自动化毕业论文：便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计.doc

学号：070275073 河南大学 2011 届本科毕业论文 便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计 the design of signal processing circuit based on portable digital ultrasonic flaw detector 论文作者姓名： 吴军宁 作 者 学 号： 070275073 所 在 学 院： 计算机与信息工程学院 所 学 专 业： 自动化 导师姓名职称： 杜海顺（副教授） 论文完成时间： 2011 年 5 月 20 日 2011 年 5 月 20 日 开题报告 河南大学河南大学 20112011 届毕业设计（论文、创作）开题报告届毕业设计（论文、创作）开题报告 （学生本人填写） 学号070275073姓名吴军宁 导师姓 名职称 杜海顺（副教授） 开题时间2011 年 4 月 3 日 课题题目便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计 课题来源导师指定 自定 其他来源 课题的目的、意义以及和本课题有关的国内外现状分析： 1目的：本课题的目的在于设计一款工作频率在 2.5mhz 左右的超声波接收 模块电路。 2意义：集成化的设计，通用的接口电路，以期提高设计者在设计便携式超 声波探伤仪时的效率。 3现状：现今的设计者们在设计便携式超声波探伤仪时遇到的最大问题就是 接收电路的设计，而且都是各自设计，这样对整个工程来说，工作量大，比较繁琐。 研究目标、研究内容和准备解决的问题： 1目标：通过设计一款工作频率在 2.5mhz 左右的通用超声波接收模块电路， 满足大部分的设计要求，简化设计任务，提高效率。 2内容：便携式数字超声波探伤仪的接收电路主要包括限幅电路、agc 电路、 线性放大电路、a/d 转换电路以及与其他模块的接口部分。 3准备解决的问题：本设计者现有一款便携式数字超声波探伤仪，但其工作 频率在 2khz 以下。现在需要解决的问题是把其工作频率提高到 2.5mhz 左右， 改进的地方有 agc 电路、线性放大电路及 a/d 转换电路。 开题报告 拟采取的方法、技术或设计（开发）工具： 设计方法：通过原理电路的设计，并且进行可行性的分析，在确认无误后，制 作 pcb 板，焊接芯片，之后与探伤仪连调，进行性能测试，最后完成课题设计。 开发工具：altium designer winter 09 预期成果： 1模块式接收电路 2毕业论文 进度计划与阶段要求： （1）2011-2-1 至 2011-3-15：查找资料、阅读文献及相关论文，整理设计内容，并进 行初步原理图设计。 （2）2011-04-01：将开题报告和整理的设计内容发送到导师邮箱。 （3）2011-04-02 至 2011-04-09：根据导师的建议和指导，继续设计，初步定型之后 绘制 pcb 图，交付厂商制版，进行焊接与初步测试。 2011-04-10：将中期检查表和修改后的设计内容发送到导师邮箱。 （4）2011-04-11 至 2011.04.20：根据导师的建议和指导，完成设计。 2011-04-21：将完成的毕业设计内容发送到导师邮箱。 （5）2011-04-22 至 2011-05-05：根据导师建议和已经完成的设计，完成论文初稿。 2011-05-06：将毕业论文初稿发送到导师邮箱。 （6）2011-05-07 至 2011-05-13：根据导师对论文的修改建议和指导，完成论文。 2011-05-14：将论文终稿发送到导师邮箱。 开题报告 开题前收集的资料和参考文献（5-8 种） 1 蒋危平超声波探伤仪及数字化超声波探伤仪无损检测,1997 年 2 月第 2 期 2 奥林巴斯超声波探伤理论技术指导. /zh/ndt-tutorials/ 3 郭成彬，蒋危平认识数字超声探伤仪无损检测,2004 年 3 月第 3 期 4 宋建萍. 超声波探伤仪收发电路研究.电子工程师,2004 年 6 月第 6 期. 5 丛培田 ,韩辉 ,刘玉梅高速模数转换器 ad9057 在数字化超声波探伤 仪中的应用仪表技术与传感器，2008 年第 4 期 6 韩辉数字化超声波探伤仪关键技术的研究沈阳理工大学工学硕士学 位论文，2008 年 3 月 7 孙岳中一. 基于 arm 和 dsp 的便携式超声波无损探伤仪的设计.兰州理 工大学硕士学位论文,2007 年 10 月. 指导教师对开题报告的意见： 指导教师签名： 2011 年 4 月 5 日 任务书 河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）任务书届毕业论文（设计、创作）任务书 （导师根据学生的开题报告填写） 题目名称 便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计 学生 姓名 吴军宁 学院 计算机与信息工程 学院 学号070275073 所学 专业 自动化 毕业论文(设计、创作)要求 1 1设计内容设计内容 设计一款工作频率在 2.5mhz 左右的超声波接收模块电路,主要包括限幅电路、 agc 电路、线性放大电路、a/d 转换电路以及与其他模块的接口部分。 2 2基本要求基本要求 设计电路尽可能简单，所用芯片皆为常用芯片，设计符合便携式设备所要求的 规范。本设计产品属高频设备，应满足高频器件的标准。 3 3要解决的问题要解决的问题 现有一款便携式数字超声波探伤仪，工作频率在 2khz 以下。现在需要将其工 作频率提高到 2.5mhz 左右，需要改进的地方有 agc 电路、线性放大电路及 a/d 转换电路。 4 4要求提交的成果要求提交的成果 论文 模块式接收电路 任务书 指导教师签名： 2011 年 4 月 5 日 中期检查表 河南大学河南大学 20112011 届毕业设计（论文、创作）中期检查表届毕业设计（论文、创作）中期检查表 （导师只填写评语，其他由学生填写） 题目名称：便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计 学生 姓名 吴军宁 学 院 计算机与信息工程学院 学号070275073 所学 专业 自动化 一、毕业设计(论文、创作)进展情况 截止目前，总体电路图已设计完成，各主要芯片的选型也已经完成。 现在的主要工作是：接口电路的设计（要考虑到本模块与前后电路的衔接问 题以及供电电路的设计）、pcb 图的绘制、电路的测试。 二、毕业设计（论文、创作)存在的问题及解决方案 存在的问题：因为没有一台可用的超声波探伤仪可以获得超声回波信号的电 压值，所以在设计电路及芯片选型的时候没有确切的参考资料。 解决方案：查找资料，咨询相关企业的技术人员，和指导老师进行沟通，希望 问题能够得到妥善解决。 中期检查表 三、学生本人对毕业设计阶段所做工作及进展情况的评价 在做毕业设计期间，我积极认真，严格要求自己，尽可能多的学习知识。在 电路设计的过程中遇到的很多问题，都在查阅资料和与谢老师讨论后得到了很 好的解决。但是，由于我在此期间到北京参加了研究生复试，而且临近毕业，也 有很多杂事，耽误了一段时间，影响了设计的进度。 四、指导教师对学生毕业设计(论文、创作)中期检查的评语 指导教师签名 2011 年 5 月 5 日 综合成绩表（一） 河南大学河南大学 20112011 届毕业论文（设计、创作）教师评阅成绩表届毕业论文（设计、创作）教师评阅成绩表 学院名称：计算机与信息工程学院 学 号070275073姓名吴军宁专业自动化 指导教师杜海顺（副教授） 教师评阅 平均得分 论文题目便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计 指导教 师评语 指导教师对毕业论文（设计、创作）评分 评分项 目分值 撰写开题 报告、文 献综述 15 调查 研究 查阅 整理 资料 10 学习 态度 与规 范要 求 10 数据处 理、文 字表达 10 论文（设计、创 作）质量和创新 意识 55 合计 100 得分 指导教师评语及得分 指导教 师签名 2011 年 5 月 18 日 评阅教 师评语 评阅毕业论文（设计、创作）评分 评分项 目分值 撰写开题 报告、文 献综述 满分 15 调查 研究 查阅 整理 资料 10 学习 态度 与规 范要 求 10 数据 处理、 文字 表达 10 论文（设计、 创作）质量和 创新意识 55 合计 100 得分 评阅教师评语及评分 评阅教 师签名 2010 年 5 月 19 日 此表由教师填写 综合成绩表（二） 河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）综合成绩表届毕业论文（设计、创作）综合成绩表 学号070275073姓名吴军宁所在学院计算机与信息工程学院 答辩 委员 会评 语答辩委员签字（4 名以上）： 2011 年 5 月 22 日 论文答辩小组评分 答辩情况论文质量 评分 项目 分值 内容表 达情况 （15） 答辩问题 情况 （25） 规范要求与 文字表达 （20） 论文（设计、 创作）质量和 创新意识 （40） 合计 （100） 答 辩 委 员 会 评 语 及 评 分 得分 答辩委员会主任签字： 2011 年 5 月 22 日 毕业论文（设计、创作）成绩综合评定（百分制）： 分 （教师评阅表平均成绩占 40%，答辩成绩占 60%） 综合评定等级（优、良、中、差）： 备注： 一、论文的质量评定，应包括对论文的语言表达、结构层次、逻辑性理论分析、 设计计算、分析和概括能力及在论文中是否有新的见解或创新性成果等做出评 价。从论文来看学生掌握本专业基础理论和基本技能的程度。 二、成绩评定采用结构评分法，即由指导教师、评阅教师和答辩委员会分别给 分（以百分计） ，评阅教师得分乘以 20%加上指导教师得分乘以 20%加上答辩委 员会得分乘以 60%即综合成绩。评估等级按优、良、中、差划分，优 90-100 分； 良 76-89 分；中 60-75 分；差 60 分以下。 三、评分由专业教研室或院组织专门评分小组（不少于 5 人） ，根据指导教师和 答辩委员会意见决定每个学生的分数，在有争议时，应由答辩委员会进行表决。 四、毕业论文答辩工作结束后，各院应于 6 月 20 日前向教务处推荐优秀论文以 汇编成册，推荐的篇数为按当年学院毕业生人数的 1.5%篇。 五、各院亦可根据本专业的不同情况，制定相应的具有自己特色的内容。须报 教务处备案。 承诺书 河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书 论文题目论文题目便携式数字超声波探伤仪信号处理电路的设计 姓姓 名名吴军宁所学专业所学专业自动化 学学 号号070275073完成时间完成时间2011 年 5 月 20 日 指导教师指导教师 姓名职称姓名职称 杜海顺（副教授） 承诺内容：承诺内容： 1本毕业论文（设计、创作）是学生本毕业论文（设计、创作）是学生 在导师在导师 的指导下独立的指导下独立 完成的，没有抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创完成的，没有抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创 作）的各种检查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并作）的各种检查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并 承担相应的法律责任。承担相应的法律责任。 2学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和 磁盘。磁盘。 备注： 学生签名：学生签名： 指导教师签名：指导教师签名： 2011 年年 5 月月 20 日日 2011 年年 5 月月 20 日日 说明：学生毕业论文（设计、创作）如有保密等要求，请在备注中明确，承诺 内容第 2 条即以备注为准 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 i 页 目目 录录 摘要 i abstractii 第一章 绪论1 1.1 课题来源 .1 1.2 课题背景 .1 1.3 国内外的研究现状及分析.2 1.3.1 国外发展现状2 1.3.2 国内现状3 1.3.3 本课题研究的意义4 1.4 论文的主要内容和结构安排 .4 第二章 系统概述5 2.1 超声探伤仪的基本结构.5 2.1.1 传统模拟探伤仪5 2.1.2 数字超声探伤仪5 2.2 数字超声探伤仪的基本概念及参数.6 2.2.1 模数转换6 2.2.2 自动增益控制（agc）.7 2.2.3 低通滤波电路8 2.2.4 探伤原理9 2.2.5 波形显示11 2.2.6 缺陷的判定与评价13 缺陷的定位14 缺陷的定量14 缺陷的定性15 2.3 本设计的结构框图 .17 第三章 系统设计18 3.1 限幅电路.18 3.1.1 限幅电路概述18 3.1.2 限幅电路的参数选择18 3.2 自动增益控制电路（agc）.19 3.2.1 agc 与超声探伤仪的关系19 3.2.2 agc 电路原理20 3.2.3 agc 电路的性能指标20 3.2.4 agc 电路的设计21 agc电路对放大器性能的要求指标22 芯片定型22 3.3 滤波器及跟随器.25 3.3.1 电路设计25 3.3.2 滤波器的参数选择26 3.4 模数转换器.27 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 ii 页 3.4.1 模数转换电路设计27 第四章 pcb 制作.29 4.1 设计软件介绍.29 4.2 高频电路设计的注意事项.30 4.3 绘制 pcb31 结论33 1. 工作总结 .33 2. 下一步的工作 .33 参考文献34 附录 1 系统原理图.35 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 i 页 摘要摘要 随着超声检测理论逐渐成熟，以及现代集成电路的快速发展， 超声检测技术以其快速、准确、无污染、低成本等特点，成为国内 外应用广泛、发展迅速、使用频率最高的一种无损检测技术。超声 仪器的发展水平直接影响着超声检测技术的发展。数字化、图像化、 小型化和实时化等是超声检测仪器的发展趋势。 本文在 fdp204pl 一体化超声浮点测振仪的基础上，研究数字化 超声波探伤仪的关键技术，即超声波的接收技术、自动增益控制技 术、模拟信号的线性放大技术和高速 ad 采样技术，实现了超声信 号的接收、放大、滤波和数据转换。 在数字化超声波探伤仪关键技术的研究中，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。数字化超声波探 伤仪关键技术的突破，为实现数字化超声波探伤仪的生产以及性能 的优化与提高打下了良好的基础。 关键词：关键词：数字化，超声探伤仪，agc 电路，a/d 转换 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 ii 页 abstract with the maturity of ultrasonic detection theory，and the rapid development of modern integrated circuits，ultrasonic testing technology is being widely used at home and abroad，owing to its fast，accurate and non- polluting feature and has become the highest frequency of use of a non- destructive testing（ndt） technology。the development of ultrasound machines affects the level of ultrasonic testing technology directly。digital，images，miniaturization，and real-time ultrasound equipment is the trend。 this paper，on the basis of fdp204pl， integrated floating-point vibrometer，includes a detailed study of the key technologies of digital ultrasonic flaw detector， that is，the reception of ultrasonic technology，automatic gain control(agc)，analog signal amplification technology and high-speed linear analog-to-digital sampling technology。 in the study of the key technologies of digital ultrasonic flaw detector，we place emphasis on two main points.the first is ,modular design, which to improve the easiness of maintaining the system。the second is，selecting low- noise，low drift，high accuracy and high reliabiliable integrated chip，which to improve the systems reliability。digital ultrasonic flaw detector breakthroughs in key technologies for the realization of digital ultrasonic flaw detector。 key words: digital,ultrasonic testing(ut),agc,analog-to-digital. 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 无损检测技术在对工程材料，零部件，结构件的设计、制造工艺、质量鉴 定以及提高经济效益和工作效率等方面都显示了极其重要的作用。无损检测方 法包括有射线检测法、超声检测法、磁粉探伤法、电磁感应探伤法和浸透探伤 法等。在这些无损检测方法中工业上占相当重要的地位的是超声检测法。超声 检测法是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏性 地探测材料内部和表面的缺陷(如裂纹、气泡、夹渣等)的大小、形状和分布状 况及测定材料性质。超声检测与其他方法相比，具有灵敏度高、穿透力强、指 向性好、检测速度快、成本低、对人体无害等一系列优点，因此在众多工业领 域中得到了广泛的应用6。 1.1 课题来源课题来源 该课题为自选课题。 在毕业实习期间，我接触到了超声探伤仪，对这个新的领域产生了浓厚的 兴趣，恰巧我的实习老师谢老师手头有个相关的项目，因此我打算专研下去。 查阅了很多相关资料，发现在这方面，国内的研究起步较晚。尽管一些科 研院所和高校实验室，做的比较好，但是数字超声探伤仪在国内还未能普及。 究其原因，一是价格居高不下，而是在高频或者超高频领域做的不太理想，三 是新兴的相控阵超声探伤仪在国内基本处于理论阶段。 笔者在相关网站（olympus、maxim、ti 等）上查阅资料，进行分析后，发 现不论是现今应用广泛的单探头探伤仪还是属于实验阶段的相控阵式探伤仪， 均有一个不可或缺的部件接收端的信号处理电路。而且，频率越高，对接 收电路的要求就越苛刻。 因此，笔者以为，此课题大有研究价值。 1.2 课题背景课题背景 近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，与 it 技术紧 密相关的超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力，主要表现在以下几 个方面7： 1)随着半导体工艺的进步，大规模数字集成电路有了长足发展，一些功能 复杂的电路都集成在一小片芯片上。ram，flash 等存储芯片的密度和容 量越来越大，计算机运算速度、单片机和 dsp 的控制运算能力越来越高， ad 转换速度越来越快，精确度越来越高，这些都大大促进了超声模拟 信号处理的数字化进程。 2)asic 技术和以 cpld、fpga 为代表的可编程器件的发展，使得集成电路的 设计发生了巨大的变化。电子产品的研发过程中，不再是单纯的使用集 成电路，而是可以将系统的某些功能或整个系统设计成用户定制的专用 集成电路或者直接由 cpld、fpga 来实现。 3)计算机以其开放的总线结构为工业控制和测试仪器提供了硬件和软件平 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 2 页 台。特别是计算机外围接口的扩展，如传统的串口、并口和现在流行的 usb 接口，方便地为计算机与外围设备进行通信，将大量的数据高速传送 到计算机内部，依靠其强大的处理能力对数据进行各种复杂的运算。 1.3 国内外的研究现状及分析国内外的研究现状及分析 1.3.1 国外发展现状国外发展现状 由于各种新技术的应用，世界各主要工业国家数字化超声波探伤仪得到迅 速发展，生产类似产品和研究的公司有美国的泛美公司、metec 公司、加拿大 的 r/d tech 公司、德国的 k-k 公司、法国的 sofratest 公司和西班牙的 tecnatom 公司等等，上述这些公司生产的超声波检测、采集、分析和成像处理 系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。而且，国外已把 100mhz 以上采 样频率的高速 ad 技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的 水平，信号的分析和成像已实现 a，b，c 扫描7。 美国 pac 公司的 ultrapac 为先进的计算机一体化、数字化超声 c 扫描成像 系统，它的数据处理采用 dsp 芯片。根据不同的用户要求，u1trapac 可做成柜 式、台式和便携式几种形式。从超声频率范围上分，ultrapac 有低、高两种频 率选择： 普通频率系统：频率范围：o.530mhz a.d 采样率：100mhz 高频率系统：频率范围：0.8100mhz a/d 采样率：500mhz 它实现了 a、b、c 扫描同步一体，超声探伤与 c 扫描成像，现代超声信号 处理同步一体7。 日本的 olympus 公司，长期致力于超声无损探伤方面的研究，该公司生产 的一系列便携式超声设备，均领先于世界水平。epoch 600 是其中一款（见图 1-1 epoch 600 超声探伤仪） ，该款探伤仪使用高效的菜单功能和快捷键访问参 数，为检测人员提供了操作极为简便的高质量的缺陷检测平台。宽屏、全 vga 透反显示及正等待专利通过的数字式高动态范围接收器使得仪器屏幕在任何光 线条件下都可显示稳定、清晰的 a 扫描图像。 图1-1 epoch 600超声探伤仪 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 3 页 1.3.2 国内现状国内现状 国内在探伤仪器方面也已开展这方面的研究和开发，但在技术应用上还存 在一定的差距。 上海大学与上海市电子物理研究所合作的国家“863”基金资助项目研制了 输油管道超声波探伤机器人，由 16 个均匀分布的探头旋转扫描探伤，分辨力 2 mm，他们采用存储异常数据的方法对数据进行压缩，用高速数据缓存的方法提 高数据处理速度7。 武汉中科创新技术公司的 hsd 多功能超声波自动探伤系统采用 fpga 技术， 通道数 4128 通道可选，采样频率达 100mhz，探伤频率 0.515mhz，发射/接 收重复频率 5khz(不受通道数影响)。他们还推出了多通道超声波发射/接收卡， 这是采用计算机标准 pci 总线制作的一款工业超声检测装置，可适配在商用台 式机或便携式工业控制计算机环境中，板卡装有四个完全独立的工作通道，亦 可根据需要多卡级连，构成更多通道超声探测系统，工作方式单晶或双晶，重 复频率 2khz，采样频率 100mhz，采样深度：32k 字节，测试范围：o 一 5000mm(钢纵波)，工作频率：0.515mhz，工作温度：10+457。 北京美泰科仪生产的 mut 系列超声探伤仪器（如图 1-2 mut350b 超声探伤 仪） ，能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、夹杂、气 孔等）的检测、定位、评估和诊断。其特点是全中文操作键膜，简捷易懂，全 数字真彩色液晶显示器（tft） ，并且可根据环境选择背景色和波形颜色，液晶 亮度可自由设定。 图1-2 mut350b超声探伤仪 综上所述，超声检测仪器借助信息技术的进步，正在向着数字化，轻便化， 强大功能方向发展，除了保持传统检测仪器的基本功能外，在操作方式、波形 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 4 页 显示、波形的记录、存储和分析，自动探伤和信号处理等方面都有着明显的优 点。 1.3.3 本课题研究的意义本课题研究的意义 本课题的研究主要着眼于便携式超声探伤仪的前端模拟信号调理电路的设 计，即限幅电路、agc 电路、线性放大电路、a/d 转换电路以及与其他模块的接 口部分。本课题的研究目的在于设计一款通用的信号采集模块，能够直接应用 于探伤仪器的研制，以期缩短研制周期，简化设计流程。 1.4 论文的主要内容和结构安排论文的主要内容和结构安排 本论文的主要研究内容是便携式超声探伤仪的信号接收电路的设计，也可 以说是信号处理电路。但与通常所说的处理不同，这里只包括信号的衰减与模 数转换。 本文的结构安排如下： 第一章是绪论部分，主要介绍本课题的来源以及设计产品的相关工业背景， 并简要介绍了以下超声探伤仪在国内和国外的研究现状。 第二章是系统概述部分，分为三节，从三个方面介绍本设计以及相关的理 论知识。第一节介绍了模拟超声探伤仪与数字探伤仪的基本组成和它们之间的 区别。第二节详细介绍了相关概念，主要包括模数转换、自动增益控制（agc） 、 低通滤波器、探伤原理、波形显示及缺陷的判定评价。第三节介绍了本设计的 总体结构框图。 第三章是系统设计部分，是具体设计的简单介绍，分为四节（按功能部件 划分） 。第一节是限幅电路的设计。第二节是自动增益控制（agc）电路的设计， 这是本设计最为重要的部分，是重点。第三节是滤波器和跟随器部分。第四节 是模数转换器部分。论文只是简单的介绍设计过程，对于所使用的各个芯片， 并未做太多的描述，只是叙述了与设计相关的关键点。 第四章是 pcb 制作，主要包括三节。第一节简单介绍以下设计所用软件的 特性和优点，希望能够引起同学们的注意。第二节介绍了在设计高频板时应注 意的细节和事项。第三节是绘制 pcb 图。 第五章是设计总结，主要包括设计感想和进一步研究的方向。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 5 页 第二章第二章 系统概述系统概述 2.1 超声探伤仪的基本结构超声探伤仪的基本结构 现如今的超声波探伤仪有两种，一种是传统的模拟式超声探伤仪，另一种 则是新兴的数字化超声探伤仪。尽管，另种仪器有很大的不同，但关键部位的 原理还是相通的。 2.1.1 传统模拟探伤仪传统模拟探伤仪 超声探伤仪最基本的功能是 激发超声换能器(探头)，产生超声脉冲。 把超声换能器产生的微弱电信号放大。以适当的形式把超声脉冲显示给使用 者观察。 在传统的超声探伤仪（如图 2-1）中 ,同步电路产生等时间间隔的同步脉冲 ,使 超声探伤仪所有各部分按规定的节拍工作(此即超声探伤仪的重要参数之一 脉冲重复频率) 。同步脉冲触发发射电路 ,产生高压电脉冲 ,后者加到超声换 能器上 ,激发超声脉冲。在单探头状态 ,这些高压电脉冲和超声脉冲转换回来 的微弱电脉冲一起 ,加到限幅耦合电路上。该电路放过小幅度脉冲 ,但不让高 压脉冲通过 ,以保护放大器不被高压电脉冲烧毁。经过放大器、检波器和视频 放大器后 ,信号幅度可达数十伏 ,加到示波管的垂直偏转板上。另一方面 ,同 步电路发出的同步脉冲触发水平扫描电路 ,在示波管上形成大家熟知的时基线。 两者共同作用形成常见的 a 型显示3。 图2-1 传统超声探伤仪的结构图 2.1.2 数字超声探伤仪数字超声探伤仪 数字超声探伤仪构成见图 2-2。从图 2-2 可以看到大家熟知的发射电路、限 幅耦合电路和放大器,图 2-1 的同步电路、水平扫描电路、示波管、检波器和视 频放大器等部分不见了,取而代之的是微处理器或数字信号处理器(dsp)、显示 器和模数转换器。在这里,微处理器或 dsp 控制整个探伤仪的协调工作。发射电 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 6 页 路、限幅耦合电路和放大器的功能与模拟探伤仪相同。放大器输出的脉冲交给 模数转换器 ,后者将其转换成数字信号 ,微处理器将这些数字信号处理(如数字 检波、低通滤波等) 后交显示器显示3。 图2-2 数字超声探伤仪的结构图 2.2 数字超声探伤仪的基本概念及参数数字超声探伤仪的基本概念及参数 数字化超声探伤仪的主要流程是模数转换、数字滤波、数字整流、数据压 缩或插值、波形显示以及附加功能。 2.2.1 模数转换模数转换 超声信号是连续变化的脉冲 ,是一模拟量。数字超声探伤仪不直接显示这 种脉冲波形 ,而是先把它变成数字形式交由电脑处理后再用显示器显示。 图2-3 采样示意图 波形数字化的方法是高速度、等间隔地采样。图 2-3a 是一规则的脉冲(一 个正弦周期)。如果在该区间采 16 次样(图 2-3b 中小圆圈)，然后把这些样本的 高度按相同间隔显示出来(图 2-3b)，可见，图 2-3b 依稀有图 2-3a 模样，可以 说是图 2-3a 的粗略再现。 如果想使图 2-3b 更逼真，就要提高采样密度。如果把采样点增加到 32 点， 64 点以至更多，再现的波形将会越来越逼真。相反，如果采样点减少到 4 点甚 至更少，则波形将会越来越差。 根据采样定理，采样频率大于等于信号最高频谱成分的两倍即可保存信号 所包涵的信息。实践中，超声脉冲可看作一种窄带信号。研究表明，对窄带信 号，4 倍于其中心频率即可很好地保存其信息，意思即可通过随后的信号处理 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 7 页 (如低通滤波)恢复其原始波形。当然,如果可以用 8，16，甚至 32 倍采样频率 会更好，以至高到最后可以不需随后的信号处理就可足够精确地直接显示原始 波形3。 模数转换的第二个重要参数是字长，即一个模拟量可用多少个二进制数表 达出来。常用的有 8、10、12 位(bit)等。8 位(bit)相当于 10 进制的 256。字 长 8 位的模数转换器涵义是可以把一个数值分为 256 等分。如果把一个正弦波 周期的从负最大值到正最大值恰好与模数转换器的输入范围一致，则它最多可 分成 0255 共 256 种不同的数值。观察波形通常是检波后的波形。经过全波检 波后 ,负半周被取了绝对值,故检波后最多只能有 128 个数值。由此可见 8 位字 长时,其理论精度(不考虑其它误差)为 1%左右。实际上,由于数字化噪声等因素,8 位字长的模数转换器的有效字长一般为 6.57 位,即不超过 64 个数字,实际精 度约 2%。对超声探伤来说,这就够了。如果提高到 10 位字长,相当于 1024 等分,其 精度可提高几倍。受仪器成本和功耗的限制,早期的数字超声探伤仪几乎都是 8 位的。随着电子技术的提高,使用 10,12 位模数转换器的数字超声探伤仪也开始 出现3。 模数转换器的第三个重要参数是存储深度,即能存储多长的波形。这个参数 与采样频率一起决定着探伤仪的探伤范围。传统超声探伤仪的最大探伤范围通 常是 6m 左右的钢。可以算出,6m 的钢中声时约为 2000s。一台数字探伤仪的 采样频率若是 100mhz,即 1s 采集 100 个点,2000s 就是 200000 个点；10mhz 时，20000 个点。这些高速采集到的波形信息，都要先到高速缓冲存储器后再 给微处理器(mpu)或数字信号处理器(dsp)处理。缓存容量越大,速度越快,价格 和功耗就会越高；同时也会导致处理量加大，需要更快速、功能更强的处理器。 但是，这又会导致价格和功耗的提高3。 2.2.2 自动增益控制（自动增益控制（agc） 在通信、导航、超声探伤等无线电控制系统中，由于受发射功率大小、收 发距离远近、电波传播衰减等各种因素的影响，接收机所接收的信号强弱变化 范围（动态范围）很大（信号范围可从几微伏至几伏变换） 。一般的接收机都具 有 60-80db 的动态范围，现代接收机则对动态范围指标提出相当苛刻的要求， 往往超过 100db，如图 2-4 所示。如果接收机的增益恒定，则强输入信号会使 接收机饱和或者阻塞（非线性失真） ，甚至使接收机损坏；而太弱的信号则可能 使解调器检测不到它而被丢失8。因此，为了提高接收机的动态范围，在接收 弱信号时，希望接收机有很高的增益，而在接收强信号时，接收机的增益应减 小一些。这就需要自动增益控制电路（agc, automatic gain control，自动增 益控制） 。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 8 页 图2-4 某接收机动态范围的示例 2.2.3 低通滤波电路低通滤波电路 滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装 置。工程上常用它来作信号处理、数据传送和抑制干扰等。滤波电路大多是模 拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件 r、l 和 c 组成，后来随着集成 运放的发展，由它和 r、c 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量 轻等优点9。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻 抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。对于幅频响 应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率 范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。由此，滤波器分为低通 滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路和带阻滤波电路。它们的幅频响应如 图 2-5 所示。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 9 页 图2-5 各种滤波电路的幅频响应 有源滤波电路又分为一阶有源滤波电路和高阶有源滤波电路。由于高阶有 源滤波电路具有一阶滤波电路无法比拟的幅频响应，因此得到了广泛的应用。 而其中最为常用的是二阶有源滤波电路。 2.2.4 探伤原理探伤原理 超声检测一般分为穿透式和反射式两种。 (1) 穿透法 穿透法又叫透射法，它是根据超声波穿透试件后的能量变化来判断试件内 部有无缺陷。使用时将两个探头分别置于试件相对的两个侧面，一个探头用于 发射超声波，另一个探头用于接收透射到另一个侧面的超声波，并根据所接收 超声波的强弱来判断试件内部是否有缺陷。若试件内无缺陷，超声波穿透试件 后衰减较小，接收到的超声波较强；若超声波传播的路径中存在缺陷时，超声 波在缺陷处就会发生反射或折射，并部分或完全阻止超声波到达接收探头。这 样，根据接收到超声波能量的大小就可以判断缺陷位置及大小14。 穿透法的优点是适于探测较薄试件的缺陷和衰减系数较大的匀质材料试件， 设备简单、操作容易，检测速度快；对形状简单、批量较大的试件容易实现连 续自动检测。穿透法的缺点是不能探测缺陷的深度；探伤灵敏度较低；对发射 探头和接收探头的位置要求较高。 透射式（也称双探头）的工作过程，可由图 2-6 形象地说明： 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 10 页 图2-6 透射法 发射探头在试块的一边发射高频信号，该高频信号穿过该试块被另一个同 步移动的接收探头所接收。随着探头沿整个试块前后来回移动，连续地扫描试 块，获得信号强度随时间和缺陷变化曲线。 (2) 脉冲反射法 脉冲反射法是目前应用最广泛的一种超声波探伤法。它的探伤原理是将具 有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲波发射到被测试件，当超声波在试 件内部遇到缺陷时，就会产生反射，根据反射信号的时差变化及在显示器上的 位置就可以判断缺陷的大小及深度。根据入射脉冲的波形不同，脉冲反射法可 以分为纵波、横波、表面波及板波探伤 4 种14。 该方法的突出优点是通过改变入射角的方法，可以发现不同方位的缺陷； 利用表面波可以检测复杂形状的表面缺陷；利用板波可以对薄板缺陷进行探伤。 脉冲反射法（也称单探头）的工作过程，可由图2-7 来说明： 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 11 页 图2-7 反射法 反射法使用单一探头，该探头既发射超声波也接收回波，在试块的一侧进 行扫描，根据显示波形，判断缺陷的大小和深度。 2.2.5 波形显示波形显示 超声回波的显示方法，常用的有 a 扫描（a-scan） 、b 扫描（b-scan） 、c 扫 描（c-scan） 、d 扫描（d-scan）和 s 扫描（s-scan）1。 (1) a 扫描 a 扫描方式，显示图像为时间-幅度曲线（amplitude versus time） 。如图 2-8 所示。 图2-8 a扫描显示 (2) b 扫描 b 扫描方式（也就是通常所说的 b 超） ，显示图像为时间-亮度曲线。如图 2-9 所示。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 12 页 图2-9 b扫描显示 (3) c 扫描 c 扫描方式，显示的是一个 2-d 图，一个轴是扫描轴，另一个是指数轴，也 是把回波分成不同的灰度级进行显示。如图 2-10 所示。 图2-10 c扫描显示 (4) d 扫描 d 扫描方式，与 b 扫描有些相似，不同的是它把一个轴换成了指数轴。如图 2-11 所示。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 13 页 图2-11 d扫描显示 (5) s 扫描 s 扫描方式，显示方式为扇形图像，跨过一定的角度，水平轴与投摄距离有 关，竖直轴则与缺陷深度相关。如图 2-12 所示。 图2-12 s扫描显示 2.2.6 缺陷的判定与评价缺陷的判定与评价 超声波探伤技术中的三大关键问题是缺陷的定位、定量和定性评定。迄今 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 14 页 为止，广大的超声波探伤技术人员已作了大量实验研究工作，在对缺陷的定位 和定量评定方面取得了很大进展，并逐步趋于成熟与完善。如在众多有关超声 波探伤的技术规范中，对诸如确定缺陷埋藏深度及在探测面上的投影位置，评 定缺陷的当量大小，延伸长度以及缺陷投影面积等都有明确的方法规定，对保 证产品构件的质量和安全使用具有重大作用。然而，在对缺陷定性评定方面却 存在相当大的困难，还有待研究和发展。下面所说的缺陷的定位、定量和定性， 都是用最常见、最基本的 a 型显示脉冲反射法进行纵波探伤，而且，它们多数 方法都是从模拟式超声波探伤仪的原理上来说的14。 缺陷的定位缺陷的定位 （1） 缺陷平面位置的确定 采用接触法时，处于远场区的缺陷，只需将探头在受检试件表面移动即可 获得缺陷达最大反射波高时的位置，从而定出缺陷的平面位置。对处于近场区 中的缺陷，则必须考虑声束横截面内声压的峰值分布情况。 （2） 缺陷埋深的确定 用声性能与受检试件相同(或声速已知)且厚度不同但己知的两试块，利用 它们的一次底回波对探伤仪荧光屏时间基线进行校准后，缺陷埋深可从时间基 线上缺陷回波的位置直接读出。 （3） 各向异性的影响 对在各向异性材料传播的超声波来说，很重要的事实是能流的方向并不像 在各向同性情况那样与波阵面法线方向一致，即使是垂直入射超声束也会折射。 应该注意到，大多数结构材料在晶粒的集合体内结晶取向并不是随机分布的， 而是与加工过程相关，都显示有某种程度的各向异性，在用超声波确定这些材 料中的缺陷位置时，必须注意到这点。 缺陷的定量缺陷的定量 在实际超声波探伤时。由于自然缺陷的形态、性质不尽相同，尚难确定其 真实尺寸，对最基本的 a 型显示方式来说，为评定缺陷尺寸，可以利用的信息 有： (1)来自缺陷的反射波高 (2)背面反射的损失 (3)沿试件表面测量出缺陷的延伸范围。 因此，人们常采用表 2-1 所列的一些方法，对所发现的缺陷进行评定。这 些都是常规的缺陷定量法，精确的缺陷定量多采用聚焦探头和各种成像设备。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 15 页 表 2-1 评定缺陷的一些方法 方法使用条件实施优点缺点 当量法 缺陷面积较该处 超声波束截面为 小 将所发现的缺陷 与对比试块中规 则形状的人工反 射体在同样检测 条件下比较，如 两者埋深及反射 波高均同则该反 射体的面积即为 缺陷当量值 1.对于小缺 陷及其回 波无明显 指向性可 得到较好 结果 2.简单易行 1. 需若干笨重 试块 2. 当量尺寸不 总等于真实 尺寸 相对回波高度法 超声波探伤仪具 有良好垂直线性 将缺陷反射波波 高与荧光屏垂直 满刻度值相比， 可得到缺陷波高 相对值 可用分贝值比较 不同缺陷的大小 只能得到不同缺 陷相对大小的概 念 法/ r f r 试件上下面与入 射声束垂直 在测得缺陷最高 回波高度 f 的同 时，测出此时此 处的底面回波波 高。即可得 r b / r f r 1.无需对比试 块 2.在缺陷的阴 影效果下进 行评定可以 提高较大缺 陷的测定准 确度 1.不能确定缺 陷大小 2.未考虑缺陷 埋深探头直 径和频率的 影响 回波下降法 缺陷面积大于该 处声束截面积， 或长度大于声束 截面直径 在波束中心与缺 陷相交且回拨最 高时，移动探头 使波束中心偏离， 回波高度随之下 降，测出移动距 离与波高变化的 关系，推定缺陷 延伸程度 可对缺陷长度、 面积作出评估 须测定频率、探 头尺寸、检测灵 敏度的影响 缺陷的定性缺陷的定性 超声波探伤技术由于具有费用低、操作简便、对缺陷定位较准确和对裂纹 检出较敏感等优点而得到广泛的应用。采用 a 型脉冲反射式超声波探伤法对各 种缺陷进行精确的定性确有很大的难度，长期以来一直是研究的热点之一。缺 陷的定性技术至今尚无成熟的模式。常规方法主要是根据波形变化的静态和动 态特征和缺陷的分布状态，结合被检材料的冷热加工工艺，通过各种不同的精 密扫查方法，并辅以其它可能的实验方法，进行综合分析和判断。判断的准确 性与检测人员的业务能力、技术水平和从事本专业的经验有一定关系。随着计 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 16 页 算机技术的发展。这些缺陷定性经验，在一定范围内可编成软件通过计算机判 断，为检测人员对缺陷的快速定性提供了有益的参考手段。 目前，a 型脉冲反射式超声波探伤仪主要用综合判断法对缺陷定性，其原理 是建立在任何性质的缺陷都是由许多微分面积元构成的几何反射体，不同几何 反射体有不同的回波特征的基础上。这些几何反射体又可分为面状、体状、单 个、多个、密集和条状。目的是采用一切可能的扫查方法，从回波特征上判断 出缺陷的几何形状，并根据被检材料(铸件、锻件、型材、焊缝、特殊零件等) 中不同类型缺陷可能存在的分布状态判断出缺陷的性质。回波特征的判断可归 纳为：分布状态判断法、回波