铁路车钩配件相控阵技术研讨

张 炜

（西安铁路局物资处 西安）

一、概述

铁路系统现阶段对车钩的钩舌、钩尾框、圆销或部分重要部件的焊缝（T型、角形及平面）的探伤采用的是磁粉干法或湿法探伤，这种探伤方式结果很大程度取决于探伤操作人员的经验判断，人为主观影响较大。另外铁路系统部分部件如钢轨焊缝目前广为使用的A超式超声波数字探伤，其实是利用简单阵元（一般是几个阵元）超声波原理，回波产生波形曲线，同探伤仪内部储存的标准曲线比较差异来实现对探伤的操作。该方式对检测人员的经验要求比较高，而且在现场使用时要频繁更换探头，且探伤效率较低，容易出现误报。相控阵的技术利用专用的多晶片相控证探头，和先进的发射，回波，放大，数字处理，人机交换控制，直观的图形显示出被探伤部件的损伤。相控阵先进的控制技术和先进的相控阵探头可以实现晶片的单独调节，实现控制声束轴线和焦点等参数，可以实现下面传统探伤无法实现的功能。

随着铁路探伤的要求越来越高，目前的A超和磁粉探伤已经不能满足探伤的要求。相控阵探伤仪能直观的显示出工件内部伤，能让探伤人员直观的判断伤损，大大提高工作效率。

二、设计思想

利用可控多晶探头发射和接收超声波，进行数字放大，人机交换处理，实现被测部件的直观图像显示。利用高压发射出高频高压发射波，触发相控阵单元，高压脉冲通过相控阵单元的控制到达多晶探头，发射出入射波到被测部件。由于缺陷的存在，被测部件在缺陷部分的物质密度会和其他地方出现差异，这样子对于入射波的反射会有不同。反射波波前被探头晶元接收，通过相控阵单元的控制，到达捕获单元。捕获单元通过处理，直观的显示出被测部件的缺陷。

（1）检验多样性。相控阵可以轻松检验几何形状复杂的零件，如自动焊的焊缝，管接头，检测复杂或检测空间受限的几何工件。

（2）阵形尺寸小。可以应用在各种特殊的场所，如受空间限制的涡轮和圆盘类零件。

（3）机械可靠性。可控扫描方式，减少了搬动零件，使得检测系统更稳定可靠，可以减少检验过程中的磨损和拉扯，同时能显著提高系统检测结果的可靠性。

（4）定向能力。控制相控阵的焦点，可以实现多目标目标多向探伤功能，利用定向扇形扫描，可以实现检测部件的多点损伤和不同损伤的检测。

三、系统构成及原理

1.单元/单板的划分及功能描述

（1）前端板。实现探头的多路切换，每个多晶探头的扫面工作方式的控制，可以控制打开关闭所需要的探头晶元。利用先进的高压开关，可以控制晶元的选择与否，这样子可以实现目标晶元的选择。定位，定向的测试被测部件的多点不同损伤。利用MOSFET信号驱动发生器和MOSFET，实现超声信号的发射，提高发射信号的功率，达到高深度（可以达到80 cm的深度）的被测部件的内部测试。对于接收到的回波信号，也可以经过前端板的设计进行模数转换，放大。利用先进的全通道的高精度10位A/D转换器，把接收到的模拟信号转换为可处理的数字信号。10位的A/D转换，大大提高了模拟信号转换为数字信号的回真率，大大保证图像信息真实还原和图像的丰富细腻。10位A/D带有钳位，滤波，可以选择到实际需要的回波模拟信号，进行模拟到数字的转换。对于转换后的数字信号，前端板设计会利用对应的10位数字信号放大器进行放大。该10位数字信号放大器内置独有的LNA（信号滤波），通过参数设计控制，滤除不需要的信号，选择实际的回波信号进行放大。

（2）数字板。数字板的设计有整机的ARM处理器，实现整机的控制。包括主机的控制，控制键盘的人机交互，控制前端电路（发射和接收实现超声的工作扫描方式，波束的形成控制和成像。该处理器包含：①1 GHz的处理单元，128K RAM存储，48K ROM存储，可以达到快速处理控制显示回波信号。②高速的图像处理和显示，可以达到8×和16×，真实的输出图像显示信号，有两个165 MHz的图像输出。③通用的存储控制，8/16位多地址存储空间，可擦除，错误定位。④通用的控制接口，可以与FPGA，ASIC等通信。⑤3.3 V I/O口输出，双USB端口。传输和接收时钟可以达到48 MHz。

（3）电源。电池、适配器：整机系统的初级能量供给单元，实现整机的直流输入；AC-DC电源：将AC 220 V转换成DC 12 V；DC-DC电源：实现整机系统各个部件的电源供给，输出电压包括+1.8 V、+5 V、+3.3 V、+12 V、-12 V、+90 V、-90 V， 包含电池充电电路实现电池关机充电功能。

（4）背板。系统的主要互联板，实现DC-DC电源到前端板、液晶显示器、硬盘、数字板的电源输入，数字板到液晶显示器的信号转换和驱动，脚踏开关信号、S-VIDEO信号、视频输出信号由数字板到背板并且由背板引出。

（5）显示器。采用LED背光的工业级液晶显示器，输入信号为LVDS信号和背光电压（其余点亮电压在屏内部产生，无需外置点亮电压和逆变器）。

（6）键盘、鼠标。实现操作人员对主机的控制，采用串口和数字板间进行通信。

（7）探头。完成超声波的发射和接收。相空阵探头是一种晶片激发时可以单独调节，以控制声束轴线和焦点等参数的晶片阵列。根据晶片阵列型式不同，主要有1维线性阵列，2维线性阵列，1维环形阵列，2维环形阵列四种形式。线性阵列（1维,2维）基本上是一个长的常规探头。切割成许多可以单独激发的小晶片。1D、2D环形探头成环形排列，基本可以做成圆形的探头。

相控阵探头每个晶片都有各自的接头，延时电路，晶片之间彼此绝缘。可以根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中的每一个晶片，实现相位和波束的控制。实现波束的控制后就可以实现不同的扫描测试，达到自己需要的理想功能。

四、设计原理

1.发射接收原理

通过程序控制发射波形，发射波形放大后到达探头，通过探头发射超声波给到被测物体。被测物体接收到超声波后由于缺陷的存在，会反射出不同的回波到达探头，探头接收回波。

2.回波处理原理

接收到的回波经过AD转换，把接收到的模拟信号转换为可处理的数字信号。转换后的数字信号经过数字信号放大器放大，ARM处理器处理转换为可显示的图像信号到达LCD液晶显示器直观的把缺陷现实出来。

五、技术和特性说明

（1）利用二维插补、帧相关、线相关、边缘增强、动态频率扫描、动态滤波、数字声束形成、图像处理、线密度可调等先进的数字处理技术使得图像更加清晰。

（2）采用高密度探头实现高密度图像扫描图像更细腻、清晰，信息更丰富。

（3）内置工业级控制主板，提供丰富的超声工作站功能的同时保证产品的安全和可靠。

（4）图像存储和回放功能让操作者有了更大的操作自由。

（5）支持U盘，软件可升级，并可在U盘中存储或读取资料。

（6）高性能放大器电路，独立增益控制保证信号不失真的完全放大。

（7）高清液晶显示，无闪烁，屏幕配有视保屏，能减轻操作者视觉 疲劳。

（8）高强度薄膜键盘设计，更加适应用户野外使用需求。

（9）采用开关稳压电源，电源适应性强。

（10）全通道的高精度10位A/D转换器保证图像信息丰富细腻。

（11）多通道接收孔径，数字波束合成。

（12）零插拔力自锁探头接口保证连接可靠，方便使用者的操作。

（13）先进的90 nm工艺150万门大规模集成电路的应用使得产品可靠性更高。

（14）SMT（表面贴装）工艺极大地保证了产品的可靠性。

（15）产品采用全金属屏蔽设计，减少对于使用环境的依赖。

（16）产品采用8层高密电路板的精密加工技术。

（17）设备的所有重点信号连接器均采用国际大品牌的连接器并且为镀金工艺以保证产品的可靠性。

（18）外壳等外观部件均采用精密模具压制，可以保证产品的外形一致性。

六、结束语

相控阵技术是一种区别去目前传统的探伤技术的人为主观性，探伤效率低（误报率高），和探伤空间局限性的一种新型的工业探伤技术。对不同的复杂几何外形的被测部件，空间局限的被测部件的单点，多点缺陷的扫描和实时的直观图像显示。