钢管高速超声检测信号传输的关键技术研究

侯　宏，罗福兴，程有清（.天津钢管集团股份有限公司，天津30030；.杭州浙达精益机电技术股份有限公司，浙江杭州3）

钢管高速超声检测信号传输的关键技术研究

侯宏1，罗福兴2，程有清2
（1.天津钢管集团股份有限公司，天津300301；
2.杭州浙达精益机电技术股份有限公司，浙江杭州311121）

[摘要]为提高钢管高速超声波检测系统中信号传输的质量和系统性能，对接触式及非接触式二类传输方式进行对比分析。总结了压电超声激励及回波信号特点，分析了目前主要采用的信号耦合技术的结构及工作原理，并在特性参数、技术特点、制造成本等方面进行相互对比，为设计应用提供了依据。

[关键词]钢管超声波检测系统；信号耦合；接触式传输；非接触式传输

1　引言

无缝钢管被大量用于机械工业、石油地质工业、化工、电站锅炉和热交换等领域，钢管的质量对安全和经济效益有巨大的影响。超声波检测作为质量控制环节，大部分缺陷是在这一环节被发现的，因此，超声波检测成为质量控制的重要手段。

超声波检测主要分为探头信号产生、信号传输、信号处理及信息的融合、显示等过程。为实现对钢管的全方位扫查并提高检测效率，一般采用探头做高速圆周旋转与钢管沿轴向直线前进形成螺旋的方式进行扫查[1]。旋转探头和电子仪器之间需要信号连接耦合，以便电子仪器发射的激励信号传输到探头，同时将探头接收到的反射回波信号传输到电子仪器进行处理。由于探头的回波信号均为微弱的高频电信号，所以对探头和电子仪器之间的信号耦合技术的要求很高，成为钢管超声波高速检测系统信号传输的关键技术。

本研究对旋转探头和电子仪器之间形成的动、静信号连接耦合的各种方式进行原理分析，并进行特点对比，为设计应用提供指导。

2　超声波检测信号的特点

2.1激励信号

探头工作的原理是压电材料的逆压电效应，即压电晶片处于电场中，在电场力的作用下发生形变，在交变电场力的作用下发射超声波。交变电场给的激励信号越强，探头产生的超声波能量就越大，传输距离也随之加长，但超声波是机械波，能量并不是越强越好，能量在被检测钢管中的反复反射、折射会产生新的二次干扰。一般探头的交变电场激励信号应工作在频率2.25~20 MHz，电压等级100~650 V。

2.2回波信号

超声波回波的工作原理是压电材料的正压电效应，当发现缺陷引起缺陷振动，其中一部分沿原路返回，由于超声波具有一定的能量，再作用到压电晶体上，使压电晶体在交变拉、压力作用下产生交变电场。超声波在钢管中经过多次反射、折射，能量损耗较大，能经过换能器回波产生的电信号在毫伏及甚至微伏级。

探头的激励信号及回波信号传输通道相同，最终要与检测仪相连接，为了消除外来电波对回路造成的影响，并防止这种高频脉冲以电波形式向外辐射，要对回路的各环节做好屏蔽并选择合适传输介质。另外，钢管超声波检测系统一般都有检测横伤、纵伤、斜伤、分层、测厚等要求，所以存在多路信号需要传输，防止相互干扰、抑制噪声信号是对信号传输过程的基本要求。

3　信号传输原理

信号传输方式可分为接触式传输与非接触式传输两类，其中接触式传输主要指滑环式传输，非接触式传输主要有无线传输、电容耦合传输、旋转变压器耦合传输等方式。

3.1滑环传输

滑环，也称作旋转电气接口、电气旋转关节，主要由旋转（转子）与静止（定子）两大部分组成。旋转部分连接探头，静止部分连接电子仪器。依靠弹力搭接原理、滚动搭接原理或密封原理，实现探头连续旋转时与固定的电子仪器间信号的传输。滑环示意图见图1。

3.2无线传输

无线传输是将旋转部分与静止部分采用W IFI通讯实现信号的相互连接，是最新出现的一种信号传输方式。

图1　滑环示意图

图2　无线传输系统结构示意图

无线传输系统结构如图2所示，旋转部分包含探头组与信号处理单元，静止部分由上位机数据处理系统、电源组成，动、静部分由滑环连接。信号处理单元的作用是发送激励信号，并将探头的回波信号进行模拟放大、滤波以及数字化处理，同时承担了信号同步和网络通信的工作。为了使旋转部分能得到持续的电能供应，系统采用滑环来实现。

3.3电容耦合传输

电容耦合传输是由旋转电容将探头与静止端的电子仪器进行信号耦合的方式。如图3所示，Cc为旋转电容。电容的二极由保持高精度间隙的圆环形动片和静片组成。动片安装在旋转主轴上，通过电缆和探头直接相连；静片固定在主机的绝缘盘片上，通过电缆和电子仪器相连。工作时，动片随主轴和探头高速旋转，电信号通过动片和静片之间形成的电容进行耦合传输。

图3　旋转变压器结构示意图

3.4变压器耦合传输

变压器耦合传输的原理是电磁耦合传输，通过电流产生的磁场相互作用，实现信号的传输，也称电感耦合传输。

如图3所示，旋转变压器由多片间定子片和动子片间隔布置，通道间通过屏蔽接地铜箔来隔离，防止串扰。动子盘片安装在旋转主轴上，通过电缆和探头直接相连；定子盘片固定在主机的绝缘盘片上，通过电缆和电子仪器相连。工作时，动子盘片随主轴和探头高速旋转，电信号通过动子片和定子片之间的电磁耦合进行信号传输。

4　信号传输方式的对比分析

滑环传输为机械接触式传输，原理简单。滑环在滑动过程中产生电子的噪声，使系统信噪比降低，难以做到高速旋转。滑环容易磨损，需要定期维护。

无线传输方式以Truscope inspection systerm[2]为代表，采用无线保真传输方式，受到W IFI等无线通讯技术发展的影响。目前所应用的标准为IEEE802.11[3-4]，传输标准主要分为直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）二种。使用2.4 GHz附近频段，传输距离为50~150 m。实际发射功率60~70 mW。一般使用在传输速率11 Mb，最高速率目前为54 Mbps，在恶劣条件下可切换至较低速率上以保证通信。在办公、家居、医院、交通、超市等场合广泛应用。

电容耦合方式代表产品为GE Inspection的ROTA[5]系列超声波检测系统。电容值C=着S/d，着为极板间介质的介电常数，S为极板正对面积，d为极板间的距离）。电容的参数对信号传输有至关重要的影响，超声波探头的频率为1~20 MHz，所以耦合电容值Cc必须为500~2 000 pF才能保证信号的频率在电容传输系统的通频带内。

旋转变压器耦合方式代表产品为日本三菱电气株式会社FDA-300R[6]的超声波检测系统。为了获得更高的耦合系数，从而获得高的互感系数，这对毫伏级甚至微伏级的回波信号来说极为重要，所以要求定子盘与动子盘的间距小之外，还要保证这两个相对盘面上的每条信号铜箔互为正投影。其互感系数[7]为：M=K（L定L动）1/2，K为耦合系数，L定为定子盘电感，L动为动子盘电感）。

无线传输在探头产生的模拟信号与处理板卡之间属于直连，信噪比高，在板卡与接收仪器之间采用无线数据传输方式。链路中的传输速率高，但在W IFI等技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性与实时性一般，传输质量有待改进。在旋转部分需设置模拟信号接收、处理及数据发射电子板卡，增加旋转部分的复杂性。

相对无线传输方式来说，电容耦合与电感耦合方式在旋转部分不设电子板卡，只包含探头，结构相对简单，模拟信号进行直接传输，信号实时性好。电容耦合传输的电容板与地之间产生寄生电容，见图3中的Cs和Cr。寄生电容与主电容相互作用，对传输信号进行分压，削弱发射脉冲和回波信号，降低传输效率。电感耦合由于存在铁损和铜损，也会降低传输效率。

相对滑环传输来说，电容耦合与电感耦合方式没有机械接触，所以产生的噪声较小，容易实现高速旋转；维护量少，寿命长，但制造复杂，一次性投资目前相对较大。

电感耦合技术相对于电容耦合，制造相对容易、噪声低，如果安装精度高且封闭较好，系统可以长时间无故障运行，寿命长；但是，由于电磁耦合的特点，信号传输的效率较低。其性能参数对比见表1。

表1　电容与电感耦合传输性能参数对比表（以180规格为例）

5　结语

综上所述，在钢管超声检测系统中，不同的信号传输技术具有各自的特点，传输方式的选择根据不同的应用场合及要求来确定。通过分析研究及实践验证，高速检测系统中，探头旋转方式具有诸多优点，同时非接触式信号耦合又比接触式信号耦合的性能优秀很多；国外先进的高性能超声波自动探伤设备大部分都是采用非接触式的耦合技术，实践表明，设备的使用寿命均在10年左右，而且系统都能始终保持良好的信号耦合效果。

提高模拟信号的质量和系统信噪比是钢管超声检测系统中的关键环节之一，集成电路的高速发展，高速AD的出现，使得模拟信号处理向着集成化、数字化的方向发展。无线传输技术在民用中的快速提高，也给工业应用提供坚实的基础和广阔的空间。

参考文献

[1]中国机械工程学会无损检测学会编，超声波检测[M].北京：机械工业出版社，2000.

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

[3] IEEE802.11b-1999，物理层补充[S].

[4] IEEE802.11a-1999，物理层补充[S].

[5] GEIT-60018EN.GE工业无损检测系统介绍[R].美国麻萨诸州，2007.

[6]蔡永红.FDA-300R在线全自动探伤设备信号通道分析及供水系统改造[J].钢管，2002（5）：42-44.

[7]王宝诚，翟华.解密旋转变压器[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

作者简介：侯宏（1965—），男，天津人，主要从事设备管理及机电一体化方面的研究工作。

收稿日期：2014-09-03修回日期：2014-09-26