无损探伤技术在拖曳声纳测试中的应用

【摘  要】拖曳声纳在执行任务期间需要经常收放拖体，在拖体收放过程中船体和收放装置会对拖曳声纳的拖缆造成磨损，另外海水也会锈蚀部分的拖缆。如果不能及时掌握拖缆磨损、锈蚀、断丝等缺陷的程度导致拖缆断裂，很可能危及操作人员和装备的安全。针对拖曳声纳拖缆缺陷检测的问题，本文提出利用永磁、漏磁原理检测拖缆的断丝、跳丝、变形、磨损和锈蚀等缺陷的无损探伤方法。主要的内容包括：应用背景、工作原理、系统组成、数据分析等内容。

【关键词】拖曳声纳;霍尔元件;漏磁场;磁通回路

1.前言

声纳是利用声波在水中传送的特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子装备。第二次世界大战后，由于潜艇水下活动能力的增强，声纳技术得到了迅速的发展，除了传统的舰壳声纳外，又出现了吊放声纳、浮标声纳和拖曳声纳等新型声纳。拖曳声纳的换能器基阵安装在流线型的拖体内，用拖缆将拖体拖曳在舰尾后方的水中，通过调节拖缆控制拖体。收放拖体的过程中，拖缆承受以吨计的拉力，而且拖缆越长，拖速越高，拉力就越大。如不能对拖缆的磨损、锈蚀、断丝等缺陷进行检测和损伤评估，很可能导致拖缆断裂的事故发生。

基于此，本文提出了利用永磁、漏磁原理检测拖缆的断丝、跳丝、变形、磨损和锈蚀等缺陷的无损探伤方法，并简述了系统的原理、组成、实现及功能。

2.无损探伤技术原理

无损探伤仪是利用永磁部件将金属拖缆环形包围在其中心部位，在拖缆快速通过时瞬间将通过段的拖缆磁化到饱和状态，此时传感部件与拖缆产生有序稳定的磁场。一旦拖缆内外部有缺陷损伤变化（局部损伤、金属横截面积变化）时，其稳定的磁场产生向外扩散的漏磁场。利用磁敏元件获取漏磁场信号，再通过信号调理和模数转换后，将压缩后的数字信号传输给计算机进行数据处理，最终获得缺陷的位置和缺陷的特征参数。

3.无损探伤系统方案

无损探伤系统由探伤传感器、实时报警器、加固计算机和检测软件组成。

3.1探伤仪传感器

探伤仪传感器是采用永磁、漏磁原理，设计了一款圆形结构、周向环绕、轴向磁化的传感探头，能精确快速的测量拖缆的断丝、跳丝、锈蚀和磨损等缺陷以及缺陷的位置。探伤仪传感器主要的部件包括永久磁铁、霍尔元件、导套和光电导轮。永久磁铁用于对拖缆的快速磁化，霍尔元件主要作用是感应拖缆的漏磁场，导套主要的作用是引导拖缆从探伤传感器平稳通过，光电导轮用于测量拖缆的长度和缺陷的位置。

3.2实时报警器

实时報警器由嵌入式计算机、数据采集模块、信号调理模块、通信模块和接口模块组成。数据采集模块具备16路数据采集通道，每通道的分辨率为14bit，单通道采样率最高可达1MS/s，保证了测试的准确性和效率。探伤传感器感应到的磁路信号经信号调理后，由数据采集模块进行模数转换，并传输给嵌入式计算机，经数据处理和压缩后通过通信模块传输给加固计算机。

3.3加固计算机

加固计算机上运行检测软件，对接收到的数据解压和数据处理后，以报表的形式输出检测结果。

4.拖曳声纳拖缆测试方案

4.1设备布置

首先在被测拖缆处于静止状态下，将探伤传感器安装在被测拖缆上;使用通信线缆将探伤传感器、实时报警器和加固计算机连接在一起。设备安装完成后，打开实时报警器和加固计算机的电源，运行检测软件完成整套系统的自检。

4.2数据采集

检测前对检测软件的拖缆属性、检测仪器属性、LF分析参数（局部缺陷分析参数）、LMA分析参数（金属横截面损失分析参数）、报警阈值等进行设置。运行测试程序，并操作收放装置使拖缆从探伤仪的中心通过，开始拖缆的数据采集直至测试结束。

4.3数据分析

无损探伤仪完成数据采集后可提供两种数据分析模式，分别是局部损伤分析和金属横截面积变化分析。局部损伤分析针对拖缆的断丝、跳丝、变形等缺陷进行定性和定量分析。金属横截面积变化分析是针对拖缆的磨损、锈蚀等连续缺陷进行定性和定量分析。

5.结束语

目前拖曳声纳使用的这种粗直径的金属拖缆，仅以目测、尺量的简单方法很难检查到拖缆内部的缺陷，同时市场上普通探伤仪难以深度磁化粗直径的金属拖缆，另外探伤传感器的设计不够完善，以致无法准确检测粗直径拖缆的内外部缺陷。

本系统采用永磁、漏磁的检测方法，运用高精度数据采集技术，结合基于人工神经网识别和小波变换分析的数据分析算法，确保能够准确的完成拖缆的内外部缺陷检测。探伤传感器采用圆形设计，可360度轴向环形磁化，能瞬间将拖缆磁化达到饱和状态。同时传感器采用密集型磁敏元件，小夹角布置无死角，保证了无漏检以及检测的可靠性。实时报警器的数据采集多通道每秒可达5000次，拖缆最快检测速度为13m/s，从而保证了检测的效率。整套系统局部缺陷的定性检测准确率不小于98%，断丝定量检测准确率不小于95%，金属横截面积损失检测准确度为±0.05%。目前该系统已应用于我国新研某型号声纳项目中，为其日常检测和维护提供了有力的保障。

作者简介：

李峰纲，1979年7月出生，男，汉族，陕西西安人，现为西安泛华科技开发有限公司研发部经理。

（作者单位：西安泛华科技开发有限公司）