（信號與信息處理專業(yè)論文）基于labview的超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計.pdfVIP

摘要 超聲波檢測具有測量材質(zhì)種類多、靈敏度高、探傷深度大、穿透力強(qiáng)、檢 驗(yàn)速度塊、對人體無害等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電力、 石油等行業(yè)的無損檢測。目前，國內(nèi)多使用數(shù)字式a 掃描探傷儀，其存在不直 觀、判傷難、無記錄等缺點(diǎn)，且數(shù)據(jù)處理及擴(kuò)展能力有限，缺乏靈活性。 本文采用虛擬技術(shù)設(shè)計了基于l a b v i e w 的超聲波檢測系統(tǒng)，提出了一種超聲 波檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案；采用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 處理器設(shè)計了超聲波檢測器的硬 件電路，包括d s p 控制器、超聲脈沖發(fā)射電路、超聲回波接收電路、放大電路、 a d 轉(zhuǎn)換電路及以太網(wǎng)絡(luò)接口等電路，并編寫了其相應(yīng)的軟件；采用l a b v i e w 軟件 開發(fā)平臺開發(fā)設(shè)計了上位機(jī)超聲檢測系統(tǒng)軟件；采用t c p i p 協(xié)議編寫了上位機(jī)與 超聲波檢測器的通信軟件。 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)被測物體超聲回波信號的采集、分析、處理、存儲等功能， 具有功能強(qiáng)、界面友好、操作方便、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造、冶金、電力、 石油等行業(yè)的無損檢測中具有較高的應(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞：超聲檢測；虛擬儀器；d s p ：l a b v i e w a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e s t i n gi sw i d e l ya p p l i c a t e di nt h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n go ft h e i n d u s t r i e ss u c ha sm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g i c a l ，p o w e rs y s t e m ，p e t r o l e u m ， e t c ，b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fw i d ed e t e c t i n gf i e l d ，h i g hs e n s i t i v i t y ，l a r g et e s t i n g d e p t h ，s t r o n gp e n e t r a t i n gf o r c e ，r a p i dt e s t i n gs p e e d a n dh a r m l e s st oh u m a n n o w d a y s ， t h ea - s c a n n i n gf l a wd e t e c t o ri sg e n e r a l l yu s e di nc h i n a t h ed e c e c t o rh a sm a n y d i s a d v a n t a g e sl i k en o n i n t u i t i o n ，h a r dt oj u d g ed e f e c t i o n s ，n or e c o r d s ，e t c w h a t s m o r e ，i ti sl i m i ti nd a t ap r o c e s s i n ga n de n t e n s i o na b i l i t y , l a c ko ff l e x i b i l i t y i na 1 1 i nt h i s p a p e ra n u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wi s p r e s e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dad e s i g nm e t h o d a b o u tt h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n g s y s t e m ；d e s i g n e dt h eh a r d w a r ep a r to ft h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rw h i c h i n c l u d e s d s p ，u l t r a s o n i cp u l s e se m i s s i o nc i r c u i t ，u l t r a s o n i ce c h o sr e c e i v i n gc i r c u i t ，a m p l i f y i n g c i r c u i t ，a dc o n v e r t i n gc i r c u i ta n dn e t w o r ki n t e r f a c e ，b yu s i n gt m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p ， a n dw r i t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h eu p p e rs o f t w a r eo ft h ed e t e c t i n gs y s t e m i sd e s i g n e dw i t hl a b v l e w t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb e t w e e nu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o ra n du p p e rd e s i g n e dw i t ht c p i pp r o t o c 0 1 t h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gs y s t e mc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n sa b o u tt h eo b j e c t e c h o s s a m p l i n g ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n ds t o r a g e t h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so f s t r o n gf u n c t i o n s ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，g o o d e n t e n s i o n i th a sh i g h a p p l i c a t i o nv a l u e i nt h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n go ft h ei n d u s t r i e ss u c ha sm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g i c a l ，p o w e rs y s t e m ，p e t r o l e u m ，e t c k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d s p ，l a b v l e w 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得云洼王些太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué) 位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已 在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位做作者簽名獺魯簽字日期：叫年月昭日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解丞洼王些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞淫王些太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意 學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：聰葺 簽字日期：淵年、 月f2 日 j 新虢孩_ 簽字日期：1 年堋帥 學(xué)位論文的主要創(chuàng)新點(diǎn) 提出了一種超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p 處理器設(shè)計了超聲波檢測器的硬件電路，包括d s p 控制 器、超聲脈沖發(fā)射電路、超聲回波接收電路、放大電路、a d 轉(zhuǎn)換電路及以太網(wǎng)絡(luò)接口等電路，并編寫了其相應(yīng)的軟件。 采用l a b v i e w 軟件開發(fā)平臺開發(fā)設(shè)計了上位機(jī)超聲檢測系統(tǒng) 軟件，采用t c p i p 協(xié)議編寫了上位機(jī)與超聲波檢測器的通信 軟件。 第一章引言 1 1 超聲波檢測的現(xiàn)狀 第一章引言 超聲波檢測是無損檢測的主要方法之一。它是利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲 學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響，非破壞性的探測材料內(nèi)部和表面的缺陷( 如裂紋、 氣泡、夾渣等) 的大小、形狀和分布狀況以及測定材料性質(zhì)。近半個世紀(jì)以來， 超聲波檢測技術(shù)得到了迅速發(fā)展。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家采用a 型脈沖反射式探傷儀 進(jìn)行鋼鐵、造船和機(jī)械制造中的探傷。5 0 年代后期超聲檢測已在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)被廣 泛應(yīng)用。2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測儀器 和檢測方法都得到了迅速的發(fā)展瞳，。 超聲無損檢測領(lǐng)域的學(xué)術(shù)氣氛十分活躍。1 9 8 9 年4 月在荷蘭阿姆斯特丹召 開的第1 2 屆世界無損檢測會議上共發(fā)表論文4 7 8 篇，其中有關(guān)超聲檢測的論文 1 8 2 篇，是論文數(shù)量最多的無損檢測方法。1 9 9 2 年l o 月在巴西圣保羅市召開的 第1 3 屆世界無損檢測會議上宣讀和交流的論文共3 1 2 篇，5 種常規(guī)無損檢測論 文占6 5 ，其中有關(guān)超聲檢測的論文最多，占到5 5 。1 9 9 6 年第1 4 屆世界無損 檢測會議在印度的新德里舉行，會議收到論文7 3 2 篇，收入論文集的論文5 5 0 篇，其中與超聲檢測有關(guān)的論文2 0 0 篇。新千年的無損檢測大會，第1 5 屆世界 無損檢測會議在意大利的羅馬市召開，大會收到7 7 3 篇論文，收入論文集的有 6 6 3 篇，其中有關(guān)超聲檢測的有2 5 0 篇瞳1 。 我國超聲波檢測事業(yè)也取得了巨大的進(jìn)步和發(fā)展，超聲波檢測在工業(yè)中已確 立了其重要地位，幾乎滲透到所有工業(yè)部門，如作為基礎(chǔ)工業(yè)的鋼鐵工業(yè)、機(jī)器 制造業(yè)、鍋爐壓力容器有關(guān)工業(yè)部門、石油化工工業(yè)、鐵路運(yùn)輸業(yè)、造船工業(yè)、 航空航天工業(yè)，高速發(fā)展中的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)如集成電路工業(yè)、核電工業(yè)等重要工業(yè) 部門。但就總體而言體水平而言，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。在檢測專業(yè)隊(duì) 伍中，高級操作人員和高級技術(shù)人員的比例較小。由于過度地追求近期經(jīng)濟(jì)效益， 對與超聲無損檢測相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究投人的人力和經(jīng)費(fèi)遠(yuǎn)少于美、 日、德等國。以手工檢測為主的狀態(tài)還會持續(xù)很長一段時間，但由計算機(jī)控制的 自動檢測將在更大程度上普及數(shù)字式、智能型超聲探傷儀將得到更快的發(fā)展。為 提高工作效率，各種專用設(shè)備和自動化超聲檢測系統(tǒng)將得到更廣泛的開發(fā)和應(yīng) 用。超聲成象系統(tǒng)也將逐步完善并得以實(shí)用。 天津工業(yè)人學(xué)碩十學(xué)位論文 1 2 課題的目的和意義 目前，我國仍然以手工檢測為主，測量方法上，則多選用傳統(tǒng)的脈沖反射法。 該方法缺陷定位精度高、適應(yīng)范圍廣、靈敏度高。但是，脈沖反射法是一種波形 顯示的方法，需要人為通過對超聲回波波形判斷缺陷的存在、位置、形狀等，因 此受到操作人員主觀影響較大。同時受儀器本身?xiàng)l件所限，也無法充分利用數(shù)字 信號處理技術(shù)對超聲回波信號進(jìn)行進(jìn)一步有效的分析，存在不直觀、判傷難等缺 點(diǎn)。其次，目前國內(nèi)超聲檢測產(chǎn)品主要是以微處理器為核心，采用大規(guī)模集成芯 片為外圍電路設(shè)計，一旦成型則其檢測功能固定化，很難更改，不具備可擴(kuò)充性。 本文采用虛擬技術(shù)設(shè)計了基于l a b v l e w 的超聲波檢測系統(tǒng)，提出了一種超 聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案?？梢詫?shí)現(xiàn)的功能有： 1 超聲波的發(fā)射與接收； 2 對回波信號的可調(diào)控增益放大，提高了系統(tǒng)的精確度； 3 放大后的信號經(jīng)過a ，d 轉(zhuǎn)換后送入上位機(jī)，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，進(jìn)行 進(jìn)一步的分析； 4 可以將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便需要時調(diào)用。 該系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、界面友好、操作方便、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造、 冶金、電力、石油等行業(yè)的無損檢測中具有較高的應(yīng)用價值。 1 3 課題內(nèi)容 本文在對超聲波的性質(zhì)，超聲波檢測的基本原理和方式研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計 了基于l a b v i e w 的超聲波檢測系統(tǒng)。具體研究內(nèi)容如下： 1 確定基于l a b v i e w 的超聲波檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案； 2 采用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p 處理器設(shè)計了超聲波檢測器的硬件電路，包括d s p 控 制器、超聲脈沖發(fā)射電路、超聲回波接收電路、放大電路、a d 轉(zhuǎn)換電路等： 3 編寫了超聲波檢測器相應(yīng)的軟件； 4 采用l a b v i e w 軟件開發(fā)平臺開發(fā)設(shè)計了上位機(jī)超聲檢測系統(tǒng)軟件； 5 采用t c p i p 協(xié)議編寫了上位機(jī)與超聲波檢測器的通信軟件。 第二章超聲波檢測的原理 2 1 超聲波的性質(zhì) 第二章超聲波檢測的原理 如果以頻率，來表征聲波，并以人的可感覺頻率為分界線，則可把聲波劃分 為次聲波( 廠 3 r ：a ) 時，圓盤源軸線上的聲壓隨著聲程的增加而衰減。具體計算公式為： p f n 等 ( 2 - 5 ) r 。：源盤源半徑 p ：軸線上距離聲源a 處的聲壓 只：圓盤源面積 2 近場區(qū)及遠(yuǎn)場區(qū) 根據(jù)圖2 1 圓盤源軸線上的聲壓分布曲線，由此可將芯片輻射聲場分成以下 兩個區(qū)域： ( 1 ) 近場區(qū)( 0 墨a n ) 具有復(fù)雜聲束能量的區(qū)域叫近場區(qū)，又稱近場干涉區(qū)。近場區(qū)內(nèi)聲軸上聲源 高低起伏變化劇烈，距聲源越近，聲壓最大值和最小值的點(diǎn)分布越密。 ( 2 ) 遠(yuǎn)場區(qū)( 口 n ) 近場以遠(yuǎn)的聲場即“n 值以外的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)。在遠(yuǎn)場區(qū)中超聲波以一 定的指向角傳播，而且隨著距離的增大，聲壓幅值單調(diào)下降。a 之3 n 時，聲壓 變化規(guī)律和球面波相似，因此在探討遠(yuǎn)場中聲壓變化規(guī)律時均用球面波聲壓關(guān)系 進(jìn)行運(yùn)算。 3 超聲場的指向特性 超聲能量集中在一個方向發(fā)射的特性稱為指向性。如圖2 - 2 中所示，聲源 發(fā)出的超聲波在靠近聲源較近的范圍可以看作是筆直傳播，經(jīng)過一段距離后，按 一定角度擴(kuò)散傳播。 表示指向性銳度的角稱為指向角。它是描述超聲場指向特性的標(biāo)準(zhǔn)，是超聲 場聲束軸線與聲束邊緣之間的夾角，又稱半擴(kuò)散角臼，指向角的大小取決于芯片 直徑刃和波長a 。芯片尺寸越大，頻率越高，指向性越好h 1 。其關(guān)系為： 天津t 業(yè)人學(xué)碩十學(xué)位論文 s ；n 口。印丟 心- 6 ) 式中叩為常數(shù)，取決于超聲場中邊緣聲壓與軸線聲壓之比。 圖2 2 理想化的圓芯片輻射場 2 ，1 3 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性 超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時，將一直向前傳播，并不改變方向。當(dāng)超聲波 從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，其入射方向相對于異質(zhì)界面而言：當(dāng)垂直入射 時，只有反射和透射；當(dāng)傾斜入射時，除反射外，透射波會發(fā)生折射現(xiàn)象，同時 伴隨有波型轉(zhuǎn)換口3 。 所謂波型轉(zhuǎn)換，就是第二介質(zhì)中傳播的波型已不同于入射的波型。 所謂異質(zhì)界面，是指由兩種特性阻抗不同的介質(zhì)所構(gòu)成的界面，如氣體液 體界面、氣體固體界面、液體固體界面和不同固體界面等。 1 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射 ( 1 ) 單一界面 當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生與入射波 方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生與入射波方向相同的透射波。如圖2 - 3 所 不o 一、 p rp o 公i 胥1弋r z l = p l c l 。_ 杉- 7 哆( | ， 介質(zhì)2 尸內(nèi)， z 2 。p 2 c 2 圖2 - 3 垂直入射單一界面是的聲壓情況 反射波與透射波的聲壓是按一定比例分配的。這個分配比例由聲壓反射率和 聲壓透射率來表示。界面上的反射波聲壓乃和入射波聲壓勵之比稱為界面的聲 壓反射率，用r 來表示( z l 是介質(zhì)1 的聲阻抗、z 2 是介質(zhì)2 的聲阻抗) ： r 。生。墨2 = 蘭! p o z2 +zl( 2 7 ) 第二章超聲波檢測的原理 界面上透射波聲壓與入射波聲壓之比稱為界面的聲壓透射率，用d 來表示： n 每。表 8 ， p 0 z2 + z l ( 2 8 ) 若z l 與z 2 幾乎相等，則此時r 約為0 ，d 約為1 。聲波幾乎沒有反射而直接 從第一介質(zhì)投射入第二介質(zhì)。 若z l 遠(yuǎn)大于z 2 ，則此時聲波在界面上幾乎全反射而透射極少。 ( 2 ) 薄層界面 在進(jìn)行超聲波檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷層，這些都可以歸結(jié)為 超聲波在薄層界面的反射和透射問題。 超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同， 異質(zhì)薄層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲波會在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形 成一系列的反射和透射波。這一系列的波是相互疊加的，其疊加結(jié)果與相位有關(guān)。 因此，計算疊加的結(jié)果是十分復(fù)雜的。 2 超聲波斜入射到平界面上的反射和折射h 3 當(dāng)超聲波以一定傾斜角人射到異質(zhì)界面上時，對固體來說，在一般情況下反 射波和折射波都分裂成兩種波型，即除了與原有入射波相同波型的反射波和折射 波外，還有與原有波型不同的反射波與折射波，如圖2 4 所示。入射的縱波除 產(chǎn)生反射縱波l 和折射縱波l 外，還產(chǎn)生反射橫波s 和折射橫波s 。 玉，一 十，l sv 、 睦。7 矽 玲贗l 一l ， 介，域2 l ，繳波 s ：移：潑 圖2 4 超聲波斜入射到平界面上的反射和折射 角度與波速之間的關(guān)系符合反射和折射定理； c c c ，c ：c ： ( 2 9 ) s i n ls i n ls i n s s i n 8 f s i n 8 s 根據(jù)反射定律和折射定律，可以改變?nèi)肷浣呛偷谝唤橘|(zhì)的材料來獲得橫波、 表面波、板波等各種不同的波形。 隨著入射角度的不同，在第二介質(zhì)中有不同角度的折射波，對不同介質(zhì)來說 天津。1 ：業(yè)人學(xué)碩十學(xué)位論文 則有不同的臨界角。其計算公式如下： 縱波折射角0 = a r c s l n ( 。ls i n ) ( 2 1 0 ) c 工 橫波折射角8 s 。a r c s n ( 詈s i n i l )( 2 1 1 ) 如果增大入射角，則折射角也隨之增大。當(dāng)吼為9 0 度時，折射在界面上產(chǎn) 生表面波；若繼續(xù)增大入射角使臼，大于9 0 度，則縱波反射入第一介質(zhì)，在第二 介質(zhì)內(nèi)只存在橫波。依此可用來設(shè)計探頭的入射角。 2 1 4 超聲波在傳播過程中的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超 聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是介質(zhì)吸收、晶粒散射和波束擴(kuò)散。 通常所說的介質(zhì)衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴(kuò)散衰減。 2 2 超聲波換能器 超聲波換能器是完成超聲波發(fā)射和接收的關(guān)鍵器件，是超聲檢測設(shè)備的重要 組成部分副。 2 2 1 壓電效應(yīng)和超聲波換能器 1 壓電效應(yīng) 某些晶體材料或多晶陶瓷材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形時，在晶體的界面上出 現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。而在電場的作用下，晶體發(fā)生彈性形變的現(xiàn)象，稱 為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的 村料稱為壓電材料。 2 超聲波換能器 超聲波換能器又叫作超聲波探頭，它是電一聲換能器。一方面將來自發(fā)射電 路的電脈沖加到壓電晶片上，變成同頻率的機(jī)械振動，從而向被檢測對象輻射出 超聲波。另方面，它又將從聲場中反射回來的聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，送入接 收、放大電路，變?yōu)榭晒┰谄聊簧嫌^察和判斷的檢測信號。 2 2 2 超聲波換能器及其選擇 1 超聲波換能器的分類 超聲波檢測使用的換能器的種類很多，根據(jù)波形不同分為縱波換能器、橫波 第二章超聲波檢測的原理 換能器、表面波、板波換能器等。根據(jù)耦合方式分為接觸式換能器和液( 水) 浸換 能器。根據(jù)波束分聚焦換能器與非聚焦換能器。根據(jù)晶片數(shù)不同分為單晶換能器、 雙晶換能器等。 2 換能器的選擇 超聲波換能器的類型很多，性能各異，因此根據(jù)超聲波探傷對象的形狀、對 超聲波的衰減和技術(shù)要求合理選用換能器，是保證探傷結(jié)果j 下確可靠的基礎(chǔ)。對 超聲波換能器的選擇包括換能器型式、換能器頻率、換能器晶片尺寸等。 ( 1 ) 換能器型式的選擇 根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來選擇換能器的型式， 盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。直換能器只能發(fā)射和接收縱波，波束軸線垂 直于探傷面，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊 等缺陷。斜換能器是通過波型轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)橫波探傷的。主要用于探測與探測面垂 直或成一定角度的缺陷，如焊縫中的未焊透、夾渣、未熔合、氣孔等缺陷。表面 波換能器用于探測工件表面缺陷，雙晶換能器用于探測工件近表面缺陷，聚焦換 能器多用于水浸探測管材或板材1 。 ( 2 ) 換能器頻率的選擇 頻率對超聲波探傷的影響較大。超聲頻率在很大程度上決定了超聲波探傷的 探測能力，必須選取合適。頻率高時，波長短，聲束窄，擴(kuò)散角小，能量集中， 因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng)，分辨力好，缺陷定位準(zhǔn)確。但掃查空間小，僅能發(fā)現(xiàn) 聲束線附近位置的缺陷。頻率低時，波長長，聲束寬，擴(kuò)散角大，能量不集中， 因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力差，分辨力差，但掃查空間大。此外，低頻超聲波在材料 中衰減小，穿透能力強(qiáng)。一般說來，在滿足探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選 取頻率較低的換能器。 ( 3 ) 換能器晶片尺寸的選擇 換能器晶片的形狀一般為圓形和方形。換能器的晶片尺寸對超聲波探傷結(jié)果 有一定影響，晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，換能器未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大， 遠(yuǎn)距離掃查范圍相對變小，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)。在探傷面積范圍大的工件 時，為了提高探傷效率，宜選用大晶片換能器；探傷厚度大的工件時，為了有效 地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的缺陷宜選用大晶片換能器。對小型工件，為了提高缺陷的定位定 量精度，宜選用小晶片換能器；對表面不太平整、曲率較大的工件，為了減少耦 合拐失，宜選用小品片換能器。 2 3 超聲波檢測的基本原理 超聲波在一定介質(zhì)中傳播時其速度保持不變，在不同介質(zhì)的界面發(fā)生反射、 天津jl ：業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 折射和波形轉(zhuǎn)換。超聲波就是利用這種性質(zhì)來判斷被檢材料內(nèi)部是否存在缺陷、 異物及其存在的大小、位置等。 超聲波遇到缺陷產(chǎn)生反射，根據(jù)反射回波的聲壓的高低，可以評價材料缺陷 的大小。形狀不同的缺陷，對超聲波的反射規(guī)律不同。同時根據(jù)聲速和聲波在介 質(zhì)中傳播至缺陷所需的時間可以測定缺陷的距離r ： 尺。坐( 2 一1 2 ) 2 式中c 為材料中的聲速，t 為聲波遇到缺陷時的來回傳播時間。 假如缺陷的尺寸小于波長一半時，由于超聲波衍射作用而不產(chǎn)生明顯的反射 回波信號，從而無法顯示傷痕，因此缺陷尺寸最小檢測極限為a 2 。從這一角度 講超聲波探傷所用的頻率應(yīng)該愈高愈好，但頻率高的超聲波在介質(zhì)中傳播衰減 大。常用的超聲頻率在0 5 m h z 一1 0 m h z 之間。 2 3 1 超聲波探傷儀分類 超聲波探傷儀的種類有很多，分類方法各不相同，若按缺陷顯示的方式可以 分為a 型顯示，b 型顯示，c 型顯示。如圖2 5 所示。 a 型顯示b 型顯示c 型顯示 圖2 5a ，b ，c 三種顯示方式 a 型顯示是一種波形顯示，顯示缺陷深度及反射波幅度。 b 型顯示是一種圖像顯示，顯示在縱截面上缺陷的形狀和分布情況。 c 型顯示是一種圖像顯示，顯示水平截面上缺陷形狀和分布情況，但是不能 顯示缺陷的深度。 2 3 2 超聲波探傷基本方法 超聲探傷的基本方法有兩種，脈沖發(fā)射法和穿透法。 第二章超聲波檢測的原理 1 脈沖反射法 根據(jù)發(fā)射脈沖信號幅度及其在顯示屏上顯示的位置來判斷缺陷的方法，稱為 脈沖發(fā)射法。它是應(yīng)用最為普遍的方法，它的優(yōu)點(diǎn)是：適用范圍廣，探傷靈敏度 高，缺陷定位準(zhǔn)確，操作方便。缺點(diǎn)是：反射波受缺陷取向的影響，超聲波在傳 播過程中衰減大，對近表面缺陷的檢測能力差。 超聲波以持續(xù)極短的時間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，利用被檢工件底面或內(nèi)部 缺陷的反射回波探測反射源的位置和大小的方法，稱為脈沖反射法。脈沖反射法 工作原理示意見圖2 - 6 ，一般只需采用一個又收又發(fā)的換能器進(jìn)行檢測。 換能器發(fā)射的超聲波在工件內(nèi)部傳播時，若遇有不同介質(zhì)，將發(fā)生反射，反 射信號的強(qiáng)度與反射率r 的大小有關(guān)，反射率r 只與入射介質(zhì)和反射介質(zhì)的材料 有關(guān)，由于反射信號通過的聲程一定，結(jié)合其衰減公式分析，換能器獲得的反射 信號的強(qiáng)度也是一定的。當(dāng)工件無缺陷時，熒光屏上只有始波t 和底波b 顯示， 二者之間沒有其它回波；如果工件中有小于聲束截面的小缺陷，則會在始波t 和 底波b 之間出現(xiàn)缺陷回波f ，缺陷回波在時間軸上的位置可以確定缺陷在工件中 的位置，缺陷回波幅度大小取決于缺陷在聲束入射方向的投影面積的大小。當(dāng)有 缺陷回波出現(xiàn)時，底波高度下降；如果工件中缺陷大于聲束截面時，全部聲能被 缺陷所反射，只有始波t 和缺陷回波f ，不會出現(xiàn)底波b 。 廠 廠 喀i 刊，七了l i一i一 tbtfbtf 圖2 6 脈沖反射法 脈沖發(fā)射法是應(yīng)用最為普遍的方法，它適用范圍廣，探傷靈敏度高，缺陷定 位準(zhǔn)確，操作方便。但反射波受缺陷取向的影響，超聲波在傳播過程中衰減大， 對近表面缺陷的檢測能力差。 2 穿透法 穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透時間的能量變化來判斷缺陷情況的方法， 它是根據(jù)超聲波被缺陷散射等引起的衰減程度探測工件里的缺陷的。穿透法的工 作原理示意圖如圖2 7 所示。 在被檢工件相對兩側(cè)各放一個換能器，其中一個向工件發(fā)射超聲波，另一個 換能器接收超聲波。從發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波可穿過工件被接收換能器所接 天津【：業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 收，根據(jù)超聲波衰減公式可知，接收器的聲壓只與被檢材料和它到聲源的距離有 關(guān)，因此被檢工件確定后，當(dāng)兩個換能器的距離一定時，接收器的聲壓也應(yīng)當(dāng)為 一個穩(wěn)定的值，即從儀器熒光屏上看到的波形應(yīng)當(dāng)不變，但當(dāng)工件中聲阻抗或聲 衰減有某些變化( 如存在宏觀缺陷) 時，接收器的聲壓則會有變化，通過分析這些 變化，就可以對工件的質(zhì)量進(jìn)行評價。當(dāng)工件完好時，可接收較強(qiáng)信號；當(dāng)工件 有小缺陷時，部分聲能被反射，只能接收較弱信號：當(dāng)工件內(nèi)有面積大于聲束截 面的缺陷時，聲能被缺陷全部反射，另一個換能器完全收不到信號。穿透法不存 在探測盲區(qū)，判定缺陷方法簡單，適用于連續(xù)的自動化探傷。但其探傷靈敏度低， 分辨率差，不能確定缺陷位置，一般需要專用的探頭夾持裝置。 lj r i 第三章超聲波檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計 第三章超聲波檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計 超聲波檢測系統(tǒng)由超聲波檢測器和上位機(jī)檢測系統(tǒng)軟件組成，其框圖如圖 3 - 1 所示。 圖3 - 1 系統(tǒng)總體框圖 超聲波檢測器實(shí)現(xiàn)的功能包括超聲波的發(fā)射、接收、放大及a d 轉(zhuǎn)換。換能 器是用來完成超聲波的發(fā)射和接收的聲一電轉(zhuǎn)換功能；網(wǎng)絡(luò)接口完成以太網(wǎng)接入 的功能，從而實(shí)現(xiàn)超聲波檢測器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)超聲檢測系統(tǒng)能夠 實(shí)現(xiàn)被測物體回波信號的采集、顯示、存儲及處理等功能。 具體工作過程為：d s p 控制發(fā)射電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，激勵換能器進(jìn)行電一聲 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生超聲波。超聲波進(jìn)入被測物體后被反射，反射后的回波信號由同一換能 器接收，聲一電轉(zhuǎn)換后進(jìn)入接收電路。經(jīng)限幅、放大后進(jìn)行a d 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為計 算機(jī)能處理的數(shù)字信號，存儲于s r a m 中，再通過網(wǎng)口進(jìn)入計算機(jī)。在l a b v i e w 平臺下，根據(jù)需要對超聲信號進(jìn)行不同的分析處理，得到結(jié)果。 d s p 是整個超聲波檢測器的核心部分，控制整個儀器的運(yùn)行，在進(jìn)行超聲波 檢測時，對回波的數(shù)據(jù)采集速度要求很高，因此d s p 運(yùn)算速度也必須很快。根據(jù) 上述要求，本系統(tǒng)選擇t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 作為超聲波檢測器的核心處理器。 這是t i 公司的一款性能優(yōu)異的芯片，片內(nèi)資源豐富，主頻可以達(dá)到i o o m h z ， 硬件結(jié)構(gòu)對于數(shù)字信號處理特別適用，目前在嵌入式領(lǐng)域、無線設(shè)備、數(shù)字運(yùn)算 等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用哺1 。t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 屬于t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列。 1 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的c p u 特點(diǎn)是： ( 1 ) t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)為改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，包括l 條程序總線、 3 條數(shù)據(jù)總線和4 條地址總線； ( 2 ) 4 0 位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元( a l u ) ，包括1 個4 0 位桶形移位寄存器和2 個 獨(dú)立的4 0 位累加器。1 7 位1 7 位并行乘法器，與4 0 位專用加法器相連、用于 天津j ：業(yè)人學(xué)碩十學(xué)何論文 非流水線式單周期乘法累加( m a c ) 運(yùn)算； ( 3 ) 比較、選擇、存儲單元( c c s u ) ，用于加法比較選擇； ( 4 ) 指數(shù)編碼器，可以在單個周期內(nèi)計算4 0 位累加器中數(shù)值的指數(shù)； ( 5 ) 雙地址生成器，包括8 個輔助寄存器和2 個輔助寄存器算術(shù)運(yùn)算單元 ( a r a u ) 。 2 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的存儲器特點(diǎn)是： ( 1 ) 具有1 9 2 k 字可尋址存儲空f 自j ，由6 4 k 字程序空問、6 4 k 字?jǐn)?shù)據(jù)空間及 6 4 k 字i o 空間三個獨(dú)立空間組成。 ( 2 ) 片內(nèi)r o m ，可配置為程序數(shù)據(jù)存儲器。 ( 3 ) 片內(nèi)雙尋址r a m ( d r a m ) c 5 4 0 2 中的d a r a m 分成若干塊。由于在每個機(jī)器周期內(nèi)，允許對同址訪問2 次，因此c p u 可以在一個機(jī)器周期內(nèi)對同一d a r a m 塊讀出1 次和寫入1 次。一般 情況下，d a r a m 總是映象到數(shù)據(jù)存儲器空間，主要用于存放數(shù)據(jù)。但是它也可以 映射到程序存儲器空間，用來存放程序代碼。 3 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的指令系統(tǒng)特點(diǎn)是： ( 1 ) 單指令重復(fù)和塊指令重復(fù)操作。 ( 2 ) 塊存儲器傳送指令。 ( 3 ) 3 2 位長操作數(shù)指令。 ( 4 ) 同時讀入2 或3 個操作數(shù)的指令。 ( 5 ) 能并行存儲和并行加載的算術(shù)指令 ，( 6 ) 條件存儲指令。 ( 7 ) 從中斷快速返回。 ( 8 ) 在片外圍電路 ( 9 ) 軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器。 ( 1 0 ) 可編程分區(qū)轉(zhuǎn)換邏輯電路。 ( 1 1 ) 帶有內(nèi)部振蕩器或用外部時鐘源的片內(nèi)鎖相環(huán)( p l l ) 時鐘發(fā)生器。 ( 1 2 ) 1 6 位可編程定時器。 ( 1 3 ) 外部總線關(guān)斷控制，以斷開外部的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制信號。 數(shù)據(jù)總線具有總線保持器特性。 4 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的電源特點(diǎn)： ( 1 ) 可用i d l e i 、i d l e 2 和i d l e 3 指令控制功耗，以工作在省電方式。 ( 2 ) c l k o u t 輸出信號可以關(guān)斷。 5 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的在片仿真接口： 具有符合i e e e i1 4 9 。1 標(biāo)推的在片仿真接口。 第三章超聲波檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計 ( 6 ) t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的速度為： 單周期定點(diǎn)指令的執(zhí)行時間為2 5 2 0 1 5 1 2 5 1 0n s 。 d s p 采用了白舉加載的方式，并且根據(jù)需要擴(kuò)充了s r a m ，f l a s h 等外部器件。 上位機(jī)軟件程序采用l a b v i e w 語言編寫。l a b v l e w 是一種功能強(qiáng)大的編程語言， 采用了基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程方式，被廣泛的應(yīng)用在汽車、通信、航空、半導(dǎo) 體、過程控制等各個領(lǐng)域。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)了對超聲回波信號的處理工作， 包括缺陷的定位，時域和頻域的分析，數(shù)據(jù)的存儲與回放。 第四章超盧波檢測器的設(shè)計 第四章超聲波檢測器的設(shè)計 4 1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計 發(fā)射電路的任務(wù)就是產(chǎn)生高頻脈沖波，用來激勵換能器產(chǎn)生超聲脈沖。常用 的超聲換能器激勵方式大致可分為窄帶激勵和寬帶激勵兩類。窄帶激勵常使用調(diào) 制脈沖法，寬帶激勵則多使用階躍脈沖、方波、單極窄脈沖等方式。在分辨率上， 窄帶激勵的縱向分辨率比寬帶激勵的高，但橫向分辨率較寬帶激勵低，同時由于 低頻對小缺陷不靈敏等原因，窄帶激勵的橫向分辨率的高低與缺陷的大小有關(guān)。 在應(yīng)用上，窄帶激勵適合探測近表面缺陷或?qū)Ψ直媛室蟾叩膱龊?，寬帶激勵適 合探測范圍大，對分辨率要求不高的場合呻1 。 原則上來說，各種符合要求的能產(chǎn)生高頻振蕩的振蕩電路或脈沖電路都可以 作為超聲的激勵( 發(fā)射) 電路。但在超聲探傷儀中應(yīng)用的較多的一種產(chǎn)生窄脈沖的 方法是利用儲能元件( 如電容) 通過電阻的瞬時放電，從而產(chǎn)生尖峰脈沖。其發(fā)射 電路有調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種，非調(diào)諧式發(fā)射電路的發(fā)射脈沖頻帶寬，而調(diào)諧式 電路發(fā)射的脈沖頻帶窄。為了減小測量白區(qū)，使之能探測近表面處的缺陷，并且 使探傷儀有較高的分辨率，所以發(fā)射電路采用較多的是非調(diào)諧式電路，其原理圖 如圖4 1 所示。 圖4 一l 基本發(fā)射電路 該電路的工作原理為：在沒有發(fā)射脈沖時，直流電源v c c 通過r 1 1 能電容c 1 l 電，( 由于r 1 1 r 1 2 所以可以忽略r 1 2 的影響) ，使其兩端的電壓為直流電源v c c 的電壓。發(fā)射脈沖到達(dá)后，場效應(yīng)管導(dǎo)通，此時電容c 1 1 過i r f 8 4 0 放電。在導(dǎo) 通的瞬間，i r f 8 4 0 的漏極電壓比較小，拉低了c 1 1 位。由于電容兩端的電壓不 能突變，使得二極管d 的輸出端電位在瞬間約為一v c c ，這個負(fù)脈沖作用于超聲換 能器，使其產(chǎn)生壓電變換，發(fā)射超聲波，其發(fā)射頻率主要由超聲換能器晶片的固 天津，i ：業(yè)人學(xué)碩十! 學(xué)位論文 有參數(shù)決定。圖中在發(fā)射換能器部分并聯(lián)的是阻尼電阻r 1 ，發(fā)射電路的阻尼情 況由阻尼電阻r 1 3 定，r 1 3 阻尼大，發(fā)射脈沖寬度窄，發(fā)射強(qiáng)度低；r 1 3 阻尼就 小，發(fā)射脈沖寬度寬，發(fā)射強(qiáng)度高。通常v c c 的電壓取4 0 0 v 。 i r f 8 4 0 為工r 公司生產(chǎn)的功率場效應(yīng)管，其耐壓達(dá)到5 0 0 v 。具有驅(qū)動電路簡 單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高的特點(diǎn)。 4 2 限幅電路的設(shè)計 限幅器主要起到過壓保護(hù)的作用。由于在系統(tǒng)的設(shè)計中采用的是單換能器， 即發(fā)射換能器和接收換能器采用的是同一個，因此在其接收通道輸入端輸入的信 號不僅有幾十u v 至l v 的回波信號，而且還有幅值高達(dá)幾百伏的發(fā)射脈沖信號， 為避免損壞接收通道電路元件，保護(hù)放大電路工作器件的安全，防止接收通道在 激勵脈沖之后一段時間不能j 下常接收缺陷回波信號從而造成的工件近表面探傷 的誤判，采用限幅電路。本超聲波檢測儀器的接收通道采用并聯(lián)限幅的保護(hù)電路， 其電路如圖4 - 2 所示。 q l慰10 1 輸入_ j l o i l u fl o o ko 皿ld 2 3 1 【 】k d e 2d 已4 、匕 2k l 一輸出 l l 擔(dān) 鼉f 圖4 2 限幅電路 其中二極管d 2 1 ，d 2 2 和d 2 3 ，d 2 4 分別對正向和負(fù)向大脈沖高壓信號進(jìn)行限 幅，保護(hù)了接收通道免受瞬時的脈沖高壓沖擊，提高了接收通道后續(xù)電路的抗阻 塞特性和檢測時的反應(yīng)靈敏度。其中電容c 2 1 主要的作用是隔直，設(shè)計中選用了 0 1 u f 的陶瓷電容。 4 3 超聲波放大電路設(shè)計 由于超聲回波信號很微弱，其數(shù)量級只有毫伏級，因此需要選用放大器對信 號進(jìn)行放大，以獲取更多的信息量。 第四章超聲波檢測器的設(shè)計 4 3 1 設(shè)計參數(shù)選擇 在設(shè)計的超聲波檢測接收電路中，高頻放大部分電路是本檢測儀器取得完整 的，而且波形不失真的超聲回波信息的關(guān)鍵所在。主要涉及到的幾個重要設(shè)計參 數(shù)是：放大倍數(shù)、頻率寬度和動態(tài)范圍。 1 放大倍數(shù) 放大器輸出的信號幅度e 2 與輸入信號的幅度e 1 之比，稱為放大器的放大倍 數(shù)。它表征放大微弱超聲回波電壓信號的能力，直接表現(xiàn)了檢測儀器的綜合靈敏 度，所以是設(shè)計者必須著重考慮的主要指標(biāo)。 通常的超聲回波信號為微弱的電壓信號，一般為毫伏級，部分信號為幾十微 伏。經(jīng)放大后的信號送入a d 轉(zhuǎn)換器，而a d 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓在0 2 v 之間， 因此，約8 0 d b 左右的放大倍數(shù)也就足夠了。本課題設(shè)計是4 0 d b , - - 一8 0 d b 的增益可 調(diào)范圍，將回波電壓信號放大到合適的a d 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍( + o 2 v 一2 o v ) 。 2 頻率寬度 放大倍數(shù)隨頻率變化情況稱為放大器的頻率特性。放大倍數(shù)在高頻端和低頻 端都要下降。放大倍數(shù)下降到中心頻率f o 的0 7 0 7 ( 即3 d b ) 時的頻率差稱為頻帶 寬度( 如圖4 - 3 所示) 。頻率特性表示的是接收通道的幅度特性，即增益g 與頻率 f 的關(guān)系，是指接收通道輸出信號與輸入信號相比，增益g 在幅度和相位方面隨 超聲波頻率f 的變化規(guī)律。 聲波回波信號往往具有極寬的頻帶，以此經(jīng)常使用寬帶放大器放大信號。為 的是使其在工作頻率范圍內(nèi)有很好的幅度和相位特性，可以適應(yīng)相應(yīng)范圍內(nèi)不同 頻率換能器的需要，輸出高保真的波形。頻帶寬度越大，接收到的信號頻譜豐富、 波形失真小，再配以寬頻帶換能器就能獲得較高的分辨率。但由于噪聲的頻帶也 較寬，所以加寬頻帶寬度時，噪聲相應(yīng)也要增大，這樣就降低了信噪比，因此接 收電路的頻帶也不宜太寬。 設(shè)計中，為保證接收電路不失真地放大超聲回波信號，通常將接收通道的帶 寬定是回波信號中心頻率的5 8 倍，設(shè)計中，頻帶寬度為9 0 m h z ，已滿足換能 器( 0 5 m h z i o m h z ，常用頻率5 m h z 以下) 對通頻帶的要求。 3 動態(tài)范圍 接收電路除了要求有足夠的放大倍數(shù)外，還要求放大級有足夠大的不失真輸 出幅度。最大不失真輸出信號的幅度范圍，稱為放大器的動態(tài)范圍。放大器的動 態(tài)范圍決定了探傷儀的動態(tài)范圍。理論上，所有放大電路都只有在它的線性放大 范圍內(nèi)時，才會有一個比較恒定的放大倍數(shù)。 動態(tài)( 線性) 范圍大，既可減少了小信號的缺失失真，又避免了一些大信號的 飽和失真。但過大的動態(tài)范圍既增加了電路設(shè)計的難度，也沒有太大的實(shí)際意義。 天津：i ：業(yè)人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 4 3 2 放大電路設(shè)計 1