鋼管高速超聲檢測信號傳輸的關鍵技術研究

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

鋼管高速超聲檢測信號傳輸的關鍵技術研究

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

[摘要]為提高鋼管高速超聲波檢測系統中信號傳輸的質量和系統性能，對接觸式及非接觸式二類傳輸方式進行對比分析。總結了壓電超聲激勵及回波信號特點，分析了目前主要采用的信號耦合技術的結構及工作原理，并在特性參數、技術特點、制造成本等方面進行相互對比，為設計應用提供了依據。

[關鍵詞]鋼管超聲波檢測系統；信號耦合；接觸式傳輸；非接觸式傳輸

1　引言

無縫鋼管被大量用于機械工業、石油地質工業、化工、電站鍋爐和熱交換等領域，鋼管的質量對安全和經濟效益有巨大的影響。超聲波檢測作為質量控制環節，大部分缺陷是在這一環節被發現的，因此，超聲波檢測成為質量控制的重要手段。

超聲波檢測主要分為探頭信號產生、信號傳輸、信號處理及信息的融合、顯示等過程。為實現對鋼管的全方位掃查并提高檢測效率，一般采用探頭做高速圓周旋轉與鋼管沿軸向直線前進形成螺旋的方式進行掃查[1]。旋轉探頭和電子儀器之間需要信號連接耦合，以便電子儀器發射的激勵信號傳輸到探頭，同時將探頭接收到的反射回波信號傳輸到電子儀器進行處理。由于探頭的回波信號均為微弱的高頻電信號，所以對探頭和電子儀器之間的信號耦合技術的要求很高，成為鋼管超聲波高速檢測系統信號傳輸的關鍵技術。

本研究對旋轉探頭和電子儀器之間形成的動、靜信號連接耦合的各種方式進行原理分析，并進行特點對比，為設計應用提供指導。

2　超聲波檢測信號的特點

2.1激勵信號

探頭工作的原理是壓電材料的逆壓電效應，即壓電晶片處于電場中，在電場力的作用下發生形變，在交變電場力的作用下發射超聲波。交變電場給的激勵信號越強，探頭產生的超聲波能量就越大，傳輸距離也隨之加長，但超聲波是機械波，能量并不是越強越好，能量在被檢測鋼管中的反復反射、折射會產生新的二次干擾。一般探頭的交變電場激勵信號應工作在頻率2.25~20 MHz，電壓等級100~650 V。

2.2回波信號

超聲波回波的工作原理是壓電材料的正壓電效應，當發現缺陷引起缺陷振動，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、壓力作用下產生交變電場。超聲波在鋼管中經過多次反射、折射，能量損耗較大，能經過換能器回波產生的電信號在毫伏及甚至微伏級。

探頭的激勵信號及回波信號傳輸通道相同，最終要與檢測儀相連接，為了消除外來電波對回路造成的影響，并防止這種高頻脈沖以電波形式向外輻射，要對回路的各環節做好屏蔽并選擇合適傳輸介質。另外，鋼管超聲波檢測系統一般都有檢測橫傷、縱傷、斜傷、分層、測厚等要求，所以存在多路信號需要傳輸，防止相互干擾、抑制噪聲信號是對信號傳輸過程的基本要求。

3　信號傳輸原理

信號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式傳輸，非接觸式傳輸主要有無線傳輸、電容耦合傳輸、旋轉變壓器耦合傳輸等方式。

3.1滑環傳輸

滑環，也稱作旋轉電氣接口、電氣旋轉關節，主要由旋轉（轉子）與靜止（定子）兩大部分組成。旋轉部分連接探頭，靜止部分連接電子儀器。依靠彈力搭接原理、滾動搭接原理或密封原理，實現探頭連續旋轉時與固定的電子儀器間信號的傳輸。滑環示意圖見圖1。

3.2無線傳輸

無線傳輸是將旋轉部分與靜止部分采用W IFI通訊實現信號的相互連接，是最新出現的一種信號傳輸方式。

圖1　滑環示意圖

圖2　無線傳輸系統結構示意圖

無線傳輸系統結構如圖2所示，旋轉部分包含探頭組與信號處理單元，靜止部分由上位機數據處理系統、電源組成，動、靜部分由滑環連接。信號處理單元的作用是發送激勵信號，并將探頭的回波信號進行模擬放大、濾波以及數字化處理，同時承擔了信號同步和網絡通信的工作。為了使旋轉部分能得到持續的電能供應，系統采用滑環來實現。

3.3電容耦合傳輸

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

圖3　旋轉變壓器結構示意圖

3.4變壓器耦合傳輸

變壓器耦合傳輸的原理是電磁耦合傳輸，通過電流產生的磁場相互作用，實現信號的傳輸，也稱電感耦合傳輸。

如圖3所示，旋轉變壓器由多片間定子片和動子片間隔布置，通道間通過屏蔽接地銅箔來隔離，防止串擾。動子盤片安裝在旋轉主軸上，通過電纜和探頭直接相連；定子盤片固定在主機的絕緣盤片上，通過電纜和電子儀器相連。工作時，動子盤片隨主軸和探頭高速旋轉，電信號通過動子片和定子片之間的電磁耦合進行信號傳輸。

4　信號傳輸方式的對比分析

滑環傳輸為機械接觸式傳輸，原理簡單。滑環在滑動過程中產生電子的噪聲，使系統信噪比降低，難以做到高速旋轉。滑環容易磨損，需要定期維護。

無線傳輸方式以Truscope inspection systerm[2]為代表，采用無線保真傳輸方式，受到W IFI等無線通訊技術發展的影響。目前所應用的標準為IEEE802.11[3-4]，傳輸標準主要分為直接序列擴頻（DSSS）和跳頻擴頻（FHSS）二種。使用2.4 GHz附近頻段，傳輸距離為50~150 m。實際發射功率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、醫院、交通、超市等場合廣泛應用。

電容耦合方式代表產品為GE Inspection的ROTA[5]系列超聲波檢測系統。電容值C=著S/d，著為極板間介質的介電常數，S為極板正對面積，d為極板間的距離）。電容的參數對信號傳輸有至關重要的影響，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才能保證信號的頻率在電容傳輸系統的通頻帶內。

旋轉變壓器耦合方式代表產品為日本三菱電氣株式會社FDA-300R[6]的超聲波檢測系統。為了獲得更高的耦合系數，從而獲得高的互感系數，這對毫伏級甚至微伏級的回波信號來說極為重要，所以要求定子盤與動子盤的間距小之外，還要保證這兩個相對盤面上的每條信號銅箔互為正投影。其互感系數[7]為：M=K（L定L動）1/2，K為耦合系數，L定為定子盤電感，L動為動子盤電感）。

無線傳輸在探頭產生的模擬信號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線數據傳輸方式。鏈路中的傳輸速率高，但在W IFI等技術傳輸的無線通信質量不是很好，數據安全性與實時性一般，傳輸質量有待改進。在旋轉部分需設置模擬信號接收、處理及數據發射電子板卡，增加旋轉部分的復雜性。

相對無線傳輸方式來說，電容耦合與電感耦合方式在旋轉部分不設電子板卡，只包含探頭，結構相對簡單，模擬信號進行直接傳輸，信號實時性好。電容耦合傳輸的電容板與地之間產生寄生電容，見圖3中的Cs和Cr。寄生電容與主電容相互作用，對傳輸信號進行分壓，削弱發射脈沖和回波信號，降低傳輸效率。電感耦合由于存在鐵損和銅損，也會降低傳輸效率。

相對滑環傳輸來說，電容耦合與電感耦合方式沒有機械接觸，所以產生的噪聲較小，容易實現高速旋轉；維護量少，壽命長，但制造復雜，一次性投資目前相對較大。

電感耦合技術相對于電容耦合，制造相對容易、噪聲低，如果安裝精度高且封閉較好，系統可以長時間無故障運行，壽命長；但是，由于電磁耦合的特點，信號傳輸的效率較低。其性能參數對比見表1。

表1　電容與電感耦合傳輸性能參數對比表（以180規格為例）

5　結語

綜上所述，在鋼管超聲檢測系統中，不同的信號傳輸技術具有各自的特點，傳輸方式的選擇根據不同的應用場合及要求來確定。通過分析研究及實踐驗證，高速檢測系統中，探頭旋轉方式具有諸多優點，同時非接觸式信號耦合又比接觸式信號耦合的性能優秀很多；國外先進的高性能超聲波自動探傷設備大部分都是采用非接觸式的耦合技術，實踐表明，設備的使用壽命均在10年左右，而且系統都能始終保持良好的信號耦合效果。

提高模擬信號的質量和系統信噪比是鋼管超聲檢測系統中的關鍵環節之一，集成電路的高速發展，高速AD的出現，使得模擬信號處理向著集成化、數字化的方向發展。無線傳輸技術在民用中的快速提高，也給工業應用提供堅實的基礎和廣闊的空間。

參考文獻

[1]中國機械工程學會無損檢測學會編，超聲波檢測[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] NOV Tuboscope.Truscope inspection systerm [DB/OL].[2014-08 -10].http://www.nov.com/tuboscope/default.aspx，2014.

[3] IEEE802.11b-1999，物理層補充[S].

[4] IEEE802.11a-1999，物理層補充[S].

[5] GEIT-60018EN.GE工業無損檢測系統介紹[R].美國麻薩諸州，2007.

[6]蔡永紅.FDA-300R在線全自動探傷設備信號通道分析及供水系統改造[J].鋼管，2002（5）：42-44.

[7]王寶誠，翟華.解密旋轉變壓器[J].天津冶金，2007（5）：30-33.

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

作者簡介：侯宏（1965—），男，天津人，主要從事設備管理及機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