提高灵敏度的方法。例如用内经为2.54cm的有机玻璃管,测量频率为40kHz的超声波在空气中的衰减只有9dB/M,在用此波导管时,在距离放电源1米出的声压比距离1厘米处的声压降低了8倍,而不用波导管时大约降低了200倍。这说明了波导管可以使灵敏度提高25倍。考虑到波导管两头还会产生一些波反射,因此,实际上灵敏度约增大10倍左右。

 

超声波在波导管内的衰减是与管壁的摩擦有关,波导管的内径愈小,摩擦就愈大,衰减也愈大。同时衰减又与频率的平方根成正比,因此超声波在波导管内的衰减大致可用下式估算

公式

式中f为超声波频率(Hz),R为波导管的内经(cm)。

 

上式没有考虑波导管的材料以及管壁厚度的影响,计算结果不是很正确的。图3-7是用不同内径的有机玻璃波导管在不同的距离(离放电源)下,测得不同频率的超声波信号与不用波导管时测得的信号相比较。图中纵坐标是代表用波导和不用波导时测得的超声波信号之比,横坐标是代表离放电位置的距离。图中曲线表明用2.54cm内径的有机玻璃波导管时,在距离2米之内测量40Khz频率的超声波信号,灵敏度可提高约10倍。而用内径为1.27cm的有机玻璃波导管灵敏度就比较小。用同一内径的波导管测80kHZ超声波的灵敏度比40kHZ的小。

 

波导提高声压的倍数和放电距离的关系

图3-7波导提高声压的倍数和放电距离的关系,1一波导管内径2.54,频率
40kHz,  2一波导管内径1.27,频率40kHz,  1一波导管内径1.27,频率80kHz

 

用波导管同样也可以提高检测液体中放电产生的超声波的灵敏度。但在矿物油中不能用有机玻璃做到波管,因为有机玻璃的声波阻抗与矿物油差不多。超声波可以通过管壁向外散射,而不是只局限在管内传播,这就失去了波导管的作用。内径为1.27cm的钢管在矿物油中做作声波导管可以收到很好的效果。但钢管靠近放电部位会影响局部放电状态,而且也不安全。近年来发现用玻璃纤维光导管做矿物油中的声波导管,可以得到更好的效果。应用这种声波导也可提高灵敏度约10倍。

 

开关柜局部放电检测中,超声波传感器主要是完成超声波信号的采集功能,将采集到的超声波信号转换为电压信号。在传感器的选择中,工作频带和灵敏度是两个zui重要的指标。虽然局部放电及其产生的声波信号具有一定的随机性,但它检测频率分布范围变化不大,因此需要一个频带较大,不会使信号混叠,且传感器的几何尺寸必须小于声波波长的增益传感器。

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