CN110672719A - 用于管内检测的相控阵超声检测装置 - Google Patents

用于管内检测的相控阵超声检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无损检测技术领域,尤其涉及一种用于管内检测的相控阵超声检测装置。该用于管内检测的相控阵超声检测装置包括通过同轴电缆依次连接的相控阵超声探头、前端电子学和相控阵超声仪器,相控阵超声仪器发出的控制信号经过前端电子学转化为激励信号,相控阵超声探头将激励信号转化为超声波并发射至待测管件内,超声波能够在待测管件的管壁上形成聚焦声束,前端电子学将超声回波信号转化为数字回波信号并输出至相控阵超声仪器。该用于管内检测的相控阵超声检测装置,能够实时地对待测管件进行体积型检查,及时检出服役中的管件出现的不良状态,提高了分辨率和灵敏度,进而提高了对于管内缺陷的检出能力和定量评价能力。

Description

用于管内检测的相控阵超声检测装置
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域,尤其涉及一种用于管内检测的相控阵超声检测装置。
背景技术
管件是工业中最常见的工件之一,广泛地应用于多个领域,例如电站中的换热管、深埋地下的燃气管等。为了避免泄露、爆炸等恶性事故,对于服役中的管件的在役检查必不可少。随着工业的快速发展,管件的尺寸和材料越来越复杂,对检测方法和检测工具提出了更高的要求。在某些特殊工况下,管件无法从外部接近,需要从管件内部对管件进行体积型检查,及时发现管件中的裂纹、腐蚀等缺陷。然而现有的管件内部检测装置,存在分辨率和灵敏度较低的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种用于管内检测的相控阵超声检测装置,解决现有管件内部检测装置存在分辨率和灵敏度较低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种用于管内检测的相控阵超声检测装置,包括通过同轴电缆依次连接的相控阵超声探头、前端电子学和相控阵超声仪器;所述相控阵超声仪器用于发出控制信号,所述前端电子学用于将所述控制信号转化为激励信号,所述相控阵超声探头用于将所述激励信号转化为超声波并发射至待测管件内,所述超声波能够在所述待测管件的管壁上形成聚焦声束,所述相控阵超声探头用于接收所述待测管件反射的超声回波信号,所述前端电子学将所述超声回波信号转化为数字回波信号,所述相控阵超声仪器接收所述数字回波信号并进行分析处理。
进一步地,所述相控阵超声探头包括探头筒体以及设置在所述探头筒体外周面上的相控阵超声换能器。
进一步地,所述相控阵超声换能器包括均匀环设在所述探头筒体上的多个阵元,所述阵元用于发射所述超声波并接收所述超声回波信号。
具体地,所述相控阵超声换能器每次同时激发的所述阵元的数量不超过所述阵元总数的1/6。
进一步地,还包括设置于所述探头筒体前端的保护凸缘,所述探头筒体的末端通过所述同轴电缆与所述前端电子学相连。
具体地,所述同轴电缆包括与所述阵元一一对应的多个信号线。
进一步地,还包括设置在所述相控阵超声探头与所述前端电子学之间的推进部件,所述推进部件连接在所述同轴电缆上,所述推进部件为圆球状。
进一步地,所述前端电子学包括壳体、多路开关、高压脉冲发生器、FPGA控制器、收发隔离电路和模拟前端芯片,所述多路开关、高压脉冲发生器、FPGA控制器、收发隔离电路和模拟前端芯片均设置于所述壳体内;所述FPGA控制器与所述高压脉冲发生器相连,所述高压脉冲发生器与所述多路开关相连;所述多路开关与所述收发隔离电路相连,所述收发隔离电路与所述模拟前端芯片相连,所述模拟前端芯片与所述FPGA控制器相连;所述FPGA控制器与所述多路开关相连。
具体地,所述多路开关通过所述同轴电缆与所述相控阵超声探头相连,所述FPGA控制器通过所述同轴电缆与所述相控阵超声仪器相连。
具体地,所述相控阵超声探头为凸阵探头。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点:
本发明提供的用于管内检测的相控阵超声检测装置,将相控阵超声探头、前端电子学和相控阵超声仪器通过同轴电缆依次连接,利用相控阵超声技术进行管内缺陷检测,在进行检测时,相控阵超声探头和前端电子学能够灵活地布置在待测管件内,并通过相控阵超声探头在待测管件的管壁周向上实现聚焦声束,实时地从待测管件内部对待测管件进行体积型检查,及时检出服役中的管件出现的不良状态,提高了分辨率和灵敏度,进而提高了对于管内缺陷的检出能力和定量评价能力。
附图说明
图1是本发明实施例用于管内检测的相控阵超声检测装置的结构示意图;
图2是本发明实施例用于管内检测的相控阵超声检测装置中相控阵超声换能器以及聚焦声束的示意图;
图3是本发明实施例用于管内检测的相控阵超声检测装置中前端电子学的结构框图。
图中:1:同轴电缆;2:相控阵超声探头;21:探头筒体;22:相控阵超声换能器;221:阵元;3:前端电子学;31:壳体;32:多路开关;33:高压脉冲发生器;34:FPGA控制器;35:收发隔离电路;36:模拟前端芯片;4:相控阵超声仪器;5:待测管件;6:保护凸缘;7:推进部件;8:聚焦声束。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示,本发明实施例提供一种用于管内检测的相控阵超声检测装置,包括通过同轴电缆1依次连接的相控阵超声探头2、前端电子学3和相控阵超声仪器4。
其中,相控阵超声探头2为凸阵探头,相控阵超声探头2能够在待测管件5中沿轴向进行运动,通过相控阵超声探头2能够对待测管件5的管壁进行360°检测。
前端电子学3也可以在待测管件5中沿轴向进行运动,前端电子学3用于对相控阵超声探头2与相控阵超声仪器4之间的信号进行转化处理,便于信号的远距离传输。
同轴电缆1用于实现相控阵超声探头2、前端电子学3和相控阵超声仪器4之间的信号传输。
相控阵超声仪器4放置在待测管件5外部,用于发出控制信号以及接收数字回波信号,并对数字回波信号进行分析和处理,以获取针对待测管件5的缺陷检测结果。
在进行检测时,将相控阵超声探头2放入待测管件5中,相控阵超声仪器4产生控制信号并输出至前端电子学3,前端电子学3将控制信号转化为激励信号并输出至相控阵超声探头2,相控阵超声探头2将激励信号转化为超声波并发射至待测管件5内,发射后的超声波能够在待测管件5的管壁上形成聚焦声束8,然后相控阵超声探头2再接收经待测管件5反射的超声回波信号并输出至前端电子学3,前端电子学3将超声回波信号转化为数字回波信号并输出至相控阵超声仪器4,然后相控阵超声仪器4对数字回波信号进行分析和处理。
本发明实施例所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,在进行检测时,相控阵超声探头2和前端电子学3能够灵活地布置在待测管件5内,通过相控阵超声探头2在待测管件5的管壁周向上实现聚焦声束,实时地从待测管件5内部对待测管件5进行体积型检查,及时检出服役中的管件出现的不良状态,提高了分辨率和灵敏度,进而提高了对于管内缺陷的检出能力和定量评价能力。
进一步来说,相控阵超声探头2包括探头筒体21以及设置在探头筒体21外周面上的相控阵超声换能器22。其中,探头筒体21为与待测管件5的形状相适配的圆柱形。
其中,相控阵超声换能器22包括均匀环设在探头筒体21上的多个阵元221,每个阵元221沿探头筒体21的轴向延伸设置,并且相邻的两个阵元221之间间隙设置。通过在探头筒体21外周面上均匀布置多个阵元221,能够实现对待测管件5的管壁进行360°检测。
具体来说,设置在探头筒体21上的阵元221的总数应当大于等于4。每个阵元221均可以单独的发射超声波以及接收超声回波信号。
具体来说,相控阵超声换能器22每次同时激发的阵元221的数量不超过阵元221总数的1/6,以避免声场恶化,并且同时激发的阵元221为相邻的阵元221,也即,同时激发的阵元221所对应的布置角度不大于60°。
在进行检测时,通过相控阵超声仪器4能够对每次激发的阵元221进行时序控制,每次激发阵元221所产生的超声波均能够在待测管件5的管壁中形成聚焦声束8。
进一步来说,还包括设置于探头筒体21前端的保护凸缘6,探头筒体21的末端通过同轴电缆1与前端电子学3相连。其中,保护凸缘6的外径略大于相控阵超声仪器4的外径。通过保护凸缘6来保护探头筒体21上的阵元221,防止阵元221在待测管件5内运动时受到磨损。
其中,探头筒体21和保护凸缘6均由耐磨耐腐蚀材料制成,便于与测量周围环境相适应,延长使用寿命。
具体来说,相控阵超声探头2在待测管件5内发射的超声波的中心频率为0.5-15MHz。
具体来说,同轴电缆1包括多个信号线,各信号线与各阵元221一一对应连接,各信号线用于将对应的各阵元221所接收的超声回波信号依次传输至前端电子学3和相控阵超声仪器4。
具体来说,同轴电缆1还包括电源线和控制线,电源线用于向前端电子学3供电,控制线用于将相控阵超声仪器4发出的控制信号传输至前端电子学3。
进一步来说,还包括设置在相控阵超声探头2与前端电子学3之间的推进部件7,推进部件7连接在相控阵超声探头2与前端电子学3之间的同轴电缆1上,推进部件7为圆球状。通过设置推进部件7,便于实现相控阵超声探头2在待测管件5内的推进运动。
进一步来说,前端电子学3包括壳体31、多路开关32、高压脉冲发生器33、FPGA控制器34、收发隔离电路35和模拟前端芯片36,其中多路开关32、高压脉冲发生器33、FPGA控制器34、收发隔离电路35和模拟前端芯片36均设置于壳体31内。
其中,FPGA控制器34与高压脉冲发生器33相连,高压脉冲发生器33与多路开关32相连,实现对控制信号的转化处理。多路开关32与收发隔离电路35相连,收发隔离电路35与模拟前端芯片36相连,模拟前端芯片36与FPGA控制器34相连,实现对超声回波信号的转化处理。多路开关32与FPGA控制器34相连,通过FPGA控制器34能够对多路开关32进行控制。
其中,多路开关32通过同轴电缆1与相控阵超声探头2相连,FPGA控制器34通过同轴电缆1与相控阵超声仪器4相连。
在信号发射过程中,相控阵超声仪器4产生控制信号,经同轴电缆1传输至电子学前端3,在电子学前端3中,控制信号经FPGA控制器34计算转化为激励信号,并传输至高压脉冲发生器33产生激励电信号,然后再经过多路开关32选通的通道传输到同轴电缆1中对应的信号线中,并激发与信号线对应的阵元221,从而产生超声波。
在信号接收过程中,阵元221接收到超声回波信号并将其转化为模拟电信号,该模拟电信号经由同轴电缆1中对应的信号线传输至电子学前端3,在电子学前端3中,该模拟电信号依次经过相应的多路开关32的通道以及收发隔离电路35后传输至模拟前端芯片36中,通过模拟前端芯片36进行放大滤波处理,再进入FPGA控制器34完成采样和数字化处理,形成的数字回波信号经同轴电缆1传输至相控阵超声仪器4。
具体来说,电子学前端3采用便于长距离信号传输的总线协议,包括并不限于CAN总线、光纤。
此外,前端电子学3的壳体31外部设有防水耐磨层,从而对前端电子学3进行有效保护。
此外,为了便于前端电子学3在待测管件5内运动,前端电子学3的壳体31可以采用梭形。当然,也可以根据实际使用需求采用其他流线型结构。
在进行检测时,在信号衰减不大的情况下,可以将前端电子学3放到待测管件5外部进行检测操作。
此外,为了在待测管件5内部充满水的环境下进行检测,待测管件5内流动的水需要有一定的压力才能驱动相控阵超声探头2向前移动,因此同轴电缆1、相控阵超声探头2以及前端电子学3均需要具有防水功能,且具有一定的抗压强度。
此外,为了便于在弯管中进行检测,相控阵超声探头2的长度和体积,以及前端电子学3的长度和体积,均需要与弯管的最小曲率半径弯道处相匹配,从而使相控阵超声探头2以及前端电子学3能顺利通过弯管的弯道。
综上所述,本发明实施例所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,采用相控阵超声技术,能够通过相控阵超声探头在待测管件的管壁周向上实现聚焦声束,对待测管件实现实时、准确的体积型检查,及时检出服役中的管件出现的不良状态,提高了分辨率和灵敏度,进而提高了对于管内缺陷的检出能力和定量评价能力,能够有效预防管件破损、严重腐蚀等问题。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中,除非另有说明,“若干”的含义是一个或多个;“多个”的含义是两个或两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:包括通过同轴电缆依次连接的相控阵超声探头、前端电子学和相控阵超声仪器;所述相控阵超声仪器用于发出控制信号,所述前端电子学用于将所述控制信号转化为激励信号,所述相控阵超声探头用于将所述激励信号转化为超声波并发射至待测管件内,所述超声波能够在所述待测管件的管壁上形成聚焦声束,所述相控阵超声探头用于接收所述待测管件反射的超声回波信号,所述前端电子学将所述超声回波信号转化为数字回波信号,所述相控阵超声仪器接收所述数字回波信号并进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:所述相控阵超声探头包括探头筒体以及设置在所述探头筒体外周面上的相控阵超声换能器。
3.根据权利要求2所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:所述相控阵超声换能器包括均匀环设在所述探头筒体上的多个阵元,所述阵元用于发射所述超声波并接收所述超声回波信号。
4.根据权利要求3所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:所述相控阵超声换能器每次同时激发的所述阵元的数量不超过所述阵元总数的1/6。
5.根据权利要求2所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:还包括设置于所述探头筒体前端的保护凸缘,所述探头筒体的末端通过所述同轴电缆与所述前端电子学相连。
6.根据权利要求3所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:所述同轴电缆包括与所述阵元一一对应的多个信号线。
7.根据权利要求1所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:还包括设置在所述相控阵超声探头与所述前端电子学之间的推进部件,所述推进部件连接在所述同轴电缆上,所述推进部件为圆球状。
8.根据权利要求1所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:所述前端电子学包括壳体、多路开关、高压脉冲发生器、FPGA控制器、收发隔离电路和模拟前端芯片,所述多路开关、高压脉冲发生器、FPGA控制器、收发隔离电路和模拟前端芯片均设置于所述壳体内;所述FPGA控制器与所述高压脉冲发生器相连,所述高压脉冲发生器与所述多路开关相连;所述多路开关与所述收发隔离电路相连,所述收发隔离电路与所述模拟前端芯片相连,所述模拟前端芯片与所述FPGA控制器相连;所述FPGA控制器与所述多路开关相连。
9.根据权利要求8所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于,所述多路开关通过所述同轴电缆与所述相控阵超声探头相连,所述FPGA控制器通过所述同轴电缆与所述相控阵超声仪器相连。
10.根据权利要求1所述的用于管内检测的相控阵超声检测装置,其特征在于:所述相控阵超声探头为凸阵探头。
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