鐵路車(chē)鉤配件相控陣技術(shù)研討

張 煒

（西安鐵路局物資處 西安）

一、概述

鐵路系統(tǒng)現(xiàn)階段對(duì)車(chē)鉤的鉤舌、鉤尾框、圓銷(xiāo)或部分重要部件的焊縫（T型、角形及平面）的探傷采用的是磁粉干法或濕法探傷，這種探傷方式結(jié)果很大程度取決于探傷操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，人為主觀影響較大。另外鐵路系統(tǒng)部分部件如鋼軌焊縫目前廣為使用的A超式超聲波數(shù)字探傷，其實(shí)是利用簡(jiǎn)單陣元（一般是幾個(gè)陣元）超聲波原理，回波產(chǎn)生波形曲線，同探傷儀內(nèi)部?jī)?chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)曲線比較差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)探傷的操作。該方式對(duì)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，而且在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要頻繁更換探頭，且探傷效率較低，容易出現(xiàn)誤報(bào)。相控陣的技術(shù)利用專(zhuān)用的多晶片相控證探頭，和先進(jìn)的發(fā)射，回波，放大，數(shù)字處理，人機(jī)交換控制，直觀的圖形顯示出被探傷部件的損傷。相控陣先進(jìn)的控制技術(shù)和先進(jìn)的相控陣探頭可以實(shí)現(xiàn)晶片的單獨(dú)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制聲束軸線和焦點(diǎn)等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)下面?zhèn)鹘y(tǒng)探傷無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

隨著鐵路探傷的要求越來(lái)越高，目前的A超和磁粉探傷已經(jīng)不能滿足探傷的要求。相控陣探傷儀能直觀的顯示出工件內(nèi)部傷，能讓探傷人員直觀的判斷傷損，大大提高工作效率。

二、設(shè)計(jì)思想

利用可控多晶探頭發(fā)射和接收超聲波，進(jìn)行數(shù)字放大，人機(jī)交換處理，實(shí)現(xiàn)被測(cè)部件的直觀圖像顯示。利用高壓發(fā)射出高頻高壓發(fā)射波，觸發(fā)相控陣單元，高壓脈沖通過(guò)相控陣單元的控制到達(dá)多晶探頭，發(fā)射出入射波到被測(cè)部件。由于缺陷的存在，被測(cè)部件在缺陷部分的物質(zhì)密度會(huì)和其他地方出現(xiàn)差異，這樣子對(duì)于入射波的反射會(huì)有不同。反射波波前被探頭晶元接收，通過(guò)相控陣單元的控制，到達(dá)捕獲單元。捕獲單元通過(guò)處理，直觀的顯示出被測(cè)部件的缺陷。

（1）檢驗(yàn)多樣性。相控陣可以輕松檢驗(yàn)幾何形狀復(fù)雜的零件，如自動(dòng)焊的焊縫，管接頭，檢測(cè)復(fù)雜或檢測(cè)空間受限的幾何工件。

（2）陣形尺寸小。可以應(yīng)用在各種特殊的場(chǎng)所，如受空間限制的渦輪和圓盤(pán)類(lèi)零件。

（3）機(jī)械可靠性?？煽貟呙璺绞?，減少了搬動(dòng)零件，使得檢測(cè)系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠，可以減少檢驗(yàn)過(guò)程中的磨損和拉扯，同時(shí)能顯著提高系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

（4）定向能力。控制相控陣的焦點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)目標(biāo)多向探傷功能，利用定向扇形掃描，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)部件的多點(diǎn)損傷和不同損傷的檢測(cè)。

三、系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.單元/單板的劃分及功能描述

（1）前端板。實(shí)現(xiàn)探頭的多路切換，每個(gè)多晶探頭的掃面工作方式的控制，可以控制打開(kāi)關(guān)閉所需要的探頭晶元。利用先進(jìn)的高壓開(kāi)關(guān)，可以控制晶元的選擇與否，這樣子可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)晶元的選擇。定位，定向的測(cè)試被測(cè)部件的多點(diǎn)不同損傷。利用MOSFET信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)生器和MOSFET，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的發(fā)射，提高發(fā)射信號(hào)的功率，達(dá)到高深度（可以達(dá)到80 cm的深度）的被測(cè)部件的內(nèi)部測(cè)試。對(duì)于接收到的回波信號(hào)，也可以經(jīng)過(guò)前端板的設(shè)計(jì)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，放大。利用先進(jìn)的全通道的高精度10位A/D轉(zhuǎn)換器，把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)字信號(hào)。10位的A/D轉(zhuǎn)換，大大提高了模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的回真率，大大保證圖像信息真實(shí)還原和圖像的豐富細(xì)膩。10位A/D帶有鉗位，濾波，可以選擇到實(shí)際需要的回波模擬信號(hào)，進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。對(duì)于轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，前端板設(shè)計(jì)會(huì)利用對(duì)應(yīng)的10位數(shù)字信號(hào)放大器進(jìn)行放大。該10位數(shù)字信號(hào)放大器內(nèi)置獨(dú)有的LNA（信號(hào)濾波），通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)控制，濾除不需要的信號(hào)，選擇實(shí)際的回波信號(hào)進(jìn)行放大。

（2）數(shù)字板。數(shù)字板的設(shè)計(jì)有整機(jī)的ARM處理器，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制。包括主機(jī)的控制，控制鍵盤(pán)的人機(jī)交互，控制前端電路（發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)超聲的工作掃描方式，波束的形成控制和成像。該處理器包含：①1 GHz的處理單元，128K RAM存儲(chǔ)，48K ROM存儲(chǔ)，可以達(dá)到快速處理控制顯示回波信號(hào)。②高速的圖像處理和顯示，可以達(dá)到8×和16×，真實(shí)的輸出圖像顯示信號(hào)，有兩個(gè)165 MHz的圖像輸出。③通用的存儲(chǔ)控制，8/16位多地址存儲(chǔ)空間，可擦除，錯(cuò)誤定位。④通用的控制接口，可以與FPGA，ASIC等通信。⑤3.3 V I/O口輸出，雙USB端口。傳輸和接收時(shí)鐘可以達(dá)到48 MHz。

（3）電源。電池、適配器：整機(jī)系統(tǒng)的初級(jí)能量供給單元，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的直流輸入；AC-DC電源：將AC 220 V轉(zhuǎn)換成DC 12 V；DC-DC電源：實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件的電源供給，輸出電壓包括+1.8 V、+5 V、+3.3 V、+12 V、-12 V、+90 V、-90 V， 包含電池充電電路實(shí)現(xiàn)電池關(guān)機(jī)充電功能。

（4）背板。系統(tǒng)的主要互聯(lián)板，實(shí)現(xiàn)DC-DC電源到前端板、液晶顯示器、硬盤(pán)、數(shù)字板的電源輸入，數(shù)字板到液晶顯示器的信號(hào)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)，腳踏開(kāi)關(guān)信號(hào)、S-VIDEO信號(hào)、視頻輸出信號(hào)由數(shù)字板到背板并且由背板引出。

（5）顯示器。采用LED背光的工業(yè)級(jí)液晶顯示器，輸入信號(hào)為L(zhǎng)VDS信號(hào)和背光電壓（其余點(diǎn)亮電壓在屏內(nèi)部產(chǎn)生，無(wú)需外置點(diǎn)亮電壓和逆變器）。

（6）鍵盤(pán)、鼠標(biāo)。實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)主機(jī)的控制，采用串口和數(shù)字板間進(jìn)行通信。

（7）探頭。完成超聲波的發(fā)射和接收。相空陣探頭是一種晶片激發(fā)時(shí)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以控制聲束軸線和焦點(diǎn)等參數(shù)的晶片陣列。根據(jù)晶片陣列型式不同，主要有1維線性陣列，2維線性陣列，1維環(huán)形陣列，2維環(huán)形陣列四種形式。線性陣列（1維,2維）基本上是一個(gè)長(zhǎng)的常規(guī)探頭。切割成許多可以單獨(dú)激發(fā)的小晶片。1D、2D環(huán)形探頭成環(huán)形排列，基本可以做成圓形的探頭。

相控陣探頭每個(gè)晶片都有各自的接頭，延時(shí)電路，晶片之間彼此絕緣?？梢愿鶕?jù)預(yù)先計(jì)算好的時(shí)間延遲觸發(fā)晶片組中的每一個(gè)晶片，實(shí)現(xiàn)相位和波束的控制。實(shí)現(xiàn)波束的控制后就可以實(shí)現(xiàn)不同的掃描測(cè)試，達(dá)到自己需要的理想功能。

四、設(shè)計(jì)原理

1.發(fā)射接收原理

通過(guò)程序控制發(fā)射波形，發(fā)射波形放大后到達(dá)探頭，通過(guò)探頭發(fā)射超聲波給到被測(cè)物體。被測(cè)物體接收到超聲波后由于缺陷的存在，會(huì)反射出不同的回波到達(dá)探頭，探頭接收回波。

2.回波處理原理

接收到的回波經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)放大器放大，ARM處理器處理轉(zhuǎn)換為可顯示的圖像信號(hào)到達(dá)LCD液晶顯示器直觀的把缺陷現(xiàn)實(shí)出來(lái)。

五、技術(shù)和特性說(shuō)明

（1）利用二維插補(bǔ)、幀相關(guān)、線相關(guān)、邊緣增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)頻率掃描、動(dòng)態(tài)濾波、數(shù)字聲束形成、圖像處理、線密度可調(diào)等先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)使得圖像更加清晰。

（2）采用高密度探頭實(shí)現(xiàn)高密度圖像掃描圖像更細(xì)膩、清晰，信息更豐富。

（3）內(nèi)置工業(yè)級(jí)控制主板，提供豐富的超聲工作站功能的同時(shí)保證產(chǎn)品的安全和可靠。

（4）圖像存儲(chǔ)和回放功能讓操作者有了更大的操作自由。

（5）支持U盤(pán)，軟件可升級(jí)，并可在U盤(pán)中存儲(chǔ)或讀取資料。

（6）高性能放大器電路，獨(dú)立增益控制保證信號(hào)不失真的完全放大。

（7）高清液晶顯示，無(wú)閃爍，屏幕配有視保屏，能減輕操作者視覺(jué) 疲勞。

（8）高強(qiáng)度薄膜鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，更加適應(yīng)用戶(hù)野外使用需求。

（9）采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，電源適應(yīng)性強(qiáng)。

（10）全通道的高精度10位A/D轉(zhuǎn)換器保證圖像信息豐富細(xì)膩。

（11）多通道接收孔徑，數(shù)字波束合成。

（12）零插拔力自鎖探頭接口保證連接可靠，方便使用者的操作。

（13）先進(jìn)的90 nm工藝150萬(wàn)門(mén)大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使得產(chǎn)品可靠性更高。

（14）SMT（表面貼裝）工藝極大地保證了產(chǎn)品的可靠性。

（15）產(chǎn)品采用全金屬屏蔽設(shè)計(jì)，減少對(duì)于使用環(huán)境的依賴(lài)。

（16）產(chǎn)品采用8層高密電路板的精密加工技術(shù)。

（17）設(shè)備的所有重點(diǎn)信號(hào)連接器均采用國(guó)際大品牌的連接器并且為鍍金工藝以保證產(chǎn)品的可靠性。

（18）外殼等外觀部件均采用精密模具壓制，可以保證產(chǎn)品的外形一致性。

六、結(jié)束語(yǔ)

相控陣技術(shù)是一種區(qū)別去目前傳統(tǒng)的探傷技術(shù)的人為主觀性，探傷效率低（誤報(bào)率高），和探傷空間局限性的一種新型的工業(yè)探傷技術(shù)。對(duì)不同的復(fù)雜幾何外形的被測(cè)部件，空間局限的被測(cè)部件的單點(diǎn)，多點(diǎn)缺陷的掃描和實(shí)時(shí)的直觀圖像顯示。