导行波检测新技术专题（四）——导行波检测新技术一百问

周在杞，周 宇

（1.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004；2.苏州阿尔斯通高压电气开关有限公司，苏州 215129）

问题47 导行波传感器由哪两部分组成？

答：导行波传感器是一种电磁波产生器或接收器之间的转换器件，或换能器再加上探头，一般兼有发射和接收导行波的功能。比如，传感器可以将传输线送来的导行波的能量有效地转换成向传输线传输或向空间传播的电磁波能量。它既可以均匀地向传输线或空间辐射能量，也可以经过透镜的聚焦向特定方向的空域辐射空间波能量。传感器由探头和转换器组成。

问题48 传感器设计的依据是什么？

答：传感器设计的依据是坡印延定理。定义矢量S＝EH称为坡印延矢量。E，H和S三者之间符合右手螺旋关系。该矢量是描述空间电磁能量传播规律的一个重要物理量。它既是空间坐标的函数，也是时间的函数，所以，它的值表示瞬间功率。导行波检测的射频功率由探头输出，同时被不连续点反射回来的导行波抵达可逆的传感器，再输送到分析仪器。如同超声波探伤仪那样，显示出反射系数幅值的大小，就代表不连续点的幅值的高低。

问题49 设计导行波检测传感器的主要难点是什么？

答：设计导行波检测传感器的主要难点就是实现标准化与系列化。以针对不同管径的检测，设计制造不同口径的传感器，包括转换器及探头。

问题50 导行波检测探头与利用压电效应的超声波探头是否相同？

答：导行波检测的探头或传感器与利用压电效应的超声波探头是不同的。它不产生机械振动且需要激励及耦合。对于电磁波而言，其坡印延矢量的大小是穿过与电磁波传播方向垂直的单位面积的功率，故有时称为功率流或能流密度；它的方向是场中某点能量流动的方向，即沿着与该点E和H都垂直的电磁波的传播方向。

问题51 如同超声导波需要探头一样，导行波检测的探头如何选优？

答：超声导波用探头大致有压电晶片和磁致伸缩两类。导行波检测的探头或传感器则有微带型与波导型两种。一般短距离的管件选用微带型，尤其用于管外壁裂纹的检验以及非金属厚度测量；长距离的管线管道则使用波导型，其发射功率要比较大，确保传输距离。

问题52 为什么管子内径和传输模式的不同，就要进行系列化的探头设计和制作？

答：主要原因是截止频率或截止波长的存在。当工作频率f比截止频率高或工作波长λ比截止波长短时，电磁波才可以在波导传输线内传播，称为传播模式；反之，电磁波不能在波导传输线内传播，称为非传播模式。GT 正是利用导行波在金属管内的传播进行检测的。

问题53 为什么要设计出系统用的传感器，才能使导行波检测完成对管内壁缺陷的检测？

答：如果没有供系统使用的导行波传感器，就无法拾取管内壁缺陷与导行波相互作用的信息。

问题54 确定导行波的检测能力，如缺陷深度、大小等与传感器有什么关系？

答：这与传感器的精益性与长效性密切相关。如果它的灵敏度不够高，更细更小的不连续点就无法被发现。甚至整个系统与连接传感器及仪器的电缆线都有相关性，因此，连接线一般尽量要求隐相匹配的柔软性质的测试线，而不用硬质的工程连接线。

问题55 导行波检测用传感器的结构参数如何选择？

答：假设E和H是某一模式的电场和磁场，要使横电磁波（TEM）有效地转换，应使探针位于E最强处，且方向与其平行。或使用环形探针，放在H最强处，且环平面与其垂直的位置。探针类似于单边的振子，每1／4波长长度上的电流是相干的，它的辐射也是相干的，能获得最强的辐射。该传感器具有频带宽、易加工的优点。如某种传感器主要结构参数为：探针的长度为1.01 mm，圆盘的厚度为0.99mm，圆盘的直径为2.31mm，探针到端面的距离为3.15mm，圆孔的厚度为3.31mm，圆孔的直径为2.37mm。

问题56 改变探针的形状可以获得怎样的效果？

答：在设计传感器的转换器时，改变探针的形状可以获得更好的耦合效果和可用带宽。此外，要使转换器在较宽频带上每个频率都有较好的耦合效果，也可将探针前段做成锥形或楔形。

问题57 可否展示一下导行波检测用传感器的外形？

答：导行波检测的传感器，如同汽车加油站的加油枪，外形如图1所示。左前方是一段与被测管件相匹配的直管状探头，中间及右方为传感器的转换器部分，下方的测试线为隐相的柔软性质的电缆连接线。各项参数必须保证导行波传播的畅通，要求其驻波比小于1.5。做相控阵探头时信号需要利用微带及其功分器。

图1 导行波检测传感器形貌

问题58 如何用仿真软件来设计探头？

答：使用仿真软件进行导行波检测传感器的探头设计及模拟结果，如图2，3所示。

工业机器人在柔性制造中的广泛应用的核心因素在于其绝对定位精度低、长期稳定性差等方面。由于影响工业机器人绝对定位精度的因素的多样的，实现对其的定位误差的影响因素的分析，可以有效的提升工业机器人高精度控制。第一是机器人运动学模型的参数的设定带来的绝对定位精度的差异，机器人运动学模型的参数设定会产生杆件长度误差、关节码盘的灵位检查等等，这些偏差会导致定位的不精准，因而当前主要是通过对机器人运动学模型中的各种参数的零偏差设定，来实现对其高精度化控制；下图为工业机器人的d-h坐标辅助机器人展开精准度的定位运动。

问题59 正如超声波探伤仪使用Q6、Q9探头转接头，导行波检测传感器常用何种连接器？

答：射频导行波信号相应的连接器比较特殊，不像超声连接线用Q6、Q9等那样的转接头。常用的主要符合国际电工技术委员会标准IEC169等标准的射频同轴连接器（RF COAXIAL CONNECTOR），如BNC卡口式，TNC 螺纹连接，工作频率可达11GHz。SMA螺纹连接应用最广泛，阻抗有50、75Ω 两种，配半刚性电缆工作频率最高到26.5GHz；N 型连接器为螺纹式，以空气为绝缘材料，造价低，频率可达11GHz。BMA 连接器用于频率高达18GHz的低功率系统。

图2 导行波传感器探头的仿真设计

图3 直管状探头测试被检管内模拟斜开缝的回波损耗仿真结果

问题60 连接器一般采用什么材料制造的？

答：每种连接器都按美国国防部MIL－C－39012标准制造，全铜零件、聚四氟乙烯用于绝缘、内外镀金，性能可靠。连接器材料有黄铜、铍铜和不锈钢，中心导体一般镀金。在SMA 和SMB 上镀金，在N、TNC及BNC上镀银。绝缘材料用聚四氟乙烯、聚丙烯等，聚四氟乙烯，绝缘性能最好。

问题61 与导行波检测传感器探头配套用的仪器研制出来了吗？

答：正像当初超声波探伤仪本身就是一台示波器那样，导行波检测仪器实质上也就是一台具有特殊功能的数字示波器。曾经在取样示波器、阶跃脉冲示波器、频谱仪示波器中作过选择。最后在数字示波器内加上了信号源模块、信号分离模块、接收机模块、中频处理模块、CPU 模块、液晶键盘模块等几大模块组成了便携式仪器。频率基准与混频接收，还用到了鉴相器。

问题62 导行波检测仪器有什么功能？

问题63 连续波调制方式对导行波检测系统有无效果？可以采用哪个方式？

答：连续波调制方式对导行波检测系统有作用，但不是很明显。点频连续波、扫频和频谱分析或谐振测量是可取的。特别是扫频，适当调节频带的宽窄，会使传播距离变长。

问题64 导行波检测仪器的数据库功能模块包括几部分？

答：导行波检测仪器的数据库功能模块，包括数据自动手动保存、快慢回放、数据（清除转存）维护和用户管理转换信息查询四大部分。

问题65 导行波检测仪器数字信号处理模块包括哪些功能？

答：导行波检测仪器数字信号处理模块包括滤波、自动增益、缺陷识别和报警功能。

问题66 导行波检测仪器数据采集系统包括哪几个步骤？

答：导行波检测仪器数据采集系统包括信号分离、接收混频、中频处理（经BPF带通滤波器，一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的器件），再经放大后到A／D 转换器。一般情况下，BPF 滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。此外，它具有单一的传输频带（或具有小的相对衰减的通带）的滤波器，从大于零的下限频率延伸到有限的上限频率。

问题67 在导行波检测仪器的研制中是否要用到小波分析？

答：目前仪器使用傅立叶（Fourier）变换。与傅立叶（Fourier）变换相比，小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，可聚焦到信号的任意细节，通过时间和频率的局域变换，因而能有效地从信号中提取信息，利用伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，可解决傅里叶（Fourier）变换的难题。

问题68 小波分析技术如何在导行波检测仪器中应用？

答：导行波不连续点和它的小波变换间存在内在联系：导行波不同尺度下的小波变换模极大值表示类似于正弦信号在傅里叶（Fourier）变换下的幅值、相位，其小波变换模极大值彼此等价。准确地分析、诊断、编码压缩和量化、快速传递或存储、精确地重构（或恢复）。从数学的角度来看，信号与图像处理可统一看作是信号处理（图像可看作是二维信号），在小波分析的应用中，归结为信号处理问题。随时间稳定不变的信号，仍然是用傅立叶分析。但是在应用中的绝大多数信号是非稳定的，而特别适用于非稳定信号的工具就是小波分析。

（未完待续）