专利名称：传感器接收性能的标定方法、系统及超声波脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测领域，尤其涉及一种传感器接收性能的标定方法、系统及超声波脉冲发生器。
背景技术：
局部放电在线检测技术领域，涉及一种采用球板放电模型激发稳定超声波脉冲对超声波局部放电检测传感器进行标定的方法。目前，局部放电在线检测技术已经应用于多种设备的性能诊断过程中，以电力变压器和气体绝缘组合开关设备(Gas Insulated Switchgear,简称为GIS)为例,局部放电为诊断GIS绝缘状况的重要手段，其检测技术一直受到制造厂家和运行维护单位的关注。传统的脉冲电流法通过测量设备发生局部放电时产生的脉冲电流来确定视在放电量、局部放电脉冲等参数，技术成熟，可以对放电量进行估算，但抗干扰能力差，现场测试的精度受到很大的影响。超声波法和特高频法作为目前两种比较有效的在线检测方法，抗干扰能力强，灵敏度高。相比之下，特高频法适合对设备进行长期连续的监测，需要在设备中内置传感器以保证测量精度，而超声波设备使用简便，可以通过对设备的逐点测量进行缺陷定位，更适合带电巡检和短期的在线监测。总结近年来围网和南网局部放电超声波检测系统的运行经验，发现当前存在的制约局部放电超声波检测技术推广应用的瓶颈问题之一，就是检测系统规范化和标准化评价的问题。目前围际电工委员会(InternationalElectrotechnical Commission,简称为IEC)、国际大电网会议(International Council On Large Electric Systems,简称为CIGRE)没有发布用于局部放电检测的超声波传感器的灵敏度�：吮曜�。超声波局部放电检测技术检测的是30kHz 300kHz频段的超声波信号，低频段利于声波的传播，高频段利于抗干扰。由于每次放电激发出的超声波频谱分布不完全一致，而且高频声波在介质中的传播会有很大程度的衰减，因此，所检测到的超声波信号与传统的脉冲电流法的检测结果难以良好的对应，在放电量和信号强度上难以找到对应的函数关系。对超声波检测系统的灵敏度无法用统一的单位、数值进行衡量，各供货商对灵敏度的承诺有所差异，由此导致用户单位的准入质量检验手段不完善。全围各地对此类产品的统一要求中仅限于机械、绝缘以及电磁兼容等常规性试验内容，而最关键的表征装置核心性能的传感器特性、检测系统灵敏度等却缺乏统一、科学和有效的检验评价方法，处于一个空白状态。常规的传感器标定多采用扫频法，这也是计量领域采用的标准化方法。由于可用于检测局部放电在线监测的超声波信号型式为瞬态脉冲型式，扫频测试无法准确反映传感器和检测系统对于瞬态信号的接收能力；而GB/T4130-2000水听器(水下传声器)低频校准方法，其声源一般为稳定的连续声源与局部放电激发的超声波信号有很大不同，且只适用于低频领域(IHz 3. 15kHz)。因此，现有的超声波传感器标定方法无法应用于局部放电超声波检测传感器和检测系统的标定。现有研究成果中没有可用于参比的标准超声波传感器，无法对用于超声波传感器进行参考测量。针对相关技术中缺少对瞬态脉冲型式的超声波信号进行参考测量的方式问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种传感器接收性能的标定方法、系统及超声波脉冲发生器，以至少解决相关技术中缺少对瞬态脉冲型式的超声波信号进行参考测量的方式问题。根据本发明的一个方面，提供了一种超声波脉冲发生器，包括标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置，与所述标准脉冲源相连，用于将所述标准脉冲源产生的所述脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号。优选地，所述球板放电装置包括长度调节装置，用于调节所述球板放电装置的球板间隙长度。根据本发明的另一方面，提供了一种传感器接收性能的标定方法，包括通过超声波脉冲发生器激发超声波脉冲信号，其中，所述超声波脉冲发生器包括标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置，与所述标准脉冲源相连，用于将所述标准脉冲源产生的所述脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号；测量待测超声波局部放电检测传感器的局部放电接收性能，其中，所述局部放电接收性能通过所述球板放电装置的电容上的电荷量q以及所述传感器的响应电压信号UJf)的对应关系表征。优选地，在所述球板放电装置包括用于调节所述球板放电装置的球板间隙长度的长度调节装置的情况下，在测量待测超声波局部放电检测传感器的局部放电接收性能之前，还包括通过调节所述球板放电装置的球板间隙长度获取所述球板放电装置的电容上的电荷量q。优选地，在通过超声波脉冲发生器激发超声波脉冲信号之前，还包括断开所述球板放电装置的电容两极，并对其中一极的充值电阻进行充电。根据本发明的再一方面，还提供了一种传感器接收性能的标定系统，包括超声波脉冲发生器，包括标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置，与所述标准脉冲源相连，用于将所述标准脉冲源产生的所述脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号；测控计算机，与所述标准脉冲源和待测超声波局部放电检测传感器相连，用于控制所述标准脉冲源对所述球板放电装置的电容充入电荷量q的电荷，获取所述传感器的响应电压信号Ujf)，并通过所述电荷量q以及所述响应电压信号UJf)的对应关系表征所述局部放电接收性能。优选地，所述系统还包括示波器，与所述测控计算机和待测超声波局部放电检测传感器相连，用于测量所述传感器的响应电压信号其中，所述UJf)是所述U()(t)的FFT变换。根据本发明的技术方案，采用超声波脉冲发生器，包括标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置，与标准脉冲源相连，用于将标准脉冲源产生的脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号的方式，解决了相关技术中缺少对瞬态脉冲型式的超声波信号进行参考测量的方式问题，为测量传感器对于瞬态脉冲型式的超声波信号的接收性能提供了技术基础。
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是根据本发明实施例的超声波脉冲发生器的结构框图；图2是根据本发明实施例的超声波脉冲发生器的优选结构框图；图3是根据本发明实施例的传感器接收性能的标定方法的流程图；图4是根据本发明实施例的传感器接收性能的标定系统的结构框图；图5是根据本发明实施例的传感器接收性能的标定系统的优选结构框图；图6是根据本发明优选实施例的超声波局放传感器频域特性标定系统示意图。
图7是根据本发明优选实施例的超声波局放传感器测试方案全过程的系统框图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。在本实施例中提供了一种超声波脉冲发生器，图1是根据本发明实施例的超声波脉冲发生器的结构框图，如图1所示，该超声波脉冲发生器包括标准脉冲源12，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置14 (也称球板电极系统)，与标准脉冲源12相连，用于将标准脉冲源12产生的脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号。本实施例通过上述结构，由标准脉冲源产生了能量和幅值一定的脉冲电压信号后，通过球板放电装置与其相连，从而将脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号，解决了相关技术中缺少对瞬态脉冲型式的超声波信号进行参考测量的方式问题，为测量传感器对于瞬态脉冲型式的超声波信号的接收性能提供了技术基础。优选地，图2是根据本发明实施例的超声波脉冲发生器的优选结构框图，如图2所示，上述球板放电装置14可以包括长度调节装置142，用于调节球板放电装置的球板间隙长度。本实施例通过上述长度调节装置，能够精确调节球板放电装置中的球板间隙的长度，例如，可以通过游标卡尺或者螺旋测微器等长度测量工具来精确控制上述长度调节装置142调节的球板间隙的长度值，从而能够实现对电极系统电容量的精密控制。通过调整球板间隙的长度(也即电极系统间距)，可获得高精密的电容量值，从而控制整个电极储能的电量q，将电极系统的间距由小到大精密调节，实现电量从大到小的稳定可控调整。在本实施例中，还提供了一种传感器接收性能的标定方法，图3是根据本发明实施例的传感器接收性能的标定方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤步骤S302，通过超声波脉冲发生器激发超声波脉冲信号，其中，该超声波脉冲发生器如图1所示，包括标准脉冲源12，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置14，与标准脉冲源12相连，用于将标准脉冲源12产生的脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号；
步骤S304，测量待测超声波局部放电检测传感器的局部放电接收性能，其中，局部放电接收性能通过球板放电装置的电容上的电荷量q以及传感器的响应电压信号UJf)的对应关系表征。本实施例通过上述步骤，由标准脉冲源产生了能量和幅值一定的脉冲电压信号后，通过球板放电装置与其相连，从而将脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号，然后测量待测超声波局部放电检测传感器的局部放电接收性能，并通过q和U0 (f)的对应关系进行表征，解决了相关技术中缺少对瞬态脉冲型式的超声波信号进行参考测量的方式问题，实现了传感器对于瞬态脉中型式的超声波信号的接收性能的测量。为方便球板放电装置的电容上的电荷量q的值的获�。叛〉兀梢粤畛龀宸⑸骶哂腥缤�2所示的结构，也即球板放电装置14包括用于调节球板放电装置的球板间隙长度的长度调节装置142，在这种情况下，可以通过通过调节球板放电装置的球板间隙长度，来方便地获取到球板放电装置的电容上的电荷量q。优选地，球板放电装置可以包括一个具有弧面的球电极，该球电极侧具有可充电的充值电阻Re，以及一面钢板(板电极)，两者之间通过引线开关系统相连，在对球板放电装置的电容进行充电时，首先将引线开关系统的开关断开，通过标准脉冲源对充值电阻Re充电至稳定电压U。，此时球电极和板电极形成电容值为Cp的电容。放电时，通过控制电路使电容Cp通过高速开关瞬间导通，由于电极系统电容Cp上的电荷qQzUjC；)突然释放，将在钢板上激发出超声波脉冲P (t)。然后，该超声波脉冲传输至被测传感器激励出响应电压信号ujt)。由于放电过程所激发的超声波信号是未知的，而且超声作为局放检测手段，被关注的是放电激励本身与传感器响应之间的关系，所以这里用放电电荷量q、对应的传感器频响特性曲线UJf)来表征传感器局部放电接收的性能,UJf)为输出测量值Utl(t)的FFT变换。为实现上述传感器接收性能的标定方法，在本实施例中还提供了一种传感器接收性能的标定系统，图4是根据本发明实施例的传感器接收性能的标定系统的结构框图，如图4所示,该系统包括超声波脉冲发生器42，该发生器的结构如图1或图2所示(在图4中以图1的结构为例显示)包括标准脉冲源12，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置14，与标准脉冲源12相连，用于将标准脉冲源12产生的脉中电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号；测控计算机44，与标准脉冲源12和待测超声波局部放电检测传感器46相连，用于控制标准脉冲源12对球板放电装置14的电容充入电荷量q的电荷，获取传感器46的响应电压信号U。(f)，并通过电荷量q以及响应电压信号UJf)的对应关系表征局部放电接收性倉泛。图5是根据本发明实施例的传感器接收性能的标定系统的优选结构框图，如图5所示，该系统还可以包括示波器52，与测控计算机44和待测超声波局部放电检测传感器46相连，用于测量传感器46的输出电压信号U()(t)，其中，上述响应电压信号U0 (f)是该U0⑴的FFT变换。下面结合优选实施例和附图对上述实施例及优选实施方式的实现过程进行详细说明。下面以电力变压器和气体绝缘组合开关设备(GIS)局部放电在线检测技术领域为例进行说明，描述了一种采用球板放电模型激发稳定超声波脉冲对超声波局部放电检测传感器进行标定的方法。作为检测系统核心元件之一，传感器的接收特性至关重要，在以下优选实施例中，提出了一种应用球板放电模型激发稳定超声波脉冲参考局部放电超声波传感器接收特性的标定方法。该方法采用一种放电量可控的标准放电源，作用于间隙可精细调节的球板放电模型，可激发稳定的、可控的、具有相似频谱分量的瞬态脉冲超声波信号，以此可超声波传感器的接收性能做直接标定。为了解决超声波局部放电检测传感器标定的难题，本优选实施例提出了一种基于球板放电模型激发稳定超声波信号用于传感器标定的测量方法。1、标定方法原理图6是根据本发明优选实施例的超声波局放传感器频域特性标定系统示意图，基于球板放电模型的超声波传感器标定系统包括5部分球板放电装置、标准脉冲发生器、高速示波器、测控计算机和被测传感器，如图6所示。标准脉冲信号源产生具有波形稳定、幅值可控的双指数脉冲电压信号Ui (t)，其内阻Ri为50ohm，用计算机控制器电压输出并作用于一个间隙精密可调的球板电极系统，通过一充值电阻Re为该电极系统充电至稳定电压U。，设该电极系统此时的电容为Cp。通过控制电路使电容Cp通过高速开关瞬间导通，由于电极系统电容Cp上的电荷q Q=UjCp)突然释放，将在钢板上激发出超声波脉冲P (t)。该超声波脉冲传输至被测传感器激励出响应电压信号U。(t)，图7是根据本发明优选实施例的超声波局放传感器测试方案全过程的系统框图，整个过程如如图7所示。由于放电过程所激发的超声波信号是未知的，而且超声作为局放检测手段，被关注的是放电激励本身与传感器响应之间的关系，所以这里用放电电荷量q、对应的传感器频响特性曲线UJf)来表征传感器局部放电接收的性能,UJf)为输出测量值Utl(t)的FFT变换。球板电极系统间隙距离通过螺旋测微机构改造而成，调节精度可达微米量级，因此可以实现对电极系统电容量的精密控制。通过调整电极系统间距，可获得高精密的电容量值，从而控制整个电极储能的电量q，将电极系统的间距由小到大精密调节，实现电量从大到小的稳定可控调整，根据被测传感器的响应情况，判断传感器最小可测放电量的值、频域响应特性曲线，检测系统的灵敏度及有效测量范围等参数。2、标准信号源(即标准脉冲源)对标准脉冲源的要求可以如下产生的脉中具有较高的幅值和足够宽的频谱分布，以及固定的下降沿时间，能够有效的作用于球板间隙激发超声波脉冲；放电量稳定可标定；脉冲占空比至少可以保证连续两次脉冲信号之间的时间间隔足够大，使得被测传感器耦合的前后两次信号不发生波形重叠；脉冲幅值稳定可控，输出信号的不稳定度不超过5%。3、动作控制回路控制开关宜采用无抖动高速开关，防止放电回路多次开断过程产生扰动。
4、杂散参数的控制为了有效控制电极系统不受杂散电容影响，球板电极的球电极的支架和支撑系统可以采用绝缘材料，球电极引线系统可以尽可能远离螺旋微调节系统(金属制)，引线可以尽可能的又粗又短，与地板电极的距离最好均匀。5、系统的屏蔽标定平台下设有震动缓冲介质，用以排除超声波激发源外的一切机械振动对超声波传感器的影响。另外，超声波传感器一般使用压电材料，除耦合超声波型号外也可以直接耦合电磁波信号。超声波激发装置的电气回路部分应施加良好的金属屏蔽，防止回路泄露电磁信号干扰超声波传感器的标定。6、标定方法的实施步骤步骤S2、待测传感器的安装将待测传感器放置于球板电极系统一侧一定距离(一般可以为20 50cm),传感器接收面和钢板之间涂覆耦合剂加以固定(可采用磁吸装置固定)。步骤S4、试验记录信号给标准脉冲源供电将模拟信号源的输出信号接入球板电极模型，精确调剂球板间隙以获得规定的系统电容量。然后确定接好所有电缆、设备和屏蔽装置后，同步记录标准脉冲源的输出信号和传感器输出信号，并上传至计算机中进行处理。步骤S6、传感器灵敏度及频响特性曲线测试高速示波器记录的数据上传至计算机后，通过本优选实施例提出的测试原理计算出电容系统放电量q和对应待测传感器的频响曲线。在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施例中描述的技术方案。在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各�？榛蚋鞑街杩梢杂猛ㄓ玫募扑阕爸美词迪郑强梢约性诘ジ龅募扑阕爸蒙希蛘叻植荚诙喔黾扑阕爸盟槌傻耐缟希裳〉兀强梢杂眉扑阕爸每芍葱械某绦虼肜词迪郑佣梢越谴娲⒃诖娲⒆爸弥杏杉扑阕爸美粗葱校蛘呓欠直鹬谱鞒筛鞲黾傻缏纺？椋蛘呓侵械亩喔瞿？榛虿街柚谱鞒傻ジ黾傻缏纺？槔词迪�。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种超声波脉冲发生器，其特征在于，包括: 标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号； 球板放电装置，与所述标准脉冲源相连，用于将所述标准脉冲源产生的所述脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，所述球板放电装置包括: 长度调节装置，用于调节所述球板放电装置的球板间隙长度。
3.—种传感器接收性能的标定方法，其特征在于，包括: 通过超声波脉冲发生器激发超声波脉冲信号，其中，所述超声波脉冲发生器包括:标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置，与所述标准脉冲源相连，用于将所述标准脉冲源产生的所述脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号； 测量待测超声波局部放电检测传感器的局部放电接收性能，其中，所述局部放电接收性能通过所述球板放电装置的电容上的电荷量q以及所述传感器的响应电压信号UJf)的对应关系表征。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述球板放电装置包括用于调节所述球板放电装置的球板间隙长度的长度调节装置的情况下，在测量待测超声波局部放电检测传感器的局部放电接收性能之前，还包括: 通过调节所述球板放电装置的球板间隙长度获取所述球板放电装置的电容上的电荷量q.
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在通过超声波脉冲发生器激发超声波脉冲信号之前，还包括: 断开所述球板放电装置的电容两极，并对其中一极的充值电阻进行充电。
6.—种传感器接收性能的标定系统，其特征在于，包括: 超声波脉冲发生器，包括标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号； 球板放电装置，与所述标准脉冲源相连，用于将所述标准脉冲源产生的所述脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号； 测控计算机，与所述标准脉冲源和待测超声波局部放电检测传感器相连，用于控制所述标准脉冲源对所述球板放电装置的电容充入电荷量q的电荷，获取所述传感器的响应电压信号UJf)，并通过所述电荷量q以及所述响应电压信号UJf)的对应关系表征所述局部放电接收性能。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括: 示波器，与所述测控计算机和待测超声波局部放电检测传感器相连，用于测量所述传感器的响应电压信号U。⑴，其中，所述UJf)是所述!!。⑴的FFT变换。
全文摘要
本发明公开了一种传感器接收性能的标定方法、系统及超声波脉冲发生器，其中，该超声波脉冲发生器包括标准脉冲源，用于产生能量以及幅值一定的脉冲电压信号；球板放电装置，与标准脉冲源相连，用于将标准脉冲源产生的脉冲电压信号激发成具有相似频谱分量的瞬态超声波脉冲信号。通过本发明，解决了相关技术中缺少对瞬态脉冲型式的超声波信号进行参考测量的方式问题，为测量传感器对于瞬态脉冲型式的超声波信号的接收性能提供了技术基础。
文档编号G01R35/00GK103076587SQ20121059419
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者王康宁, 王天正, 唐志国, 李艳鹏, 孙尧 申请人:山西省电力公司电力科学研究院, 青岛华电高压电气有限公司
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