鋼管高速超聲檢測(cè)信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究

侯　宏，羅福興，程有清（.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津30030；.杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，浙江杭州3）

鋼管高速超聲檢測(cè)信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究

侯宏1，羅福興2，程有清2
（1.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301；
2.杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，浙江杭州311121）

[摘要]為提高鋼管高速超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和系統(tǒng)性能，對(duì)接觸式及非接觸式二類傳輸方式進(jìn)行對(duì)比分析?？偨Y(jié)了壓電超聲激勵(lì)及回波信號(hào)特點(diǎn)，分析了目前主要采用的信號(hào)耦合技術(shù)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并在特性參數(shù)、技術(shù)特點(diǎn)、制造成本等方面進(jìn)行相互對(duì)比，為設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]鋼管超聲波檢測(cè)系統(tǒng)；信號(hào)耦合；接觸式傳輸；非接觸式傳輸

1　引言

無(wú)縫鋼管被大量用于機(jī)械工業(yè)、石油地質(zhì)工業(yè)、化工、電站鍋爐和熱交換等領(lǐng)域，鋼管的質(zhì)量對(duì)安全和經(jīng)濟(jì)效益有巨大的影響。超聲波檢測(cè)作為質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，大部分缺陷是在這一環(huán)節(jié)被發(fā)現(xiàn)的，因此，超聲波檢測(cè)成為質(zhì)量控制的重要手段。

超聲波檢測(cè)主要分為探頭信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理及信息的融合、顯示等過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的全方位掃查并提高檢測(cè)效率，一般采用探頭做高速圓周旋轉(zhuǎn)與鋼管沿軸向直線前進(jìn)形成螺旋的方式進(jìn)行掃查[1]。旋轉(zhuǎn)探頭和電子儀器之間需要信號(hào)連接耦合，以便電子儀器發(fā)射的激勵(lì)信號(hào)傳輸?shù)教筋^，同時(shí)將探頭接收到的反射回波信號(hào)傳輸?shù)诫娮觾x器進(jìn)行處理。由于探頭的回波信號(hào)均為微弱的高頻電信號(hào)，所以對(duì)探頭和電子儀器之間的信號(hào)耦合技術(shù)的要求很高，成為鋼管超聲波高速檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

本研究對(duì)旋轉(zhuǎn)探頭和電子儀器之間形成的動(dòng)、靜信號(hào)連接耦合的各種方式進(jìn)行原理分析，并進(jìn)行特點(diǎn)對(duì)比，為設(shè)計(jì)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2　超聲波檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)

2.1激勵(lì)信號(hào)

探頭工作的原理是壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即壓電晶片處于電場(chǎng)中，在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生形變，在交變電場(chǎng)力的作用下發(fā)射超聲波。交變電場(chǎng)給的激勵(lì)信號(hào)越強(qiáng)，探頭產(chǎn)生的超聲波能量就越大，傳輸距離也隨之加長(zhǎng)，但超聲波是機(jī)械波，能量并不是越強(qiáng)越好，能量在被檢測(cè)鋼管中的反復(fù)反射、折射會(huì)產(chǎn)生新的二次干擾。一般探頭的交變電場(chǎng)激勵(lì)信號(hào)應(yīng)工作在頻率2.25~20 MHz，電壓等級(jí)100~650 V。

2.2回波信號(hào)

超聲波回波的工作原理是壓電材料的正壓電效應(yīng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷引起缺陷振動(dòng)，其中一部分沿原路返回，由于超聲波具有一定的能量，再作用到壓電晶體上，使壓電晶體在交變拉、壓力作用下產(chǎn)生交變電場(chǎng)。超聲波在鋼管中經(jīng)過(guò)多次反射、折射，能量損耗較大，能經(jīng)過(guò)換能器回波產(chǎn)生的電信號(hào)在毫伏及甚至微伏級(jí)。

探頭的激勵(lì)信號(hào)及回波信號(hào)傳輸通道相同，最終要與檢測(cè)儀相連接，為了消除外來(lái)電波對(duì)回路造成的影響，并防止這種高頻脈沖以電波形式向外輻射，要對(duì)回路的各環(huán)節(jié)做好屏蔽并選擇合適傳輸介質(zhì)。另外，鋼管超聲波檢測(cè)系統(tǒng)一般都有檢測(cè)橫傷、縱傷、斜傷、分層、測(cè)厚等要求，所以存在多路信號(hào)需要傳輸，防止相互干擾、抑制噪聲信號(hào)是對(duì)信號(hào)傳輸過(guò)程的基本要求。

3　信號(hào)傳輸原理

信號(hào)傳輸方式可分為接觸式傳輸與非接觸式傳輸兩類，其中接觸式傳輸主要指滑環(huán)式傳輸，非接觸式傳輸主要有無(wú)線傳輸、電容耦合傳輸、旋轉(zhuǎn)變壓器耦合傳輸?shù)确绞健?/p>

3.1滑環(huán)傳輸

滑環(huán)，也稱作旋轉(zhuǎn)電氣接口、電氣旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主要由旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子）與靜止（定子）兩大部分組成。旋轉(zhuǎn)部分連接探頭，靜止部分連接電子儀器。依靠彈力搭接原理、滾動(dòng)搭接原理或密封原理，實(shí)現(xiàn)探頭連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)與固定的電子儀器間信號(hào)的傳輸?；h(huán)示意圖見圖1。

3.2無(wú)線傳輸

無(wú)線傳輸是將旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分采用W IFI通訊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相互連接，是最新出現(xiàn)的一種信號(hào)傳輸方式。

圖1　滑環(huán)示意圖

圖2　無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，旋轉(zhuǎn)部分包含探頭組與信號(hào)處理單元，靜止部分由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電源組成，動(dòng)、靜部分由滑環(huán)連接。信號(hào)處理單元的作用是發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，并將探頭的回波信號(hào)進(jìn)行模擬放大、濾波以及數(shù)字化處理，同時(shí)承擔(dān)了信號(hào)同步和網(wǎng)絡(luò)通信的工作。為了使旋轉(zhuǎn)部分能得到持續(xù)的電能供應(yīng)，系統(tǒng)采用滑環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3電容耦合傳輸

電容耦合傳輸是由旋轉(zhuǎn)電容將探頭與靜止端的電子儀器進(jìn)行信號(hào)耦合的方式。如圖3所示，Cc為旋轉(zhuǎn)電容。電容的二極由保持高精度間隙的圓環(huán)形動(dòng)片和靜片組成。動(dòng)片安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，通過(guò)電纜和探頭直接相連；靜片固定在主機(jī)的絕緣盤片上，通過(guò)電纜和電子儀器相連。工作時(shí)，動(dòng)片隨主軸和探頭高速旋轉(zhuǎn)，電信號(hào)通過(guò)動(dòng)片和靜片之間形成的電容進(jìn)行耦合傳輸。

圖3　旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

3.4變壓器耦合傳輸

變壓器耦合傳輸?shù)脑硎请姶篷詈蟼鬏?，通過(guò)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，也稱電感耦合傳輸。

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)變壓器由多片間定子片和動(dòng)子片間隔布置，通道間通過(guò)屏蔽接地銅箔來(lái)隔離，防止串?dāng)_。動(dòng)子盤片安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，通過(guò)電纜和探頭直接相連；定子盤片固定在主機(jī)的絕緣盤片上，通過(guò)電纜和電子儀器相連。工作時(shí)，動(dòng)子盤片隨主軸和探頭高速旋轉(zhuǎn)，電信號(hào)通過(guò)動(dòng)子片和定子片之間的電磁耦合進(jìn)行信號(hào)傳輸。

4　信號(hào)傳輸方式的對(duì)比分析

滑環(huán)傳輸為機(jī)械接觸式傳輸，原理簡(jiǎn)單。滑環(huán)在滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生電子的噪聲，使系統(tǒng)信噪比降低，難以做到高速旋轉(zhuǎn)。滑環(huán)容易磨損，需要定期維護(hù)。

無(wú)線傳輸方式以Truscope inspection systerm[2]為代表，采用無(wú)線保真?zhèn)鬏敺绞?，受到W IFI等無(wú)線通訊技術(shù)發(fā)展的影響。目前所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11[3-4]，傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要分為直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和跳頻擴(kuò)頻（FHSS）二種。使用2.4 GHz附近頻段，傳輸距離為50~150 m。實(shí)際發(fā)射功率60~70 mW。一般使用在傳輸速率11 Mb，最高速率目前為54 Mbps，在惡劣條件下可切換至較低速率上以保證通信。在辦公、家居、醫(yī)院、交通、超市等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。

電容耦合方式代表產(chǎn)品為GE Inspection的ROTA[5]系列超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。電容值C=著S/d，著為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板正對(duì)面積，d為極板間的距離）。電容的參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸有至關(guān)重要的影響，超聲波探頭的頻率為1~20 MHz，所以耦合電容值Cc必須為500~2 000 pF才能保證信號(hào)的頻率在電容傳輸系統(tǒng)的通頻帶內(nèi)。

旋轉(zhuǎn)變壓器耦合方式代表產(chǎn)品為日本三菱電氣株式會(huì)社FDA-300R[6]的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。為了獲得更高的耦合系數(shù)，從而獲得高的互感系數(shù)，這對(duì)毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)的回波信號(hào)來(lái)說(shuō)極為重要，所以要求定子盤與動(dòng)子盤的間距小之外，還要保證這兩個(gè)相對(duì)盤面上的每條信號(hào)銅箔互為正投影。其互感系數(shù)[7]為：M=K（L定L動(dòng)）1/2，K為耦合系數(shù)，L定為定子盤電感，L動(dòng)為動(dòng)子盤電感）。

無(wú)線傳輸在探頭產(chǎn)生的模擬信號(hào)與處理板卡之間屬于直連，信噪比高，在板卡與接收儀器之間采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式。鏈路中的傳輸速率高，但在W IFI等技術(shù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性與實(shí)時(shí)性一般，傳輸質(zhì)量有待改進(jìn)。在旋轉(zhuǎn)部分需設(shè)置模擬信號(hào)接收、處理及數(shù)據(jù)發(fā)射電子板卡，增加旋轉(zhuǎn)部分的復(fù)雜性。

相對(duì)無(wú)線傳輸方式來(lái)說(shuō)，電容耦合與電感耦合方式在旋轉(zhuǎn)部分不設(shè)電子板卡，只包含探頭，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，模擬信號(hào)進(jìn)行直接傳輸，信號(hào)實(shí)時(shí)性好。電容耦合傳輸?shù)碾娙莅迮c地之間產(chǎn)生寄生電容，見圖3中的Cs和Cr。寄生電容與主電容相互作用，對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行分壓，削弱發(fā)射脈沖和回波信號(hào)，降低傳輸效率。電感耦合由于存在鐵損和銅損，也會(huì)降低傳輸效率。

相對(duì)滑環(huán)傳輸來(lái)說(shuō)，電容耦合與電感耦合方式?jīng)]有機(jī)械接觸，所以產(chǎn)生的噪聲較小，容易實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)；維護(hù)量少，壽命長(zhǎng)，但制造復(fù)雜，一次性投資目前相對(duì)較大。

電感耦合技術(shù)相對(duì)于電容耦合，制造相對(duì)容易、噪聲低，如果安裝精度高且封閉較好，系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行，壽命長(zhǎng)；但是，由于電磁耦合的特點(diǎn)，信號(hào)傳輸?shù)男瘦^低。其性能參數(shù)對(duì)比見表1。

表1　電容與電感耦合傳輸性能參數(shù)對(duì)比表（以180規(guī)格為例）

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在鋼管超聲檢測(cè)系統(tǒng)中，不同的信號(hào)傳輸技術(shù)具有各自的特點(diǎn)，傳輸方式的選擇根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及要求來(lái)確定。通過(guò)分析研究及實(shí)踐驗(yàn)證，高速檢測(cè)系統(tǒng)中，探頭旋轉(zhuǎn)方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)非接觸式信號(hào)耦合又比接觸式信號(hào)耦合的性能優(yōu)秀很多；國(guó)外先進(jìn)的高性能超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備大部分都是采用非接觸式的耦合技術(shù)，實(shí)踐表明，設(shè)備的使用壽命均在10年左右，而且系統(tǒng)都能始終保持良好的信號(hào)耦合效果。

提高模擬信號(hào)的質(zhì)量和系統(tǒng)信噪比是鋼管超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，集成電路的高速發(fā)展，高速AD的出現(xiàn)，使得模擬信號(hào)處理向著集成化、數(shù)字化的方向發(fā)展。無(wú)線傳輸技術(shù)在民用中的快速提高，也給工業(yè)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)

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Study on CriticalTechnology ofPipe High Speed Ultrasonic Detection SignalTransm ission

HOU Hong1,LUO Fu-xing2and CHENG You-qing2
(1.Tianjin Pipe Group Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China;2.Hangzhou Zheda JingyiElectromechanical Technology Holding Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang Province311121,China)

AbstractContacttype and non-contacttype transmission methodsofclass IIwere compared and analyzed to improve the quality and system performance ofsignaltransmission in pipe ultrasonic detection system.The paper summarizes the characteristics of piezoelectric ultrasonic excitement and echo signal,analyzes the structure and working principle ofsignalcoupling technology adopted atpresentand makes comparisons in characteristic parameter,technicalcharacteristic and manufacturing cost,providing a basis for design and application.

Key wordspipe ultrasonic detection system;signalcoupling;contacttype transmission;non-contacttype transmission

作者簡(jiǎn)介：侯宏（1965—），男，天津人，主要從事設(shè)備管理及機(jī)電一體化方面的研究工作。

收稿日期：2014-09-03修回日期：2014-09-26