探头扫查轨迹将影响组合检测探头的类型、结构、数量和布置方法等，下面来分(fēn)析直線(xiàn)型扫查轨迹与螺旋線(xiàn)型扫查轨迹的特点及其影响因素。
1. 直線(xiàn)型扫查轨迹
直線(xiàn)型扫查轨迹的实现较為(wèi)简单，只需探头原地不动、不锈钢管直行穿过检测主机即可(kě)。為(wèi)了实现钢管全覆盖检测，需要在钢管轴向上布置若干圈探头架，以弥补单圈检测探头的漏检區(qū)域。这是因為(wèi)单个探头架的有(yǒu)效检测范围比其本身的轴向長(cháng)度或周向長(cháng)度要小(xiǎo)，因此即使将探头架无缝隙地首尾连接覆盖不锈钢管的周向一圈，在相邻探头架之间还是会有(yǒu)漏检區(qū)域。
在直線(xiàn)型扫查轨迹的自动化钢管检测设备中，通常采用(yòng)瓦状式探头架，使探靴的跟踪弧面贴紧钢管表面，确保内部探头与钢管之间的提离值保持恒定。一般轴向長(cháng)度较小(xiǎo)，而周向長(cháng)度较大。如图6-16所示，单探头架沿轴向布置两排或两排以上的点探头，以弥补单排检测探头内部相邻点探头间的检测盲區(qū)，覆盖范围由周向有(yǒu)效检测長(cháng)度决定。图6-17所示的单探头架直線(xiàn)型扫查轨迹即由单探头架沿着不锈钢管某条母線(xiàn)进行直線(xiàn)扫查得到。沿钢管周向展开的单探头架直線(xiàn)扫查區(qū)域如图6-18所示，其中L代表单探头架周向長(cháng)度，L＇代表单探头架周向有(yǒu)效检测長(cháng)度，K代表单探头架轴向检测長(cháng)度。理(lǐ)想情况下，只要不锈钢管前行的直線(xiàn)度和检测探头架的跟踪效果能(néng)够得到保证，沿钢管周向展开的单探头架直線(xiàn)扫查區(qū)域就是一个简单的矩形，矩形的長(cháng)等于钢管長(cháng)度，矩形的宽等于单探头架的周向有(yǒu)效检测長(cháng)度。
自动化检测过程中，一般通过在钢管轴向上布置多(duō)圈探头架，以实现全覆盖检测。以双圈探头架為(wèi)例，图6-19所示為(wèi)沿不锈钢管周向展开的6探头架扫查區(qū)域。其中，L代表单探头架周向長(cháng)度，L＇代表单探头架周向有(yǒu)效检测長(cháng)度，πd，代表钢管周長(cháng)，N2、N3、N4、Ns、No、、···為(wèi)检测探头架编号。
多(duō)探头架的有(yǒu)效扫查范围总和须比钢管周長(cháng)大，并且具有(yǒu)相应的重叠覆盖區(qū)，通常要求保证有(yǒu)不低于20％的检测重叠率。因此探头架数量N、单探头架周向有(yǒu)效检测長(cháng)度L＇、钢管外径d1之间需满足以下关系式：NL'>120% (6-1)
由式（6-1）可(kě)看出，当待检钢管外径d1确定后，检测探头架数量N和单探头架周向有(yǒu)效检测長(cháng)度L＇成反比。若要减小(xiǎo)探头架的外形尺寸，以增加探头跟踪机构的灵活性，可(kě)增加探头架的数量，但又(yòu)势必会造成探头跟踪机构数量的增加，整个检测主机的机械结构将会变得庞大，机械动作的控制也会变得更复杂。若要减少探头架的数量，可(kě)增大探头架的外形尺寸即增加探头架的有(yǒu)效检测范围，尤其是周向，但这样对探头跟踪机构的灵活性也提出了挑战。因此，在实际应用(yòng)过程中，应综合考虑，选取合适的探头架数量并优化设计探头架结构及其机械跟踪装置。
综上，影响直線(xiàn)型扫查轨迹的参数為(wèi)单探头架周向有(yǒu)效检测長(cháng)度、探头架数量、圈数与排列方式等。理(lǐ)论上，各参数的关系只要满足式（6-1）即可(kě)，但对信号处理(lǐ)、控制系统、机械结构等而言，应重点考虑并优化设计。
2. 螺旋線(xiàn)型扫查轨迹
螺旋線(xiàn)型扫查轨迹的设计和实现要比直線(xiàn)型复杂，下面从检测机理(lǐ)、探头布置等方面进行分(fēn)析。三种比较典型的实现方式中，以“探头原地不动、钢管螺旋前进式”為(wèi)例进行分(fēn)析。為(wèi)了实现全覆盖检测，该方式并不需要在周向布置大量探头架，因此可(kě)减少探头数量，降低信号处理(lǐ)的难度，同时也可(kě)降低设备成本。
此种方式中的探头架為(wèi)瓦状式或条状式。瓦状式探头架的外形需根据被检钢管外径而定，即一种瓦状式探头架只适用(yòng)于一种规格的钢管。相反，条状式探头架具有(yǒu)通用(yòng)性，但其机械跟踪性能(néng)却不如瓦状式探头架，唯有(yǒu)依靠良好、稳定的机械跟踪辅助装置。条状式探头架沿钢管轴向長(cháng)度较長(cháng)，而周向長(cháng)度较短。内部点探头的布置工艺与瓦状式探头架类似，沿钢管周向布置两排或两排以上的点探头，互相弥补相邻点探头间的漏检區(qū)域，因此只存在探头架两端的边缘漏检區(qū)域。故单探头的有(yǒu)效检测區(qū)域与其沿钢管轴向的長(cháng)度相关。单探头架螺旋線(xiàn)型扫查轨迹如图6-20所示，沿钢管周向展开的单探头架螺旋扫查區(qū)域如图6-21所示。图中，乙為(wèi)单探头架轴向長(cháng)度，以為(wèi)单探头架轴向有(yǒu)效检测長(cháng)度，K為(wèi)单探头架周向長(cháng)度，P為(wèi)扫查螺距。
為(wèi)了实现全覆盖检测，可(kě)在钢管截面周向上布置若干个条状探头架，互相弥补各自的检测盲區(qū)。图6-22所示為(wèi)均匀布置方式沿不锈钢管周向展开的多(duō)探头架螺旋扫查區(qū)域。图中，L為(wèi)单探头架轴向長(cháng)度，L／為(wèi)单探头架轴向有(yǒu)效检测長(cháng)度，、N2、N3、N4為(wèi)检测探头架编号，P為(wèi)扫查螺距。為(wèi)了保证有(yǒu)不低于20％的检测重叠覆盖率，L、P、探头架数量N应满足关系式：
NL'>120%P (6-2)
由式（6-2）可(kě)得，N和L／的选取和设计与被检钢管外径没有(yǒu)直接关系。螺距恒定时，两者成反比，在实际设计和生产制造中，应综合考虑，选取合适的探头架数量并优化设计探头架结构及其机械跟踪装置。值得注意的是，螺旋線(xiàn)型扫查轨迹存在着端部检测盲區(qū)，应利用(yòng)其他(tā)方法（如磁粉法、涡流法）进行补充检测。若扫查螺距减小(xiǎo)或探头架数量增多(duō)，则部检测盲區(qū)的面积将会减小(xiǎo)。
除了探头架轴向有(yǒu)效检测長(cháng)度外，影响螺旋線(xiàn)型扫查轨迹的另一个关键参数為(wèi)扫查螺距。螺距由对辊轮直径或V形轮斜面倾斜角度、钢管外径、对辊轮或V形轮偏转角度、对辊轮中心距等参数共同决定。螺距、探头架長(cháng)度等参数影响检测覆盖率和检测效率；钢管前进速度v决定检测速度的快慢；不锈钢管转速n则影响钢管运动的平稳性。因此，对扫查螺距进行数學(xué)建模并得到计算公式是十分(fēn)有(yǒu)意义的。这里，对V形轮上的不锈钢管螺旋运动进行数學(xué)分(fēn)析，得出扫查螺距的数學(xué)计算公式。
假设V形轮与不锈钢管之间的摩擦搓动為(wèi)刚性作用(yòng)，则V形轮搓动钢管时是以点接触相互作用(yòng)的。以其中的某一接触点A為(wèi)坐(zuò)标原点建立笛卡儿直角坐(zuò)标系，以过A点且垂直于钢管轴向的截面為(wèi)xy平面，以钢管轴向為(wèi)z轴方向。V形轮驱动不锈钢管模型可(kě)简化為(wèi)如图6-23所示，其俯视图如图6-24所示。
由式（6-9）与式（6-10）可(kě)以看出，钢管旋转速度v，和前进速度v，均与v有(yǒu)关，即与接触点所处的位置相关，而与钢管外径无直接关系，但钢管外径会影响接触点的位置。螺距与接触点位置、钢管外径等都有(yǒu)关系。通常，随着钢管外径的增大，γ角和钢管前进速度v2会增大，但在实际应用(yòng)中，由于钢管直径增大，旋转速度变慢，不锈钢管前进速度变化并不明显。另外，管径增大，螺距P会增大，这也影响着探头架轴向有(yǒu)效長(cháng)度的设计和探头架数量的选取。
在螺距P的计算公式中，0角和钢管外径d，是已知的，因此求解的关键在于γ角。由图6-23易得到关系式：
tany =sinθtanδ' (6-12)
因此可(kě)以将求解y角的问题，转化為(wèi)求解δ＇角。由于采用(yòng)解析几何的方法求解y角会使计算变得很(hěn)复杂，下面介绍一种较為(wèi)简单的方法来求解y角，只要螺距计算值与实测值的误差在允许范围之内，不会影响到检测探头架的设计即可(kě)。
当V形轮的θ角和δ角确定时，V形轮在传送机构上的位姿也就唯一确定了。建立不锈钢管在V形轮上传送的运动模型，确定V形轮与钢管轴線(xiàn)的倾斜角度，将钢管相切于V形轮斜面，如图6-25所示。
以不锈钢管横截面為(wèi)投影面，将传送模型投影至该面，得到传送模型钢管横截面投影图，如图6-26所示。从而可(kě)知，不同规格钢管在V形轮上的接触点所组成的線(xiàn)為(wèi)图中所示切線(xiàn)，也即V形轮斜面在投射面内的投射線(xiàn)。其与钢管旋转速度v方向相同，与水平面的夹角即為(wèi)8＇角。由于V形轮的位姿已定，故切線(xiàn)是一定的，因此切線(xiàn)与水平面的夹角8＇可(kě)通过作图法得到，精度可(kě)控制到小(xiǎo)数点后一位。通过作图法得到的角8＇和V形轮倾斜角0即可(kě)算出不同规格钢管的扫查螺距。
表6-3為(wèi)不同规格不锈钢管扫查螺距的计算值和实测值对比。所选的V形轮斜面倾角8為(wèi)30°，外形尺寸為(wèi)φ2250mm，倾斜角0為(wèi)32°，電(diàn)动机转速為(wèi)1400r／min，减速机速比為(wèi)15：1。由表6-3中的数据可(kě)知，计算值与实测值相差不超过20mm。因此该计算方法简单、准确、有(yǒu)效、可(kě)行，在误差允许的范围之内。故此方法可(kě)视為(wèi)一种方便快捷的钢管扫查螺距计算方法。
