应用技术 ●Ｉ 基于超声波管材壁厚连续测量系统的应用与研究 陈磊磊 （西安三环科技开发总公司陕西西安３００３０１） ［摘要】超声检测是现代无损检测中重要的一部分，它广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空喊天等各个领域。超声检测是应用最为广泛的无损检 测方法之一，超声检测方法利用进入被检材料的超声波对材料表面与内部缺陷进行检测。利用超声波的反射回波进行材料厚度的测量也是常规超声检测的一 个重要方面。本文主要对超声波多通道实时在线测厚系统进行了以下几个方面的研究， 【关键词］超声波多通道超声检测系统触发频率 中图分类号：￥３３５．２＋２ 文献标识码：ｓ 文章编号：１００９－－９１４Ｘ（２０１３）３４一Ｏ５３３一Ｏ１ 一．引言 超声波探伤无损检测是现代化无损检测的一个重要组成部分，检测技术 被广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等领域。超声波探伤是 无损检测方法之一，是使用最广泛的应用技术。材料的厚度测量是通过常规 超声检测能够进行超声波回波的最重要的方面之一。 ＝．超声波的定义 声波是有弹性的机械波，人耳可听到的是２０—２０ＫＨＺ范围的声波频率。 当人耳听到的声波频率超过２０ｋＨｚ时，人耳就无法听到。大于２０ｋＨｚ的声 波频率称为超声波。在实际应用中，超声波频率一般为０．５—１０ＭＨＺ，整个频 率范围是相当广泛的。超声振动在介质中传播形成了超声波，其本质是弹性 介质中的机械振动，振动是产生波形的根源。 三 超声波连续霸厚系统的研究与应用 每个超声探头在工作时，在多通道的厚度测量系统中，在不同部位测量 管道，各个探头分布依次触发，触发信号的触发电路移位控制每个探头。这 部分主要包括一个脉冲发生器、分频电路、信号放大电路、切割电路、壁厚 形成电路、脉冲宽度转换电路等。 主电路包括回声信号放大电路、厚壁成型电路、脉冲宽度转换电路。数 字脉冲发生器给系统提供了２０ＭＨｚ的脉冲，经数字分频电路产生三部分同 一频率的脉冲信号。一部分移至触发电路，一部分送壁厚脉冲形成电路；每 个探头激励脉冲产生６４０Ｖ的冲击信号，将信号传递给探头，回传的信号经 过放大电路后，由高速比较器消除电路干扰；由逻辑电路脉冲壁将形成的脉 冲信号转换成电压信号，将壁厚测量数据发送至数据采集卡系统。通过将依 次触发多个超声波探头，探头１触发后，紧接着探头２触发，随后探头３ 再触发，直至探头触发到探头８后，再进行有序循环，继续同样的过程。 超声波探头的超声波传感器，对应的位置检测可采取多种触发转换器驱 动板理论，实现分时收发器的工作，每个传感器可以启动，也可以接收。因 此，必须通过触发转换电路来实现转换电路。可通过一个传感器的驱动信号， 在同一时间内进行高隔离。电磁继电器具有高可靠性、高速的特性，此继电 器有两个常开接点和两个常闭的触点，继电器控制传感器，可实现收发传感 器的完全隔离。当传感器处于启动状态，将传感器和发送电路接通，控制继 电器不发生动作，从而使传感器和接收电路被断开，与此相反，当传感器处 于接收状态，排放继电器，让传感器与接收电路断开，同时可以控制继电器 的动作，使传感器和接收电路被接通，因此，它可以测量继电器的驱动电路 板的传输时间，是通过逻辑控制电路的基板控制而实现的。 因为每个通道由同一种类的激发波超声换能器激发和接收的，存在相当 大的信号波形之间的相关性，同时由于技术上的原因，为确保测量标准的一 致性，系统可以通过与充放电电路和峰值检波路进行测量。用于测量充放电 电路，充电和放电的电容需要在一定的时间内，如果探头的激励频率太高， 会有一个充电和放电前的放电循环恒定电流源，产生电流重叠的现象，造成 的测量上的误差。探头激励的频率不高，则测量速度不可太快，否则会造成 不连续的测量现象。 虽从理论上说，通信道数是有限的，但实际上信道数不能太多，即超声 波探头的数量不能太多。原因是超声波频率不能过高，探测器是在依次激发 的，如通信传输过程中，信道的数量过多，会引起充电、放电循环周期的重 叠，会对测量覆盖范围产生影响。 由于所有通道的信号通过相同的充电和放电电路和峰值检测电路，要 求这些信道不能并发，否则会导致脉冲重叠，引起测量误差。对于壁厚脉 冲，采用探头激发串行方法，探头可以转向激发。一般通道数为８一ｌ２个 即可。 超声波通道切换控制器的核心作用是进行厚度测量。厚度测量精度和可 靠性的质量直接关系到这部分的设计和生产，其主要功能： 一是发出驱动信号；二是检测信号的第一正脉冲信号识别；三是进行自 动增益控制；四是进行声波路径传播时间的计算；五是计算超声波测厚传感 器的传播时间；六是向主机回送测量的传播时间和状态；七是定期检查系统； 八是通道和厚度测量通路之间的切换。 超声波通道切换控制器与５１系列微处理器，实现了频道切换和测试控 制厚度形成的部件，包括传感器的驱动控制驱动器、接收转换控制、Ｄ／Ａ 传播时间测量计算通信控制；采用三个阶段的放大器电路，第一阶段和第三 阶段采用精密运算放大器，具有高增益带宽产品手动调节，第二级由电压控 制增益放大器，自动进行增益控制，带通滤波器之间的连接三个级放大器， 除去低频率和高频率的噪音，进行信号的传递，通过第三级放大器进行同相 ，反相转换器，为使相位达到检测信号的要求；经过三级扩增后，对逻辑电 路进行分析处理。ＣＰＬＤ计数器开始计数，采用高精度ＳＯＭ、高稳定度的石 英振荡器；传感器输入控制信号通过高速光电隔离器件进行隔离，采用高速 ＭＯＳＦＥＴ器件进行驱动控制，采用ＣＰＬＤ器件，通过Ａ，Ｄ和Ｄ／Ａ转换电路， 实现信号增益控制，最终实现自动增益控制。 图ｌ超声波多点测厚电路框图 图１是厚度变送器原理框图。考虑到厚度传感器的功能划分和可靠性要 求，将两块ＰＣＢ板进行设计，一个被称为控制板，测量控制、参数存储、 通信控制和出行时间计算功能。包括信号放大、滤波，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ，另一块 板具有驱动板，包括隔离电路的信号驱动、传感器驱动电路及传感器切换电 路等。 四 结语 管壁的厚度的检测是一件非常有难度、技术性很强的工作，对于管材 壁厚的检测研究是一项很有意义的研究工作。在本文中，设计厚度检测系 统从单点式超声测厚系统到多通道超声波厚度测量和数据处理系统的技 术设计。 参考文献 【ｌ】方佳音，过元凯．超声测厚仪改进的探讨．无损检测学报，２０００年８ 月第２２卷第８期：Ｐ３６１－３６５ ｆ２】刘政清，刘悄．超声无损检测的若干新进展．无损检测技术，２０００年９ 月第２２卷第９期：Ｐ４０３－４０５ 【３】张晓辉，马宏伟．超声波无损检测技术的现状和发展趋势．现状、趋势、 战略，２Ｏ０２年７月第４０卷４５５期：Ｐ２４－２６ 作者简介 陈磊磊（１９８６－），男，陕西省咸阳人，西安三环科技开发总公司无损 检测助理工程师。 科技博览ｌ ５３３