CN110095531A - 一种旋转轴无损检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转轴无损检测系统，所述系统根据超声波脉冲反射法的基本原理，设计一种专用的多通道超声波检测装置，实现对旋转轴在役条件下的快速无损检测。本发明所述旋转轴无损检测系统(1)利用超声纵波反射法进行检测，纵波的传播速度快，得到反射信号的时间少；(2)设计多通道压电传感器，并进行封装将传感器直接固定于主轴端面，保证检测的可靠性和一致性；(3)设计专用夹具用于多通道传感器及装置的安装固定，保证整套检测装置随主轴一同旋转；(4)设计一套多通道超声波信号激励接收装置，实现该类结构的高效检测和缺陷成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种风机检测系统，特别涉及一种旋转轴无损检测系统。
背景技术
旋转轴在役过程中的质量直接影响生产运营安全，由于现有技术中检测手段存在的诸多局限，导致旋转轴在运行状态下其质量监控困难。人工检测过程中存在诸多难点，比如风机检测需停机，人工攀爬手动检测带来的经济损失和一系列安全问题，加之检测过程中受旋转轴结构影响较大等因素制约旋转轴质量受到监控。
因此，开发一种更加高效、成本更低、使用更加方便的无损检测系统显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转轴无损检测系统，所述系统根据超声波脉冲反射法的基本原理，设计一种专用的多通道超声波检测装置，实现对旋转轴在役条件下的快速无损检测。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种旋转轴无损检测系统，所述系统包括多通道超声信号激励接收装置和传感器阵列组成。
所述多通道超声信号激励接收装置由FPGA主控模块、超声激励接收模块、数据采集模块、通信模块、电源模块组成。
所述FPGA主控模块，用于各功能模块之间的协调运行和控制管理；分配多通道传感器激励和接收时序，实现多通道传感器有规律地发射和接收超声信号。
所述FPGA主控模块上还电连接有FPGA外围电路。
所述超声激励接收模块包括：升压电路、N通道脉冲激励、双工器、换能器、N通道信号接收、程控放大器、滤波器等子模块，其相互之间电连接。其中N通道信号接收、N通道脉冲激励分别还与FPGA主控模块电连接。
所述数据采集模块由高速A/D转换芯片和时钟模块组成。
所述时钟模块包括时钟源、时钟倍频、时钟缓冲。
所述多通道超声信号激励接收装置上还设置有SD卡。
所述多通道超声信号激励接收装置在设计中采用模块化的设计思路，系统由FPGA主控模块、超声激励接收模块、数据采集模块、通信模块、时钟和电源模块等组成，各个模块中包含了可实现具体功能的子模块，各模块之间的协调依靠FPGA主控芯片来进行综合调度。除时钟外，其他模块都采用独立的电路单元设计，这样便于系统的升级与维护。
FPGA主控模块
目前FPGA技术代表了电子技术发展的主要方向，常用于高速处理系统。FPGA(可编程逻辑门阵列)具有硬件并行的特点，可在单个时钟周期内进行多任务处理，并在硬件层面编写程序，因此，可提供更快速的响应和专业化的功能。
FPGA主控模块作为整个装置核心部分，主要负责系统各功能模块之间的协调运行和控制管理。分配多通道传感器激励和接收时序，实现多通道传感器有规律地发射和接收超声信号，主要实现以下两个功能：①自动调整仪器的参数设置以获取易于辨识的波形；②将检测数据输出。
超声激励接收模块
超声激励接收模块主要功能是N通道超声波信号的产生、回波信号的接收和信号的调理，为检测信号的数字化处理做准备。该模块包括：升压电路、N通道脉冲激励、双工器、N通道信号接收、程控放大器、滤波器等子模块。在FPGA主控模块的控制下，该模块产生传感器需要的高压激励信号，并对接收的回波信号进行放大、滤波等信号调理，然后输入到数据采集模块中。
升压电路将电源的低压直流提升至传感器激励所需高压，脉冲激励电路在FPGA的控制下，将高压直流电信号转换为窄脉冲信号，用于激励传感器产生超声波。
传感器具有脉冲激励和回波信号接收两种工作模式，双工器用于实现在同一线路上分别传送高压激励信号与微弱的回波信号，实现激励与接收的分路，并对后继电路提供保护。
程控放大器由FPGA控制的高速A/D转换芯片提供参考电压，可以实现检测过程中动态调节放大倍数，达到最好的增益效果。
滤波器作用主要是滤除前端电路产生的噪声，提高信号的信噪比，滤波后的信号将传输给数据采集处理模块。
数据采集模块
数据采集模块对超声检测模块调理后的输入信号进行模数转换，并将转换结果送入FPGA主控模块进行处理与识别。根据超声波检测的特点，在对信号进行数字化时，高速A/D转换芯片的速度和数据缓冲存储器的速度要达到相应的要求。
本发明中采用采样频率100MS/s的高速A/D转换芯片，对FPGA主控利用硬件描述语言编写相应的逻辑来控制高速A/D转换芯片实现信号采集和转换。高速A/D转换芯片时钟信号的质量直接影响芯片的性能，系统拟采用专用多路时钟芯驱动器产生多路不同频率的时钟，以驱动不同的频率模块，其中给高速A/D转换芯片提供的时钟信号要经过时钟缓冲器，以保证芯片时序的可靠性和数据采集的精确性。
通信模块
通信模块主要功能是将基站的控制命令解析，控制多通道超声信号激励接收装置按规则激励各通道传感器，并具备将调理后得到的回波信号向基站传输的能力。
由于该套检测装置需与旋转轴一同安装在风机舱内，由于与地面距离较远，故采用无线通讯技术，选用无线通讯模块实现基站主机与风机舱中发射、接收装置的数据交互。同时也可把信号存储在SD卡内，用于风机管理人员定期到风机轮毂内取用存储的数据。
所述传感器阵列为多通道传感器阵列，在检测面上布置多通道传感器阵列，所述阵列辐射的超声声场需覆盖被检测区域。本发明中选用孔径为Φ20mm的压电阵元产生频率为2.5MHz的超声纵波。所述阵元的半扩散角为20.65°。在检测深度为400mm的端面，超声波覆盖区域半径γ约为44.6mm；要实现深度为400mm的端面检测区域(端面直径dk)全覆盖，则至少需要阵元数量n为60个。
采用频率为2.5MHz，孔径为20mm的阵元，在检测端面至少需要在圆周方向均匀布置60片阵元。当检测深度≥400mm时，检测区域均能被超声场所覆盖，实现检测区域不漏检要求。旋转轴待检区域为主轴外表面及次表面(距离外表面2mm--5mm)区域。由于检测面受风机结构限制，经现场勘查选择主轴涂有油漆的端面为检测表面。在检测面布置超声激励源向主轴内部辐射超声纵波，超声波向主轴轴向传播，遇到反射体(缺陷、端面、结构体)后将产生反射回波，反射回波信号携带反射体位置及当量信息，进行数据处理可识别缺陷位置及大小。检测原理如图1所示。
将超声探头置于旋转轴外表面及次表面检测区域所对应的检测面，控制多通道传感器(又称“压电阵元”)发射超声波，当超声波遇到主轴表面缺陷时，产生反射回波，传感器接收反射回波信号，经数字信号处理后可得到缺陷的位置及当量信息。多通道传感器得到的回波信号可进行成像，直观显示缺陷位置和大小。
本发明优点：(1)利用超声纵波反射法进行检测，纵波的传播速度快，得到反射信号的时间少；(2)设计多通道压电传感器，并进行封装将传感器直接固定于主轴端面，保证检测的可靠性和一致性；(3)设计专用夹具用于多通道传感器及装置的安装固定，保证整套检测装置随主轴一同旋转；(4)设计一套多通道超声波信号激励接收装置，实现该类结构的高效检测和缺陷成像。
附图说明
图1为本发明超声脉冲反射检测原理图。
图2为本发明所述的多通道超声信号激励接收装置装置原理框图。
图3为本发明所述的一种旋转轴无损检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。
实施例1
一种旋转轴无损检测系统，所述系统包括多通道超声信号激励接收装置和传感器阵列组成。
所述多通道超声信号激励接收装置上还设置有SD卡。所述多通道超声信号激励接收装置由FPGA主控模块、超声激励接收模块、数据采集模块、通信模块、电源模块组成。
所述多通道超声信号激励接收装置在设计中采用模块化的设计思路，系统由FPGA主控模块、超声激励接收模块、数据采集模块、通信模块、时钟和电源模块等组成，各个模块中包含了可实现具体功能的子模块，各模块之间的协调依靠FPGA主控芯片来进行综合调度。除时钟外，其他模块都采用独立的电路单元设计，这样便于系统的升级与维护。
FPGA主控模块：目前FPGA技术代表了电子技术发展的主要方向，常用于高速处理系统。FPGA(可编程逻辑门阵列)具有硬件并行的特点，可在单个时钟周期内进行多任务处理，并在硬件层面编写程序，因此，可提供更快速的响应和专业化的功能。
FPGA主控模块作为整个装置核心部分，主要负责系统各功能模块之间的协调运行和控制管理。分配多通道传感器激励和接收时序，实现多通道传感器有规律地发射和接收超声信号，主要实现以下两个功能：①自动调整仪器的参数设置以获取易于辨识的波形；②将检测数据输出。
超声激励接收模块：超声激励接收模块主要功能是N通道超声波信号的产生、回波信号的接收和信号的调理，为检测信号的数字化处理做准备。该模块包括：升压电路、N通道脉冲激励、双工器、N通道信号接收、程控放大器、滤波器等子模块。在FPGA主控模块的控制下，该模块产生传感器需要的高压激励信号，并对接收的回波信号进行放大、滤波等信号调理，然后输入到数据采集模块中。
升压电路将电源的低压直流提升至传感器激励所需高压，脉冲激励电路在FPGA的控制下，将高压直流电信号转换为窄脉冲信号，用于激励传感器产生超声波。
传感器具有脉冲激励和回波信号接收两种工作模式，双工器用于实现在同一线路上分别传送高压激励信号与微弱的回波信号，实现激励与接收的分路，并对后继电路提供保护。
程控放大器由FPGA控制的高速A/D转换芯片提供参考电压，可以实现检测过程中动态调节放大倍数，达到最好的增益效果。
滤波器作用主要是滤除前端电路产生的噪声，提高信号的信噪比，滤波后的信号将传输给数据采集处理模块。
数据采集模块：数据采集模块对超声检测模块调理后的输入信号进行模数转换，并将转换结果送入FPGA主控模块进行处理与识别。根据超声波检测的特点，在对信号进行数字化时，高速A/D转换芯片的速度和数据缓冲存储器的速度要达到相应的要求。
本发明中采用采样频率100MS/s的高速A/D转换芯片，对FPGA主控利用硬件描述语言编写相应的逻辑来控制高速A/D转换芯片实现信号采集和转换。
高速A/D转换芯片时钟信号的质量直接影响芯片的性能，系统拟采用专用多路时钟芯驱动器产生多路不同频率的时钟，以驱动不同的频率模块，其中给高速A/D转换芯片提供的时钟信号要经过时钟缓冲器，以保证芯片时序的可靠性和数据采集的精确性。
通信模块：通信模块主要功能是将基站的控制命令解析，控制多通道超声信号激励接收装置按规则激励各通道传感器，并具备将调理后得到的回波信号向基站传输的能力。
由于该套检测装置需与旋转轴一同安装在风机仓内，由于与地面距离较远，故采用无线通讯技术，选用无线通讯模块实现基站主机与风机仓中发射、接收装置的数据交互。
所述传感器阵列为多通道传感器阵列，在检测面上布置多通道传感器阵列，所述阵列辐射的超声声场需覆盖被检测区域。本发明中选用孔径为Φ20mm的压电阵元产生频率为2.5MHz的超声纵波。所述阵元的半扩散角为20.65°。在检测深度为400mm的端面，超声波覆盖区域半径γ约为44.6mm；要实现深度为400mm的端面检测区域(端面直径dk)全覆盖，则至少需要阵元数量n为60个。
采用频率为2.5MHz，孔径为20mm的阵元，在检测端面至少需要在圆周方向均匀布置60片阵元。当检测深度≥400mm时，检测区域均能被超声场所覆盖，实现检测区域不漏检要求。
旋转轴待检区域为主轴外表面及次表面(距离外表面2mm--5mm)区域。由于检测面受风机结构限制，经现场勘查选择主轴涂有油漆的端面为检测表面。在检测面布置超声激励源向主轴内部辐射超声纵波，超声波向主轴轴向传播，遇到反射体(缺陷、端面、结构体)后将产生反射回波，反射回波信号携带反射体位置及当量信息，进行数据处理可识别缺陷位置及大小。检测原理如图1所示。
将超声探头置于旋转轴外表面及次表面检测区域所对应的检测面，控制多通道传感器(又称“压电阵元”)发射超声波，当超声波遇到主轴表面缺陷时，产生反射回波，传感器接收反射回波信号，经数字信号处理后可得到缺陷的位置及当量信息。多通道传感器得到的回波信号可进行成像，直观显示缺陷位置和大小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述系统包括多通道超声信号激励接收装置和传感器阵列组成。
2.根据权利要求1所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述多通道超声信号激励接收装置由FPGA主控模块、超声激励接收模块、数据采集模块、通信模块、电源模块组成。
3.根据权利要求2所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述FPGA主控模块，用于各功能模块之间的协调运行和控制管理；分配多通道传感器激励和接收时序，实现多通道传感器有规律地发射和接收超声信号。
4.根据权利要求2所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述FPGA主控模块上还电连接有FPGA外围电路。
5.根据权利要求2所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述超声激励接收模块包括：升压电路、N通道脉冲激励、双工器、换能器、N通道信号接收、程控放大器、滤波器等子模块，其相互之间电连接。其中N通道信号接收、N通道脉冲激励分别还与FPGA主控模块电连接。
6.根据权利要求2所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述数据采集模块由高速A/D转换芯片和时钟模块组成。
7.根据权利要求6所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述时钟模块包括时钟源、时钟倍频、时钟缓冲。
8.根据权利要求1所述的一种旋转轴无损检测系统，其特征在于，所述多通道超声信号激励接收装置上还设置有SD卡。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190806 |
|
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