大型圆筒件超声检测系统的设计

    大型圆筒件是某设备的核心部件,使用工作条件恶劣,要承受高温、高压、振动和冲击等,因此在使用过程中有可能出现裂纹和焊缝断裂等损伤,必须定期对其进行清洗和探伤。目前,对该大型圆筒件,仅仅采用人眼或放大镜来检查其焊缝的表面情况,对其它非焊缝表面则不作检查,根本无法检查到筒壁内部损伤,给该大型圆筒件的安全使用留下极大隐患。由此设计了大型圆筒件超声探伤系统,以特殊的柱面扫描方式、较深的探测厚度和较高的灵敏度,有效实现了大型圆筒件的无损检测。

    大型圆筒件的超声波检测比普通板材的检测复杂得多,并不同于一般的小型管材检测。设计的大型圆筒件超声自动探伤系统的组成原理见图1。该系统通过PLC控制扫查机构的行走,固定在扫查机构上的超声探头对大型圆筒件进行扫查,通过多通道超声波发射/接收卡采集数据,送计算机进行数据处理和成像,最终显示出大型圆筒件的缺陷[1]。

1　硬件组成与设计

    大型圆筒件超声探伤系统由五部分组成,即①超声发射/接收系统(包括ø20 mm,5 MHz纵波水浸探头和HSD24超声发射/接收卡)。②数据采集和图像处理系统(主要由地面计算机构成)。③自动扫查机构(图2,主要包括行走小车和直线运动单元等)。④清洗系统(包括水泵、电机、控制阀和清洗装置等)。⑤地面辅助设备(包括工具箱等)。

1.1　超声波发射/接收系统l

    超声波发射/接收系统包括两个部分,即水浸探头和多通道超声波发射/接收卡。水浸探头用于发射和接收纵波,以水作为耦合剂与大型圆筒件耦合。由于大型圆筒件不可能完全浸没在水中,采用了耦合剂喷洒方式。超声波发射/接收卡以工业控制计算机为母体,采用目前计算机广泛应用的32位PCI局部总线结构,集成了超声波的发射与接收,100 MHz高速信号采集、存储,多通道自动控制以及超声波成像等多种功能,使该卡能与计算机完美结合。该插卡上具有四个独立的发射/接收通道,采用多级信号放大模式,通道的开闭由程控电子开关控制,检波方式(全检波、正/负检波、射频)和工作模式(一发一收、自发自收)可调;每一通道具有距离2波幅自动补偿功能,有效提高了探伤的动态范围。该卡还采用了大容量、高速现场可编程门阵列(FP2GA)芯片。FPGA主要完成与PCI桥接芯片的接口、模拟信号控制、采样数据压缩、数字滤波及距离补偿等功能。该卡支持32位或64位数据总线,总线速度可达66 MHz,传输速率峰值高达528 MByte/s;能够自动配置,实现即插即用,一旦PCI插卡插入系统,该基本输入输出系统(BIOS)将根据读到的关于该插卡的信息,结合系统实际情况为插卡分配存储器地址、I/O端口地址、中断号以及其它系统资源,从根本上免除了人工配置,避免硬件冲突。采集数据时,该卡的超声波数据采集深度可变,最深可达32 kByte,一方面可以增大检测范围,更重要的是可以完成各种超声成像,如B扫描、C扫描、P扫描(投影扫描成像)以及三维成像。同时为了易于与行走扫查部分接口,在卡上内置两通道的位移传感器控制器,实现对x和y方向的两自由度的工件位置感知,适合自动扫查超声波成像。