管道缺陷的超声波无损检测装置的制作方法

本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及一种应用于管道缺陷的超声波检测装置。

背景技术：

管道作为城市的重要基础设施，承担着信息传递、资源供给和能源输送等重要职能。然而，随着管道的管龄增长，外力破坏、施工质量、工作环境恶劣等因素将会造成管道腐蚀变薄等管道缺陷，由此导致的管道泄漏事故频频发生，带来严重的后果。因此，为了保障管道的正常运转，相关部门急需对各类地下管道进行必要的勘测和维护。

管道维护的核心是对管道进行无损检测，以便发现管壁是否存在腐蚀或塌陷。相当数量的地下管线穿越河流、建筑、公路等地表障碍，由于周边环境限制，管道检测任务的工作场地狭小，管井内部空气污浊、污水污泥众多，环境极为恶劣，因而人工携带探测仪器进行管线探测十分困难，急需开发一种能深入管道的高度自动化的无损检测仪器来代替人工检测。随着科学技术的不断发展，特别是无损检测技术、信号处理技术、微电子技术、机器人控制技术的飞跃，管道无损检测机器人应运而生。

无损检测技术的意义在于不破坏被测试件，利用物质中组织结构上的差异而使其某些物理特征的量发生变化的现象，完成一些重要指标的检测，进而了解和评价材料、设备或产品的性质、状态及内部结构等。使用无损检测技术检测管道缺陷可以代替常规的开挖检测，实现管道在线检测，势必会在管道检测方面大有可为。

现阶段，无损检测领域用于管道检测方法有漏磁检测、涡流检测、射线检测、磁粉检测、和超声波检测。漏磁检测常用于检测具有高磁导率的铁磁材料，是目前用于检测铁棒、钢管及输油管道的常用方法之一。但是，漏磁检测是一种针对铁磁材料管道的外部检测，且不适合铁磁材料内部的缺陷和闭合裂纹的检测。涡流检测技术是一种基于电磁感应原理的非接触检测方法，涡流检测法只能检查金属材质管道的表面和近表面缺陷，不适用检测其深层的内部缺陷。射线检测是利用射线(X射线、Y射线等)穿过物体过程中具有一定的衰减规律,根据通过工件各部位衰减后射线强度来检测工件内部缺陷的一种方法，该方法所用设备比较复杂,成本较高,检测过程中产生的射线对人体以及一些敏感物体会造成一定危害。磁粉检测只能用于检测铁磁材料表面或近表面的损伤，而且不能够准确测得目标损伤的具体尺寸，无法在检测过程中获取数据从而进行定量分析。因超声波在波导中传播时，波导的边界会对超声波的传播产生影响，利用这一特性，可以通过观察超声波的回波信号推断波导的形态，所以超声波检测适合用于管道缺陷的无损检测。基于超声波的无损检测技术因其成本低廉花费少、检测的精度高、检测过程方便、可操作性强等特点，成为国内外无损检测研究的热点。

目前，已经应用于管道的超声波检测装置，绝大多数是针对一种用途的管道，以管道中的物质(如水、石油等)作为耦合剂，进行的超声波无损检测。比如现在已有的发明“石油管道超声波检测方法及检测用的机器人”(公开号：CN1982889A)，需要用管内的石油作为耦合剂，仅能用于石油管道的缺陷检测，并且该发明的超声波探头通过周向旋转检测，会出现缺陷漏检。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于任何口径、材质的管道，且不受限于管道中介质、管道周向全面检测的超声波检测装置，可以满足管道缺陷检测需求。

本发明提供一种管道缺陷的超声波无损检测装置，所述的检测装置包括轮式阵列和控制系统两部分；

所述的轮式阵列由两个以上支撑轮系组成，相邻两个支撑轮系之间通过六边形连接件固定连接，连接错位角大于0度；

所述的支撑轮系包括至少一个轮式超声波探头；

控制系统上电后等待上位机发出检测指令，当控制系统接收到上位机的检测指令时，DSP依据检测指令设置检测模式，在确定检测模式之后，DSP选通超声波脉冲发射电路产生高压脉冲，高压脉冲激发轮式超声波探头中的超声波换能器产生超声波检测管道缺陷，然后DSP采集一组回波信号；采集完成之后，对回波信号进行小波阈值去噪，在利用回波的峰峰值计算检测结果发送给上位机，完成一次检测；然后选通下一个超声波高压脉冲发射电路产生高压脉冲，采集第二组回波信号，经过采集去噪和计算处理操作，完成第二次检测，直至检测模式循环完成；循环检测，直至到达管道终点。

根据轮式超声波探头的结构特点，从橡胶层反射回来的回波为第二次回波、从管道层外壁反射回来的回波为第三次回波，利用超声波第二次回波和第三次回波的时间差，便计算出管道的相对壁厚，相对壁厚反映出管道的内部缺陷或者外部缺陷情况。根据超声波回波信号的特点，采用小波去噪提高信噪比，使得检测精度得以提升。

(1)一种轮式超声波探头结构以及其支架结构。

(2)稳定可靠的系统硬件电路，包括DSP+CPLD模块、超声波发射模块、信号处理模块、直流载波通讯模块、里程计模块以及电源模块等子系统。

(3)采用小波去噪的回波信号处理方法。系统检测过程中势必会引入噪声，对检测结果产生干扰，影响检测精度。超声波回波信号是非平稳信号，包含一些尖峰成分或突变，小波分析方法具有多分辨率即多尺度的特点，可以由粗及细地逐渐观察信号。这种方法处理回波信号可以较大程度提高检测精度。

与现有的超声波检测装置相比，本发明的优点在于：

(1)采用轮式超声波探头，实现与管道内壁的干耦合，解决需用涂抹耦合剂的困扰，检测不受管内介质的限制，实现对各种用途的管道的缺陷检测。

(2)支撑轮式的定中机构具有可伸缩或可快速更换的能力，可以适用于多种口径管道检测。

(3)多组支撑轮系错位相连实现管道管周全覆盖布局，保证了检测不出现漏检情况。

(4)设计了稳定可靠的实时数据传输系统，并采用了小波去噪的回波信号处理方法保证了较高的检测精度。

(5)整体采用IP68的防水等级，具备较强的防水能力。

附图说明

图1是本发明的轮式超声波探头检测管道缺陷原理示意图。

图2是本发明的轮式超声波探头结构剖视图。

图3是本发明的轮式超声波探头3D示意图。

图4是本发明的轮式超声波探头支架结构示意图。

图5是本发明的单组支撑轮系设计示意图。

图6是本发明的多组支撑轮系组成的轮系阵列示意图。

图7是本发明的电路功能结构示意图。

图8是本发明的整体控制策略框图

图中：

a.内壁缺陷； b.管道壁； c.外壁缺陷；

A.支撑轮系； B.轮式超声波探头；

1.橡胶轮； 2.轮轴； 3.液体介质；

4.超声波换能器； 5.环形固定板； 6.轮毂；

7.O型密封圈； 8.轴承端盖； 9.防水深沟球轴承；

10.轴用弹簧挡圈； 11.孔塞； 12.轴用V型密封圈；

13.固定支架； 14.固定块A； 15.固定块B；

16.导轨A； 17.导轨B； 18.滑块A；

19.滑块B； 20.导杆； 21.支撑臂A；

22.支撑臂B； 23.支撑臂C； 24.支撑臂D；

25.O型连接件； 26.六边形连接件； 27.中心轴。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种管道缺陷的超声波无损检测装置，原理如图1所示。利用超声波回波时间差定量计算管道壁b的相对壁厚从而检测管道壁b缺陷，超声波换能器4发出的超声波在波导中传播时，波导的边界会对超声波的传播产生影响，利用这一特性，可以通过超声波换能器4发出的超声波的回波信号时间差计算该位置管道壁b的相对壁厚。如图1所示，超声波换能器4固定在轮轴2上，橡胶轮1与轮轴2之间通过环形固定板、轮毂和轴承连接，并且二者之间密封，橡胶轮1内充满液体介质(水)3，超声波换能器4垂直于管道壁b，每当检测到外壁缺陷c时，距离不变，但检测到相对壁厚减薄，则可说明检测到的缺陷为管道外壁缺陷c。当超声波探头检测到内壁缺陷a时，超声波探头标准位移增大，并且管道壁b的相对壁厚减薄，说明此缺陷为管道壁b的内壁缺陷a。根据上述的轮式超声波检测原理，本发明设计了轮式结构和支架结构限定了轮轴的自由度，保证超声波换能器探头始终垂直于管道壁，从而保证了检测方法的可行性。

本发明提供的一种管道缺陷的超声波无损检测装置，包括至少两个支撑轮系A，每个支撑轮系A包括六个轮式超声波探头B周向均匀分布，如图5所示为单个支撑轮系A设计示意图，相邻两个轮式超声波探头B之间的安装角度为60度。图6所示为六组支撑轮系A组成的支撑轮系阵列示意图，为了实现管道周向的全覆盖检测，六组支撑轮系A之间错位固定连接，错位角度由管道圆周决定，保证了检测过程中不漏检。错位角θ与待测管道的直径D有关。设管道的半径为d(单位：mm),则错位角的大小为(单位：°)。

如图2～图4所示，每个轮式超声波探头B包括橡胶轮1、轮轴2、水3、超声波换能器4、环形固定板5、轮毂6、O型密封圈7、轴承端盖8、防水深沟球轴承9、轴用弹簧挡圈10、孔塞11、轴用V型密封圈12、固定支架13、固定块A14、固定块B15、导轨A16、导轨B17、滑块A18、滑块B19、导杆20、支撑臂A21、支撑臂B22、支撑臂C23、支撑臂D24、O型连接件25、六边形连接件26。

所述的橡胶轮1通过轮毂6和防水深沟球轴承9连接轮轴2，橡胶轮1可以绕轮轴2转动，形成图3所示的轮结构。橡胶轮1的两侧通过环形固定板5实现密封，在橡胶轮1内部充满水3。所述的环形固定板5外侧依次为轴用弹簧挡圈10、轴用V型密封圈12和轴承端盖8，所述的轴用弹簧挡圈10和轴承端盖8均固定在轮轴2上，限制防水深沟球轴承9在轮轴2上移动。如图2，空心的轮轴2内部用两个固定支架13固定有超声波换能器4，所述超声波换能器4的导线从轮轴2内的穿孔导出。

所述橡胶轮1上设置有进水孔，通过进水孔将水3充入橡胶轮1后，用孔塞11将进水口堵住，避免泄露。

在所述的轮毂6和轴承端盖8之间设置O型密封圈7用于防止橡胶轮1的意外漏水问题。

为了防止轮轴2的转动，保证超声波换能器4始终垂直于管道壁b，必须限定轮轴2的自由度。如图4，在所述的轮轴2的两端分别连接两组支撑臂，第一组支撑臂的顶端转动连接在所述的轮轴2上，底端转动连接在固定块A14上，所述顶端和底端分别同轴转动，并且转动轴平行。第二组支撑臂(支撑臂C23和支撑臂D24)的顶端转动连接在所述轮轴2上，底端转动连接在所述的滑块B19上，所述顶端和底端分别同轴转动并且转动轴平行。所述滑块B19滑动连接在一对平行的导轨A16上，导轨A16的两端分别固定在固定块A14和固定块B15上。当所述滑块B19在导轨A16上滑动，可以带动所述的轮结构在沿着导轨A16的方向发生位移。在所述的固定块A14和固定块B15之间还设置有导轨B17，所述导轨A16平行于导轨B17，导轨B17上滑动连接有滑块A18，所述滑块A18上连接两个导杆20，所述两个导杆20一端分别固定在轮轴2的两侧上，另一端分别穿过所述的滑块A18上两个通孔，滑块A18可以在导杆20上滑动。当所述轮结构在沿着导轨A16的方向发生位移，轮结构相对于导轨A16的距离发生变化，此时轮结构会带动导杆20运动，同时由于导杆20在滑块A18上的滑动，使得滑块A18在导轨B15上滑动。由此，支撑臂的张开和收缩，实现了轮结构的升降运动，进而条件轮结构与导轨A16之间的距离。优选的，在所述的滑块A18和导杆20连接的位置的两个通孔内设置直线轴承。所述的导轨A16有两个，相互平行，分别对应滑块B19上的两个通孔，所述导轨A16分别穿过滑块B19上的两个通孔，两端分别固定在固定块A14和固定块B15上；在所述的滑块B19上的两个通孔内设置直线轴承。

所述的第一组支撑臂的顶端、第二组支撑臂的顶端，也可以通过O型连接件25固定在轮轴2上，所述的O型连接件25通过螺钉固定在轮轴2上。

在所述的两组支撑臂和导杆20的限定下，所述的轮结构可以在导轨A16的垂直方向上伸缩，滑块A18和滑块B19分别在导轨A16和导轨B17上水平滑动，使得轮轴2只有平行和垂直导轨两个方向上的自由度。固定块A14与滑块B19之间或者固定块B15与滑块B19的导轨A16上套装有一定劲度系数的弹簧，前者选择拉簧，后者选择压簧。

如图5，将六个轮式超声波探头B组合在一起形成一个支撑轮系A，每个超声波探头B两端的固定块A14固定在一个六边形连接件26上，固定块B15固定连接在另一个六边形连接件26上，并且两个六边形连接件26通过几何中心的中心轴27连接，所述中心轴27与每个轮式超声波探头B的导轨A16或导轨B17平行，增强了支撑轮系A的稳定性。每个超声波探头B上的轮结构向外，周向均匀布置在所述的六边形连接件26上。

结合图4，超声波换能器4在轮轴2上的安装保证与导轨A16垂直。那么，这样就保证了在图5中，超声波换能器4与轮系中心轴27的垂直关系。所以，在检测装置进入待测管道时因为轮系中心轴27是与管道的中心轴平行的，这样就保证了超声波换能器4与管道壁的垂直。又因为轮轴2的不转动设计，这种垂直关系可以一直保持下去，就保证了检测方案的可行。

所述的支撑轮系A在静止状态下，由于弹簧的弹力作用，橡胶轮1处于距离导轨A16或导轨B17的最远位置，当进行不同内径的管道测量时，由于管道壁b对橡胶轮1的压力作用，橡胶轮1向导轨16A或导轨B17的方向运动(支撑臂的收缩运动)，同时由于弹簧弹力作用，可以使得橡胶轮1紧贴管道内壁a，并在一定程度上减小机构的震动，这样同时实现了管径适应性设计。

将所述的两个以上的支撑轮系A连接形成轮系阵列。优选的，所述两个以上的支撑轮系A为相同结构。连接方式为将相邻两个支撑轮系A的六边形连接件26固定，固定角度为错位角θ。所述轮系阵列中支撑轮系A的个数，根据错位角以及支撑轮系A中轮式超声波探头B的数量确定，保证所述的轮系阵列可以实现对管道壁的全面检测。

所述的错位角的定义为：两组支撑轮系A通过六边形连接件连接安装之后在中心轴27方向上的轴向投影，相邻两个轮式超声波探头B投影之间的最小夹角为错位角。

每个轮式超声波探头的有效检测周向长度为l_c(错位角计算公式中按照20mm计算)，一组支撑轮系携带六个轮式超声波探头，有效检测长度为6l_c。对于直径为D的管道，周向不漏检条件为：

$m\≥\frac{\mathrm{\π}D}{6l_c}$

m为所需的支撑轮系A个数。

为了使该超声波检测装置具备超声波高压脉冲发射、超声波信号调制和采集处理及上下位机的载波通信等功能，本发明设计了基于DSP的控制系统。如图7，根据设计需要，控制系统包括电源模块、DSP+CPLD模块、超声波脉冲发射电路、里程计模块、载波通讯电路、AD/DA电路以及由前置增益放大电路、限幅保护电路、带通滤波电路、程控增益放大电路、直流偏置电路组成的信号处理模块。

电源模块采用外部电缆为以下模块供电：DSP+CPLD模块、超声波脉冲发射电路、里程计模块、载波通讯电路、AD/DA电路、限幅保护电路和信号处理模块供电，各模块或电路所需不同幅值的电压信号通过开关型稳压芯片获得。

CPLD+DSP模块中，CPLD采用XC9572XL芯片，负责超声波脉冲发射电路的触发高压脉冲的生成、直流载波通讯电路的控制信号生成以及里程计模块中里程计信号的捕获。

DSP为所述控制系统的核心，DSP采用TMS320F28335高性能数字信号处理器，实现超声波信号的发射、接收以及信号回波的处理等功能。在回波信号的处理中，采用了小波分析的方法进行原始回波信号的处理，即选择一个确定的小波基函数和小波分解层次N，对原始回波信号进行N层小波分解。本发明选用Daubechies小波家族的db4做小波函数，小波分解阶数为3阶。阈值选择的好坏直接关系到去噪效果的好坏。本发明选择了一种改进的阈值函数(介于软硬阈值函数之间)和阈值λ_j，对超声回波信号进行消噪处理。

${\mathrm{\λ}}_j=\mathrm{\δ}\·\sqrt{2log\left(N\right)}/log(1+j)$

其中，λ_j为第j小波分解的阈值，N为去噪信号的长度，δ为噪声的强度，d_j(k)是第j层的第k个小波系数，是经过阈值处理过的小波系数，sgn()表示符号函数，α满足0≤α≤1，γ满足0≤γ≤λ_j。本实例中，阈值函数中的参数选取为α＝0.83，γ＝0.5λ_j，阈值中的参数N＝256。

超声波脉冲发射模块：常用的超声波发射需要高压电源、变压器，体积较大，而且功率管驱动的放大电路结构较为复杂，容易散热不良。本发明采用低压控制的RLC串联谐振电路，利用电感放电实现矩形300V负脉冲的产生。

超声波换能器接收的回波信号的中心频率为2.5MHz，同时由于轮式超声波探头的设计使得回波信号只有几个毫伏或者几十毫伏正负相间的高频低幅值的脉冲。信号处理模块用于不失真的放大回波信号，同时尽可能的提高信噪比，然后再送给AD/DA电路完成高速采集。本发明中设计了载波通讯电路，实现上下位机的实时通讯。轮系超声阵列装置在管道中进行检测，下位机需要给上位机发送缺陷检测的结果；同时下位机也要接收上位机的控制指令或检测指令，载波通讯电路实现上下位机的实时通讯。直流载波技术利用现有的供电线，无需新建通讯网络，通过载波的方式将信号加载在供电线上实现数据传输的技术，具有传输距离长、误码率低的特点。

里程计模块主要是对系统的运动路程和方向的测量，通过测定运动路程和方向参数，确立超声波无损检测装置移动的距离，将位置信息与检测数据相匹配，从而得出所检测出的缺陷在管道中的位置。

信号处理模块包括限幅保护电路、前置增益放大电路、带通滤波电路、程控增益放大电路以及直流偏置电路五个部分。本发明中的超声波换能器是收发一体的，即发射和接收共同使用一根信号线。为了避免高压负脉冲进入信号处理电路造成通道阻塞或损坏元器件，本发明采用了限幅保护电路限制进入放大器输入端电压的允许范围。前置增益放大电路的作用是有效放大回波信号，实现超声波换能器和前置增益放大电路的阻抗匹配。为了避免噪声信号进入后续的电路，提高信噪比，设计了压控电源型二级带通滤波电路滤除噪声。管道缺陷的超声波检测系统，根据检测管道的不同，回波信号的幅值也相应不同，因此必须根据回波信号的变化相应的调节信号处理电路的放大倍数。为了增强本系统的适应性，设计了一种能够自动调节放大器增益的电路。在超声波回波信号上加一个直流电压，形成直流偏置电路，避免了数据采集时超声波回波信号的缺失。

图8为本发明的控制系统的整体控制策略框图。控制系统上电后等待上位机发出检测指令，当控制系统接收到上位机的检测指令时，DSP依据检测指令设置检测模式(参与检测的支撑轮系和检测顺序)。在确定检测模式之后，DSP选通超声波脉冲发射电路产生高压脉冲CLKi，高压脉冲激发超声波换能器产生超声波检测管道缺陷，然后DSP采集一组回波信号。采集完成之后，对回波信号进行小波阈值去噪，在利用回波的峰峰值计算检测结果发送给上位机，完成一次检测。然后选通下一个超声波高压脉冲发射电路产生高压脉冲，高压脉冲激发超声波换能器产生超声波检测管道缺陷，然后采集第二组回波信号，经过采集去噪和计算处理上传等操作，完成第二次检测，直至检测模式循环完成。按照上述检测流程，实现循环检测，直至到达管道终点。