工業(yè)超聲波檢測系統(tǒng)中電磁干擾的分析及防護(hù)措施

魏 鵬，周昌智

（GE檢測控制技術(shù)，上海 201203）

近年來，工業(yè)無損檢測行業(yè)出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展。其中超聲波檢測以其方便、無輻射的特點，占據(jù)了無損檢測中很大的份額。但是，設(shè)備廠家或研究單位在開發(fā)和調(diào)試設(shè)備時，不得不面對超聲檢測系統(tǒng)受到的嚴(yán)重電磁干擾問題。這個問題如果處理不好，電磁噪聲將嚴(yán)重影響超聲檢測系統(tǒng)靈敏度及準(zhǔn)確性，甚至影響到設(shè)備的正常使用。

筆者針對工業(yè)超聲波檢測時常見的電磁干擾問題，分析并總結(jié)了一些有效的電磁干擾抑制及防護(hù)措施。

1 工業(yè)超聲波檢測系統(tǒng)介紹

超聲波檢測設(shè)備通?？煞譃楸銛y式超聲檢測設(shè)備及大型超聲波檢測系統(tǒng)。筆者重點討論大型超聲波檢測系統(tǒng)的電磁干擾問題。

大型超聲波檢測系統(tǒng)是較為復(fù)雜的一套系統(tǒng)，除了核心的超聲子系統(tǒng)外，還需要機(jī)械、電控等輔助系統(tǒng)才能完成在線或自動檢查任務(wù)。

其中超聲子系統(tǒng)可簡單地劃分為：信號攝取部分（換能器）、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換及控制部分、信號顯示及傳輸部分。文中所談的干擾主要指針對超聲子系統(tǒng)的電磁干擾，其主要體現(xiàn)為系統(tǒng)外部及系統(tǒng)內(nèi)部電控、超聲電路對超聲信號產(chǎn)生的干擾噪聲。

2 電磁干擾對超聲檢測信號的影響

2.1 電磁干擾介紹

電磁干擾（EMI）是引起設(shè)備、傳輸信道或系統(tǒng)性能下降的電磁噪聲。電磁干擾可根據(jù)干擾源、傳播途徑、頻譜、性能等不同標(biāo)準(zhǔn)分成不同的類型；如以傳播途徑劃分，電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。其中輻射耦合在高頻中十分常見，而傳導(dǎo)耦合在低頻中更為常見。

工業(yè)環(huán)境中常見的電磁干擾有變壓器、電火花、電弧焊接、可控硅整流和高頻加熱設(shè)備等產(chǎn)生的空間輻射干擾，周邊或設(shè)備本身引起的電源干擾，計算機(jī)檢測系統(tǒng)中的信號通道干擾和數(shù)字電路引起的干擾等。

2.2 電磁干擾對超聲檢測系統(tǒng)的影響

一般而言，工業(yè)環(huán)境中的電磁干擾通常發(fā)生在多個設(shè)備或器件之間，并包含著多種途徑的耦合［1］。由于其反復(fù)交叉耦合，會產(chǎn)生共同干擾。因此對于電磁干擾的分析、抑制或排除就變得比較困難。由于超聲波儀器放大器的頻率范圍很寬，這些噪聲信號會通過探頭線進(jìn)入檢測儀器并疊加在有用信號上，從而降低檢測信號的信噪比，甚至?xí)蜎]有用的信號，造成誤判或無法獲取被測信號。圖1是基于VIS系統(tǒng)的探傷設(shè)備的探頭在同一位置時，在高低電磁干擾下的缺陷回波信號的對比，從中可以明顯看出，在高的電磁干擾下，缺陷信號幾乎無法被分辨。

3 超聲檢測系統(tǒng)中常用的電磁干擾防護(hù)措施

3.1 超聲波檢測系統(tǒng)所面臨的電磁干擾

自動化超聲檢測系統(tǒng)，除了超聲部分，通常都需要機(jī)電輔助系統(tǒng)的支持?，F(xiàn)在主流的大型超聲檢測設(shè)備的運動控制一般都采用基于PC的運動控制卡或?qū)Ｓ玫目刂破骷铀欧蜃冾l驅(qū)動器來完成電機(jī)的驅(qū)動及控制，其中的變頻回路就是一個很強(qiáng)的干擾源［2］。所以，自動化的超聲檢測系統(tǒng)，不僅要面對外部的干擾，還要面對系統(tǒng)本身機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的干擾。

表1和圖2顯示了埋深80mm，直徑0.4mm平底孔在相同檢測條件下，伺服驅(qū)動電機(jī)開關(guān)對信噪比的影響。

為了抑制或消除這些干擾，從超聲檢測系統(tǒng)設(shè)計集成到安裝調(diào)試，都需要充分考慮系統(tǒng)面對的干擾源及其特性，并采取相應(yīng)有效的防護(hù)措施。

表1 驅(qū)動電機(jī)開啟和關(guān)閉時的信噪比

3.2 系統(tǒng)設(shè)計集成階段防電磁干擾措施

超聲檢測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分為超聲子系統(tǒng)，其中超聲儀器硬件電路、超聲波探頭性能及信號的傳輸對超聲系統(tǒng)的抗干擾性能起著重要的作用。所以，筆者主要針對這些問題提出一些抗干擾的方法和建議，以增強(qiáng)整個檢測系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。

（1）探頭及探頭線 探頭制作工藝，尤其晶片及相關(guān)阻尼材料的選擇都對降低機(jī)械品質(zhì)因素，減少盲區(qū)，提高分辨率和抗干擾性方面有著重要的影響。

超聲探頭線基本都帶有屏蔽層，而且經(jīng)常需要雙層或多層屏蔽。

（2）超聲信號處理電路 超聲信號的處理電路盡量采用模塊化總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計。元器件選型及布局、接地線路及接地點的設(shè)計都要充分考慮并經(jīng)過一定的試驗來減少電磁干擾，提高抗干擾性能。如：減少使用發(fā)熱量大的元件，合理的散熱設(shè)計；使用先進(jìn)的FPGA和DSP作為處理器從而簡化電路板的設(shè)計，降低功耗；超聲發(fā)射接收模擬電路與數(shù)字電路分開設(shè)計、布局；A／D轉(zhuǎn)換前增加抗混疊濾波設(shè)計、提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；采用合理的電路屏蔽及封裝等。

（3）超聲信號的耦合及傳輸 一般的超聲波信號都是直接通過電纜連接，故重點要做好電纜屏蔽及接地。但對于一些旋轉(zhuǎn)式超聲設(shè)備，超聲波信號需要經(jīng)過滑環(huán)碳刷或電容耦合的方式傳輸。這樣，滑環(huán)和電容的接地便成為重點關(guān)注的內(nèi)容。實踐證明，非接觸式電容耦合傳輸方式在旋轉(zhuǎn)式檢測設(shè)備中的抗干擾性能更加顯著。

3.3 系統(tǒng)安裝調(diào)試階段防電磁干擾措施

作為系統(tǒng)級的設(shè)備，超聲波檢測系統(tǒng)通常都需要由廠家專業(yè)的團(tuán)隊在客戶現(xiàn)場完成組裝及調(diào)試。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，設(shè)備的合理布局及必要的物理隔離、屏蔽、接地、增加濾波電路等都對設(shè)備的最終檢測性能起著非常重要的作用。

（1）合理的設(shè)計及地基布局，保證設(shè)備在盡可能少的電磁干擾中工作：①了解超聲探傷設(shè)備安裝位置周邊的電磁干擾源，提出相應(yīng)的改進(jìn)和防護(hù)措施。②專業(yè)的地基及布局圖，強(qiáng)弱電分離設(shè)計及對超聲信號電纜的專門保護(hù)。③超聲儀器良好接地，接地電阻盡量不超過1Ω。④變頻傳動回路加濾波器及電抗器等，用于降低由變頻器產(chǎn)生的諧波，并幫助吸收附近設(shè)備投入工作時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的尖峰電壓。

（2）專業(yè)的安裝及調(diào)試，保證設(shè)備強(qiáng)大的抗干擾性能：①超聲信號線布線時，必須要走單獨的金屬電纜橋架。②保證整個系統(tǒng)可靠接地；所有設(shè)備之間盡量用短而粗的接地線連接，控制柜內(nèi)所有設(shè)備接地良好，并連接到電源進(jìn)線接地點或接地母排上。③連接到變頻器的任何電子控制設(shè)備都要與其共地，共地時也應(yīng)使用短和粗的導(dǎo)線，同時電機(jī)電纜的地線應(yīng)直接接地或連接到變頻器的接地端子上。④所有屏蔽電纜的屏蔽層都要可靠接地。⑤超聲信號線需要時應(yīng)加封閉磁環(huán)，并纏繞3圈以上。⑥合理的布線策略：強(qiáng)弱電分層，獨立走線，以減少線間的耦合；盡量避免電機(jī)電纜與其它電纜長距離平行走線；控制電纜和電源電纜交叉時，應(yīng)盡可能使它們按90°角交叉，同時必須用合適的線夾將電機(jī)電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。

3.4 防護(hù)措施在實際應(yīng)用中的效果

圖3所示是基于USIP40超聲檢測系統(tǒng)中樣件的缺陷回波圖形。圖3（a）為設(shè)備初步安裝完成后，埋深13.5mm，直徑0.4mm平底孔超聲回波情況，可見80dB時電磁噪聲水平約為滿屏的30%。圖3（b）為采取上述的相應(yīng)電磁干擾防護(hù)措施，即伺服控制器的輸出加磁環(huán)、超聲儀器單獨接地、探頭線靠近儀器側(cè)加磁環(huán)等處理后的效果；可見在相同的增益下，電磁噪聲水平降低為滿屏的15%。

4 結(jié)語

從工業(yè)超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計、集成及安裝調(diào)試方面，分別列舉了一些常用且有效的電磁干擾防護(hù)措施，其中很多措施在實際項目中也顯示了其抑制或消除工業(yè)環(huán)境中電磁干擾的功效，為超聲檢測系統(tǒng)防干擾的設(shè)計及調(diào)試提供了有益的參考。系統(tǒng)的檢測靈敏度及系統(tǒng)可靠性，需要各客戶及生產(chǎn)廠商重點關(guān)注。

［1］方彥軍，程繼紅.檢測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：中國水利水電出版社，2007，10.

［2］史亦韋，梁菁，何方成.航空材料與制件無損檢測檢測技術(shù)新進(jìn)展［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012，4.