高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测方法和装置技术领域
本发明涉及一种高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测方法和装置，属于绝缘
材料无损检测与评价技术领域。
背景技术
灭弧喷口是SF6高压断路器灭弧装置中控制电弧、创造高速气吹条件的核心部件，
它不仅应有优良的电气性能、机械性能和化学稳定性，同时还应具有优良的耐电弧烧蚀性
能。灭弧喷口材料由聚四氟乙烯和三氧化二铝无机填料组成，聚四氟乙烯熔融态的黏度高
达1011～1012pa·s，基本不流动，所以既不能用熔融加工法，也不能用溶解加工法。在生产
中一般采用冷压烧结的方法，先将聚四氟乙烯和填料进行混料、压制和烧结，制成形状简单
的毛坯，然后通过机加工获得形状复杂、尺寸精度高的喷口零部件。采用上述工艺制造的灭
弧喷口，由于填料氧化铝和聚四氟乙烯树脂粉末的密度不同，在混合料加工过程中如果混
料方法、压制力或压制时间控制不当，往往会出现喷口局部密度降低的现象。密度是影响喷
口使用性能的重要指标，密度降低会导致喷口电气强度、拉伸强度、表面硬度降低，在断路
器开断过程中出现击穿事故。
目前，灭弧喷口零部件质量检测中常用的手段是X射线实时成像，该方法对于喷口
内部的金属夹杂和气孔等体积型缺陷比较敏感。但是，由于X射线在喷口材料内部的衰减系
数较小，喷口密度的微小变化在X射线成像板上几乎不能造成影像黑度的差异，因而检测灵
敏度很低。就目前而言，在喷口零部件生产过程中，对于密度减小缺陷尚缺少可用的无损检
测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测方法和装置，
用于解决灭弧喷口零部件密度的无损检测这一技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检
测方法，包括以下方案：
方法方案一：包括
步骤1，对待测灭弧喷口发射超声波脉冲；
步骤2，检测在所述待测灭弧喷口内的超声波速度并获取待测灭弧喷口下底面超
声波反射信号的峰值幅度；
步骤3，将所述超声波速度和反射信号的峰值幅度与关系库进行比对，进而获取所
述待测灭弧喷口的密度；所述关系库是通过对各种密度不同的灭弧喷口测试样品进行超声
波测试得到的灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反射信
号的峰值幅度的对应关系。
方法方案二：在方法方案一的基础上，步骤2中通过多次检测求均值法来获取在所
述待测灭弧喷口内的超声波速度以及待测灭弧喷口下底面超声波反射信号的峰值幅度。
方法方案三：在方法方案一或方法方案二的基础上，步骤3中获取所述关系库的步
骤包括：
(1)获取不同密度标准的灭弧喷口测试样品；
(2)对所述灭弧喷口测试样品发射超声波脉冲；
(3)检测在所述灭弧喷口测试样品内的超声波速度并获取所述灭弧喷口测试样品
下底面超声波反射信号的峰值幅度；
(4)测量所述灭弧喷口测试样品的密度；
(5)根据所述灭弧喷口测试样品的密度、灭弧喷口测试样品内的超声波速度和灭
弧喷口测试样品下底面超声波反射信号的峰值幅度，建立灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声
波速度和灭弧喷口下底面超声波反射信号峰值幅度对应关系的关系库。
方法方案四：在方法方案三的基础上，步骤(4)中利用分析天平和阿基米德排水法
原理测出所述灭弧喷口测试样品的密度。
本发明还提供了一种高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测装置，包括以下方
案：
装置方案一：包括
用于对待测灭弧喷口发射超声波脉冲的单元；
用于检测在所述待测灭弧喷口内的超声波速度并获取待测灭弧喷口下底面超声
波反射信号的峰值幅度的单元；
用于将所述超声波速度和反射信号的峰值幅度与关系库进行比对，进而获取所述
待测灭弧喷口的密度的单元；所述关系库是通过对各种密度不同的灭弧喷口测试样品进行
超声波测试得到的灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反
射信号的峰值幅度的对应关系。
装置方案二：在装置方案一的基础上，通过多次检测求均值法来获取在所述待测
灭弧喷口内的超声波速度以及待测灭弧喷口下底面超声波反射信号的峰值幅度。
装置方案三：在装置方案一或装置方案二的基础上，获取所述关系库的装置包括：
用于获取不同密度标准的灭弧喷口测试样品的单元；
用于对所述灭弧喷口测试样品发射超声波脉冲的单元；
用于检测在所述灭弧喷口测试样品内的超声波速度并获取所述灭弧喷口测试样
品下底面超声波反射信号的峰值幅度的单元；
用于测量所述灭弧喷口测试样品的密度的单元；
用于根据所述灭弧喷口测试样品的密度、灭弧喷口测试样品内的超声波速度和灭
弧喷口测试样品下底面超声波反射信号的峰值幅度，建立灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声
波速度和灭弧喷口下底面超声波反射信号峰值幅度对应关系的关系库的单元。
装置方案四：在装置方案三的基础上，用于测量所述灭弧喷口测试样品的密度的
单元利用分析天平和阿基米德排水法原理测出所述灭弧喷口测试样品的密度。
本发明的有益效果是：通过检测在待测灭弧喷口内的超声波速度以及待测灭弧喷
口下底面超声波反射信号的峰值幅度，比对灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声波速度和灭弧
喷口下底面超声波反射信号峰值幅度对应关系的关系库，进而获取待测灭弧喷口的密度，
有效实现灭弧喷口的无损检测，为高压断路器灭弧装置的安全性分析提供有效依据。
附图说明
图1是在5种不同压力下所获得的灭弧喷口试验样品；
图2是超声波检测系统的结构图；
图3-1是压力机压力设定为70kN时的超声波反射信号峰值幅度变化图；
图3-2是压力机压力设定为80kN时的超声波反射信号峰值幅度变化图；
图3-3是压力机压力设定为90kN时的超声波反射信号峰值幅度变化图；
图3-4是压力机压力设定为110kN时的超声波反射信号峰值幅度变化图；
图3-5是压力机压力设定为123kN时的超声波反射信号峰值幅度变化图；
图4是在不同压力下所获得的喷口试块在不同采样点的超声波反射信号峰值幅
度；
图5是在不同压力下所获得的喷口试块中在不同采样点的超声波声速；
图6是在不同压力下所获得的灭弧喷口测试样品超声波反射信号的峰值幅度与灭
弧喷口测试样品密度的对照关系；
图7是在不同压力下所获得的灭弧喷口测试样品内的超声波声速与灭弧喷口测试
样品密度的对照关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测方法的实施例。
首先，获取灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反射
信号峰值幅度对应关系的关系库，主要包括以下步骤：
(1)获取不同密度标准的灭弧喷口测试样品。
灭弧喷口零部件的生产流程为：混料—模压—烧结—切削加工—清理及包装。通
过改变模压过程中压力机压力可以得到一系列密度不同的喷口压制坯料，之后经过烧结、
切削加工得到喷口样品。压力机压力分别设定为70kN、80kN、90kN、110kN和123kN，最终获得
的圆柱形测试样品如图1所示。
(2)对灭弧喷口测试样品发射超声波脉冲。
本实施例中采用构建的便携式超声波检测系统进行超声波的相关测量，该套检测
系统由便携式超声波探伤仪、数据线、三通连接器、超声波探头、耦合剂、数字示波器、USB闪
存盘和计算机组成，系统结构图如图2所示。本实施例中的便携式超声波探伤仪采用美国GE
公司生产的USM Go超声波探伤仪，超声波探头的型号为2.5Z10N。利用数据线实现便携式超
声波探伤仪与三通连接器之间的电气连接，三通连接器的一端通过数据线与超声波探头之
间实现电气连接，三通连接器的另一端通过数据线与数字示波器之间实现电气连接，将耦
合剂涂抹到喷口密度试块的待检测部位，利用超声波探头对喷口密度试块上涂抹耦合剂的
部位进行检测。
当然，在可实现对灭弧喷口测试样品超声波相关测量的情况下，也可采用现有的
超声波检测系统。
(3)检测在灭弧喷口测试样品内的超声波速度并获取该灭弧喷口测试样品下底面
超声波反射信号的峰值幅度。
利用构建的超声波检测系统对不同密度的喷口测试样品进行超声波信号采集。采
用脉冲反射式检测方式进行测量，用数字示波器分别记录灭弧喷口测试样品上表面和下底
面的超声波反射信号，经USB闪存盘将波形数据转移到计算机上进行分析。图3-1到图3-5分
别给出了5种不同压力下所获得的喷口测试样品的超声波信号反射信号的采集结果，每种
压力下所获得的喷口测试样品分别进行10次采样。在图3-1至图3-5给出的波形图中直接读
出在不同压力下所获得的喷口试块在不同采样点的下底面超声波反射信号的峰值幅度，如
图4所示。
在图3-1至图3-5中，测量出喷口测试样品上表面和下底面超声波反射信号之间的
时间间隔Δt，用游标卡尺分别测量5种不同密度喷口试样的厚度d，则喷口的声速c的计算
公式为：
根据公式(1)，求取在5种不同压力下所获得的喷口测试样品在不同采样点的超声
波声速，计算结果如图5所示。
(4)测量灭弧喷口测试样品的密度。
采用机加工的方法在已经加工好的喷口样品上截取φ20×10mm2的圆柱形试块，
利用分析天平和阿基米德排水法原理对所获得的灭弧喷口试块进行密度测量。首先在空气
中测出圆柱形试块的质量m1，之后将盛水的水槽放入分析天平中，对天平进行调零，调零后
将样品放入水槽中，样品完全浸没在水中，此时测出的质量为m2，则圆柱形试块的密度ρ的
表达式为：
其中，ρ水表示水的密度。
利用上述方法对5种不同加载压力下喷口测试样品进行测量，其中每种测试样品
进行5次测量求平均值，所测得的5种测试样品的密度分别为2.18875g/cm3、2.18067g/cm3、
2.18933g/cm3、2.199g/cm3和2.198g/cm3。可见，随着加载压力的增大喷口密度整体上逐渐
增大，80kN下的密度略小于70kN，120kN下的密度略小于110kN。
(5)根据所获得的灭弧喷口测试样品的密度、灭弧喷口测试样品内的超声波速度
和灭弧喷口测试样品下底面超声波反射信号的峰值幅度，建立灭弧喷口密度与灭弧喷口内
超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反射信号峰值幅度对应关系的关系库。
对于分布均匀的灭弧喷口材料，灭弧喷口内的超声波声速c的表达式为：
其中，E为材料的弹性模量，单位为Gpa，ρ为材料密度，单位为g/cm3。当喷口材料密
度减小时，内部孔隙含量增加，弹性模量也将减小，并且E的减小比密度的减小更快，即弹性
模量的密度导数大于因此可以用声速c来测量喷口材料的密度变化。超声
波衰减是影响反射信号幅度的重要因素，当喷口材料密度减小时，其孔隙含量增加，导致衰
减系数增大，底面反射波能量减小，因此可以用底面反射波幅度来测量喷口材料的密度变
化。
图6和图7分别给出了在5种不同压力下所获得的灭弧喷口测试样品的下底面反射
波峰值幅度和灭弧喷口测试样品内的超声波声速与灭弧喷口测试样品密度的对照关系。由
图6和图7可以看出，灭弧喷口测试样品密度的变化关系与灭弧喷口测试样品下底面反射波
峰值幅度和灭弧喷口测试样品内的超声波声速的变化关系之间具有很好的对应性，因此可
以将声速和峰值幅度作为参量，建立灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声波速度和灭弧喷口下
底面超声波反射信号峰值幅度对应关系的关系库。当需要测量灭弧喷口的密度时，只需要
获取待测灭弧喷口内的超声波速度以及待测灭弧喷口下底面超声波反射信号的峰值幅度，
并与关系库进行比对，即可得到待测灭弧喷口的密度。
在上述实施例中，仅是以5种不同密度标准的灭弧喷口测试样品为例来具体介绍
建立灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反射信号峰值幅度
对应关系的关系库的方法，在实际建立关系库的过程中，需要对多种密度标准的灭弧喷口
测试样品进行多次采样，且选用的密度标准的种类越多，每种密度的采样次数越多，所建立
的灭弧喷口密度与灭弧喷口内超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反射信号峰值幅度对
应关系的关系库中的信息就越完整和精确。
当然，灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下表面超声波反射信
号峰值幅度的对应关系也可通过查表或者是现有技术中已有的计算公式来获取。
另外，本实施例中获取灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下底
面超声波反射信号峰值幅度的对应关系的方法是对一个灭弧喷口测试样品先进行超声波
检测，再在该灭弧喷口测试样品上截取圆柱形试块，利用分析天平和阿基米德排水法原理
测量试块的密度，当然，也可以采用其他方法来测量该试块的密度，将该试块的密度看作是
灭弧喷口测试样品的密度。也可以对一个灭弧喷口测试样品先进行超声波检测，然后直接
对整个测试样品进行密度测量，或者是对于可认为是相同密度的多个灭弧喷口测试样品，
选择对其中一部分样品进行超声波检测，对另外一部分样品进行密度测量，通过多次测量
求均值法，建立灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下表面超声波反射信
号峰值幅度对应关系的关系库。
基于上述获得的灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下表面超
声波反射信号峰值幅度对应关系的关系库，高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测方法
具体包括以下步骤：
步骤1，对待测灭弧喷口发射超声波脉冲；
步骤2，检测在待测灭弧喷口内的超声波速度并获取待测灭弧喷口下底面超声波
反射信号的峰值幅度；
步骤3，将超声波速度和反射信号的峰值幅度与关系库进行比对，进而获取待测灭
弧喷口的密度。
为了提高测量的准确性，步骤2中通过多次检测求均值法来获取在待测灭弧喷口
内的超声波速度以及待测灭弧喷口下底面超声波反射信号的峰值幅度，并且每次测量应该
选用灭弧喷口上的不同测量点。
高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测装置的实施例：包括
用于对待测灭弧喷口发射超声波脉冲的单元；
用于检测在所述待测灭弧喷口内的超声波速度并获取待测灭弧喷口下底面超声
波反射信号的峰值幅度的单元；
用于将所述超声波速度和反射信号的峰值幅度与关系库进行比对，进而获取所述
待测灭弧喷口的密度的单元；所述关系库是通过对各种密度不同的灭弧喷口测试样品进行
超声波测试得到的灭弧喷口密度与灭弧喷口内的超声波速度和灭弧喷口下底面超声波反
射信号的峰值幅度的对应关系。
本发明中的高压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测装置，实际上是基于上述高
压开关设备用灭弧喷口的密度无损检测方法的一种计算机解决方案，即一种软件构架，该
软件可以运行于灭弧喷密度检测设备中。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不
再详细进行描述。