工业超声波检测系统中电磁干扰的分析及防护措施

魏 鹏，周昌智

（GE检测控制技术，上海 201203）

近年来，工业无损检测行业出现了井喷式的发展。其中超声波检测以其方便、无辐射的特点，占据了无损检测中很大的份额。但是，设备厂家或研究单位在开发和调试设备时，不得不面对超声检测系统受到的严重电磁干扰问题。这个问题如果处理不好，电磁噪声将严重影响超声检测系统灵敏度及准确性，甚至影响到设备的正常使用。

笔者针对工业超声波检测时常见的电磁干扰问题，分析并总结了一些有效的电磁干扰抑制及防护措施。

1 工业超声波检测系统介绍

超声波检测设备通常可分为便携式超声检测设备及大型超声波检测系统。笔者重点讨论大型超声波检测系统的电磁干扰问题。

大型超声波检测系统是较为复杂的一套系统，除了核心的超声子系统外，还需要机械、电控等辅助系统才能完成在线或自动检查任务。

其中超声子系统可简单地划分为：信号摄取部分（换能器）、信号调理转换及控制部分、信号显示及传输部分。文中所谈的干扰主要指针对超声子系统的电磁干扰，其主要体现为系统外部及系统内部电控、超声电路对超声信号产生的干扰噪声。

2 电磁干扰对超声检测信号的影响

2.1 电磁干扰介绍

电磁干扰（EMI）是引起设备、传输信道或系统性能下降的电磁噪声。电磁干扰可根据干扰源、传播途径、频谱、性能等不同标准分成不同的类型；如以传播途径划分，电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。其中辐射耦合在高频中十分常见，而传导耦合在低频中更为常见。

工业环境中常见的电磁干扰有变压器、电火花、电弧焊接、可控硅整流和高频加热设备等产生的空间辐射干扰，周边或设备本身引起的电源干扰，计算机检测系统中的信号通道干扰和数字电路引起的干扰等。

2.2 电磁干扰对超声检测系统的影响

一般而言，工业环境中的电磁干扰通常发生在多个设备或器件之间，并包含着多种途径的耦合［1］。由于其反复交叉耦合，会产生共同干扰。因此对于电磁干扰的分析、抑制或排除就变得比较困难。由于超声波仪器放大器的频率范围很宽，这些噪声信号会通过探头线进入检测仪器并叠加在有用信号上，从而降低检测信号的信噪比，甚至会淹没有用的信号，造成误判或无法获取被测信号。图1是基于VIS系统的探伤设备的探头在同一位置时，在高低电磁干扰下的缺陷回波信号的对比，从中可以明显看出，在高的电磁干扰下，缺陷信号几乎无法被分辨。

3 超声检测系统中常用的电磁干扰防护措施

3.1 超声波检测系统所面临的电磁干扰

自动化超声检测系统，除了超声部分，通常都需要机电辅助系统的支持。现在主流的大型超声检测设备的运动控制一般都采用基于PC的运动控制卡或专用的控制器加伺服或变频驱动器来完成电机的驱动及控制，其中的变频回路就是一个很强的干扰源［2］。所以，自动化的超声检测系统，不仅要面对外部的干扰，还要面对系统本身机电设备产生的干扰。

表1和图2显示了埋深80mm，直径0.4mm平底孔在相同检测条件下，伺服驱动电机开关对信噪比的影响。

为了抑制或消除这些干扰，从超声检测系统设计集成到安装调试，都需要充分考虑系统面对的干扰源及其特性，并采取相应有效的防护措施。

表1 驱动电机开启和关闭时的信噪比

3.2 系统设计集成阶段防电磁干扰措施

超声检测系统中最关键的部分为超声子系统，其中超声仪器硬件电路、超声波探头性能及信号的传输对超声系统的抗干扰性能起着重要的作用。所以，笔者主要针对这些问题提出一些抗干扰的方法和建议，以增强整个检测系统的抗电磁干扰性能。

（1）探头及探头线 探头制作工艺，尤其晶片及相关阻尼材料的选择都对降低机械品质因素，减少盲区，提高分辨率和抗干扰性方面有着重要的影响。

超声探头线基本都带有屏蔽层，而且经常需要双层或多层屏蔽。

（2）超声信号处理电路 超声信号的处理电路尽量采用模块化总线结构的设计。元器件选型及布局、接地线路及接地点的设计都要充分考虑并经过一定的试验来减少电磁干扰，提高抗干扰性能。如：减少使用发热量大的元件，合理的散热设计；使用先进的FPGA和DSP作为处理器从而简化电路板的设计，降低功耗；超声发射接收模拟电路与数字电路分开设计、布局；A／D转换前增加抗混叠滤波设计、提高数据稳定性；采用合理的电路屏蔽及封装等。

（3）超声信号的耦合及传输 一般的超声波信号都是直接通过电缆连接，故重点要做好电缆屏蔽及接地。但对于一些旋转式超声设备，超声波信号需要经过滑环碳刷或电容耦合的方式传输。这样，滑环和电容的接地便成为重点关注的内容。实践证明，非接触式电容耦合传输方式在旋转式检测设备中的抗干扰性能更加显著。

3.3 系统安装调试阶段防电磁干扰措施

作为系统级的设备，超声波检测系统通常都需要由厂家专业的团队在客户现场完成组装及调试。根据笔者的经验，设备的合理布局及必要的物理隔离、屏蔽、接地、增加滤波电路等都对设备的最终检测性能起着非常重要的作用。

（1）合理的设计及地基布局，保证设备在尽可能少的电磁干扰中工作：①了解超声探伤设备安装位置周边的电磁干扰源，提出相应的改进和防护措施。②专业的地基及布局图，强弱电分离设计及对超声信号电缆的专门保护。③超声仪器良好接地，接地电阻尽量不超过1Ω。④变频传动回路加滤波器及电抗器等，用于降低由变频器产生的谐波，并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的尖峰电压。

（2）专业的安装及调试，保证设备强大的抗干扰性能：①超声信号线布线时，必须要走单独的金属电缆桥架。②保证整个系统可靠接地；所有设备之间尽量用短而粗的接地线连接，控制柜内所有设备接地良好，并连接到电源进线接地点或接地母排上。③连接到变频器的任何电子控制设备都要与其共地，共地时也应使用短和粗的导线，同时电机电缆的地线应直接接地或连接到变频器的接地端子上。④所有屏蔽电缆的屏蔽层都要可靠接地。⑤超声信号线需要时应加封闭磁环，并缠绕3圈以上。⑥合理的布线策略：强弱电分层，独立走线，以减少线间的耦合；尽量避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线；控制电缆和电源电缆交叉时，应尽可能使它们按90°角交叉，同时必须用合适的线夹将电机电缆和控制电缆的屏蔽层固定到安装板上。

3.4 防护措施在实际应用中的效果

图3所示是基于USIP40超声检测系统中样件的缺陷回波图形。图3（a）为设备初步安装完成后，埋深13.5mm，直径0.4mm平底孔超声回波情况，可见80dB时电磁噪声水平约为满屏的30%。图3（b）为采取上述的相应电磁干扰防护措施，即伺服控制器的输出加磁环、超声仪器单独接地、探头线靠近仪器侧加磁环等处理后的效果；可见在相同的增益下，电磁噪声水平降低为满屏的15%。

4 结语

从工业超声波检测系统的设计、集成及安装调试方面，分别列举了一些常用且有效的电磁干扰防护措施，其中很多措施在实际项目中也显示了其抑制或消除工业环境中电磁干扰的功效，为超声检测系统防干扰的设计及调试提供了有益的参考。系统的检测灵敏度及系统可靠性，需要各客户及生产厂商重点关注。

［1］方彦军，程继红.检测技术与系统设计［M］.北京：中国水利水电出版社，2007，10.

［2］史亦韦，梁菁，何方成.航空材料与制件无损检测检测技术新进展［M］.北京：国防工业出版社，2012，4.