導(dǎo)行波檢測新技術(shù)專題（四）——導(dǎo)行波檢測新技術(shù)一百問

周在杞，周 宇

（1.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004；2.蘇州阿爾斯通高壓電氣開關(guān)有限公司，蘇州 215129）

問題47 導(dǎo)行波傳感器由哪兩部分組成？

答：導(dǎo)行波傳感器是一種電磁波產(chǎn)生器或接收器之間的轉(zhuǎn)換器件，或換能器再加上探頭，一般兼有發(fā)射和接收導(dǎo)行波的功能。比如，傳感器可以將傳輸線送來的導(dǎo)行波的能量有效地轉(zhuǎn)換成向傳輸線傳輸或向空間傳播的電磁波能量。它既可以均勻地向傳輸線或空間輻射能量，也可以經(jīng)過透鏡的聚焦向特定方向的空域輻射空間波能量。傳感器由探頭和轉(zhuǎn)換器組成。

問題48 傳感器設(shè)計的依據(jù)是什么？

答：傳感器設(shè)計的依據(jù)是坡印延定理。定義矢量S＝EH稱為坡印延矢量。E，H和S三者之間符合右手螺旋關(guān)系。該矢量是描述空間電磁能量傳播規(guī)律的一個重要物理量。它既是空間坐標的函數(shù)，也是時間的函數(shù)，所以，它的值表示瞬間功率。導(dǎo)行波檢測的射頻功率由探頭輸出，同時被不連續(xù)點反射回來的導(dǎo)行波抵達可逆的傳感器，再輸送到分析儀器。如同超聲波探傷儀那樣，顯示出反射系數(shù)幅值的大小，就代表不連續(xù)點的幅值的高低。

問題49 設(shè)計導(dǎo)行波檢測傳感器的主要難點是什么？

答：設(shè)計導(dǎo)行波檢測傳感器的主要難點就是實現(xiàn)標準化與系列化。以針對不同管徑的檢測，設(shè)計制造不同口徑的傳感器，包括轉(zhuǎn)換器及探頭。

問題50 導(dǎo)行波檢測探頭與利用壓電效應(yīng)的超聲波探頭是否相同？

答：導(dǎo)行波檢測的探頭或傳感器與利用壓電效應(yīng)的超聲波探頭是不同的。它不產(chǎn)生機械振動且需要激勵及耦合。對于電磁波而言，其坡印延矢量的大小是穿過與電磁波傳播方向垂直的單位面積的功率，故有時稱為功率流或能流密度；它的方向是場中某點能量流動的方向，即沿著與該點E和H都垂直的電磁波的傳播方向。

問題51 如同超聲導(dǎo)波需要探頭一樣，導(dǎo)行波檢測的探頭如何選優(yōu)？

答：超聲導(dǎo)波用探頭大致有壓電晶片和磁致伸縮兩類。導(dǎo)行波檢測的探頭或傳感器則有微帶型與波導(dǎo)型兩種。一般短距離的管件選用微帶型，尤其用于管外壁裂紋的檢驗以及非金屬厚度測量；長距離的管線管道則使用波導(dǎo)型，其發(fā)射功率要比較大，確保傳輸距離。

問題52 為什么管子內(nèi)徑和傳輸模式的不同，就要進行系列化的探頭設(shè)計和制作？

答：主要原因是截止頻率或截止波長的存在。當(dāng)工作頻率f比截止頻率高或工作波長λ比截止波長短時，電磁波才可以在波導(dǎo)傳輸線內(nèi)傳播，稱為傳播模式；反之，電磁波不能在波導(dǎo)傳輸線內(nèi)傳播，稱為非傳播模式。GT 正是利用導(dǎo)行波在金屬管內(nèi)的傳播進行檢測的。

問題53 為什么要設(shè)計出系統(tǒng)用的傳感器，才能使導(dǎo)行波檢測完成對管內(nèi)壁缺陷的檢測？

答：如果沒有供系統(tǒng)使用的導(dǎo)行波傳感器，就無法拾取管內(nèi)壁缺陷與導(dǎo)行波相互作用的信息。

問題54 確定導(dǎo)行波的檢測能力，如缺陷深度、大小等與傳感器有什么關(guān)系？

答：這與傳感器的精益性與長效性密切相關(guān)。如果它的靈敏度不夠高，更細更小的不連續(xù)點就無法被發(fā)現(xiàn)。甚至整個系統(tǒng)與連接傳感器及儀器的電纜線都有相關(guān)性，因此，連接線一般盡量要求隱相匹配的柔軟性質(zhì)的測試線，而不用硬質(zhì)的工程連接線。

問題55 導(dǎo)行波檢測用傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如何選擇？

答：假設(shè)E和H是某一模式的電場和磁場，要使橫電磁波（TEM）有效地轉(zhuǎn)換，應(yīng)使探針位于E最強處，且方向與其平行。或使用環(huán)形探針，放在H最強處，且環(huán)平面與其垂直的位置。探針類似于單邊的振子，每1／4波長長度上的電流是相干的，它的輻射也是相干的，能獲得最強的輻射。該傳感器具有頻帶寬、易加工的優(yōu)點。如某種傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：探針的長度為1.01 mm，圓盤的厚度為0.99mm，圓盤的直徑為2.31mm，探針到端面的距離為3.15mm，圓孔的厚度為3.31mm，圓孔的直徑為2.37mm。

問題56 改變探針的形狀可以獲得怎樣的效果？

答：在設(shè)計傳感器的轉(zhuǎn)換器時，改變探針的形狀可以獲得更好的耦合效果和可用帶寬。此外，要使轉(zhuǎn)換器在較寬頻帶上每個頻率都有較好的耦合效果，也可將探針前段做成錐形或楔形。

問題57 可否展示一下導(dǎo)行波檢測用傳感器的外形？

答：導(dǎo)行波檢測的傳感器，如同汽車加油站的加油槍，外形如圖1所示。左前方是一段與被測管件相匹配的直管狀探頭，中間及右方為傳感器的轉(zhuǎn)換器部分，下方的測試線為隱相的柔軟性質(zhì)的電纜連接線。各項參數(shù)必須保證導(dǎo)行波傳播的暢通，要求其駐波比小于1.5。做相控陣探頭時信號需要利用微帶及其功分器。

圖1 導(dǎo)行波檢測傳感器形貌

問題58 如何用仿真軟件來設(shè)計探頭？

答：使用仿真軟件進行導(dǎo)行波檢測傳感器的探頭設(shè)計及模擬結(jié)果，如圖2，3所示。

工業(yè)機器人在柔性制造中的廣泛應(yīng)用的核心因素在于其絕對定位精度低、長期穩(wěn)定性差等方面。由于影響工業(yè)機器人絕對定位精度的因素的多樣的，實現(xiàn)對其的定位誤差的影響因素的分析，可以有效的提升工業(yè)機器人高精度控制。第一是機器人運動學(xué)模型的參數(shù)的設(shè)定帶來的絕對定位精度的差異，機器人運動學(xué)模型的參數(shù)設(shè)定會產(chǎn)生桿件長度誤差、關(guān)節(jié)碼盤的靈位檢查等等，這些偏差會導(dǎo)致定位的不精準，因而當(dāng)前主要是通過對機器人運動學(xué)模型中的各種參數(shù)的零偏差設(shè)定，來實現(xiàn)對其高精度化控制；下圖為工業(yè)機器人的d-h坐標輔助機器人展開精準度的定位運動。

問題59 正如超聲波探傷儀使用Q6、Q9探頭轉(zhuǎn)接頭，導(dǎo)行波檢測傳感器常用何種連接器？

答：射頻導(dǎo)行波信號相應(yīng)的連接器比較特殊，不像超聲連接線用Q6、Q9等那樣的轉(zhuǎn)接頭。常用的主要符合國際電工技術(shù)委員會標準IEC169等標準的射頻同軸連接器（RF COAXIAL CONNECTOR），如BNC卡口式，TNC 螺紋連接，工作頻率可達11GHz。SMA螺紋連接應(yīng)用最廣泛，阻抗有50、75Ω 兩種，配半剛性電纜工作頻率最高到26.5GHz；N 型連接器為螺紋式，以空氣為絕緣材料，造價低，頻率可達11GHz。BMA 連接器用于頻率高達18GHz的低功率系統(tǒng)。

圖2 導(dǎo)行波傳感器探頭的仿真設(shè)計

圖3 直管狀探頭測試被檢管內(nèi)模擬斜開縫的回波損耗仿真結(jié)果

問題60 連接器一般采用什么材料制造的？

答：每種連接器都按美國國防部MIL－C－39012標準制造，全銅零件、聚四氟乙烯用于絕緣、內(nèi)外鍍金，性能可靠。連接器材料有黃銅、鈹銅和不銹鋼，中心導(dǎo)體一般鍍金。在SMA 和SMB 上鍍金，在N、TNC及BNC上鍍銀。絕緣材料用聚四氟乙烯、聚丙烯等，聚四氟乙烯，絕緣性能最好。

問題61 與導(dǎo)行波檢測傳感器探頭配套用的儀器研制出來了嗎？

答：正像當(dāng)初超聲波探傷儀本身就是一臺示波器那樣，導(dǎo)行波檢測儀器實質(zhì)上也就是一臺具有特殊功能的數(shù)字示波器。曾經(jīng)在取樣示波器、階躍脈沖示波器、頻譜儀示波器中作過選擇。最后在數(shù)字示波器內(nèi)加上了信號源模塊、信號分離模塊、接收機模塊、中頻處理模塊、CPU 模塊、液晶鍵盤模塊等幾大模塊組成了便攜式儀器。頻率基準與混頻接收，還用到了鑒相器。

問題62 導(dǎo)行波檢測儀器有什么功能？

問題63 連續(xù)波調(diào)制方式對導(dǎo)行波檢測系統(tǒng)有無效果？可以采用哪個方式？

答：連續(xù)波調(diào)制方式對導(dǎo)行波檢測系統(tǒng)有作用，但不是很明顯。點頻連續(xù)波、掃頻和頻譜分析或諧振測量是可取的。特別是掃頻，適當(dāng)調(diào)節(jié)頻帶的寬窄，會使傳播距離變長。

問題64 導(dǎo)行波檢測儀器的數(shù)據(jù)庫功能模塊包括幾部分？

答：導(dǎo)行波檢測儀器的數(shù)據(jù)庫功能模塊，包括數(shù)據(jù)自動手動保存、快慢回放、數(shù)據(jù)（清除轉(zhuǎn)存）維護和用戶管理轉(zhuǎn)換信息查詢四大部分。

問題65 導(dǎo)行波檢測儀器數(shù)字信號處理模塊包括哪些功能？

答：導(dǎo)行波檢測儀器數(shù)字信號處理模塊包括濾波、自動增益、缺陷識別和報警功能。

問題66 導(dǎo)行波檢測儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括哪幾個步驟？

答：導(dǎo)行波檢測儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號分離、接收混頻、中頻處理（經(jīng)BPF帶通濾波器，一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的器件），再經(jīng)放大后到A／D 轉(zhuǎn)換器。一般情況下，BPF 濾波器的設(shè)計就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美通帶的設(shè)計。此外，它具有單一的傳輸頻帶（或具有小的相對衰減的通帶）的濾波器，從大于零的下限頻率延伸到有限的上限頻率。

問題67 在導(dǎo)行波檢測儀器的研制中是否要用到小波分析？

答：目前儀器使用傅立葉（Fourier）變換。與傅立葉（Fourier）變換相比，小波變換是時間（空間）頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號（函數(shù)）逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，可聚焦到信號的任意細節(jié)，通過時間和頻率的局域變換，因而能有效地從信號中提取信息，利用伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析，可解決傅里葉（Fourier）變換的難題。

問題68 小波分析技術(shù)如何在導(dǎo)行波檢測儀器中應(yīng)用？

答：導(dǎo)行波不連續(xù)點和它的小波變換間存在內(nèi)在聯(lián)系：導(dǎo)行波不同尺度下的小波變換模極大值表示類似于正弦信號在傅里葉（Fourier）變換下的幅值、相位，其小波變換模極大值彼此等價。準確地分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲、精確地重構(gòu)（或恢復(fù)）。從數(shù)學(xué)的角度來看，信號與圖像處理可統(tǒng)一看作是信號處理（圖像可看作是二維信號），在小波分析的應(yīng)用中，歸結(jié)為信號處理問題。隨時間穩(wěn)定不變的信號，仍然是用傅立葉分析。但是在應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號的工具就是小波分析。

（未完待續(xù)）