便携式管道螺旋焊缝柔性相控阵超声波无损检测设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密测量技术、无损检测技术领域，具体来说，是指一种便携式管道螺旋焊缝柔性相控阵超声波无损检测设备。
【背景技术】
[0002]早期的全自动超声检测设备是将多个探头组合在一起形成探头盘，每个探头有固定的声束发射方向和聚焦深度，从而达到覆盖整个焊缝分区的目的，通过机械自动扫查，完成焊缝检测，超声管道检测仪器多通道驱动硬件电路复杂、稳定性差、成本高、检测速度慢。
[0003]在申请号为CN200910073490.7的中国发明专利中，公开了一种便携式超声相控阵检测成像仪，它是由触摸屏、计算机、超声相控阵电路系统、超声相控阵探头和检测成像软件组成的。触摸屏连接计算机，计算机通过数据总线连接超声相控阵电路系统，触摸屏、计算机、超声相控阵电路系统三者集成一体，构成仪器主体，通过电缆外接超声相控阵探头，检测成像软件安装在计算机上。由于该发明专利中采用的电路复杂，使得制造成本高，同时由于采用线路连接导致该设备只能固定设置在待检测管道上，不能方便移动进行连续检测。
[0004]在授权公告号为CN100503342的中国发明专利中公开了一种轮式永磁吸附管道爬行机器人，包括四轮驱动小车、永磁吸附机构和转向机构。小车由安装在车架上的四套车轮组组成，车轮组均包括轮架、车轮、车轮轴、轮架转向轴、减速器和电机；永磁吸附机构包括衔铁和二个极性相反永磁铁组；转向机构包括支架、主动链轮、主动链轮轴、链条、减速器和电机；永磁吸附机构与小车车架底部连接；转向机构固定在小车的车架上。该专利中虽然公开了永磁吸附结构，但是是通过采用永磁吸附结构将车架吸附在待检测管道上，再通过滚轮实现移动，整体结构复杂，制造工艺繁琐，并且永磁吸附机构在与待检测管道接触过程中，由于其接触面大，导致整体结构运行阻力大，运行不便。
[0005]在申请号为CN201410289724.2的中国发明专利申请中公开了一种基于电磁超声波相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法，包括置于小径管外且与其同轴的螺线管偏置磁场发生单元，在小径管内同轴布置的电磁超声激励线圈单元和沿管周向均匀布置的阵列检测线圈单元构成的电磁超声探头。该发明申请中必须根据待测小径管的直径及长度设置相应的螺线管偏置磁场发生单元，造成必须根据特定的待测物体生产设备，使得整个装置的生产成本大大提高，并且对于较大型压力管道缺陷检测时，该装置无法适用。
[0006]由于现有的针对压力管道无损检测系统使用的设备驱动电路复杂，并且不能适用于高温高压等恶劣环境使用，在对压力管道无损检测时容易出现失效。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种便携式管道螺旋焊缝柔性相控阵超声波无损检测设备，利用声速快速扫描成像技术，采用模块化设计，采用无线传输方式，方便进行远距离检测，能够适用于压力管道等高温、恶劣环境使用。
[0008]本发明通过以下技术方案实现:
[0009]一种便携式管道螺旋焊缝柔性相控阵超声波无损检测设备，包括管道爬行器及对称设置在管道爬行器上的2个二维柔性相控阵探头，在所述管道爬行器上设置有能够吸附在螺旋焊管上的磁吸轮，在所述管道爬行器内设置有无线传输模块，还包括与无线传输模块无线连接的工控机控制及成像模块，所述无线传输模块通过超声波发射接收模块分别与2个二维柔性相控阵探头相连接。
[0010]本发明是一种声速快速扫描成像技术，采用模块化设计。将磁吸轮吸附在待测钢管上，使磁吸轮将整个管道爬行器附着在管道上，将二维柔性相控阵探头通过耦合剂放置在焊缝两侧，通过工控机控制及成像模块向无线传输模块传送控制信号，无线传输模块将控制信号传输到超声波发射接收模块，通过超声波发射接收模想二维柔性相控阵探头发射激励信号，使二维柔性相控阵探头产生超声波，通过超声波发射电路中设置FPGA控制处理中心对超声波相位进行延时控制，以控制的相应激发超声，实现对超声波的动态聚焦，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同声束，在螺旋焊缝管道中传播，当聚焦超声波遇到焊缝中缺陷时，会发生反射作用，产生反射超声波，反射超声波被柔性二维柔性相控阵探头接收，经过超声波发射接收模块处理之后通过无线传输模块发送到工控机控制及成像模块中进行计算，最终在工控机屏幕上通过C型方式进行焊缝横截面缺陷显示，生成螺旋管道焊缝内部结构缺陷精确、详细的横截面图像。
[0011 ] 本发明中，所述超声波发射接收模块设置有AD转换器将二维柔性相控阵探头接收的模拟信号转换为数字信号，并通过滤波放大后传输到无线传输模块，超声波发射接收模块包含高压脉冲产生电路、通道选择电路、信号放大、带通滤波、A/D转换电路、FPGA控制电路，以及高速数据采集以及信号处理电路，在本发明中，高压脉冲可以采用SUPERTEX公司的专用超声波窄脉冲发生芯片HV748来搭建脉冲发射模块，该芯片系统集成度高，抗干扰能力强；高压、低压信号隔离电路采用Min1.Circuits公司的TCl.1变压器进行高压信号与低压信号隔离，其变换比为1:1，具有宽带宽，低介入损耗和低回波损耗的特点，对平衡传输信号具有很好的作用。A/D转换电路采用MAX496芯片，该芯片是一款16通道，超高速，增益固定为1，闭环电压反馈的视频缓冲器，它采用独特的两级电压反馈结构，具有传统的电压反馈和电流模式反馈的优点，带宽可达375MHz.3dB，回转率达1600V/us，170mA的输出电流驱动能力。再兼之具有低噪声，相位、增益误差低，低失真的优点，适合于本系统驱动高速的模数转换器(ADC)输入以及应用于数据通信。信号放大、带通滤波电路本系统采用Analog Devices公司的AD8334放大芯片。AD8334是一款16通道，超低噪声，输入电阻可配置的可变增益线性放大器，采用FPGA+DAC的方式来实现得到可控的电压值。带通滤波电路A/D采样之后有FPGA进行数字滤波等措施，可有效减小噪声。FPGA电路选用Altera公司第三代采用65nm工艺的低成本FPGA——V yclone III系列的EP3C25Q240，它含有25k逻辑单元，66个DSP乘法器，存储器6kbits，4个PLL，62对差分数据通道，148个用户1/0，各阵元间的相位延迟通过FPGA数字方式精确控制，时间延迟精度为1.5ns ;与竞争对手的FPGA相比，Cyclone III FPGA的功耗低75% 0与CycloneII代产品相比，Cyclone III每逻辑单元的成本降低了 20%。采用16通道的高压脉冲产生、放大和A/D转换芯片，这种高集成度芯片所需的外围器件也比较少，这样可以大大缩小系统的体积，减小设计的难度。
[0012]本发明中，工控机控制及成像模块由工控机及相控阵测控软件构成，本软件为适应不同的探头及检测条件，通过软件可以灵活选择和控制激发脉冲频率、通道选择、放大增益、采样频率、激励电压等参数，并结合电子扫查、扇形查收和动态聚焦三种基本的扫查方式，聚焦法则达到2048种，通过无线传输模块传输的焊缝缺陷数据，进行反演、计算，实现C型方式进行焊缝横截面缺陷，对螺旋焊管焊缝缺陷实现定位、定性和定量功能。
[0013]进一步地，为更好地实现本发明，在所述管道爬行器内设置有爬行器控制模块，所述爬行器控制模块与无线传输模块通过数据线相连接。
[0014]本发明中爬行器控制模块由两个伺服电机、伺服电机驱动电路和PLC构成，PLC接收上位机控制与成像模块通过无线传输模块发送的运动指令，通过伺服电机驱动电路驱动伺服电机，沿着螺旋焊管焊缝进行运动，实现对磁吸式管道爬行器的运动控制。
[0015]进一步地，为更好地实现本发明，在所述管道爬行器内设置有电源模块，所述电源模块分别与爬行器控制模块、超声波发射接收模块、无线传输模块电连接。
[0016]本发明所述电源模块可以采用12V直流锂电池和高压电路，对爬行器控制模块、超声波发射接收模块、无线传输模块进行供电，高压电路采用Boost与Buck-Boost电路结构实现升压，包括正负高压电源及多路低压电源，12直流锂电池电源输入，为系统产生±75V方波脉冲供电。
[0017]进一步地，为更好地实现本发明，所述管道爬行器包括爬行器外壳及设置在爬行器外壳内的电气控制箱，所述爬行器控制模块、超声波发射接收模块、无线传输模块、电源模块均位于电气控制箱内。
[0018]本发