用来对被检设备的传感器进行灵敏度试验。灵敏度试验［5 － 6］大体分为以下三部分: ( 1) 控制标准信号源产生脉冲波激励，对测得信号进行有效的傅里叶分析，得到被检传感器在 20 kHz ～ 200 kHz 范围内的相对灵敏度曲线，即暂未得到各频率点的具体灵敏度值;
( 3) 控制标准信号源产生谐振频率的脉冲包络波，计算得到该频率点的绝对灵敏度值，从而确定 20 kHz ～ 200 kHz 范围内灵敏度曲线各点的绝对灵敏度值。
按以下非周期性有限长离散信号 x ( n) 的 DFT计算公式进行傅里叶分析［7］:
分析后可知，脉冲波形脉宽越小，脉冲所包含的频率成分越丰富。理想情况下，冲击信号的频谱图将是包含整个频域的平坦直线，如图 4 所示。实际应用中不存在理想的冲击信号，针对 GIS 变电站高压设备绝缘介质局部放电产生的 20 kHz ～ 200 kHz 的超声波频率范围，本方案选择使用脉宽 100 ns 的尖脉冲信号作为激励源，激励超声换能器产生该频带的声信号。由 于 AE 传感器存在阻尼衰减现象，选用包络正弦波作为激励信号，只关注响应波形峰值大小，结合包络波峰值大小计算出谐振点的绝对灵敏度值。
采集部分，上位机在 LabVIEW 程序中设计采样频率和采样点数，获取 AD 采集到的被测信号，计算得出被测信号的频率幅值信息。
为了保证采集到的信号频谱不失真，根据香农( Shannon) 采样定理，采样频率应不小于模拟信号频谱中最高频率的 2 倍。本方案目标频带为 20 kHz 至 200 kHz，为了能对 200 kHz 的信号实现高精度采样，需保证每周期获取足够多的数据点。本方案使用 10 MS /s 的 AD 采样率，则对于 20 kHz 模拟信号，每周期有 500 个采样点; 对于 200 kHz 模拟信号，每周期有 50 个采样点。为了保证对采集信号进行傅里叶分析结果的准确性，本方案从硬件上设定 5 999 个采集点存入缓存区，并使用中段数据点进行计算处理。这样可以保证对 20 kHz 的信号也能有 10 个周期以上的波形被采集到，使傅里叶分析得到的频谱曲线更准确，更易提取超声波信号频谱特征。
3 传输介质分析
信号源发出的特定波形信号传输到被测传感器必然要经过一定的传输介质，超声换能器输出声信号到标准仪器与被检仪器的传输介质的选择对声波中表面波和纵波的区分具有重要影响。根据超声波传感器相关校准标准要求［8 － 9］，接触式的传感器的校准的钢制试块至少应是直径 400 mm、高度为 250 mm的圆柱体。标准给出钢材中纵波波速为 5 940 m /s，横波波速为 3 250 m /s，表面波波速为 3010 m /s。
当声源在试块上表面中心位置发射信号时，试块内部会存在横波、纵波两种不同的超声波信号，同时在试块表面会有表面波传播，三种波以不同的波速到达接收传感器［10］。三种声波类型不同，其传输路径不一样，如图 5 所示，路径 1 为表面波传播路径，路径 2 为纵波和横波传播路径。若使用校准标准规定的最小钢制试块作为传声介质，对不同路径不同波的传输时间进行分析，结果如表 1 所示。对于20 kHz 的正弦信号，其周期为 50 μs，考虑硬件电路上的一些延时，在首次纵波和首次表面波的到达时间差52． 64 μs 内，系统并不足够采集到一个完整周期的表面波信号。
为了能够满足采集计算的需求，本方案选择使用底面直径 600 mm，高度 300 mm 的钢制圆柱试块。对声波信号传输时间进行分析，数据如表 2 所示。可以认为，在该大小的试块上进行表面波试验时，系统在大约 70 μs 的时间内接收到了声源发出的无叠加的表面波信号
在进行纵波实验时，传感器与声源正对放置在试块表面上，如图 6 所示。该实验条件下表面波不会传播到接收传感器，横波在介质中传播时衰减很大，纵波通过图 6 中的路径 1 和路径 2 传播到传感器传输时间分析如表 3 所示。此时约有 90 μs 的波形可以认为是只接收到了声源发出的无叠加的纵波。
4 实验室环境下的方案应用
为了验证本方案所述表面波和纵波区分方法和灵敏度试验方法是否可行，拟进行了纵波实验和表面波实验［11 － 12］。实验在底面直径 600 mm，高度 300 mm的钢制圆柱试块上进行，如图 7 所示。
4． 1 表面波实验
将声发射传感器 AE144S 置于钢制试块上表面圆心，将采集传声器 Ｒ15 置于距圆心 100 mm 处，控 制 DA 发出脉宽 500 ns 的尖脉冲波激励换能器，采集到的响应信号波形如图 8 所示，对接收到的波形进行FFT 分析，分析结果如图 9 所示。
图 8 表明，在脉冲激励发出 34． 64 μs 后，采集传声器接收到超声波信号，即表面波从声源经 34． 64 μs 首次到达采集传声器位置。根据时间和位置信息( 100 mm) 计算出表面波在本实验试块上的传播速度为 2 886． 84 m /s，与相关资料显示的钢材表面波波速3 010 m /s 相比，相差不大。考虑试块材料、传感器距离误差、传感器大小、耦合剂、时间测量误差等因素的影响，该结果可以接受。
在脉冲激励发出 165． 9 μs 后，采集信号有明显的叠加情况，即首次表面波反射波经 165． 9 μs 后被采集传声器采到，大约是 34． 96 μs 的 5 倍，与理论分析相符。
图 9 的 FFT 分析结果，即为上文所述相对灵敏度曲线，表面波最大响应频率约为 200 kHz，次高点出现在 150 kHz。
保持发射和采集传感器位置不变，控制 DA 发出200 kHz 包络正弦波激励声发射换能器，系统能够接收到标准和被测采集传感器的响应信号。根据标准通道响应信号的幅值，结合标准传感器的标定数据，能够计算出声信号强度。再根据被测通道响应信号幅值，即可计算出被测采集传感器在 200 kHz 频率点的绝对灵敏度值。
4． 2 纵波实验
将声发射传感器 AE144S 置于钢制试块上表面圆心，将采集传声器 Ｒ15 置于钢制试块下表面圆心，控制 DA 发出脉宽 400 ns 的尖脉冲波激励换能器，采集到的响应信号波形如图 11 所示，对接收到的波形进行 FFT 分析，分析结果如图 12 所示。
图 11 表明纵波从试块上表面圆心经过 53． 38 μs首次到达试块下表面圆心，距离为 300 mm，则计算出纵波在本实验试块中的传播速度为 5 620． 08 m /s，与钢材中 纵 波 波 速 5 940 m /s 相 比，基 本 符 合 理 论数据。
在 110 μs 时间点和 153． 2 μs 时间点采集信号有明显叠加，第一个叠加为纵波经过侧面一次反射后被采集到的结果( 图 6 路径 1) ，传播距离约为 670mm; 第二个叠加为竖直方向上传播的纵波经两次反射后被采集传感器采集到的结果，传播距离为 900 mm，与计算的纵波波速比较吻合。图12 的 FFT 分析结果 显 示，纵波的最大响应频率出现在 150 kHz左右。
4． 3 结果分析
表面波实验和纵波实验验证了本方案所用钢制试块在一定时间范围内能够起到区分表面波和纵波的目的。实验没有得到明显的图 5 中路径 2 所示的反射叠加情况，但是对其他一些叠加情况进行了计算，对表面波和纵波的声速进行了确认，可以认为在反射声波到达采集传感器之前的信号是未叠加信号，即表面波大约有 70 μs 的未叠加波形，纵波大约有 60 μs 的未叠加波形。
实验还对脉冲波和包络正弦波用于灵敏度试验的方法进行了确认，通过后续的标准传感器标定和LabVIEW 算法优化，能够得到更加准确的结果。
5 结束语
超声波局放检测仪目前已广泛应用于国内变电站，然而超声波局放检测仪的计量方法还存在一定缺陷。本文针对现有超声波局放检测计量方法无法反映实际局放短时脉冲情况，无法区分介质中表面波和纵波的问题，提出了一些解决方案。采用自制标准信号源产生特定波形和特定脉冲宽度的激励信号，从而保证最大程度模拟 GIS 高压设备局部放电时发出的短时脉冲超声波信号。采用订制尺寸的钢制试块作为实验平台，保证对于目标频带的超声信号有足够的数据采集时间，确保数据计算处理的准确度。
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