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(shù)股份有限公司，浙江杭州3）

鋼管高速超聲檢測信號傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究

侯宏1，羅福興2，程有清2
（1.天津鋼管集團股份有限公司，天津300301；
2.杭州浙達精益機電技術(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系統(tǒng)中信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和系統(tǒng)性能，對接觸式及非接觸式二類傳輸方式進行對比分析?？偨Y(jié)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(shù)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并在特性參數(shù)、技術(shù)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(jù)。

[關(guān)鍵詞]鋼管超聲波檢測系統(tǒng)；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(yè)、石油地質(zhì)工業(yè)、化工、電站鍋爐和熱交換等領域，鋼管的質(zhì)量對安全和經(jīng)濟效益有巨大的影響。超聲波檢測作為質(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，超聲波檢測成為質(zhì)量控制的重要手段。

超聲波檢測主要分為探頭信號產(chǎn)生、信號傳輸、信號處理及信息的融合、顯示等過程。為實現(xiàn)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(zhuǎn)與鋼管沿軸向直線前進形成螺旋的方式進行掃查[1]。旋轉(zhuǎn)探頭和電子儀器之間需要信號連接耦合，以便電子儀器發(fā)射的激勵信號傳輸?shù)教筋^，同時將探頭接收到的反射回波信號傳輸?shù)诫娮觾x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(shù)的要求很高，成為鋼管超聲波高速檢測系統(tǒng)信號傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

本研究對旋轉(zhuǎn)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(fā)生形變，在交變電場力的作用下發(fā)射超聲波。交變電場給的激勵信號越強，探頭產(chǎn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生交變電場。超聲波在鋼管中經(jīng)過多次反射、折射，能量損耗較大，能經(jīng)過換能器回波產(chǎn)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(huán)節(jié)做好屏蔽并選擇合適傳輸介質(zhì)。另外，鋼管超聲波檢測系統(tǒng)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(huán)式傳輸，非接觸式傳輸主要有無線傳輸、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、滾動搭接原理或密封原理，實現(xiàn)探頭連續(xù)旋轉(zhuǎn)時與固定的電子儀器間信號的傳輸?；h(huán)示意圖見圖1。

3.2無線傳輸

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

圖1　滑環(huán)示意圖

圖2　無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，旋轉(zhuǎn)部分包含探頭組與信號處理單元，靜止部分由上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電源組成，動、靜部分由滑環(huán)連接。信號處理單元的作用是發(fā)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(shù)字化處理，同時承擔了信號同步和網(wǎng)絡通信的工作。為了使旋轉(zhuǎn)部分能得到持續(xù)的電能供應，系統(tǒng)采用滑環(huán)來實現(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行信號耦合的方式。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)形動片和靜片組成。動片安裝在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(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?，通過電流產(chǎn)生的磁場相互作用，實現(xiàn)信號的傳輸，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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(huán)傳輸為機械接觸式傳輸，原理簡單?；h(huán)在滑動過程中產(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)?；h(huán)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?zhèn)鬏敺绞剑艿絎 IFI等無線通訊技術(shù)發(fā)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(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、超市等場合廣泛應用。

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為極板正對面積，d為極板間的距離）。電容的參數(shù)對信號傳輸有至關(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社FDA-300R[6]的超聲波檢測系統(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(shù)[7]為：M=K（L定L動）1/2，K為耦合系數(shù)，L定為定子盤電感，L動為動子盤電感）。

無線傳輸在探頭產(chǎn)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(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線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性與實時性一般，傳輸質(zhì)量有待改進。在旋轉(zhuǎn)部分需設置模擬信號接收、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(zhuǎn)部分不設電子板卡，只包含探頭，結(jié)構(gòu)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?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，對傳輸信號進行分壓，削弱發(fā)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(huán)傳輸來說，電容耦合與電感耦合方式?jīng)]有機械接觸，所以產(chǎn)生的噪聲較小，容易實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)；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(shù)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(tǒng)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?shù)男瘦^低。其性能參數(shù)對比見表1。

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

5　結(jié)語

綜上所述，在鋼管超聲檢測系統(tǒng)中，不同的信號傳輸技術(shù)具有各自的特點，傳輸方式的選擇根據(jù)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(tǒng)中，探頭旋轉(zhuǎn)方式具有諸多優(yōu)點，同時非接觸式信號耦合又比接觸式信號耦合的性能優(yōu)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(shù)，實踐表明，設備的使用壽命均在10年左右，而且系統(tǒng)都能始終保持良好的信號耦合效果。

提高模擬信號的質(zhì)量和系統(tǒng)信噪比是鋼管超聲檢測系統(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)，使得模擬信號處理向著集成化、數(shù)字化的方向發(fā)展。無線傳輸技術(shù)在民用中的快速提高，也給工業(yè)應用提供堅實的基礎和廣闊的空間。

參考文獻

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[3] IEEE802.11b-1999，物理層補充[S].

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[7]王寶誠，翟華.解密旋轉(zhuǎn)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