超声波芯片探伤仪的设计与实现

天津大学硕士学位论文超声波芯片探伤仪的设计与实现姓名陈卓申请学位级别硕士专业计算机技术指导教师张新荣20080401中文摘要超声探伤技术是无损检测领域中的重要的方法，在冶金、勘探、生产控制，质量管理、和安全监测中有着广泛的应用。现在半导体生产工程中，超声波探伤起到了在低成本的基础上快速，准确的检测出缺陷的不可替代的作用。借助单片机体积小、成本低、可靠性高、运用灵活等特点，利用可擦除可编程逻辑器件EPLD的实时逻辑处理功能，并通过UO端口和高速处理能力，开发了一个数字化超声波脉冲反射式探伤仪。该仪器实现了检测过程中的信号发射、接收、放大、噪声处理、数据采集、回波图形显示、缺陷判定、以及检测结果存储、回放和输出功能，解决了传统超声检测无记录等问题，减少了人为因素的影响。利用数字信号处理技术，提高了信噪比，提高了检测的可靠性。在超声波脉冲反射探伤仪开发中，采用了模块化的设计方案，提高了系统的易维护性；选用了低噪声、低漂移、高精度、高可靠性的集成电路芯片，提高了系统的可靠性；采用大屏幕的液晶显示器、中文菜单化的操作界面等，实现了良好的人机界面。该仪器具有检测精度高、结构简单、操作方便，成本低廉、体积小、重量轻等特点。关键词超声波脉冲反射芯片探伤仪无损检测ABSTRACTULTRASONICTESTINGISONEOFIMPORTANTMETHODOFNDTNONDESTRUCTIVETESTINGITHASBEENWIDELYUSEDINMETALLURGY,RECONNOITER，PRODUCTIONQUALITYCONTROLANDSAFETYSUPERVISINGITISNONSUBSTITUTEDINTHESEMICONDUCTORFIELDBECAUSEOFHIGHSPEEDANDHIGHACCURACYBYUSINGMCUMICROCOMPUTERCONTROLUNITSANDEPLDERASABLEPROGRAMMABLELOGICDEVICE，ADIGITIZEDULTRASONICWAVEPULSEREFLECTIONCRACKDETECTIONSYSTEMISDEVELOPEDMCUHASSMALLVOLUME，LOWPRICE，HIGHDEPENDABILITY,ANDEPLDHASEASILYOPERATINGIOPORTS，HIGHSPEEDOPERATIONABILITY,WHICHCANREALIZEMOSTOFFUNCTIONSSUCHASSIGNALEMITTING，INCEPTING，MAGNIFYING，DATACOLLECTINGANDPROCESSING，DISPLAYINGGRAPHICS，DETERMINANTDEFECTSTHESTORAGEPROBLEMOFTRADITIONALULTRASONICTESTINGSYSTEMISSOLVED，ANDSOMEINFECTIONFACTORSOFHANDLERSAREREDUCEDINVIRTUEOFTECHNOLOGYOFDIGITALANALYSISANDPROCESSING，THESIGNALTONOISEISPROGRESSED，ANDTESTINGRELIABILITYISIMPROVEDAVERYGOODFOUNDATIONISESTABLISHEDFORTHERESEARCHOFULTRASONICIMAGETESTINGINTHEULTRASONICREFLECTIONCRACKDETECTIONSYSTEM，MODULARIZATIONDESIGNINGISUSEDTOINCREASESYSTEMMAINTAINABILITYTHESYSTEMUSESCHIPWITHLOWERNOISEANDEXCURSION，HIGHERPRECISIONANDDEPENDABILITYTOINCREASETHESTABILITYOFHARDWARESYSTEMTHESYSTEMALSOHASLARGELCD，TOUCHKEYBOARDANDTHECHINESEOPERATIONINTERFACETOMAKEOPERATIONEASIERTHOUGHTHESYSTEMHASSUCHSTRONGFUNCTIONS，ITSTILLKEEPSPROPERTIESOFSMALLSIZE，SIMPLESTRUCTUREANDLOWCOSTKEYWORDSULTRASONICWAVE，PULSEREFLECTION，CHIPDEFECTDETECTIONINSTRUMENT，NDTNONDESTRUCTIVETESTING独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名1暂尊签字日期曲矿G年莎月二日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名嗡算导师签名孑经计季签字日期二功男年多月2日签字日期汐孑年占月二19天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论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【5】O11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，在传统的模拟式检天津大学硕士学位论文第一章绪论测仪器方面，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。12超声波检测技术的研究进展121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【6】。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天津大学硕士学位论文第一章绪论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。122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天津大学硕士学位论文第一章绪论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。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。13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。具体研究内容如下天津大学硕士学位论文第一章绪论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。天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计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。21脉冲反射式超声波检测技术的基本原理211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18】。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、检验速天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计度快。212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不。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21所图21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【9】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，天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计用符号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22所示。激励信号书丁R斗探头信号_墨沁J一LI；探头工件图22发射波T、缺陷回波F和底面回波B的关系酣10】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和应用。天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计22超声波检测仪器设计221总体设计检测仪器的总体构成方案如图23所示。图23仪器的总体构成方案在设计中，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。222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、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AD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天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计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24所示。图24仪器的硬件结构图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，在检测方天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计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05MHZ10MHZ。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O20V。满足模数转换芯片AD9058JD的工作条件。放大范围O100DB。2带通滤波子模块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，天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计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AD转换子模块和EPLD芯片实现的。下面主要介绍一下AD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AD转换芯片AD9058AJD进行模数转换。为了满足AD转换后数字信息的高速度存储要求，这里选用EPLDERASABLEPROGRAMMABLELOGICDEVICE可编程逻辑芯片，ALTERA公司的EPM7128SLC846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SRAMCCY7C19915，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RS232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RS232双工的串口通讯模式。223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、菜单式的子程天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计序，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25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。23仪器抗干扰措施13】图25仪器软件构成方框图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0,2OV，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001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，最后天津大学硕士学位论文第二章超声波检测仪器的总体设计在一点接于电源地。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。24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IO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。天津大学硕士学位论文第三章超声波检测模块设计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。31电源电路设计14】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31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DCDC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，又排除了50HZ市电的干扰。天津大学硕士学位论文第三章超声波检测模块设计7图31电源模块的部分电路图32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32所示。天津大学硕士学位论文第三章超声波检测模块设计V工作过程稳态时，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33所示。图33脉冲宽度与检测纵向分辨率的关系图天津大学硕士学位论文第三章超声波检测模块设计当反射回波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_图42液晶显示器LCM的接口电路方框图31天津大学硕士学位论文第五章人机对话模块设计第五章人机对话模块设计人机对话模块部分的设计也是本课题设计之中的一个非常重要的部分。它的成功与否，功能是否完善或方便均涉及到此便携式超声波检测仪器的功能是否能够实现，是否能够方便、快捷、有效地实现检测。51人机对话功能本数字化超声波检测仪器由超声波检测模块中的发射电路产生高压激励脉冲信号，激励探头产生一定中心频率的高频声波，由CPU控制EPLD提供给发射电路低压可调脉宽的激励信号，再由发射电路将其转换为高压的窄脉冲超声波激励信号，其脉冲宽度可调。高频超声波在工件的两个端面及内部缺陷等不均匀处均会产生反射。反射的超声波回波信号，经探头中的压电晶片转换成电压信号，再经接收电路阻尼限幅、高频放大、带通滤波、检波等处理后送到数据采集、处理模块，完成数据采样、处理功能。仪器信号处理的工作过程如图51所示粕一潍号厂一厂嘲片橼椭警F1F1嚣功芯片窄躲冲僭警LLLL煳蝼一号J几袋徉匿波偿罨T2T3图51仪器信号处理工作过程图仪器的人机对话功能界面由大屏幕的液晶显示器LCM、触摸式键盘、一个点动式按键、两个两位式按键加两个指示灯组成。其中触摸式键盘为44矩阵式键盘；点动式按键【复位】完成整个仪器出错时的系统重置操作功能；按键【报警】的接通与断开表示仪器是否打开声、光报天津大学硕士学位论文第五章人机对话模块设计警功能。按键【电源】分时完成仪器电源的接通与断开报警指示灯点亮时为红色，表示缺陷报警，同时仪器的蜂鸣器亦蜂鸣报警；电源指示灯点亮时为绿色，表示电源己接通。仪器开机后或待机状态维持一段时间后，液晶显示器自动进入主屏幕显示状态，显示内容为仪器相关信息及时间显示。相关信息均为中文汉字、字符或阿拉伯数字，方便操作。整个功能界面的树状结构如图52所示。与第二章中仪器软件系统的基本构成相对应。纽囊L社二二级禁椎缀麓LL匝堰图52功能界面的树状结构此时屏幕显示为一级菜单，分别为“检测”，“记录显示”，“常规设置”和“联机通讯”。各个菜单的内容简介如下5011检测菜单该功能菜单又分检测方式、频段选择、程控放大、重复频率等子功能。完成系统的检测功能。针对每次的检测需要，选择合适的探头，在功能菜单的引导下，进行系统仪器的检测方式选择，配合检测工件材料、厚度和使用探头的最佳超声波发射频率、重复频率、放大增益倍数的配置，以及是否需要检测结果回波图形的检波显示方式等。实时采集记录一段检测时间内出现的反射回波的位置，最后以检测时间为横坐标，以位置距离为纵坐标，得到对工件进行检测的信息记录。在此功能下，可调用联机通讯的功能子程序，将检测结果的数据信息上传给计算机进行永久保存或者进一步的二次开发还可调用缺陷报警子功能程序，对检测过程中出现的缺陷超标进行自动的声、光报警提示。天津大学硕士学位论文第五章人机对话模块设计512记录显示菜单该功能菜单调用所有以往存储的检测结果，通过液晶显示屏以回波图形的显示方式呈现给操作人员查阅历史记录。在此功能下，可调用联机通讯的功能子程序，将检测结果的数据信息上传给计算机进行永久保存或者进一步的二次开发。513常规设置菜单该功能又分时间、密码、缺陷报警等子功能。完成仪器的一些常规显示信息或操作功能的设置。时间功能子程序就是在仪器的主屏幕显示，即监控状态下被调用来显示仪器的工作时间；密码功能子程序也是在系统进入功能操作界面时被调用来限制仪器操作人员的使用权限；而缺陷报警功能子程序是在每一次的检测操作时，用来进行缺陷报警提示功能。514联机通讯菜单该功能菜单完成系统与上位计算机进行通讯时的一些参数设置及操作，可将系统检测结果的数据信息传输给计算机永久保存或者进一步的二次开发。天津大学硕士学位论文第六章仪器控制系统设计第六章仪器控制系统设计由于整个仪器的电路设计相对比较复杂，并且在设计上分为了几个独立的功能模块，各分立的功能单元模块也比较多。涉及到模拟微弱电压信号的传输、放大，高频率模拟信号的实时采样、模数转换、存储。要使仪器能够高效、有序地工作，就必须要一个很好的控制系统。本章内容主要从两个方面介绍该仪器的控制系统，分别是监控超声波检测模块设计和通讯模块设计。61监控超声波检测模块设计设计采用INTEL公司的AT89S52芯片作为整个仪器的MCU单片机。该芯片是一种MCS5L内核、8KB的内部ROM，256X8B的内部RAM，具有内部自带看门狗定时器WATCHDOGTIMER自动防止程序跑飞的51系列单片机。具有多达10000次的程序重复烧录能力。其工作时钟频率设计为24MHZ。仪器设计MCU单片机与外部芯片的通讯或者对其它器件的监控均是以访问外部存储器的方式进行的。611电源模块、超声波发射电路的管理仪器设计时，由单片机AT89S52芯片的P14口在响应待机工作状态或检测工作状态时，分别发出高、低电平信号，控制EPLD芯片EPM7128SLC846是否产生电源控制信号DY和超声波发射信号FJ，从而控制电源模块的工作状态和超声波发射电路的工作。待机工作状态时，P14口发出高电平信号，EPLD不响应，不会产生控制信号DY和FJ。则电源模块仅产生数字电路和液晶显示电路正常工作所需的电源，超声波发射电路也不会工作。检测工作状态时，P14口发出低电平信号。EPLD响应，并在一定延时后，产生电源控制信号DY，控制电源模块的开关电源起作用，为超声波检测模块电路提供所需电源；也产生超声波发射信号FJ，让超声波发射电路工作。天津大学硕士学位论文第六章仪器控制系统设计612探伤方式、频段选择功能的管理由于仪器对探伤方式、频段选择等功能的管理信息与检波设置功能的管理相同，需要一直维持在系统的检测工作状态。而MCU的IO口资源有限，不能满足设计的需要，固对此时信息的管理，设计用芯片74HC573来记忆并控制操作。芯片74HC573的电路连线设计如图61所示LEGND07D706D605D504D403D3ODOLD1OODOVCCCED7D6D5D4D3D2DLD0图61芯片74HC573的电路连线图单片机AT89S52的P12口在响应待机工作状态或检测工作状态时，分别发出高、低电平信号。控制EPLD芯片EPM7128SLC846是否产生LE控制信号。设计上，当仪器工作在检测状态时，芯片AT89S52的P12口发出持续的低电平控制信号给芯片EPM7128SLC846后，若芯片EPM7128SLC846同时接收到AT89S52芯片的另一个低电平信号WR，就以一定的逻辑关系产生控制信号LE给芯片74HC573II。芯片74HC573II就会将单片机AT89S52从P0口送出的数据信息锁存。在芯片74HC573II一直选通的情况下，CF0CF7就会持续发出控制信号给各自的继电器TQ25V，如图62所。，继电器TQ25V管脚2，3，4的接通与断开状态就会使不同的电路工作，最终实现所需要的管理功能。图62继电器TQ25V电路图景噩霉裹天津大学硕士学位论文第六章仪器控制系统设计613程控放大增益功能的管理此部分设计相对简单，只需单片机AT89S52在探伤检测工作状态下，将放大信息从PO端口以访问外部RAM的方式送给一定存储地址的DA转换芯片DAC0832即可。芯片DAC0832本身具有数据信息的记忆功能和操作控制能力选通的情况下，持续进行给定的数据信息的数模转换操作，输出模拟电流值。62通讯模块设计现在随着计算机特别是单片机应用技术的发展，其应用已从单机逐渐转向多机或联网方向发展，所以现在许多设备都支持串口通讯。本仪器为了和上位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为了解决仪器固有存储容量不够的问题。所以仪器设计了RS232双工的串口通讯模式。串口通讯是指将构成字符的每个二进制数据位，依据逐位顺序进行传送的通讯方法。它的突出优点是接口线路简单，运行方便；而且适用于远距离通信。其缺点是传送速度较低。而本仪器对此时的数据传输速率没有太高的要求。在串口通讯中，有两种基本的通讯方式同步通信和异步通信。621通讯模式的选择1同步通信是一种连续传送数据流的串行通信方式。由同步时钟来实现发送和接收的同步。在发送时要插入同步字符，接收端检测到同步字符后，便开始接收串行数据位。发送