用來對被檢設備的傳感器進行靈敏度試驗。靈敏度試驗［5 － 6］大體分為以下三部分: ( 1) 控制標準信號源產生脈沖波激勵，對測得信號進行有效的傅里葉分析，得到被檢傳感器在 20 kHz ～ 200 kHz 范圍內的相對靈敏度曲線，即暫未得到各頻率點的具體靈敏度值;
( 3) 控制標準信號源產生諧振頻率的脈沖包絡波，計算得到該頻率點的絕對靈敏度值，從而確定 20 kHz ～ 200 kHz 范圍內靈敏度曲線各點的絕對靈敏度值。
按以下非周期性有限長離散信號 x ( n) 的 DFT計算公式進行傅里葉分析［7］:
分析后可知，脈沖波形脈寬越小，脈沖所包含的頻率成分越豐富。理想情況下，沖擊信號的頻譜圖將是包含整個頻域的平坦直線，如圖 4 所示。實際應用中不存在理想的沖擊信號，針對 GIS 變電站高壓設備絕緣介質局部放電產生的 20 kHz ～ 200 kHz 的超聲波頻率范圍，本方案選擇使用脈寬 100 ns 的尖脈沖信號作為激勵源，激勵超聲換能器產生該頻帶的聲信號。由 于 AE 傳感器存在阻尼衰減現象，選用包絡正弦波作為激勵信號，只關注響應波形峰值大小，結合包絡波峰值大小計算出諧振點的絕對靈敏度值。
采集部分，上位機在 LabVIEW 程序中設計采樣頻率和采樣點數，獲取 AD 采集到的被測信號，計算得出被測信號的頻率幅值信息。
為了保證采集到的信號頻譜不失真，根據香農( Shannon) 采樣定理，采樣頻率應不小于模擬信號頻譜中最高頻率的 2 倍。本方案目標頻帶為 20 kHz 至 200 kHz，為了能對 200 kHz 的信號實現高精度采樣，需保證每周期獲取足夠多的數據點。本方案使用 10 MS /s 的 AD 采樣率，則對于 20 kHz 模擬信號，每周期有 500 個采樣點; 對于 200 kHz 模擬信號，每周期有 50 個采樣點。為了保證對采集信號進行傅里葉分析結果的準確性，本方案從硬件上設定 5 999 個采集點存入緩存區，并使用中段數據點進行計算處理。這樣可以保證對 20 kHz 的信號也能有 10 個周期以上的波形被采集到，使傅里葉分析得到的頻譜曲線更準確，更易提取超聲波信號頻譜特征。
3 傳輸介質分析
信號源發出的特定波形信號傳輸到被測傳感器必然要經過一定的傳輸介質，超聲換能器輸出聲信號到標準儀器與被檢儀器的傳輸介質的選擇對聲波中表面波和縱波的區分具有重要影響。根據超聲波傳感器相關校準標準要求［8 － 9］，接觸式的傳感器的校準的鋼制試塊至少應是直徑 400 mm、高度為 250 mm的圓柱體。標準給出鋼材中縱波波速為 5 940 m /s，橫波波速為 3 250 m /s，表面波波速為 3010 m /s。
當聲源在試塊上表面中心位置發射信號時，試塊內部會存在橫波、縱波兩種不同的超聲波信號，同時在試塊表面會有表面波傳播，三種波以不同的波速到達接收傳感器［10］。三種聲波類型不同，其傳輸路徑不一樣，如圖 5 所示，路徑 1 為表面波傳播路徑，路徑 2 為縱波和橫波傳播路徑。若使用校準標準規定的最小鋼制試塊作為傳聲介質，對不同路徑不同波的傳輸時間進行分析，結果如表 1 所示。對于20 kHz 的正弦信號，其周期為 50 μs，考慮硬件電路上的一些延時，在首次縱波和首次表面波的到達時間差52． 64 μs 內，系統并不足夠采集到一個完整周期的表面波信號。
為了能夠滿足采集計算的需求，本方案選擇使用底面直徑 600 mm，高度 300 mm 的鋼制圓柱試塊。對聲波信號傳輸時間進行分析，數據如表 2 所示�？梢哉J為，在該大小的試塊上進行表面波試驗時，系統在大約 70 μs 的時間內接收到了聲源發出的無疊加的表面波信號
在進行縱波實驗時，傳感器與聲源正對放置在試塊表面上，如圖 6 所示。該實驗條件下表面波不會傳播到接收傳感器，橫波在介質中傳播時衰減很大，縱波通過圖 6 中的路徑 1 和路徑 2 傳播到傳感器傳輸時間分析如表 3 所示。此時約有 90 μs 的波形可以認為是只接收到了聲源發出的無疊加的縱波。
4 實驗室環境下的方案應用
為了驗證本方案所述表面波和縱波區分方法和靈敏度試驗方法是否可行，擬進行了縱波實驗和表面波實驗［11 － 12］。實驗在底面直徑 600 mm，高度 300 mm的鋼制圓柱試塊上進行，如圖 7 所示。
4． 1 表面波實驗
將聲發射傳感器 AE144S 置于鋼制試塊上表面圓心，將采集傳聲器 Ｒ15 置于距圓心 100 mm 處，控 制 DA 發出脈寬 500 ns 的尖脈沖波激勵換能器，采集到的響應信號波形如圖 8 所示，對接收到的波形進行FFT 分析，分析結果如圖 9 所示。
圖 8 表明，在脈沖激勵發出 34． 64 μs 后，采集傳聲器接收到超聲波信號，即表面波從聲源經 34． 64 μs 首次到達采集傳聲器位置。根據時間和位置信息( 100 mm) 計算出表面波在本實驗試塊上的傳播速度為 2 886． 84 m /s，與相關資料顯示的鋼材表面波波速3 010 m /s 相比，相差不大�？紤]試塊材料、傳感器距離誤差、傳感器大小、耦合劑、時間測量誤差等因素的影響，該結果可以接受。
在脈沖激勵發出 165． 9 μs 后，采集信號有明顯的疊加情況，即首次表面波反射波經 165． 9 μs 后被采集傳聲器采到，大約是 34． 96 μs 的 5 倍，與理論分析相符。
圖 9 的 FFT 分析結果，即為上文所述相對靈敏度曲線，表面波最大響應頻率約為 200 kHz，次高點出現在 150 kHz。
保持發射和采集傳感器位置不變，控制 DA 發出200 kHz 包絡正弦波激勵聲發射換能器，系統能夠接收到標準和被測采集傳感器的響應信號。根據標準通道響應信號的幅值，結合標準傳感器的標定數據，能夠計算出聲信號強度。再根據被測通道響應信號幅值，即可計算出被測采集傳感器在 200 kHz 頻率點的絕對靈敏度值。
4． 2 縱波實驗
將聲發射傳感器 AE144S 置于鋼制試塊上表面圓心，將采集傳聲器 Ｒ15 置于鋼制試塊下表面圓心，控制 DA 發出脈寬 400 ns 的尖脈沖波激勵換能器，采集到的響應信號波形如圖 11 所示，對接收到的波形進行 FFT 分析，分析結果如圖 12 所示。
圖 11 表明縱波從試塊上表面圓心經過 53． 38 μs首次到達試塊下表面圓心，距離為 300 mm，則計算出縱波在本實驗試塊中的傳播速度為 5 620． 08 m /s，與鋼材中 縱 波 波 速 5 940 m /s 相 比，基 本 符 合 理 論數據。
在 110 μs 時間點和 153． 2 μs 時間點采集信號有明顯疊加，第一個疊加為縱波經過側面一次反射后被采集到的結果( 圖 6 路徑 1) ，傳播距離約為 670mm; 第二個疊加為豎直方向上傳播的縱波經兩次反射后被采集傳感器采集到的結果，傳播距離為 900 mm，與計算的縱波波速比較吻合。圖12 的 FFT 分析結果 顯 示，縱波的最大響應頻率出現在 150 kHz左右。
4． 3 結果分析
表面波實驗和縱波實驗驗證了本方案所用鋼制試塊在一定時間范圍內能夠起到區分表面波和縱波的目的。實驗沒有得到明顯的圖 5 中路徑 2 所示的反射疊加情況，但是對其他一些疊加情況進行了計算，對表面波和縱波的聲速進行了確認，可以認為在反射聲波到達采集傳感器之前的信號是未疊加信號，即表面波大約有 70 μs 的未疊加波形，縱波大約有 60 μs 的未疊加波形。
實驗還對脈沖波和包絡正弦波用于靈敏度試驗的方法進行了確認，通過后續的標準傳感器標定和LabVIEW 算法優化，能夠得到更加準確的結果。
5 結束語
超聲波局放檢測儀目前已廣泛應用于國內變電站，然而超聲波局放檢測儀的計量方法還存在一定缺陷。本文針對現有超聲波局放檢測計量方法無法反映實際局放短時脈沖情況，無法區分介質中表面波和縱波的問題，提出了一些解決方案。采用自制標準信號源產生特定波形和特定脈沖寬度的激勵信號，從而保證最大程度模擬 GIS 高壓設備局部放電時發出的短時脈沖超聲波信號。采用訂制尺寸的鋼制試塊作為實驗平臺，保證對于目標頻帶的超聲信號有足夠的數據采集時間，確保數據計算處理的準確度。
參 考 文 獻
［1］ 劉山． 基于超聲波、特高頻方法的 GIS 局部放電檢測技術研究
［D］． 華北電力大學，2015． Liu Shan． Ｒesearch of GIS Partial Discharge Detection Technology Based on Ultrasonic and UHF Method［D］． North China Electric Power University，2015．
［2］向鳳云． 超聲波換能器可調驅動電源的研究［D］． 重慶理工大
學，2012． Xiang Fengyun． Ｒesearch on Adjustable Ultrasonic Power Supply for Transducer［D］． Chongqing University of Technology，2012．
［3］李金田． 壓電傳感器與前置放大器的配接［J］． 傳感器技術， 2004，( 1) : 54 － 56，59． Li Jintian． Connection of piezoelectric sensor and preamplifier［J］． Journal of Transducer Technology，2004，( 1) : 54-56，59．
［4］許逵，馬曉紅，趙立進，等． 超聲波局部放電檢測裝置的檢測及校驗［J］． 電測與儀表，2014，51 ( 23) : 83-87． Xu Kui，Ma Xiaohong，Zhao Lijin，et al． Detection and Calibrationof Ultrasonic Partial Discharge Detection Device［J］． Electrical Meas- urement ＆ Instrumentation，2014，51( 23) : 83-87．
［5］楊寧，閻春雨，畢建剛，等． 超聲波局部放電檢測儀校驗方法研究及應用［J］． 電測與儀表，2014，( 22) : 104-109． Yang Ning，Yan Chunyu，Bi Jiangang，et al． Ｒesearch on Calibration Technology of Ultrasonic Partial Discharge Detector and Its Applica- tion［J］． Electrical Measurement ＆ Instrumentation，2014，( 22) :104-109．
［6］Q/GDW 11061-2013，局部放電超聲波檢測儀技術規范［S］．
［7］曾尚璀，沈華，俞振利． 基于 Matlab 系統的信號 FFT 頻譜分析與顯示［J］． 科技通報，2000，( 4) : 241-246． Zeng Shangcui，Shen Hua，Yu Zhenli． FFT Based Spectrogram Anal- ysis and Display of Signal Using Matlab［J］． Bulletin of Science and Technology，2000，( 4) : 241-246．
［8］JJF 1337-2012，聲發射傳感器校準規范( 比較法) ［S］． ［9］GB/T 19801-2005，無損檢測聲發射檢測聲發射傳感器的二級校準［S］．
［10］黃山． 聲發射傳感器校準方法的研究［D］． 北京化工大學，2010． Huang Shan． Study on Calibration of Acoustic Emission Sensors［D］． Beijing University of Technology，2010．
［11］郝永梅，邢志祥，邵輝，顧曉輝． 聲發射檢測靈敏度校準聲源實驗分析［J］． 中國安全生產科學技術，2010，( 5) : 48-52． Hao Yongmei，Xing Zhixiang，Shao Hui，Gu Xiaohui． Experimental analysis on sound sources of calibrating acoustic emission sensitivity ［J］． Journal of Safety Science and Technology，2010，( 5) : 48-52．
［12］馬鵬宇，王洪誠，徐恒嬌，等． 基于無速度傳感器的改進型矢量控制系統［J］． 自動化技術與應用，2015，34( 1) : 60-63.
鵬翔新聞
