无线/有线实时缺陷状态TOFD监测传感器及系统的制作方法

无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器及系统
技术领域
1.本发明涉及承压设备中焊缝缺陷的检测设备技术领域，尤其涉及一种无线/有线(无线和/或有线)实时缺陷状态tofd监测传感器及系统。


背景技术：

2.tofd检测是行业标准nb/t47013《承压设备无损检测》规定的12种无损检测方法之一。
3.对于承压设备，焊缝和母材中最严重的缺陷类型是平面型的裂纹，因为它们很可能延伸并导致破坏。同时，有些设备上即使发现缺陷，返修非常困难，或者根本不可能，而要关闭和更换这些设备，代价又非常昂贵。断裂力学技术的发展，使得预测缺陷的延伸率成为可能，进一步可以计算出设备能安全运行时的裂纹临界尺寸。这时，精确测定缺陷的尺寸计算缺陷的延伸速度就非常重要。常规脉冲回波在尺寸定量上存在很大的误差，实际测量的尺寸比真实的尺寸要大，不能对缺陷尺寸进行精确测定。在这样的前提下，国际原子能中心的哈韦尔(联合王国原子能权威人士-ukaea)要求史克
·
毛瑞斯努力发展比常规超声更精确的缺陷定量技术。在上个世纪70年代早期，史克博士发展了时差衍射技术(tofd)。
4.在80年代早期，联合王国的大量实验证实了tofd作为超声检测技术对于反应堆的压力容器和主要部件检测的可行的。由于数字化系统的相关部件很多，所以直到1982年，国际无损检测中心才开发出了第一套便携式的tofd设备zipscan进行数据的采集和分析，并在1983年开始应用到了世界各地。目前，有大量的商业超声数字化系统可以进行tofd检测。
5.tofd检测仪器及基本的检测理论请参阅图1所示：单片机定时发送脉冲信号，控制发射电路进而产生负脉冲信号。负脉冲信号对超声波发射线探头进行激励将电信号转换为超声波信号。超声波信号通过耦合介质进入被测工件，与发射探头相对，距离一定的位置放置超声波接收探头，在工件中传播的超声波，会被接收探头捕获转为电信号，因为在传入传出工件及传播过程中的损失，超声接受的信号往往很微弱，一般都需要放大滤波后，再进行a/d转换处理。单片机对回波信号进行处理后以一定的方式显示。
6.如图1所示，检测时一个探头起发射作用，另一个探头起接收作用，两个探头一般相对放置才能接收到发射探头发出的经工件传播的超声波。超声波以一定角度由发射探头进入被测工件，在接收探头上，首先能探测到沿工件表面以纵波速度传播的直通波。而后，由于传播距离的增大，在直通波后面出现一个反射或衍射的底面波。如果在被测工件中存在一个二维的缺陷，则通过缺陷顶部裂隙和底部裂隙探头将产生衍射信号，这两束信号在直通波和底面反射波之间出现。这些信号一般比底面反射信号要弱得多，但比直通波信号强。如果缺陷高度较小，则上尖端信号和下尖端信号可能互相重叠。因此，为了提高上尖端信号和下尖端信号的分辨率，减少信号的周期很重要，目前，行业标准nb/t47013.10-2015《承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测》在附录b《tofd检测仪器和探头性能指标要求》中对于信号振动周期的要求为：直通波按峰值下降20db测量的持续时间应不超过两个脉冲周期。实际检验检测设备中，目前大多数仪器是1.5个周期。
7.目前tofd检测应用非常广泛，在承压设备检测应用上，基本都是手持式tofd检测仪的形式，虽然tofd检测技术研发之初就是为解决精确测量缺陷大小及监测缺陷的扩展速度，但之前的tofd技术却一直偏于检测，监测特别是实时监测的功能没有发挥出其应有的作用，原因有以下几点：
8.1)传统的tofd检测仪体价格较高，限制了使用，就目前来说往往要几十万，而实时监测缺陷需要把仪器长期安装在缺陷处，成本太高；
9.2)传统的tofd检测仪体积大、笨重，不便于长期安装在设备表面；
10.3)传统的tofd检测仪不具备防爆功能，有爆炸性气体泄漏时的安全风险大；
11.4)传统的tofd检测仪检测结果只能在本地显示，不能实现远程的控制及显示。
12.基于以上的原因，目前tofd作为监测的用法，往往是检测人员以固定时间间隔对监测的缺陷进行tofd的扫查，比对以往数据，人工判断缺陷是否扩展及扩展速度，因为每次调试设备的状态不同，探头差异，以及扫查位置有稍微差别，往往会造成每次检测时数据的差异，不能实现精确监测。


技术实现要素：

13.本发明的目的在于提供无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器及系统，目的是实现埋藏缺陷位置及高度监测tofd仪器的传感器化，采用rs485总线设计，将设备的缺陷信息传送到控制室以达到远距离监测的目的。
14.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
15.本技术第一个方面提供了一种无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器，包括：分体设计的tofd发射传感器和tofd接收传感器；
16.所述tofd发射传感器，包括：第一外壳，以及设置于第一外壳内的单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路、由第一晶片和第一楔块组成的超声发射探头，所述单片机分别与所述驱动电路、a/d电路和rs485数据传输电路连接，所述驱动电路通过超声发射电路与超声发射探头的第一晶片连接；
17.所述tofd接收传感器，包括：第二外壳，以及设置于第二外壳内的放大电路、由第二晶片和第二楔块组成的超声接收探头，所述放大电路与超声接收探头的第二晶片连接；
18.所述tofd发射传感器的单片机定时发送脉冲信号，通过驱动电路控制超声发射电路发射超声波信号，所述tofd接收传感器将接收到的超声波信号转换为电信号，经放大电路放大后通过收发连接线发送至tofd发射传感器的a/d电路，所述tofd发射传感器的单片机将a/d电路传输的信号处理后通过rs485数据传输电路与监测端pc机进行有线通信，或与rs485转4g通信模块连接，以与远程服务器进行无线通信。
19.优选地，所述第一外壳包括顶部开口、底部开口的第一圆柱形外壳，以及密封其顶部开口的第一探头壳盖，所述第一圆柱形外壳上设有供所述收发连接线穿过的第一穿线孔、以及供rs485通信线穿过的第二穿线孔；所述第一楔块的一端呈圆柱形共轴设于所述第一圆柱形外壳的底部，且封堵所述第一圆柱形外壳的底部开口，所述第一楔块的另一端呈楔形、且外露于所述第一圆柱形外壳，所述第一楔块呈圆柱形的一端设有第一斜向口，用于盛放第一晶片；
20.所述第二外壳包括顶部开口、底部开口的第二圆柱形外壳，以及密封其顶部开口
的第二探头壳盖，所述第二圆柱形外壳上设有供所述收发连接线穿过的第三穿线孔；所述第二楔块的一端呈圆柱形共轴设于所述第二圆柱形外壳的底部，且封堵所述第二圆柱形外壳的底部开口，所述第二楔块的另一端呈楔形、且外露于所述第二圆柱形外壳，所述第二楔块呈圆柱形的一端设有第二斜向口，用于盛放第二晶片；
21.其中，所述第一楔块的楔面与所述第二楔块的楔面相对设置。
22.更优选地，所述第一圆柱形外壳、第二圆柱形外壳均为金属外壳，金属外壳的最小厚度为1mm。
23.更优选地，所述第一圆柱形外壳的内壁、第一探头壳盖的下表面和所述第一楔块的上表面所围成的内部空腔浇封有封胶材料；所述第二圆柱形外壳的内壁、第二探头壳盖的下表面和所述第二楔块的上表面所围成的内部空腔浇封有封胶材料。
24.进一步地，所述封胶材料选自环氧树脂、有机硅、聚氨酯中的任意一种。
25.更优选地，所述单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路集成于第一电路板上，所述第一电路板为圆形电路板，其侧边缘均匀分布有多个第一卡位凸起，所述第一卡位凸起沿水平方向延伸并凸出于圆形电路板，所述第一卡位凸起卡接于所述第一圆柱形外壳的内壁，相邻两个第一卡位凸起之间的弧形间隙为浇封材料的流通槽。
26.更优选地，所述放大电路集成于第二电路板上，所述第二电路板为圆形电路板，其侧边缘均匀分布有多个第二卡位凸起，所述第二卡位凸起沿水平方向延伸并凸出于圆形电路板，所述第二卡位凸起卡接于所述第二圆柱形外壳的内壁，相邻两个第二卡位凸起之间的弧形间隙为浇封材料的流通槽。
27.优选地，所述第一外壳、第二外壳上均设有接地端子，tofd监测传感器通过所述接地端子接地或是与被监测设备等电位连接。
28.优选地，所述第一楔块、第二楔块采用高透声聚苯乙烯、有机玻璃、聚酰亚胺、丙烯酸树脂、有机荧光玻璃中的任意一种材料制成，外涂导静电涂层。
29.优选地，所述tofd发射传感器的a/d电路采用的50mhz的高频数字ad器件。
30.优选地，所述tofd发射传感器包括第一防爆电路，所述第一防爆电路设置于所述tofd发射传感器的供电端；所述tofd接收传感器包括第二防爆电路，所述第二防爆电路设置于所述tofd接收传感器的供电端；所述第一防爆电路、所述第二防爆电路均包括串联的温度保险丝和二极管，用于超大电流及过高温度时自动断电。
31.本技术第二个方面提供了一种无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器系统，包括：
32.上述的无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器；
33.监测端，所述监测端用于实时获取单片机发送的相关运行数据，以及向所述单片机发送控制指令；其中，
34.所述监测端包括远程服务器，所述远程服务器配置有监测软件，所述无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器通过rs485转4g通信模块与所述远程服务器通过无线通信连接，形成无线监测方式；或者
35.所述监测端包括pc机，所述pc机通过rs485信号线与所述无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器直接连接，形成有线监测方式。
36.优选地，所述监测端配置有显示终端，所述显示终端用于对获取的运行数据进行
展示。
37.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
38.本技术是tofd检测小型化、集成化、传感器化的实例应用。本技术研发了体积较小、易于安装并且能将数据远传到监测端的实时在线tofd监测传感器，tofd监测传感器包括tofd发射传感器和tofd接收传感器两部分，tofd发射传感器集成了单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路及由晶片、楔块组成的超声发射探头，tofd接收传感器集成超声放大电路及由晶片、楔块组成的超声接收探头，实现了埋藏缺陷位置及高度监测tofd仪器的传感器化。此外，tofd监测传感器还采用了防爆设计，可以在石油化工行业安全使用。本技术技术方案采用试块进行了tofd检测效果的测试，得到了满足法规要求的tofd检测波形，通过内部的数据运算，计算出了试块上两个标准缺陷的上下端点位置及缺陷身高度，实现了tofd监测功能。
39.本技术公开的tofd监测传感器系统采用rs485总线设计，可将设备的缺陷信息传送到控制室pc机达到远距离监测的目的，同时也可搭配专用的4g无线模块，把设备的缺陷信息传送到世界各地，供设备使用管理、检验检测、材料专家对设备的安全状态进行判别。
附图说明
40.构成本技术的一部分附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
41.图1是现有技术中tofd检测仪器的工作原理框图；
42.图2是本技术的无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器的组成框图；
43.图3是本技术的无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器的结构示意图，其中左侧为tofd接收传感器，右侧为tofd发射传感器；
44.图4是本技术的第一楔块(或第二楔块)的透视结构示意图；
45.图5的本技术的第一电路板(或第二电路板)的结构示意图；
46.图6是本技术的tofd发射传感器的爆炸图；
47.图7是本技术的防爆电路的电路图；
48.图8是本技术的无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器系统的组成框图；
49.图9是本技术进行缺陷监测测试中所获得的tofd波形示例图。
50.图例说明：
51.1、接线地线压线鼻；2、接地螺丝；3、探头壳盖；4、第一外壳；5、数据通信线；6、电路板；7、晶体背衬；8、发射晶片；9、楔块；10、楔块外涂层；11、内部浇封；12、收发连接线；13、接收晶片；14、第二外壳。
具体实施方式
52.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
53.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
54.实施例
55.本技术是tofd检测小型化、集成化、传感器化的实例应用。
56.本技术依据传统的tofd检测方式，在tofd发射探头上集成了单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路及由晶片、楔块组成的超声发射探头，构成了tofd发射传感器；在tofd接收探头上集成放大电路及由晶片、楔块组成的超声接收探头，构成了tofd接收传感器，tofd接收传感器将接收到的超声波信号转换为电信号，经放大后送到tofd发射传感器的a/d电路。
57.图2为本技术的无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器的组成框图。图3是其结构示意图，其中左侧为tofd接收传感器，右侧为tofd发射传感器。
58.参阅图2所示，一种无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器，包括：分体设计的tofd发射传感器和tofd接收传感器。
59.所述tofd发射传感器，包括：第一外壳，以及设置于第一外壳内的单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路、由发射晶片和一楔块组成的超声发射探头，所述单片机分别与所述驱动电路、a/d电路和rs485数据传输电路连接，所述驱动电路通过超声发射电路与超声发射探头的发射晶片连接。
60.所述tofd接收传感器，包括：第二外壳，以及设置于第二外壳内的放大电路、由接收晶片和另一楔块组成的超声接收探头，所述放大电路与超声接收探头的接收晶片连接。
61.所述tofd发射传感器的单片机定时发送脉冲信号，通过驱动电路控制超声发射电路发射超声波信号，所述tofd接收传感器将接收到的超声波信号转换为电信号，经放大电路放大后通过收发连接线发送至tofd发射传感器的a/d电路，所述tofd发射传感器的单片机将a/d电路传输的信号处理后通过rs485数据传输电路与监测端pc机进行有线通信，或与rs485转4g通信模块连接，以与远程服务器进行无线通信。
62.具体地，参阅图3的右侧图，以及图4～图6，以tofd发射传感器的结构为例。所述第一外壳4包括顶部开口、底部开口的圆柱形外壳，以及密封其顶部开口的探头壳盖3。所述探头壳盖3通过接地螺丝2固定有接线地线压线鼻1，供传感器接地或是与被监测设备等电位连接。所述圆柱形外壳上设有供所述收发连接线12穿过的第一穿线孔、以及供数据通信线5穿过的第二穿线孔。参阅图4，楔块9的一端呈圆柱形共轴设于所述圆柱形外壳的底部，且封堵所述圆柱形外壳的底部开口，楔块9的另一端呈楔形、且外露于所述圆柱形外壳，楔块9呈圆柱形的一端设有斜向口，用于盛放发射晶片8。楔块9以一定的角度开设斜向孔，超声压电晶片顺斜向孔的底部平铺，与晶片背衬7一体成形浇封斜向孔。所述单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路集成于一电路板6上。参阅图5，该电路板6为圆形电路板，其侧边缘均匀分布有四个卡位凸起，所述卡位凸起沿水平方向延伸并凸出于圆形电路板，所述卡位凸起卡接于圆柱形外壳的内壁，相邻两个卡位凸起之间的弧形间隙为浇封材料的流通槽。所述圆柱形外壳的内壁、探头壳盖3的下表面和所述楔块9的上表面所围成的内部空腔浇封有环氧树脂。
63.其中，圆柱形外壳为金属外壳，其最小厚度为1mm。a/d电路采用的50mhz的高频数字ad器件。楔块9采用高透声聚苯乙烯材料制成，楔块外涂层10为导静电涂层。
64.参阅图3的左侧图，tofd接收传感器的第二外壳14和tofd发射传感器的第一外壳4结构类似，相同之处不再赘述。区别在于，第二外壳14的圆柱形外壳上设有供所述收发连接线12穿过的第三穿线孔，tofd接收传感器的楔块的楔面与tofd发射传感器的楔块的楔面相对设置，第二外壳14内的电路板上集成有放大电路。
65.在一种优选实施例中，所述tofd发射传感器、tofd接收传感器均包括防爆电路。参阅图7，所述防爆电路均包括串联的温度保险丝u61和二极管v43。例如，温度保险丝u61的型号为tb-1302a250。电路上增加二极管v43和温度保险丝u61，用于超大电流及过高温度时自动断电。
66.另一方面，本技术还公开了一种无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器系统(参阅图8)。具体包括：上述的无线/有线实时缺陷状态tofd监测传感器，以及监测端，所述监测端用于实时获取单片机发送的相关运行数据，以及向所述单片机发送控制指令。其中，所述监测端包括pc机或远程服务器，所述pc机通过rs485信号线与所述tofd监测传感器直接连接，形成有线监测方式，或者，tofd监测传感器通过所述rs485转4g通信模块与所述远程服务器通过无线通信连接，形成无线监测方式。所述监测端可以配置显示终端，所述显示终端用于对获取的运行数据进行展示。
67.本技术技术方案具有如下特点：
68.1、因为针对不同深度，不同位置的缺陷，tofd探头需要调整位置以达到最佳的检测监测效果，所以本技术将tofd发射与接收功能分开，研发了tofd发射传感器、tofd接收传感器，另外研发配套的4g通信模块以达到超远距离传输的效果。
69.2、省略i/o口，增加数据远传功能。
70.由上述结构可知，本技术与常规的tofd检测仪最大的不同是：作为监测用的传感器化tofd仪器不再具有i/o接口，省去了各种数据显示需要的屏幕、数据显示前的数据处理功能模块，大大减小了仪器的体积和成本。
71.相对于常规的tofd仪器，本技术将单片机的原先控制超声驱动及a/d模块的功能前置到tofd发射传感器，由监测人员通过监测端的pc机或是远程服务器向单片机发送指令进行控制，省去了输入接口。
72.本技术将单片机直接显示数据转换为将数据传输到pc机或是远程服务器等监测端进行显示，省去了输出接口。
73.tofd仪器的输入输出接口一般占用了较大的体积，通过输入输出(i/o)接口的远程化，减小了仪器的体积。本技术的输入输出接口通过增加的数据远传模块采用rs485总线方式实现。
74.本技术使传感器与监测端的pc机或是远程服务器进行通信，一方面传感器可以将监测数据传送到监测端进行显示或处理，另一方面，监测端可以控制传感器按一定方式工作，或是调整传感器的设备参数，以达到更好的监测效果。
75.3、专用电路及结构设计，实现高精度。
76.本技术采用了更新的电子电路技术及更好集成度的电子原件，大大减小了tofd发射电路的模块，而且稳定性更好，同时能更精细地调节超声触发脉冲的宽度，使tofd波形更
精细。采用的50mhz的高频数字ad器件，大大提高了仪器的精度。前端采用高透声聚苯乙烯材料制成的楔块，使超声换能器发射的超声波前端不稳定声场全部在楔块，透过楔块进入被测物体的声场较稳定，更进一步提高了测量精度。楔块以一定的角度开设斜向孔，超声压电晶片顺斜向孔底平铺，与背衬料材料一体成形浇封斜向孔，大大减少了晶片的振动周期。另外，楔块及斜向孔还起到了改变超声入射角度的作用。
77.以上三点为基础，集成tofd发射模块、超声换能器、tofd采集模块与数据远传模块，实现了tofd检测仪器的传感器化。
78.4、防爆设计。
79.1)电路上增加二极管v43及温度保险丝u61，实现了超大电流及过高温度自动断电。
80.2)主体外壳采用金属，最小厚度1mm。
81.楔块采用透声性好的聚苯乙烯材料，外涂导静电涂层。
82.3)外壳内部全部用环氧树脂浇封，满足gb 3836.9-2014《爆炸性环境第4部分：由浇封型m保护的设备》的要求。
83.4)外壳内部充满浇封材料，电路板采用圆形结构设计，圆形电路板四个方向加工卡位凸起，凸起部位3mm，保证了电路板铜线与金属外壳的距离要求，在凸起之间的大段空位保证了浇封材料向下填充满传感器的内部空间。
84.5)传感器外壳设接地端子，传感器接地或是与被监测设备等电位连接。
85.5、tofd传感器控制及监测信息的显示。
86.在监测端的pc机或是远程服务器中开发专用的软件，通过rs485连接，控制tofd发射传感器按一定的激发脉冲宽度激发超声波信号进行工件，并通过发射传感器控制发射超声信号的时间、长度及放大电路的增益来接收tofd信号。接收到的信号通过pc机或是远程服务器中的软件，显示在输出端供监测者使用。pc机或是远程服务器中的软件可以输出安装时发射传感器和接收传感器的间距(psc)，通过软件计算缺陷上下端点衍射波的时间，可以计算出缺陷上下端点的深度，进而计算出缺陷的高度。因为传感器安装好后不再更换且位置固定不变，消除了传感器的差异及间距的影响，所以大大提高了缺陷监测的精度。
87.试验效果
88.采用试块进行了tofd检测效果的测试，本技术技术方案得到了满足法规要求的tofd检测波形。通过内部的数据运算，计算出了试块上两个标准缺陷的上下端点位置及缺陷身高度，实现了tofd监测功能。
89.由于本技术实现了tofd检测仪器的传感器化，这样就可以很方便地把传感器安装到被监测设备的缺陷部位，实现对设备中缺陷的监测。参阅图9的波形示例，本技术中tofd波形振动周期达到了1个周期，远超国家标准2个周期的要求，对缺陷的监测精度会更高，同时因为传感器采用了固定部位安装，并且仪器各个模块在整个监测期都不更换，所以数据误差很小，长期监测的数据对比性大大提高。
90.本技术技术方案已取得防爆合格证书，防爆级别为ex maⅱc t5 ga，对于现行国家标准，可以在硝酸乙酯和亚硝酸乙酯除外的所有易燃易爆气体场合使用。
91.需要说明的是，本技术研发的传感器尚不能直接接触高温设备进行壁厚监测，监测高温设备需考虑降温措施。
92.综上所述，本技术研发了体积较小、易于安装并且能将数据远传到监测端的实时在线tofd监测传感器，tofd监测传感器包括tofd发射传感器和tofd接收传感器两部分，tofd发射传感器集成了单片机、rs485数据传输电路、驱动电路、超声发射电路、a/d电路及由晶片、楔块组成的超声发射探头，tofd接收传感器集成超声放大电路及由晶片、楔块组成的超声接收探头，实现了埋藏缺陷位置及高度监测tofd仪器的传感器化。此外，tofd监测传感器还采用了防爆设计，可以在石油化工行业安全使用。本技术公开的tofd监测传感器系统采用rs485总线设计，可将设备的缺陷信息传送到控制室pc机达到远距离监测的目的，同时也可搭配专用的4g无线模块，把设备的缺陷信息传送到世界各地，供设备使用管理、检验检测、材料专家对设备的安全状态进行判别。
93.以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。