耐張線夾壓接缺陷的DR 和相控陣檢測對比研究

崔倫 杜好陽 唐永賀 武志威 王澤 李一木

1.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院 吉林長春 130000

2.吉林省電力科學研究院有限公司 吉林長春 130000

架空輸電線路中，大多采用耐張線夾的形式對鋼芯鋁絞線終端進行連接或進行耐張段導線的固定[1]。鋁管和鋼錨一起構成了耐張線夾，鋼錨連接和錨固鋼芯鋁絞線中的鋼芯，鋁管連接鋼芯鋁絞線中的鋁線，采用液壓或爆壓方式對鋁管和鋼錨進行壓接塑型，導線和線夾結合成一個整體，既能承擔導線的張力，也實現了載流任務。超聲成像檢測技術具有設備重量輕、體積小；電池供電便于高空作業，不需要220V 電源，B 掃描顯示，實現檢測結果直觀圖像化等特點，可通過Internet 實現云檢測，檢測結果可直接傳遞給高端檢測人員，具有廣泛的應用前景。

圖1 耐張線夾示意圖

耐張線夾被壓接鋁管壁厚通常為5 毫米左右，壓接完好的線夾在內壁有小量的塑性變形，而沒壓接好的內壁無變形。超聲檢測時要想區分壓接的好壞，需要超聲檢測設備具有很好的近場分辨率。

1 超聲相控陣技術

超聲檢測在各種工程上有著非常廣泛的應用，而且聲束聚焦對于超聲診斷也愈來愈重要，因為人們總是希望看到更小、更細微的組織結構，這不僅要求提高工作頻率、而且要求聲束聚焦。聲束的聚焦類與光束通過透鏡的原理相近，最簡單的方法是將換能器直接作成凹面陣實現聚焦。光學聚焦中的焦點是固定的，而在超聲聚焦應用中都常需要調整焦點（改變焦距和聚焦的方向）。

對材料的高精度、高分辨率的定量檢測是現代無損檢測技術發展的大趨勢，這也是對工業設備實現準確的無損評價的需求。超聲相控陣技術的基本原理是,超聲換能器陣列由多個陣元按一定形狀排列組成,陣列中的各個陣元均能單獨發射或接收超聲波,按一定延遲規則設置每個陣元發射/接收的相位,各個陣元產生超聲子波束具有各自不同相位在空間疊加干涉,靈活而有效的控制聲束聚焦和偏轉，使檢測的可達性和適用性得到改善，且檢測的精度、重復性及可靠性均可大大提高，實現實時和直觀的超聲檢測。現代集成電路技術發展可以控制各陣元發射與接收的延時達到納秒級，而且信號的采樣與處理需要很高的吞吐量，針對上述特點，采用FPGA技術研制一套數字式多通道信號發射與接收設備已成為可能[2]。

2 FPGA 在系統中的改進

利用FPGA 內部的大容量RAM 對接收的超聲信號進行緩存與合成延時控制。在FPGA 中為每一路參與合成的超聲波束開辟一個相同容量的buffer（比如2kbytes）。當信號到達時，buffer 的寫允許，采集一定數據量后，如果還有波束未到達就延時等待，直到參與合成的所有波束到達并采集后，所有buffer 的讀同時允許，通過D/A 和模擬加法電路就可以實現超聲波束的合成了。當然，利用FPGA 的buffer 實現的延時精度只有2ns，所以D/A 后面仍然需要延時線配合。表1 列出了上位機需要寫給FPGA 的控制參數，這些參數通過ISA 總線，以word（16bits）的形式寫入，其中包括發射延時、發射選通允許、發射四選一開關、發射脈寬、Buffer的大小、接收選通允許、A/D 轉換開始時間、接收四選一開關以及接收延時等待。

表1 上位機需要寫給FPGA 的控制參數

3 精確延時控制驗證方法

利用FPGA 實現精度為2ns 的延時控制，對于發射來說，調試與驗證比較容易，只需要一個多通道500MHz 的示波器就可以了。從FPGA 發射一個方波同步脈沖和一個方波激勵脈沖，一級一級的往后測試，直至相控陣探頭。通過示波器可以觀察從FPGA到探頭整個電路的系統延時以及激勵脈沖相對于同步脈沖的延時間隔，該間隔由FPGA 內部參數決定，并且可以修改。

4 耐張線夾壓接質量檢測方法及驗證

4.1 檢測面

耐張線夾壓接示意圖如圖2 所示，其中A 檢測面為鋁管與鋁導線壓接質量檢測面，B 檢測面為鋁管與鋼錨凹槽壓接質量檢測面。由于A 和B 檢測面的壓接部位都為六邊形，任意一面的表面都較為平整，適合超聲波入射，所以可以采用任意一面作為檢測面。針對耐張線夾的整體壓接質量，需要對A、B 兩檢測面進行超聲成像檢測來綜合判定該耐張線夾的壓接質量[3]。

圖2 掃查示意圖

4.2 檢測方法

將探頭放置在壓接部位A 和B 檢測面的六角形處，沿著箭頭方向做平行掃查。設置儀器參數如表2 所示。

表2 儀器參數

5 工藝驗證

根據檢測方向儀器探頭與拉線編碼器配合作B 掃檢測，得出以下圖3 的超聲B 掃圖像。

圖3 是A 檢測面的B 掃描成像圖。圖像中1 區為鋁管與導線壓接完好的區域。因為圖像中的波浪形圖像是由于聲程延遲產生的，而聲程延遲是因為導線在鋁管內壁形成規則的螺旋形凹凸面，而鋁管壓接后填充了兩鋁絲之間的縫隙，使得導線在鋁管內壁形成深度不一致的反射底面，產生聲程不一的反射回波，因此該區域鋁管內壁超聲B 掃描時形成波浪形圖像。該圖像的出現說明該檢測部位的壓接質量良好。

圖3 A 檢測面的B 掃描圖像

圖像中2 區為鋁管與導線的壓接不良區域。B 掃描圖像顯示鋁管內壁產生平直底波以及多次規則反射回波。這是由于鋁管內壁的底波深度一致，并未在外部壓力的作用下與導線產生形變，形成規則的多次反射波。因此B 掃描圖像中的平直底波以及多次規則反射回波代表該檢測部位壓結不良。通過以上分析可知，超聲B 掃描成像檢測可明顯區分鋁管與導線壓結部位的壓結質量。

圖4 是B 檢測面的超聲B 掃圖。圖中1、2、3、4 區域出對應圖像可以很清楚看到，鋁管與鋼錨凹槽壓接良好區域2 和4，鋁管變形填入鋼錨凹槽，超聲一次底波明顯增大，超聲B 掃描圖像呈現明顯的凹槽狀。圖中1、3 區域底波和無凹槽壓接處底波一致。整體圖像呈現出內部鋼錨與外部套管矩形階段性耦合圖像，該圖像與圖4 中耐張線夾剖面相一致。因此可通過超聲B 掃描中是否出現規則的矩形凹槽狀圖像來判斷該檢測部位的壓結質量。

圖4 B 檢測面的B 掃描圖像

6 結語

本文提出的方法可以產生出比較好的接近10MHz 的若干周期的正弦波形，將該波形加到其它電路板超聲波接收電路之前，可以驗證接收延時控制是否準確。實驗證明，FPGA 可以實現精度為2ns 的超聲波發射與接收延時控制的要求。本文提出的檢測方法與傳統的DR 檢測相比，效率高，檢測準確率高，不對人體產生傷害。