超声波探伤毕业论文.doc 37页

'超声波探伤毕业论文目录前言1　绪论1.1课题研究背景和意义11.2超声波检测技术的研究进展41.3课题研究的主要内容102　超声波检测仪器的总体设计2.1脉冲反射式超声波检测技术的基本原理132.2超声波检测仪器设计192.3仪器抗干扰措施292.4本章小结..............................................313　声波检测模块设计3.1电源电路设计323.2超声波发射控制电路设计353.3阻尼限幅电路设计393.4程控放大电路设计413.5滤波电路设计513.6检波电路设计564结论与展望4.1结论614.2进一步的完善63参考文献64致谢67[键入文字] 前言无损检测诊断技术是在不损坏材料工件或产品的前提下，利用材料内部结构密度异常或缺陷的存在所引起的对声、磁、光、电、热场等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价llJ。无损检测诊断的目的在于定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许载荷、寿命或剩余寿命；检测产品在制造或使用过程中产生的结构不完整性，以及缺陷的情况。从而改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效、可靠地运行【2J。无损检测诊断技术己在机械制造、石油勘探、船舶构造、汽车、铁道、建筑、冶金、航空航天和半导体等工业中被普遍采用。随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损检测诊断技术的重要性。在工业发达国家中，无损检测诊断技术已成为必不可少的重要工具和手段。美国总统里根曾说过“如果没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有众多领域的领先地位”。由此可见无损检测诊断技术在现代国民经济中的重要地位。超声波检测技术是当今工程和生产中无损检测技术领域的一种非常重要的手段和方法。己被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障，尤其是半导体产业。超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播p儿4|。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。[键入文字] 第一章绪论1．1课题研究背景和意义模拟超声波检测仪器在我国已经存在20多年，其电路主要由分离元器件构成，结构松散，体积较大，技术性能指标不高，尤其是在信号显示、存贮、后处理方面功能溃乏，限制了测试方法的改进和工作效率的提高。以我国目前无损检测仪器的研发、设计和制造水平来讲，在传统的模拟式检测仪器方面，与发达国家的差距还不是很大；但在数字化、智能化及与计算机有机结合方面的差距则有拉大的趋势。就超声波检测仪器领域来说，目前我国大多数科研单位、厂矿企业还是普遍采用传统的A扫描脉冲反射式超声波探伤仪。方式单一，存在不直观、判伤难、无记录、对人员素质要求高、人为因素影响大等许多缺点，严重影响着超声波检测的可靠性，以及该领域技术和仪器设备的推广和应用。而目前国外的超声波检测仪器在充分利用现代计算机技术、信息技术、数字信号处理技术、数字图像处理技术的基础上，己经可以最大限度地从被测对象中挖掘出有用的信息。利用人工智能、模式识别、模糊数学、神经网络等方面的知识，不仅可以探测被测对象内部或表面的各种宏观缺陷，判断其位置、大小和性质，可以利用回波法对工件进行扫查，将回波数据存于计算机内，对被测对象的固有属性、功能、状态和缺陷发展趋势等进行分析和预测，并做出综合性的检测评价。结合我国目前超声波检测领域的现状，并紧跟世界超声波检测技术发展潮流的需要，大力开发和应用数字化、智能化、自动化和图像化的超声波探伤仪已经是我们日益紧迫的任务。根据目前我国超声波检测仪器的使用情况，检测人员的技术水平和自身素质，以及经济条件和主要使用目的，现阶段我国超声波检测仪器发展方向应该还是发展与微型计算机相结合的数字化式超声波检测仪器。既紧跟时代发展潮流，又结合我国实际情况，克服了传统超声波检测中的种种缺点，提高了检测的可靠性和检测的效率，而且又为进一步智能化、自动化和图像化的数字化超声波探伤仪的发展打下了坚实的基础。35 1．2超声波检测技术的研究进展1．2．1国内外超声波检测技术的现状近年来，超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。进入90年代后，在世界无损检测会议上发表的论文中有关超声检测方面的所占比例最高。随着数字技术和计算机技术的发展，现代超声波检测技术已经进入到以计算机控制为主的时代其表现为：生产过程的实时检测控制；合并软硬件提高检测的信噪比和抗干扰能；整合了模式识别和仿真技术的智能扫描、自动定位与跟踪检测；对所测信号波的实时处理和后处理，可对信号进行时域分析、频域分析和图像分析处理，以提高检测的可靠性。就当前国内的超声波检测技术应用情况来看，超声波无损检测诊断技术虽然已经被广泛地应用于各种领域和场所，但是，其主要的应用发展方向还是在不断扩展的。而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠。检测结果对检测人员的依赖性都还很强，并且都还存在着一些难以克服的困难和缺陷，比如：(1，通常要有熟练的技术技能，对结果做出说明及解释。因此，在相互关系未经证明的情况下，可能存在不同人员对结果看法不统一。(2)外界环境的温度、湿度、粉尘、振动、噪音以及磁、电场和仪器本身内部的各种干扰都会对检测结果造成难以估计的后果。(3)性能可以直接测试、而检测结果却只是定性或相对的。(4)检测人员的技术水平、操作技能、知识水准等，检测人员对工作的责任心，检测人员在操作期间的心理和生理状况都会对检测结果造成很大的影响。(5)我国的超声无损检测还大部分是采用常规的A型脉冲反射法技术，存在不直观、判伤难、无记录、人为因素影响大等缺点，严重影响着超声检测结果的可靠性。1．2．2超声波检测仪器的发展趋势当然，伴随着以计算机技术为具体体现的信息技术的突飞猛进，现代超声无损检测技术主要还是向着数字信号处理和检测成像方面发展。己经应用或正在采用的数字信号处理技术主要有：时间渡越衍射技术、合成35 孔径聚焦技术、裂谱技术、倒谱技术、模式识别和分析、自适应神经网络等。采用数字动态滤波技术提高检测信噪比，通过频谱分析进行超声参量检测和提取，数字信号处理压缩波形有效提高检测分辨率。在现代超声波检测技术的发展中，超声成像技术是一种根据声波的特点，以扫描技术为主流的超声成像方法。它是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来的，是计算机技术、信息采集技术和图像处理技术相结合的产物。超声图像可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，有着自动化和智能化的特点，在医疗诊断、地震遥感、地质勘探、海洋研究、材料科学等领域正日益开辟新的用途，具有非常广阔的发展前景。目前正在使用和开发的超声成像技术包括：超声B扫描成像，超声C扫描成像，超声D扫描成像，SAFT(合成孔径聚焦)．成像，P扫描成像，超声全息成像，衍射CT成像、相控阵成像等门J。结合精密扫查机构的超声成像系统和工业超声相控阵成像系统等已在实际应用上取得了很大的成果。当前，超声波检测仪器的研制也已开始进入到数字化阶段。该技术是采用超声波检测仪器采集超声波回波信号，经接收部分放大后，由模／数转换器变为数字信号传给微处理器。微处理器再把随时间和位置变化的超声波形进行适当处理，得出进一步控制检测系统的结论。一方面它承袭了常规超声波检测探伤仪器的基本模式和基本功能，又具有数据存储和运算功能，实现了检测过程中自动判伤、自动读出和显示缺陷的位置与当前量值、存储并打印输出检测报告。不仅解决了超声波检测可记录的问题，而且减少了人为误差，提高了检测结果的可信性。伴随着各种新材料、复合材料的出现和使用，以及对现代检测技术的要求不断提高，研制和开发数字化、智能化、模块化、网络化的超声波检测仪器已成为发展的必然。未来的超声波检测仪器应当具有以下特征：(1)模块化和插卡化各种超声波检测卡(含数据采集和数据处理以及接口的插卡)将大量问世，借助于高速度、高容量的计算机，超声波检测仪器的研制将变得比较容易。(2)高数字化、高智能化和图像显示功能。未来的超声波检测仪器应当是高度数字化、高度智能化的，其检测结果应可用图像显示出来：具有友好的用户界面；开机后具有自检功能；可用菜单选择仪器测试参数；可调用或可存储仪器的设定参数，以及与其它计算机进行通讯或传输数据。35 (3)数据库及自动识别功能。未来超声波检测仪器的一个最重要的进步是具有对被检对象的缺陷类型进行自动识别，以及对被检测对象的状态进行自动评价的功能。因此，它应当具有比较完备的数据库和专家识别系统。(4)专门的超声检测专家系统。专门的专家系统是保证数字化、智能化超声波检测仪器的有力手段和技术支持，系统内建有模式识别和自适应学习网络，它也是协调检测仪器软、硬件以及仪器与人的友好互动的关键所在。目前，虽然世界上各种超声波检测技术和超声波检测仪器的发展相当快，但综合以上的分析和调查、研究之后，不难发现：超声波检测的未来主要趋势还是应该朝着研制一种智能化的诊断装置方向发展。这种智能化的诊断装置应该能靠增加所获得的被检工件的信息量、提高信息质量以及经专门的数学后续处理等手段来提高评价工件质量的能力。因此，把握这方面的发展动态，紧随时代发展潮流的脉搏，是我国超声波无损检测人员进行研制、开发以及应用超声波检测技术责无旁贷的义务，亦是我们不断前进的方向和动力。35 1．3课题研究的主要内容课题研究的主要目标是在结合传统的超声波检测技术和微型计算机处理、控制技术的基础上，以半导体芯片中的金属材料和非金属材料为检测对象，研究、开发一套数字化超声波脉冲反射探伤仪器。具体研究内容如下：1．开发以单片机CPU为主的高速数据采集、处理模块。该数据采集模块(卡)可控制超声波检测模块中的电源、不同探头的频段选择、高频放大、检波方式选择等电路，将被检测对象内部的回波信息扫描并转换成数字信号，进一步处理、存储后，可送液晶显示屏显示，并配有标准视频接口RS一232。根据需要或将存储数据信息外传PC机存储保管；或由计算机对接收的回波数据信息进行进一步的处理。还可以与其它传统超声波检测仪器相结合，形成模拟、数字结合式数字化超声波脉冲反射探伤仪。2．开发超声波探伤模块(脉冲反射式)，实现电源模块的最优化管理，节约能源、减少功耗、提高工作效力；实现超声波的发射、接收功能，接收电路阻尼限幅，超声波回波电压信号的高频放大、滤波、检波等功能。该探伤模块接受数据采集卡上CPU的控制，实现整机数字化。3．设计专用液晶显示模块(LCM)，可显示经微处理器处理后的数字信息的回波图形，人机对话操作界面，以及可视化的必要的功能参数修正和系统工作状态显示等。4．编制系统专用软件。该软件除了对数据采集卡、液晶显示屏、功能键盘、超声波检测模块的功能进行监控和运行外，还可完成调用缺陷回波图形显示，存储信息外送上位计算机，声、光缺陷报警提示等功能。第二章超声波检测仪器的总体设计脉冲反射式超声波检测技术是本仪器设计的重要基础。目前，国内或国外的智能型自动化超声波检测仪器也是以脉冲反射式超声波检测技术原理进行设计、开发、应用的。脉冲反射式超声波检测仪器与其它超声波检测仪器相比具有如下一些突出的优点：(1)在被检工件的一个探伤面上，用单探头脉冲反射法即可进行探伤。这对那些诸如容器、管道等一些很难在双面上放置探头进行探伤的场合，更显示出明显的优越性。(2)用脉冲反射法可以准确地确定缺陷的深度；灵敏度远比其它方法高；可35 以同时探测到不同深度的多个缺陷，能够分别对它们进行定位、定量和定性。(3)适用范围广。用同一台探伤仪可进行纵波、横波、表面波等不同形式的探伤，而且适用于探测很多种工件。35 2．1脉冲反射式超声波检测技术的基本原理2．1．1超声波的特性作为无损检测技术中一种非常重要的方法。超声波用于无损检测领域是由其特性决定的：1．超声波是指频率大于20KHz，并且能在连续介质中传播的弹性机械波。2．超声波的方向性好。超声波具有像光波一样的方向性，经过专门的设计可以定向发射，利用超声波可在被检测对象中进行有效的探测。3．超声波的穿透能力强。对大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。特别在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。4．超声波的能量高。超声检测的工作频率远高于声波的频率，具有很高的能量。被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为广泛应用超声波检测的基础。5．遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因。6．对人体无害、适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度快。2．1．2脉冲反射式超声波检测仪器的硬件结构以及检测信号流程传统脉冲反射式超声波检测仪器的硬件结构以及检测信号流程如图2—1所图2-1脉冲反射式超声波检测仪器的硬件结构以及检测信号流程图硬件结构主要由时标电路、同步电路、扫描电路、发射电路、接收电路、检波电路、视频放大电路、探头和示波器(CRT)电路、电源电路等部分组成。仪器的启动起源于同步电路(主控机构)。电源一经接通，同步电路立即发出三路同步触发信号，以控制发射电路、扫描电路、时标电路同步工作。当稍加延迟后的同步信号反馈至发射电路时，发射电路立刻产生一个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的高频电脉冲(发射脉冲，激励信号)。发射脉冲经电缆作用到探头上，激励探头产生高频率的脉冲超声波，超声波透过祸合剂射入工件，完成了超声波的发射工作。探头与被检测工件表面相接触(需要一定的祸合剂，防止空气进入，在芯片35 检测中我们一般用水)。探头发出的超声波通过工件表面进入其内部时，由于超声波的反射特性，会有反射回波传入探头，反射的超声波经探头中压电晶片的压电效应作用，转换成为电信号(回波信号)，经接收电路阻尼限幅、高频放大、滤波、检波等电路的处理和作用后，得到检波信号，再送入视频放大电路进行脉冲放大，最后输入到电子示波管的垂直偏转板上。这一信号的输入，引起垂直偏转板电压瞬时改变，电子束则在垂直方向发生跳跃，因而在示波管上形成脉冲波型(始发反射信号，用符号T表示)；在超声波进入工件内部后，若在其前进传递路线上遇到缺陷，则也会有声波反射回去，被探头接收，同样经过阻尼限幅、高频放大、滤波、检波等电路的处理和作用之后，在示波管上形成缺陷反射信号，用符号F表示；同样地，当超声波到达工件的相对底面时，也会有声波反射回去在电子示波管上形成脉冲波型(底部反射信号，用符号B表示)。据此就可以判断工件中是否有缺陷的存在。发射波T、缺陷回波F、底面回波B的关系如图2-2所示。在同步电路触发发射电路产生高频电脉冲的同时，扫描电路也开始同步工作。此时，扫描电路发生与时间成正比的锯齿形的扫描电压加到电子射线管的水平偏转板上，从而使电子束所形成的光点在荧光屏上自左向右以一定的速度均匀移动。移动的轨迹就形成了水平扫描线。光点移动的距离，正比于超声波在工件中的传播距离。为了确定工件内部缺陷的具体位置，探伤仪器中还装有时标电路，由于它与35 发射电路、扫描电路在同步电路的控制下一起同步工作，发生等间隔的脉冲电压，从而在电子射线管的屏幕上形成一个等间隔的电子刻度，每个间隔均代表电子扫移该间隔距离所需的时间(通常用微秒计)。根据此间隔值以及超声波在被检工件中的传播速度，就可得到荧光屏上的缺陷波形的具体缺陷位置。脉冲反射式超声波检测仪器的优点是应用范围广，设备轻便、价格便宜，显示的图形比较简单、清晰、容易判断。但是，在示波器(CRT)荧光屏上显示的波形，仅仅是探头所在探伤面上那一点的探伤结果。整个探伤面上的探伤结果是在最后靠探伤人员的记忆来完成的。因此，该方法使得整个探伤结果不直观，不能存储、不便于记录，检测结果的可靠性不高。而且，其对设备的质量以及探伤人员的技术水平都有很高的要求，造成该无损检测手段不能的得到大面积的推广。35 2．2超声波检测仪器设计2．2．1总体设计检测仪器的总体构成方案如图2．3所示。在设计中，硬件、软件均采取了模块化的设计方案。硬件主要分为超声波检测模块、数据采样与处理模块三部分；软件根据控制单元的不同，主要包括单片机MCU的汇编语言和逻辑器件EPLD的VHDL语言两部分，并按操作功能的需要，设计为子程序式的各功能菜单块。在常用的脉冲反射式的检测中，探头是兼作发射和接收换能器使用的，一般均采用测量来自给定反射体的脉冲反射信号幅度与各频率分量之间的关系来表征频率响应。频率响应是指在恒定声压和指定入射角的超声波作用下，探头输出电动势随频率变化的特性。超声波检测模块负责仪器超声波激励脉冲的发射和回波电压信号的接收、模拟信号处理；数据采集、处理模块负责对模拟回波信号的采样、模数转换、信息存储、数字处理，以及对超声波检测模块进行功能监控管理，控制人机对话模块功能实现等；而人机对话模块则负责完成仪器的人机交互功能。2．2．2仪器硬件系统的基本构成设计的超声波检测仪器中，超声波的发射电路、接收电路、高频放大电路、35 检波电路以及电源电路、探头等基本采用原有的成熟技术。而在此基础上，用数据采集、处理模块采样模拟回波电压信号，并进行模／数(A／D)转换后，由单片机的CPU进行一定的处理，再送人机对话模块的液晶显示屏(LCD)显示，或外送计算机进行存储、或进一步的数字化处理。并且还由单片机MCU对电源模块、发射电路、高频放大电路、带通滤波(去除工件材料引起的声学噪声和电路元器件工作引起的电路热噪声)电路、检波电路实行全数字化的控制。取消了原来的同步电路、扫描电路、时标电路、示波器CRT，减少了硬件电路复杂设计和电路规划，降低了信号干扰和信号失真。设计仪器的硬件结构如图2．4所示。1．仪器探头的选择超声波的发射与接收都是通过探头实现的，必须根据检测对象，合理选择探头。探头的选择主要考虑：探头形式、晶片尺寸、角度、频率等几个方面因素。(1)探头形式的选择要视具体情况认定，选择直探头或者斜探头主要取决于欲发现缺陷的部位和方位。(2)探头晶片尺寸的大小决定近场的覆盖范围。探头晶片尺寸小则近场的覆盖率小，即近场范围内声束窄。对缺陷的定位和定量，选择探头的原则是声束应尽可能地狭窄，声束相对于缺陷要垂直入射。(3)超声波频率很大程度上决定了超声波对缺陷的探测能力。频率高时，波35 长短、声束窄、扩张角小、能量集中，因而发现小缺陷能力强、分辨力好、缺陷定位准确，但是扫查空间小，仅能发现声束轴线附近的缺陷，对于裂纹等面状缺陷，因其有显著的反射指向性，如果超声波不是近于垂直射到裂面上，在检测方向上就不会产生足够大的回波，频率越高这种现象越显著，而且被检测面粗糙时，高频声波散射大，不易入射。因此，频率上限一般应由衰减(底波出现状况)和草状回波信号的大小来决定：而下限由检测灵敏度、脉冲宽度及指向性决定。宽带窄脉冲探头具有灵敏度高、分辨力好、缺陷定位准确的特点。因此，结合上面的分析，对于芯片检测，我们选用德国SONIX公司的SONIXl230型超声波探伤仪所配的系列探头作为此仪器的超声检测探头【11】【12】。频率范围是0．5MHz～10MHZ。另一个原因是，我公司现有的设备基本上都在使用这一系列的探头，这样更有利于管理和成本控制。2．电源模块为了用于现场检测作业，电源模块采用直流电源(充电电池)供电方式，提供超声波检测模块、数据采集、处理模块、人机对话模块等工作所需的电源，并由单片机MCU控制EPLD产生的电源控制信号(DY)作用，分时响应待机工作状态或短暂的检测工作状态：(1)当检测仪器在待机工作状态时，单片机控制电源模块，使其仅产生数字电路和液晶显示部分正常工作所需的电源，这样可以大大降低仪器的功耗，延长电池的使用时间和使用寿命。(2)当需要工作在检测状态时，电源模块受控制信号(DY)作用，为超声波检测模块的电路提供电源，仪器进行检测的工作。3．超声波检测模块该模块主要由高频放大子模块、带通滤波子模块和超声波检测子模块(检波电路)组成。(1)高频放大子模块该子模块基本由8位数／模转换芯片DAC0832，高速宽带集成运算放大器LM318，低噪声宽带集成运算放大器AD600AR等设计组成。根据检测工件材料、厚度，超声波检测频段的需要，将接收到的微弱回波电压信号由毫伏级放大到O～2．0V。满足模／数转换芯片AD9058JD的工作条件。放大范围O～100dB。(2)带通滤波子模块35 带通滤波模块基本由三片高速宽带集成运算放大器LM318配合其它电子元器件设计组成。针对探头频段的需要选择5MHz和10MHz。最大限度地去除系统声学噪声和电路噪声的干扰，实现不同频率超声波检测时的最佳效果。(3)超声波检测子模块超声波检测模块中的检波电路，是由一片达到120MHz的宽带集成运算放大器LM733CN设计完成，满足了解决针对视频显示(检波显示，有利于峰值采集，方便确定缺陷当量)和射频显示(不检波显示，可保持波形状态，有助于缺陷性质的识别)的不同需要。4．数据采集、处理模块该模块主要是靠A／D转换子模块和EPLD芯片实现的。下面主要介绍一下A／D转换子模块，EPLD芯片的功能与使用将在后面的设计中详细介绍。采样回波信息由A／D转换芯片AD9058AJD进行模／数转换。为了满足A／D转换后数字信息的高速度存储要求，这里选用EPLD(ErasableProgrammableLogicDevice)可编程逻辑芯片，Altera公司的EPM7128SLC84．6进行功能控制操作，将转换后的数字信息进行实时缓存于静态存储芯片SRAMC(CY7C199．15)，再由单片机MCU从缓存区读取数字信息进行下一步的分析、处理(多次采样信号的平均处理)。处理后的数字信息再送固定存储器(FLASHPROM芯片AT29C512)存储，并可送液晶显示屏进行波形图显示，或通过外接端口中的RS．232接口送计算机进行概率统计、频域分析、数字滤波、声成像或模式识别等更进一步的处理操作。5．人机对话模块人机对话模块中的液晶显示器(LCM)，可由大屏幕显示屏显示缺陷回波图形、文字说明，显示系统的工作状态。菜单操作界面显示检测参数选择、修改界面，显示仪器一些常规设置的参数选择、修改界面等。根据探伤人员的需要，回波图形可以实时显示并存储，也可对存储的缺陷回波图形进行回放显示。6．监控超声波检测模块由于系统的构成复杂，需要一个统一的“大脑”来控制与协调各个模块的动35 作，所以选择Intel公司的AT89S52芯片作为MCU来实现对电源模块、超声波发射电路、探伤方式、频段选择功能的管理，同时实现程控放大(增益)功能的管理。7．通讯模块另外，为了和其上位PC机进行通讯互联，将现有的探伤结果数据信息上传给PC机进行进一步的分析和处理，同时也是为了解决仪器固有存储容量不够的问题，所以仪器设计了RS．232双工的串口通讯模式。2．2．3仪器软件系统的基本构成在前述硬件电路构成的基础上，采用模块化的设计方案设计了相应的配套软件。在设计上，把仪器要用到的所有功能定义为一个个的模块化、菜单式的子程序，并能在其它功能子程序中进行调用，结构严谨、明了。整个软件设计采用树状结构，每个功能按键对应一个相关功能子程序，配合液晶显示屏进行人机对话，实现功能菜单的分选操作。在每个功能菜单项的基础上又分为多个子功能菜单，力求操作简单。图2．5为软件系统的基本结构的树状图，具体的功能定义将在第五章人机对话模块设计中介绍。35 2．3仪器抗干扰措施由于本仪器的高频工作特性，而且需要将几十微伏级的微弱电压信号放大到0,--2．OV，并且要从许多高频信号中采样出来。其现场作业的使用环境亦比较恶劣，故对各种干扰信号的处理和排除一些声学噪声和电路热噪声影响的要求也就相对比较高，对此，采取了以下的抗干扰措施，效果良好。1．尽量采用低噪声，抗干扰能力强的芯片、器件。IC器件尽量直接焊在电路板上，尽量不使用IC插座。2．集成数字电路使用的电源、电路板连接线等关键地方使用了抗干扰元件(串联磁珠)去祸、并联0．01肛瓷片电容作高频旁路和l心钮电容作低频旁路，尽量减少噪声的干扰。3．优化电路设计，尽量减少信号线布线长度、不用90度折线减少高频噪声的发射，用地线隔离继电器、变压器等大功率器件，并将其尽量分布在线路板边缘，减少电磁干扰。用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点接于电源地。采用地平面技术，以使所有数字地、模拟地均直接连到完全包围高速部件的地平面上。地平面应尽可能覆盖整个PCB，连到地平面的每条线尽可能短，以减少分布电感。4。在晶体振荡器的电路布线安排上，晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来。5．继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰，在继电器接点两端并接火花抑制电路(RC串联电路)，减小电火花的影响。6．对单片机MCU使用了电源监控及看门狗电路，在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。7．软件设计上，尽量优化、简单的模块化设计方案，减少了烦琐的操作过程和复杂的逻辑处理。在采样过程中，采用了多次采样平均处理的方法。35 2．4本章小结本章介绍了脉冲反射式超声波探伤仪器的基本原理，提出了利用EPLD强大的逻辑处理功能、易于应用的I／O端口，借助单片机MCU体积小、成本低、易控制、可靠性高、运用灵活等特点，开发一套数字化脉冲反射式超声波探伤仪器。该仪器不仅具有超声回波信号的自动采集、存储、显示、分析和处理功能，而且具有输出接口，为数据的进一步二次开发处理，实现超声检测的图像化、智能化、自动化奠定了良好的基础。第三章超声波检测模块设计超声波检测模块的主要任务是将微弱的超声回波电压信号不失真地放大，然后送给高速数据采集、处理模块。因此，它是本课题设计的基础部分，是实现将检测信息娩出，得到良好超声波回波信息的关键所在。本章在继续分析超声波检测原理的基础上，详细介绍了电源电路，超声波发射电路，接收、阻尼限幅电路，程控放大电路，滤波电路，检波电路等各部分的设计。35 3．1电源电路设计超声波检测仪器要适合于现场检测，必须体积小、重量轻、工作时间长，还要分时响应待机工作状态或短暂的检测工作状态。考虑到仪器虽然大部分时间都工作在待机工作状态，功耗不是很大。但一旦工作在检测状态时，其要提供的高压直流电源是脉冲式超声波检测仪器超声波发射电路必不可少的部分，电源性能的好坏直接关系到探头激发的声源质量。高质量的电源电压纹波系数要小，此时贮能电容的充电电压一致性才好，因此超声源的发射强度就会很稳定。另外，高压直流电源还必须要具有一定的功率，能提高贮能电容的充电速度，从而提高超声波发射重复频率的上限。仪器设计选用高频开关电源。图3．1是电源模块的部分电路图，其中PWM为脉宽调制型的控制电源转换的IC芯片，受逻辑器件EPLD的控制，需要时响应仪器的检测工作状态。常用的超声波检测电压超过l00V，多数在+400V,--+600V左右，本设计电源取+600V。采用高频DC．DC变换器将恒定的12V直流变为+600V直流和_5V、一12V的直流电源。由于使用高频变压器，使电源的体积小、重量轻，35 3．2超声波发射控制电路设计发射电路接收由单片机MCU控制EPLD提供的低压可调脉宽的高频脉冲电压信号(FJ)后，产生高压的窄脉冲激励信号。激励脉冲电压加在探头的压电晶体两端，由于逆压电效应，压电晶体受激振动而产生形变，从而发出超声波，其辐射能量与脉冲电压直接相关，只要在线性范围内，脉冲电压越高，其辐射能量越强，检测仪器灵敏度越高。但是以提高脉冲电压来增强辐射能量是有限的，因为当脉冲电压达到一定值时，其输出能量会饱和，这时提高脉冲电压不仅没有好处，反而因脉冲宽度加大而增大检测盲区。另外，过高的发射电压也可能会损坏高频探头。发射电路最常用的有谐振式及非谐振式两类，其中谐振式发射电路的发射频率由电路的谐振频率决定，而非谐振式发射电路的发射频率由探头本身的自然频率决定。超声发射脉冲通常是用预先充电到高压的电容突然放电来产生，得到的超声信号波形是一种单频载波脉冲信号。仪器设计采用非谐振式发射电路，其电路原理图如图3．2所示。工作过程：35 稳态时，功率MOS管M1关断，高压直流电源+600V通过电阻刚给高压贮能电容C1充电；动态时，正触发脉冲(FJ)加在P1三极管上，三极管P1、功率MOS管M2导通，高压贮能电容Cl就通过功率MOS管MI、电阻R6和探头放电，探头受到贮能电容所放电高压脉冲的激励，按照本身的自然谐振频率发射脉冲超声波。激励脉冲(FJ)宽度是影响检测纵向分辨率的主要因素。激励脉冲越宽，发射强度越大，仪器分辨率就越低，这时适合探测范围大，对分辨率要求不高的场合；反之，激励脉冲越窄，发射强度越小，分辨率就越高，适合探测近表面缺陷或对分辨率要求高的场合。脉冲宽度与检测时纵向分辨率的关系如图3．3所示。当反射回波WA和WB刚好不重叠时，界面A与界面B就刚好能分辨开来。为了保证反射回波WA和WB不重叠，激励脉冲宽度t必须满足t_<2d／e，因此：d晌=△皿=÷Z式中单位：c，为声速，单位mm／s；t，为激励脉冲宽度，单位S；d，为界面间距，单位mm；dmin，为最小界面间距，单位mm；这样，对于不同的探伤材料、不同的探伤厚度等需要配合不同谐振频率的探头、不同宽度的激励脉冲、不同重复频率等要求时，仪器均可利用MCU中存储的程序调用及一些简单的参数修改来完成，操作灵活、方便。35 3．3阻尼限幅电路设计在单探头工作方式中，因接收探头和发射探头为同一探头，因此激励脉冲高电压将输入到接收通道，造成在其接收通道输入端输入的信号不仅有几十微伏到1．0伏的回波信号，而且还有100～600伏的发射脉冲高压信号，如果不能对此信号进行限幅，将损坏接收通道电路元件，并使接收通道在激励脉冲之后一段时间不能正常接收缺陷回波信号，很可能造成工件近表面探伤的误判。本超声波检测仪器的接收通道采用并联限幅的保护电路，其电路如图3．4所示。其中二极管D1、D2、D3和D4、D5、D6分别对正向和负向大脉冲高压信号进行限幅，保护了接收通道免受瞬时的脉冲高压冲击，提高了接收通道后续电路的抗阻塞特性和检测时的反应灵敏度。35 3．4程控放大电路设计在超声波检测接收电路中，程控高频放大电路是本检测仪器能够取得完整的，而且波形不失真的超声回波信息的关键所在。主要涉及到的几个重要设计参数是：增益、动态范围、带宽和放大噪声。设计中选择了两片压控放大芯AD600AR构成程控高频放大电路，其结构原理如图3—5所示。压控放大器芯片AD600AR的控制电压由两片D／A芯片DAC0832给出。其增益量由程序控制在0～l00db范围内变化，能满足常用自动化探伤的要求。增益控制电路适应不同测试对象对回波信号的强弱影响，可通过MCU的软件实现动态自动控制增益值。选择AD600AR作为放大电路的主要器件，是因为该器件具有线性分贝、噪声低、频带宽、增益精度高、增益控制灵活等特点。线性分贝，是指控制电压与放大器增益的分贝数呈线性关系，这对探伤仪软件的设计是很有利的，而且提供一种系统自动校正垂直线性的手段。放大电路中，增益精度主要取决于AD600AR的衰减误差。单片AD600AR在40dB(0dB,--,+40dB)范围内的衰减误差最大仅为士0．3dB，增益精度高。另外，它的最大功耗仅为125mW。3．4．1增益增益是超声波检测仪器程控放大电路设计的主要参数之一。它表征放大微弱超声回波电压信号的能力，直接表现了检测仪器的综合灵敏度，所以是必须着重考虑的主要指标。35 超声波检测仪器的放大器不同于一般放大器。超声回波电信号为微弱的电压信号，一般为毫伏级，部分信号为几十微伏，经常见到的超声探伤仪器的增益数值是l10dB左右。在模拟超声探伤仪器中，超声脉冲信号最终要送到示波管垂直偏转板去显示。驱动示波管垂直偏转板到满屏的信号幅度要数十伏。超声回波信号如果低于数十微伏，要把数十微伏的信号放大到数十伏所要求的探伤仪器的。增益就是120dB，故在传统模拟式探伤仪器中，110～120dB的增益是必要的。而在放大器的输入端，各种电子噪声通常达109V左右。如果超声回波信号低于数十微伏，此时的信噪比将会很低。所以，小于109V的信号通常已没有任何实际意义。程控放大电路也就没有必要考虑小于10uV的信号进行任何增益放大。而在数字化探伤仪器中，放大器的输出信号要送给模／数转换器。现代模／数转换器需要的输入电压只要+2．0V甚至更小。因此，从数十微伏放大到+2．0V，数字式超声波检测仪器的放大接收电路必须要有足够的增益(约80dB左右的增益也就足够了)。本课题设计是O～100dB的增益可调范围，将回波电压信号放大到合适的模／数转换器的转换范围(+O．2V~+2．0V)。3．4．2动态范围动态范围(线性范围)也是一个需要着重考虑的设计参数。制约超声波检测35 仪器设计中动态范围的主要因素有：程控放大后，到A／D转换前的最大不失真信号电平、噪声电平、检波电路能不失真检波的最低信号幅度等。在仪器系统增益高端受噪声电平影响，而在仪器系统增益低端，检波电路的分辨力影响动态范围。理论上，所有放大电路都只有在它的线性放大范围内时，也就是满足V输入在VI～V2之间范围时，才会有一个比较恒定的放大倍数K。如图3-6所示因此，从设计理论上来讲，当然是希望动态(线性)范围越大越好。这样，既减少了小信号的缺失真，又避免了一些大信号的饱和失真。但对动态范围的要求也应适可而止，过大的动态范围既增加了电路设计的难度，也没有太大的实际意义。在荧光屏上，最大幅度是100％，最小通常是10％或5％。大家知道，能用眼睛分辨的幅度差别不大于1％。如果最小定在10％，则l％的绝对误差，在0％幅度时，相对误差是10％，即近1dB；在读出5％幅度时，1％相对5％是20％，即近2dB，所以都尽量在80％或50％等较大幅度处读数。在仪器中，读数的功能是由模／数转换器AD9058AJD来完成的。当然希望模／数转换器能够最好读取放大电路线性范围内输出的不失真的信息。其读数原理与眼睛相似。不同的是，模／数转换器可有较高的分辨力。系统模／数转换器是8位的，其分辨力大约为1％。由此可见，如果把读数限制在lO％或5％幅度处，根据数字式超声波检测仪器的国家标准要求，则26dB的动态(线性)范围足够了。仪器设计采用的压控放大器AD600AR在35MHz带宽下的动态范围是40dB。3．4．3带宽接收通道的带宽(频率特性)也是一个非常重要的参数，它表示的是接收通道的幅度特性，即增益G与频率f的关系，是指接收通道输出信号与输入信号相比，增益G在幅度和相位方面随超声波频率f的变化规律。具体定义的带宽为增益下3dB(或下降到70．7％)的频率范围。现在通用的超声波检测仪器大多使用的是宽带放大器，为的是使其在工作频35 率范围内有很好的幅度和相位特性，可以适应相应范围内不同频率探头的需要，输出高保真的波形。系统带宽直接影响整个仪器的分辨率、灵敏度和信噪比。频带宽度越大，接收到的信号频谱丰富、波形失真小、脉冲前后陡峭、展宽小、分辨力好。但是因为噪声的频带较宽，所以随着频带的加宽，将会相应的增大噪声而降低信噪比。过宽的频率范围也会带来增益下降的牺牲。超声波检测仪器放大电路的典型频率特性如图3．7所示，在相当宽的频率范围内，增益保持不变。通常就以它来归一化，即以它为l，不管它的绝对值是loo或10000。在低频率端fL处增益下降；而在高频率端fH处是先略有上升，然后下降。由图3-7所示，设计仪器放大电路的频带宽度应该为：低频带fL=100KHz，高频带fH=35MHz。由于fL比fH小得多，近似用AF=fH=35MHz来表示仪器放大电路的频带。声波回波信号的最大特点就是具有极宽的频带，因此，接收通道必须具有足够高的频带宽度才能不失真地放大超声回波信号。通常设计接收通道的带宽是回波信号中心频率的5～8倍，设计中，AF=35MHz。其在接收回波信号时，失真己经很小，已基本满足探头(0．5MHz～10MHz，常用频率10MHz以下)对通频带的要求。3．4．4放大噪声放大噪声(或称作放大电路的热噪声)也是设计考虑的重要参数之一。它是在输入端短路条件下把增益开到最大，测量输出端的噪声，再除以增益，从而换算到输入端的噪声电压VN来计算的。例如，一个放大器噪声为1009V，增益为80dB则在放大器“开足马力"(增益设为80dB)时，输出端噪声将达100I．tVg10000=IV，显示器上将全是噪声，放大器的80dB35 增益毫无意义。如果希望声控制在5％以下，则噪声必须小于5pV。在实际使用条件下，放大器输入端还有电缆和探头，它们像天线一样，还要把周围环境噪声接收进来，这些噪声通常可达数十微伏。热噪声引起的热噪声电压VN本身就是一个非周期变化的时间函数，它的频率范围很宽广，VN将随频带的增加而增加。因而，受到噪声放大后干扰程度的影响，我们实际上也就很难能把增益设计到很大。设计压控放大芯片矿AD600AR的热噪声电压密度华：一B1≯7一．一半=一4KTR=1．4NV／0HNV称为热噪声电压，B为频带宽度(35MHz)，k为玻耳兹曼常数，其值为1．37×10之3J／K，T是绝对温度(K)，R是放大电路的内阻(Q)。在程控放大电路后面，设计了一段信号调理抑制电路，如图3—8所示。电路对来自电力供电系统频率在50Hz或60Hz的噪声或者信号放大后所有小于+0．2V，以及大于+2．0V的电压信号都进行抑制，使得信号调理抑制电路的输出范围达N+o．2V---+2．0V。为A／D转换芯片AD9058AJD提供良好的模拟转换信号，提高整个仪器的数据采样质量。35 3．5滤波电路设计3．5．1超声回波信号的噪声声回波信号的噪声一般分为两种：非声学噪声和声学噪声。1．声学噪声：主要是材料噪声，一般是指由材料中的粗晶粒晶界散射引起的微结构噪声，它的幅度和到达时间是随机的。往往对缺陷信号造成干扰，甚至将目标信号完全湮没。晶界回波不同于电噪声，它是静止的、相关的。在扫描检测过程中，若换能器(探头)不动，则不同次采样中的材料噪声应近似相同。2．非声学噪声主要包括电子电路噪声、振铃噪声和脉冲噪声等。这里主要涉及到电子电路噪声(简称电噪声)。电噪声源于仪器电路中的随机扰动，比如电路中元器件的电子热运动及半导体器件中载流子的不规则运动等。电噪声是一种连续性随机变量，即在某一时刻可能出现各种可能数值。电噪声大大降低了微弱超声回波信号的信噪比。程控放大之前，虽然电路噪声和材料噪声往往均小于几十微伏，但要是随着放大电路。0～100dB的增益放大，通频带若越宽，噪声也就越大。再加上放大电路本身元器件工作带来的干扰噪声的影响。放大噪声就成为一个必须着重考虑的因素。有时，过大的放大噪声还会完全湮没掉超声回波信号。3．5．2噪声的处理方法根据声学噪声和非声学噪声的各自特性和性质表现，在设计上对这两种噪声的处理也就采取了不同的处理方法：1．材料噪声此时超声探测仪器显示屏上会出现大量的草状回波，微小缺陷回波则完全被噪声湮没。为了提高信噪比，增加缺陷目标的检出率，采用双晶片斜探头或聚焦探头可提高某一深度附近缺陷的检出能力，但是这种硬件的方法有局限性，应该把更多的精力放在超声信号的处理上。超声回波信号是以探头谐振频率为主频率的衰减振荡信号，所以信号的频率主要为分布在以传感器的谐振频率为中心的一个较窄的频域上。具有两个重要特点：(1)相近性，不同位置的回波信号波形相近。35 (2)相关性，对同一装置和同一对象，超声回波信号随界面距离的改变只有强弱的变化，而波形变化不大，换句话说，回波信号之间是密切相关的。经过分析和研究，设计了如图3-9所示的带通滤波电路来处理声学噪声。该电路既要满足较宽的超声波探头发射频带范围的要求，又要达到充分处理掉放大噪声和一些随机高频干扰信号的目的。仪器设计了可程控的三组带通滤波电路，其带宽分别为0．5MHz～5．0MHz、5MHz～10MHz。分频段滤波，从而能够很好地娩出较窄的超声回波信号，提高仪器的信噪比。图中，CFx是来自数据采集与处理模块中MCU的程控信号。LM318是一款高精度的高速交流放大芯片，频带达到15MHz，输入、输出口均具有很好的过载保护装置。2．对电噪声的处理方法。主要采用的是软件迭加算法处理(由A／D转换器件配合MCU多次采样后，进行迭加后平均处理的方法)，将在后面的章节作详细介绍。35 3．6检波电路设计在许多插卡式或嵌入式的基于计算机的超声波检测仪器或者手提电脑式的超声波检测仪器中，通常采集未经检波(或叫整流)的超声信号，以便于以后的处理，如显示高频波形和脉冲的频谱等。但这需要庞大的数据处理能力和超大容量的存储空间，而且占用了大量的微电脑时间来进行数据处理。硬件上，它也需要高端的微处理器和超大容量的RAM，极大地提高了仪器成本。不是很适合于便携式的检测仪器。而且，探伤人员习惯使用的是检波后的脉冲显示。回波图形显示清晰、简单、易懂，方便缺陷当量的识别。图3．10给出了不检波显示和检波显示的不同显示效果。1．射屏显示即不检波显示，是超声波检测模块中接收电路接收探头反射回来的回波电压信号后，并经高频放大电路放大，然后直接送显示器显示的结果。射频信号含有检波前的大量高频信息，能比较真实地反映出超声波脉冲在介质中传播的真实情况，它可保持波形状态。在工业检测中经常用来辅助分析探测中一些缺陷的反射回波和杂波的波形特征，有助于缺陷性质的识别。2．视屏显示即检波显示(也叫整流)，是回波高频交变信号经过放大检波后，滤去高频成分，取正向包络信号所显示出的波形。检波显示信号清晰、简单、容易判断，在工业检测中，方便根据显示的波形来对缺陷进行判断。有利于峰值采集，方便确定缺陷当量。针对上面介绍的情况，在设计上满足了两种可选择的方式(通过跳线器选择)来满足检波与不检波的需要，使仪器具有更加广阔的使用范围：35 一种选择像传统模拟式超声波探伤仪器一样，先检波(整流)，然后再模／数转换，是本仪器常规采用的工作方式。而另一种方式可先模／数转换，然后再进行数字处理，将其检波。此种方式一般检测时不用。只是针对一些特别需要的时候，由人工将仪器跳转到此种工作方式下，满足一些对缺陷性质、缺陷特征要求高的使用场合。两种选择方式非常灵活，既能节省微电脑数字处理时间，降低硬件成本，又保证了其回波信号进行二次开处理的可能。其电路如图3．11所示：检波电路用LM733CN作为全波整流器件。芯片LM733CN是一个具有两路独立输入、独立输出的宽频带图像放大器。对高频率噪声有极好的抑制作用，极高的输出稳定性，非线性范围小，宽频带(0～120MHz)，钳位输入范围宽(士5．0V)，125mW的低功耗，200K．Q的高输入阻抗。35 第八章结论与展望本课题借助脉冲反射式超声波检测的原理，融合电子技术、计算机技术、逻辑控制技术等，设计开发了一种智能化的超声波脉冲反射检测仪器。论文详细介绍了该仪器的硬件结构和软件设计思想，以及仪器的操作方法、功能实现过程。克服了许多诸如DC．DC电源不稳定、超声波激励脉冲的脉宽与探头不匹配，程控放大后信号失真严重、噪声干扰大和逻辑器件EPLD的I／O端口信号影响液晶显示的状态检测等一系列问题。基本实现了预定的各项基本功能。35 8．1结论(1)全数字化的设计方案和尽量采用软件方法实现硬件功能的设计方法，大大简化了仪器的电路以及电子元气件的数量。使得仪器具有体积小、重量轻、结构简单的特点。(2)软、硬件均采用的模块化设计方案。这样的方案和方法，有利于各个击破，大大缩减了仪器的开发周期；模拟、数字信号系统的分离设计，很大程度上减少了相互之间的信号干扰，确保了仪器的稳定性和可靠性。(3)大量采用低噪声、低漂移、高精度、高可靠性的集成电路芯片。应用微型计算机MCU面向控制的设计功能、可编程逻辑器件EPLD强大的实时处理能力，使得仪器具有小型化、数字化、自动化、图像化、便携式，而且成本也不高等许多优点。(4)大屏幕的液晶显示器模块结合触摸式功能键盘，以及仪器专用操作软件实现的中文菜单化的操作界面。主菜单到子菜单的树状化操作功能步骤。使得仪器具有非常简单，而且易于掌握的可视化操作界面、操作方法。(5)程控的DC．DC高频开关电源模块，分时响应仪器的待机工作状态和检测工作状态，大大节约能源。再加上仪器中所有的芯片、电子元气件均尽量采用了合适的速度要求、低功耗的器件。使得仪器的整体功耗低，使用时间长，特别是在室外检测使用时，能大大提高电池的使用寿命。35 8．2进一步的完善当然，由于时间和本身技术水平所限，开发的仪器还存在一些不足，需要进一步的完善：(1)超声波检测模块中，接收通道对超声信号的放大、滤波、噪声抑制等功能还需进一步完善和提高。受CPU的功能所限，仪器的数据处理能力还不够，对回波数据信息还没有进一步的二次开发能力。(2)软件系统还需更加完善，软件程序应更简洁。特别是菜单界面的操作功能还要提高，要更加人性化、便于检验人员操作。(3)仪器的数据存储能力有限，只能存储一定量的检测结果。35 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