鐵路車鉤配件相控陣技術研討

張 煒

（西安鐵路局物資處 西安）

一、概述

鐵路系統現階段對車鉤的鉤舌、鉤尾框、圓銷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，這種探傷方式結果很大程度取決于探傷操作人員的經驗判斷，人為主觀影響較大。另外鐵路系統部分部件如鋼軌焊縫目前廣為使用的A超式超聲波數字探傷，其實是利用簡單陣元（一般是幾個陣元）超聲波原理，回波產生波形曲線，同探傷儀內部儲存的標準曲線比較差異來實現對探傷的操作。該方式對檢測人員的經驗要求比較高，而且在現場使用時要頻繁更換探頭，且探傷效率較低，容易出現誤報。相控陣的技術利用專用的多晶片相控證探頭，和先進的發射，回波，放大，數字處理，人機交換控制，直觀的圖形顯示出被探傷部件的損傷。相控陣先進的控制技術和先進的相控陣探頭可以實現晶片的單獨調節，實現控制聲束軸線和焦點等參數，可以實現下面傳統探傷無法實現的功能。

隨著鐵路探傷的要求越來越高，目前的A超和磁粉探傷已經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、設計思想

利用可控多晶探頭發射和接收超聲波，進行數字放大，人機交換處理，實現被測部件的直觀圖像顯示。利用高壓發射出高頻高壓發射波，觸發相控陣單元，高壓脈沖通過相控陣單元的控制到達多晶探頭，發射出入射波到被測部件。由于缺陷的存在，被測部件在缺陷部分的物質密度會和其他地方出現差異，這樣子對于入射波的反射會有不同。反射波波前被探頭晶元接收，通過相控陣單元的控制，到達捕獲單元。捕獲單元通過處理，直觀的顯示出被測部件的缺陷。

（1）檢驗多樣性。相控陣可以輕松檢驗幾何形狀復雜的零件，如自動焊的焊縫，管接頭，檢測復雜或檢測空間受限的幾何工件。

（2）陣形尺寸小。可以應用在各種特殊的場所，如受空間限制的渦輪和圓盤類零件。

（3）機械可靠性。可控掃描方式，減少了搬動零件，使得檢測系統更穩定可靠，可以減少檢驗過程中的磨損和拉扯，同時能顯著提高系統檢測結果的可靠性。

（4）定向能力。控制相控陣的焦點，可以實現多目標目標多向探傷功能，利用定向扇形掃描，可以實現檢測部件的多點損傷和不同損傷的檢測。

三、系統構成及原理

1.單元/單板的劃分及功能描述

（1）前端板。實現探頭的多路切換，每個多晶探頭的掃面工作方式的控制，可以控制打開關閉所需要的探頭晶元。利用先進的高壓開關，可以控制晶元的選擇與否，這樣子可以實現目標晶元的選擇。定位，定向的測試被測部件的多點不同損傷。利用MOSFET信號驅動發生器和MOSFET，實現超聲信號的發射，提高發射信號的功率，達到高深度（可以達到80 cm的深度）的被測部件的內部測試。對于接收到的回波信號，也可以經過前端板的設計進行模數轉換，放大。利用先進的全通道的高精度10位A/D轉換器，把接收到的模擬信號轉換為可處理的數字信號。10位的A/D轉換，大大提高了模擬信號轉換為數字信號的回真率，大大保證圖像信息真實還原和圖像的豐富細膩。10位A/D帶有鉗位，濾波，可以選擇到實際需要的回波模擬信號，進行模擬到數字的轉換。對于轉換后的數字信號，前端板設計會利用對應的10位數字信號放大器進行放大。該10位數字信號放大器內置獨有的LNA（信號濾波），通過參數設計控制，濾除不需要的信號，選擇實際的回波信號進行放大。

（2）數字板。數字板的設計有整機的ARM處理器，實現整機的控制。包括主機的控制，控制鍵盤的人機交互，控制前端電路（發射和接收實現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，48K ROM存儲，可以達到快速處理控制顯示回波信號。②高速的圖像處理和顯示，可以達到8×和16×，真實的輸出圖像顯示信號，有兩個165 MHz的圖像輸出。③通用的存儲控制，8/16位多地址存儲空間，可擦除，錯誤定位。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。傳輸和接收時鐘可以達到48 MHz。

（3）電源。電池、適配器：整機系統的初級能量供給單元，實現整機的直流輸入；AC-DC電源：將AC 220 V轉換成DC 12 V；DC-DC電源：實現整機系統各個部件的電源供給，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現電池關機充電功能。

（4）背板。系統的主要互聯板，實現DC-DC電源到前端板、液晶顯示器、硬盤、數字板的電源輸入，數字板到液晶顯示器的信號轉換和驅動，腳踏開關信號、S-VIDEO信號、視頻輸出信號由數字板到背板并且由背板引出。

（5）顯示器。采用LED背光的工業級液晶顯示器，輸入信號為LVDS信號和背光電壓（其余點亮電壓在屏內部產生，無需外置點亮電壓和逆變器）。

（6）鍵盤、鼠標。實現操作人員對主機的控制，采用串口和數字板間進行通信。

（7）探頭。完成超聲波的發射和接收。相空陣探頭是一種晶片激發時可以單獨調節，以控制聲束軸線和焦點等參數的晶片陣列。根據晶片陣列型式不同，主要有1維線性陣列，2維線性陣列，1維環形陣列，2維環形陣列四種形式。線性陣列（1維,2維）基本上是一個長的常規探頭。切割成許多可以單獨激發的小晶片。1D、2D環形探頭成環形排列，基本可以做成圓形的探頭。

相控陣探頭每個晶片都有各自的接頭，延時電路，晶片之間彼此絕緣。可以根據預先計算好的時間延遲觸發晶片組中的每一個晶片，實現相位和波束的控制。實現波束的控制后就可以實現不同的掃描測試，達到自己需要的理想功能。

四、設計原理

1.發射接收原理

通過程序控制發射波形，發射波形放大后到達探頭，通過探頭發射超聲波給到被測物體。被測物體接收到超聲波后由于缺陷的存在，會反射出不同的回波到達探頭，探頭接收回波。

2.回波處理原理

接收到的回波經過AD轉換，把接收到的模擬信號轉換為可處理的數字信號。轉換后的數字信號經過數字信號放大器放大，ARM處理器處理轉換為可顯示的圖像信號到達LCD液晶顯示器直觀的把缺陷現實出來。

五、技術和特性說明

（1）利用二維插補、幀相關、線相關、邊緣增強、動態頻率掃描、動態濾波、數字聲束形成、圖像處理、線密度可調等先進的數字處理技術使得圖像更加清晰。

（2）采用高密度探頭實現高密度圖像掃描圖像更細膩、清晰，信息更豐富。

（3）內置工業級控制主板，提供豐富的超聲工作站功能的同時保證產品的安全和可靠。

（4）圖像存儲和回放功能讓操作者有了更大的操作自由。

（5）支持U盤，軟件可升級，并可在U盤中存儲或讀取資料。

（6）高性能放大器電路，獨立增益控制保證信號不失真的完全放大。

（7）高清液晶顯示，無閃爍，屏幕配有視保屏，能減輕操作者視覺 疲勞。

（8）高強度薄膜鍵盤設計，更加適應用戶野外使用需求。

（9）采用開關穩壓電源，電源適應性強。

（10）全通道的高精度10位A/D轉換器保證圖像信息豐富細膩。

（11）多通道接收孔徑，數字波束合成。

（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）先進的90 nm工藝150萬門大規模集成電路的應用使得產品可靠性更高。

（14）SMT（表面貼裝）工藝極大地保證了產品的可靠性。

（15）產品采用全金屬屏蔽設計，減少對于使用環境的依賴。

（16）產品采用8層高密電路板的精密加工技術。

（17）設備的所有重點信號連接器均采用國際大品牌的連接器并且為鍍金工藝以保證產品的可靠性。

（18）外殼等外觀部件均采用精密模具壓制，可以保證產品的外形一致性。

六、結束語

相控陣技術是一種區別去目前傳統的探傷技術的人為主觀性，探傷效率低（誤報率高），和探傷空間局限性的一種新型的工業探傷技術。對不同的復雜幾何外形的被測部件，空間局限的被測部件的單點，多點缺陷的掃描和實時的直觀圖像顯示。