（机械电子工程专业论文）塑管挤出过程超声在线检测系统研究.pdf

摘要 针对大口径塑管挤出过程中管道壁厚不均和椭圆度偏差等问题，本课题有机 结合超声无损测厚技术、超声信号处理技术、串口通讯技术以及模糊控制原理， 提出了一套完善的解决方案，研制出一种结构新型的在线超声测厚装置，实现了 多路超声探头厚度检测的数字化、智能化和可视化，为进一步实现精密塑管挤出 奠定了良好的基础。 该测厚装置由信号采集装置、模拟信号处理电路、专用的方波数字化系统和 串口通讯模块构成。针对超声波在塑料中衰减严重等问题，超声探头被安装在专 门设计和研制的信号采集装置内，保证了超声信号的可靠、稳定获取；模拟信号 处理电路放大微弱的反射波电信号，并输出表征管道厚度信息的方波信号；方波 数字化系统采用c y g n a l 的c 8 0 5 1 f 1 2 1 芯片，其自带的可编程计数器阵列( p c a ) 提供了强大的采样计数功能；串口通信模块是上位机和下位机通信的枢纽，是实 现上下位机数据发送的桥梁。 本文在模糊控制原理的基础上，探讨了塑管质量判决的方法。同时，给出了 用于塑料管道等级评定的具体算法。整个设备在调试运行过程中运行良好，本课 题组将继续致力于技术的完善和设备稳定性的改进。 关键字：超声波壁厚塑管检测串口通信模糊控制 v a b s t r a c t a st h ep r o b l e mo fo d d sw i t hw a l lt h i c k n e s sa n dw a r po fe l l i p t i c i t yd u r i n gt h e e x t r u s i o no fb i g - c a l i b r ep i p e s ，an e wt y p eo fo n l i n eu l t r a s o n i cd e v i c ei sp r o p o s e d ， u s i n gt h et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v em e a s u r e m e n t ，u l t r a s o n i cs i g n a l p r o c e s s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n df u z z yc o n t r o lt h e o r y i tr e a l i z e st h ed i g i t a l i z a t i o n , i n t e l l e c t u a l i z e da n dv i s u a l i z a t i o no ft h ew a l lt h i c k n e s sd e t e c tw i t hm u l f i - u l t r a s o n i c s e n s o r s ，a n daw e l lf o u n d a t i o nt or e a l i z ee x a c t i t u d ep i p e se x t r u s i o n t h eu l t r a s o n i c - d e t e c t o ra d o p t st h es t r u c t u r eo fs i g n a la c q u i s i t i o nd e v i c e ，a n a l o g s i g n a l sp r o c e s sc i r c u i t ，s p e c i a lm o d u l eo fa dc o n v e r t e ra n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e a st h eh i g ha t t e n u a t i o no ft h eu l t r a s o n i ct r a v e r s e sp l a s t i c ，u l t r a s o n i cs e n s o r s a l ef i x e do nt h es i g n a la c q u i s i t i o nd e v i c e t h ea n a l o gs i g n a l sp r o c e s sc i r c u i td e a l w i t ht h ee l e c t r i c a ls i g n a lo fl o wr e f l e c tw a v ea n de x p o r te f f e c t u a ls i g n a lw h i c ht o k e n t h ew a l lt h i c k n e s si n f o r m a t i o no fp i p e s t h em o d u l eo fa dc o n v e r t e r a d o p t s c 8 0 51f121 c h i po fc y g n a l ，t h ep r o g r a m m a b l ec o u n t e ra r r a y ( p c a ) p r o v i d e s e n h a n c e dc o u n t e rf u n c t i o n a l i t y s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei st h eh i n g eb e t w e e n t h eu p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e r , r e a l i z i n gt h et r a n s m i s s i o no fd a t ab e t w e e n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o do fj u d g m e n tt h ep l a s t i cp i p ew a l lt h i c k n e s s u n i f o r m i t y , b a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r y t h es p e c i f i ca l g o r i t h mo ft h eu n e v e n t h i c k n e s sd e g r e eo fp l a s t i cp i p ei sg i v e n a tt h es a m et i m e ，t h i ss y s t e mw i l lb e i m p r o v e de f f i c i e n ta n ds t a b l eb yt h eg r o u p k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c w a l lt h i c k n e s s p i p e l i n ed e t e c t o r s e r i a lc o m m u n i c a t i o n f u z z yc o n t r o l v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：盐照堡e t 期：巡：! ：生 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 上海大学硕士学位论文 i i 塑料管材简介 第一章绪论 塑料管材产生于3 0 年代u 1 ，至今已有6 0 多年历史，因其具有重量轻、耐腐蚀、 绝缘性好、施工方便、能耗低、污染少、使用寿命长等诸多优点，现已广泛应用 于工业、农业、建筑、日用等各个领域。特别是塑料管在代替传统材料上经济效 益非常显著。据厦门塑胶有限公司1 9 9 6 年调查：使用塑料管安装费用约为钢管的 6 0 左右；材料费用仅为钢管的3 0 - - 8 0 ；生产能源可节省8 0 ，如生产l o o k m 直径 为1 l o m m 的p v c h 水管，所需能源为油当量3 6 0 t ，而铸铁管所需能源为油当量1 9 7 0 t ， 能源消耗比为l ：5 。从使用寿命上看，普通铸铁管的有效使用期约为i 0 - - - 1 5 年， 而塑料管的使用年限一般为4 0 - - - 5 0 年，与现代房屋的折旧年限相持平，因此在房 屋使用年限中基本上无须对其进行修理、更换，而铸铁管则因其易生锈、结垢、 堵塞、腐蚀等需经常进行维修，甚至全面更换。此外，使用塑料管还可节省大量的 运输费和搬运费。 总之，塑料管材具有良好的经济效益和社会效益。随着社会的发展、科学的 进步，塑料管材正以其优异的性能逐渐被人们认识和接受。 i i i 常见塑料管的性能和应用 塑料管按原材料的分子结构啪分为p v c 、p e 、p p 、p a 、p b 、铝塑复合管( p a p ) 、 玻纤增强聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等；按塑料管结构可分为单壁波纹管、双壁 波纹管、芯层发泡管( 表层及内层均不发泡) 、螺旋管、径向筋管等。塑料管材的 广泛使用，主要由于它具有不同于其他管材的性能特点： 强度高，重量轻。塑料管密度仅为钢管的1 1 0 1 6 ，极大地方便了安装 和运输。 夺耐腐蚀。化学稳定性好，耐酸、碱、盐，永不生绣。 保温节能。塑料管导热系数仅为钢管的1 2 0 0 ，隔热保温效果极佳。 上海大学硕士学位论文 夺水利学性能优良。塑料管内壁粗糙度为钢管的1 6 ，水利通量较同规格钢 管提高3 0 ，不霉变，不滋生细菌。 突出的电绝缘性能。 使用寿命长，一般可达5 0 年，而镀锌钢管的寿命只有l o 年。 优良的隔声性能。 外表美观。 加工成本低。 主要应用范围为：公共及民用建筑业，用于运送冷热水；暖气管道、地板辐 射、墙壁采暖用管道；液体食品、饮料输送管道，诸如牛奶、纯净水、果酱、酒 类及相关领域系统：工业建筑、医药、轻工、化工工业设施、日常用水、油、化 学物质、腐蚀性液体的输送管；交通运输工具内部管道，压缩空气管道；其他工 业、农业用管道。 1 1 2 塑料成型加工技术 当前塑料成型加工工艺仍主要以注射成型、挤出成型、中空成型为主，但有 了许多新进展。 注射成型的主要技术进展是开发了多种新型注射成型技术，如超高速注射成 型、精密注射成型、薄壁注射成型、气体辅助注射成型、水辅助注射成型、三维 m i d 注射成型、层状结构注射成型、结构发泡注射成型、低压注射成型、注射压 缩成型、嵌件注射成型、反应注射成型、结构反应注射成型( s r i m ) 等；特殊注 射成型技术，如浇口止封成型、推一拉注射成型、夹芯注射成型、复合注射成型、 回路基盘注射成型、光学部件注射成型等；以及特殊材料如高性能工程塑料、复 合塑料、高粘度塑料、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯、低粘度液状树脂( l i m ) 、 热塑弹性体、金属粉末( m i m ) 、橡胶、陶瓷等的注射成型技术。此外为改进制 品质量还开发了长纤维破断抑制成型、定向控制成型、表面光泽成型、表皮一体 成型、表面装饰成型、溶融中子成型等。 挤出成型技术的发展从柱塞式间歇挤出到螺杆式连续挤出；从单螺杆到双螺 杆、多螺杆；螺杆结构由普通型发展到分离型、屏障型、销钉型、波状、d i s 、 2 上海大学硕士学位论文 多角型等；长径比根据要求由原来十几增加到3 0 、4 8 甚至6 0 ；挤出理论由固体输 送理论，发展到熔融理论、熔体输送理论、粘性剪切理论、混炼理论等；新型挤 出技术如高精度挤出、异型挤出、多层共挤出、反应挤出、机电磁一体化和动态 塑化挤出等也蓬勃发展。据报导，利用低剪切熔融理论和新的高效喂料技术以及 将双螺杆技术的某些理论应用于单螺杆上，是挤出技术未来发展方向。 中空成型及其它成型技术的主要进展：双壁中空吹塑技术、三维中空成型、 多层中空成型、保留型芯吹塑成型、多层滚塑、固相多层成型、微孔发泡成型、 空气发泡成型、多层双向拉伸、口模牵伸技术等。 由于挤出成型是塑料加工的最主要的形式，因此发展塑料挤出成型技术与设 备具有重要意义。 1 1 3 挤出成型加工现状 塑料管道近两年在我国势不可挡的发展势头，不仅带动了塑料管道加工制 造业的发展，同时也带动了塑料管道加工设备制造业的发展。无论是作为塑料管 道的加工企业还是塑料管道加工设备制造企业，均有极大的上升空间，这不仅体 现在市场的扩展，同时也可在提高效率、节材降耗、提高产品质量、增加产品及 设备的附加值上实现，而这部分的利润将更加可观。因为，针对提高生产效率而 言，作为塑料管材的加工企业，以手工方式测量产品的精度然后再调整加工设备 的方式，不仅效率低且难以真正保障产品的质量；从质量控制方面来讲，如果不 具备过程质量监控措施及手段，其生产的产品的质量是难以符合高端产品要求 的，如对于作为输油输气衬管的塑管，其对塑管的管径及管道偏心距就有严格要 求。而从节材、节能及降耗方面而言，使用高精度的检测设备保证塑管挤出后的 几何精度达到设计要求就是最好的节省成本方法。 挤出成型是一个十分复杂的生产过程，在此过程中，高聚物要经历固体输送、 熔融、混合、增压、泵送、成型、固化等过程，并受到剪切、拉伸、压缩以及加 热、冷却等作用，发生取向、解取向、结晶等复杂的相态和结构变化u 1 。作为 最重要的高聚物成型方法之一，挤出成型具有适用范围广、生产效率高、投资少、 见效快等一系列优点，但由于其连续式开放型的成型特点以及成型过程的复杂 性，使得挤出成型制品的几何尺寸和形状精度都相对较低。然而随着塑料制品在 3 上海大学硕士学位论文 各个领域的广泛应用，人们对其精度的要求也越来越高。常规的挤出成型技术已 不能满足社会发展的需要，例如，在以聚碳酸酯( k c ) 为原料制造光导纤维时， 设计上要求产品直径的尺寸公差不能超过其公称直径的2 ，这对于我们常规的挤 出设备是不可能实现的。对于我们传统的挤出成型设备来讲普遍都存在以下的缺 点和不足： 机加工精度较低，材料表面处理技术落后，设备磨损严重： 夺动力系统工况性能差，设备噪音大，工作条件恶劣： 夺塑化效率低，控制手段落后，从而导致挤出机工作状态不稳定。 这样的加工水平自然使得生产出的挤出制品尺寸精度低，废品率高，壁厚均 匀性差，从而造成原材料的极大浪费，同时也限制了挤出成型的应用领域。因此， 现代挤出成型技术发展的方向就是多种高新技术的综合应用，以求生产出精密的 高利润的产品t 4 1 。研制高精度、高可靠性的新型检测设备是塑管挤出工业的迫 切需求。 本课题主要结合超声无损测厚技术和模糊控制原理来完成检测任务。就超声 测厚技术而言，超声波具有以下特点5 1 ： 1 超声波的指向性好。超声波具有像光波一样良好的方向性，经过设计可 定向发射，超声测厚技术正是根据这一特性，发射和接受超声信号； 2 超声波的穿透能力强。对于大多数介质而言，它具有较强的穿透力，塑 料管道对信号衰减影响交大，需要较强的穿透能力； 3 超声波的能量高。根据材料的声速特性，可计算出塑料管道的厚度； 4 遇到界面时，超声波将产生反射、折射和波形的转换。超声测厚技术的 原理就是根据被测物内外表面反射信号在时间上的差值来计算的： 5 超声波对人体无害。 由于超声波具备了以上优点，使得超声检测在各个领域得到了极其广泛的应 用。同时，信息处理技术是促进超声检测技术发展的强劲动力。嵌入式系统以其 小型化、多功能、低功耗、高实时性和低成本，逐渐取代了传统上以p c 机作为基 础的检测系统。 本课题通过超声无损测厚技术和模糊控制原理的有机结合，在线测量挤出过 程中塑料管壁的厚度，并计算塑管椭圆度来表征偏心距，以达到提高制品壁厚的 4 j 浦大学硕学论立 均匀性和精确性，保证产品的合格率与良好的对接性，从而显著减少原材料的浪 费，降低了生产成本增加生产收益。 1 2 国内外发展动态和现状 1 2 1 国外发展现状 在塑管成型过程中的在线检测及自动控制技术的应用方丽，国外精密挤出装 备上普遍采用基于激光、光学、电磁、超声波、感应式、气流感应式等原理的测 量装置。前三种方法主要用于测量挤出物的外形尺寸，后四种用于测量产品的壁 厚。激光测量仪经常用于测量管材和包覆电缆的外径，根据测量范围的不同，分 辨率为o0 0 1 o0 1m m 。在自动控制方面，除了p l c 控制以外模糊控制技术、 神经网络控制技术、统计过程控制技术等先进控制技术在精密挤出装备上发挥r 举足轻重的作用。 i 圈l l 德国z n o e x 的检测设备 国外的专业检测设备如i n o e x 公司、雎t a 公司，经过2 0 多年的研发已研制 出基十超卢检测原理的塑料管材注塑成型过程智能在线检测和控制伺服系统，该 系统可对成型过程中管材的管壁厚度、管径、偏心距进行精确测量，测量数据经 实时处理，可直接显示给操作者，操作者根据检测数据发实际生产情况，用指令 采取相应措施控制塑管成型机械的配料比、线速度等，以使产品符合质量要求。 上海大学硕士学位论文 而国内的挤出装备控制技术仅停留在初级p l c 控制阶段，多为开环控制或简单的 联动控制，由于缺少在线测量仪器和先进的控制软件，所以闭环控制很少采用。 1 2 2 国内发展现状 对于我国传统塑料挤出工业来说，国产塑料水管及管件以通用型产品居多， 使用要求高，附加值含量高的管材、管件较少，这大大限制了其市场的拓展。国内 大部分塑材生产企业试验设备不完善，检测技术和检测手段总体上比较落后，国 产塑料成型设备基本上为单机控制，联线控制少，由于国外产品价格昂贵，国内 塑材加工企业在加工过程中应用测厚装置及相应的控制技术极少。 据统计，近年来国产挤出装备的销售量为8 0 0 0 余套年，销售额3 0 亿元左右， 进口挤出装备2 0 0 0 余台套年，进口额2 亿美元左右，进口挤出装备主要为大型和 精密设备，其单价为国内设备的8 - 1 0 倍，其附加值明显高于国内设备。 国产挤出设备无论是在实际水平，还是加工水平上都与国外先进水平存在 15 2 0 年的差距。在实时工艺参数和制品参数监测，以及先进控制技术的采用 方面存在的差距也很大，先进的高精度在线检测仪器主要依赖进口，国内寥寥可 数，且与国外产品的差距在1 0 年以上。目前我国的塑料精密挤出成型设备还处 在起步阶段，发展空间很大。 1 3 本课题研究的意义与内容 1 3 1 课题来源 本课题为上海市科研计划项目“塑管挤出j 豳貔磋铺揪姻”( 项目编号： 0 5 d z 5 2 0 2 9 ) 。课题的目标是将超声无损测厚技术应用于塑管挤出现场，通过研 制一台智能超声测厚设备，实现塑管挤出过程相关参数的在线检测。 1 3 2 研究意义 在人们的概念中，挤出成型是高效、低附加值的塑料加工方法，但随着各种 精密控制系统如温度控制和厚度测量控制装置的开发和应用将改变这一状态，在 一些精密制品的成型加工中，可以带来高附加值，甚至能够起到点石成金的作用。 6 上海大学硕士学位论文 挤出成型制品因几何精度较低造成的浪费是十分惊人的，采用常规挤出装备生产 的板、片、膜、管的壁厚不均匀度一般可达8 至1 0 ，由此造成的材料浪费可 达8 左右。按近年我国塑料制品的产量2 1 0 0 0 k t 为基数，挤出成型制品的年产量 1 2 6 0 0 k t 计算，我国每年由于挤出制品的几何精度低就浪费掉1 0 0 多万吨原料。 如果2 0 的制品采用精密挤出技术和装备来生产，我国每年就可以节约树脂消耗 量1 0 万吨左右，经济效益超过8 亿元。 对于塑料管道加工设备制造企业，如果在目前的加工设备的基础上增加塑管 加工过程质量监控及保障系统，将大大提高加工设备的整体技术含量、提高设备 的附加值，使企业的技术构成提高，从而提升企业的竞争力并确立新的利润增长 点。 本课题的开展在技术上将填补国内在塑管成型加工过程实时监测研究领域 的空白，同时将研制出具有自主知识产权的工业用大口径塑料管道加工过程在线 检测系统及设备。通过节材降耗、提高产品质量，将极大地提升国内塑管加工相 关企业的竞争力。由于本课题是一个系统性工程，它的开展必将在一些关键技术 上获得突破，这会促进国内相关技术或行业的发展。同时本课题的实用化技术具 有广泛的应用前景，不仅限于塑管加工业，也可应用于其它管材加工业。 1 3 3 主要研究内容 课题组以大口径塑料管道为检测对象，研制多路超声探头在线采集塑管管壁 厚度信息与管径信息的智能检测仪器。实现了超声检测的数字化、可视化、人性 化，为进一步实现超声检测图像化、智能化、自动化、以及塑管挤出过程中管壁 信息的定量和定性分析奠定了良好的基础。主要有以下工作： 1 水浸聚焦超声探头的设计。由于被测材料较厚并且是对超声信号衰减较 严重的塑料，该探头的选择将直接关系到整个系统能否正常有效工作； 2 设计并研制信号采集系统，该系统能够实现超声探头的自动对中。由于 系统要监测直径4 0 0 m m ：到6 0 0 m m 范围的管材加工，探头组的位置需要根据被测 管道管径的变化而调整，对中机构不仅要操作简便，更对探头移动的位置精度有 极高的要求； 3 研制多通道检测信号数字化模块。与传统a d 采样不同，这里需要的是塑 7 上海大学硕士学位论文 管内外表面反射信号之间的时间宽度值，该时间宽度大约在2 0 m s 左右，需要高精 度的采集； 4 系统的抗干扰设计。由于现场监控环境恶劣，检出信号较弱且信号通道 较多，抗干扰及降噪设计直接关系到检测数据的准确性。 5 开发基于模糊控制技术的数据处理模式，建立塑管质量模糊评判方法； 本课题是在原有的“在役石油管道超声检测机器人实用化项目”的基础上发 展而来的，一些技术存在着相通性，如对超声信号的放大整形、系统的抗干扰设 计等方面，都值得借鉴和采用。 1 3 4 特色和创新 1 本课题针对国内塑管加工企业在大口径管材挤出加工过程中缺乏有效质 量监控技术及手段，而国外相关设备又极为昂贵的状况，研制可填补国内空白、 性价比大大优于国外同类产品且拥有自主知识产权的大口径塑管加工在线超声 检测系统、装备及技术； 2 本课题将超声无损检测技术与模糊控制技术有机结合，研制高实时性、 高可靠性，小型化的智能检测仪表； 3 研制具有自主知识产权的多探头信号采集系统，该系统已申请两项发明 专利； 1 3 5 技术指标 可对直径4 0 0 m m 蛰j 6 0 0 m m 范围的塑料管道进行在线检测； 对管壁的厚度进行在线精确检测并实时显示，检测精度为0 1 舢； 对管道的外径进行在线检测并实时显示，检测精度为0 1 姗； 对管道的椭圆度进行计算并实时显示； 对检测结果中的壁厚值、椭圆度和时间参数进行数据压缩处理并存储； 被测管道的线速度大于o 3 m m i n ； 具备数据通信接口可与其他设备联机； 连续工作方式。 上海大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章首先对塑料管材的基本情况，包括性能和应用领域、成型技术作了阐述， 重点介绍了挤出成型加工现状。然后通过对国内外两家公司生产的超声测厚仪性 能的分析，论述了国内外塑管挤出成型在线测厚系统的发展水平及研究现状。 最后，本章从课题来源、研究意义、主要研究内容、特色与创新和技术指标 等五个方面对课题做了简单的介绍。 9 上海大学硕士学位论文 第二章系统综述和课题设计方案 2 1 系统检测对象 本课题针对塑管在挤出过程中经常出现的壁厚不均匀和径向变形等问题，采 用超声无损检测技术，由信号采集系统在线采集挤出塑管的壁厚和管径信息，通 过整形放大和数字化处理，由串口输入p c 机数据处理系统，该系统进行数据筛 选和计算，实现实时显示和存储其相关数据，保证挤出塑管的产品质量，提高产 品精度，减少生产材料的浪费。 本课题以大口径塑料管材为被测对象，由于塑料材料的特殊性，其对超声信 号的衰减比金属材料要严重的多，因此，关键是研发具有高穿透、高精度的超声 探头。 系统输入输出数据如表2 1 所示。 表2 1 系统输入输出数据 被测对象大口径塑料管道 输入数据 塑料管道内外表面反射信号、各类参数 输出数据塑料管道壁厚值、管道椭圆度 2 2 系统总体结构方案 一个能得到企业认可的在线系统，必须具备以下几个特点： 1 具有适用于工业现场的硬件结构和能与被监测对象一起连续运行的高可 靠性； 2 系统应在运行状态下或运行状态改变时，尽量减少数据丢失，能提供异 常情况下的解决方案，亦即系统要有高的采样实时性与稳定性； 3 系统应具有符合生产实际状况和需要的工程实用分析功能以及良好的可 扩展性，以期在生产中充分发挥作用。 基于以上设计考虑，结合当前检测系统正在向小型化、智能化和具有人性化 界面方向发展，本课题采用的总体结构方案如图2 一l 。 1 0 上海大学硕士学位论文 i d ，l t 、6l n i 上 l 脉冲发射电路i 显示器 唐口 方 一 l 埋口 前端放 整形波 |l 键盘 柔p比较 一卜数 。 。 上 t k i 大调理电、， 字 事e l l 集 8 路信号闸门 1r 通信 位 网络接口 系路 化 。 机 毒幺， 电路 系 l 统 存储系统 图2 1 系统结构框图 电源 该系统工作过程如下? 首先由脉冲发射电路在方波数字化系统( c y g n a l 的 c 8 0 5 1 f 1 2 1 芯片) 控制下产生周期为5 m s ( 频率2 0 0 h z ) 的八组脉冲波，输入安 装在信号采集装置中的超声探头，八路探头在一个周期内依次接收被测塑料管道 内外表面反射的超声波束，该十六组微弱信号输入前端放大调理电路进行电压幅 值放大，在整形比较闸门电路中去除幅值较小的噪声信号，通过选通门电平产生 塑管厚度方波和水程方波。方波信号输入方波数字化系统，由芯片的可编程计数 器阵列( p c a ) 进行数字化。为保证数据的正确性可将得到的方波时间宽度数据 与预设的极限值进行比较并加以判断。当一个检测周期( t = 5 m s ) 结束以后，将 产生的八组水程数据和八组壁厚数据通过串1 ：3 送入后续上位机系统进行数据的 分析与处理，实时在显示器上显示被测塑管椭圆度和壁厚信息，并保存以备分析。 同时上位机系统可通过程序界面实现相关参数设定。 2 3 功能子系统简介 2 3 1 信号采集系统 信号采集系统由信号采集装置、八路探头的超声仪组成，主要负责超声信号 的采集。信号采集子系统是本课题研究的基础。 针对超声脉冲在塑料中的衰减程度以及实时高速采集时易出现的反射波丢 失问题，本课题采用水浸声透镜聚焦超声探头。该探头可浸在液体中工作，在聚 焦区内声束宽度变小，提高了分辨率，特别适合被严重衰减的塑管内表面反射波 的接收。 同时研制针对大口径塑料管道的信号采集装置，由超声探头、稳压装置、 上海大学硕士学位论文 密封箱体、样管、水箱及水泵等组成，将八路超声探头正确安装在其内部，保证 超声信号的正常稳定采集。 2 3 2 信号处理与数字化系统 该系统由前端放大调理电路、整形比较闸门电路和方波数字化系统组成，其 整体功能是实现超声模拟信号转变为表征水程和塑管厚度信息的数字量。 由于超声探头工作在复杂的现场环境下，噪声干扰大，并考虑塑料对超声信 号的严重衰减，原始超声信号转化为电压幅值信号后一般峰值仅为几个毫伏，需 要放大数千倍至逻辑电平。将原始超声信号转化为表征被测管壁厚与水程信息的 时间方波信号的工作主要由前端放大调理电路和整形比较闸门电路来完成。 与传统的a d 采样不同，本课题关注的对象是两次反射波之间的时间差值， 该时间变量由方波模拟表示，考虑到厚度方波只有2 0 个微秒左右，为了精确的 得到时间值，需要大于2 0 m h z 的采样频率。目前普通计数器的采样频率一般为 1 m h z 左右，满足本课题需求的高频计数器需要向供应商特别定制，成本高，开 发周期增长。本课题采用的c y g n a lc 8 0 5 1 f 1 2 1 芯片带有可编程计数器阵列( p c a ) ， 其采样频率可设置为2 5 m h z ，正好满足采样需求。 2 3 3 串口通讯系统 信号经过信号处理与数字化系统处理，最终要发送到上位机进行进一步的分 析和处理，而串口通讯系统就是搭建两者之间的桥梁。 本课题采用的c 8 0 5 1 f 1 2 1 系统，其u a r t o 是一个具有帧错误检测和地址识别 硬件的增强型串行口。u a r t o 可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式，并 支持多处理器通信。接收数据被暂存于一个保持寄存器中，这就允许u a r t o 在 软件尚未读取前一个数据字节的情况下开始接收第二个输入数据字节。一个接收 覆盖位用于指示新的接收数据已被锁存到接收缓冲器而前一个接收数据尚未被 读取。 对u a r t o 的控制和访问是通过相关的特殊功能寄存器即串行控制寄存器 ( s c o n o ) 和串行数据缓冲器( s b u f o ) 来实现的。用同一个s b u f o 地址可以访问 发送寄存器和接收寄存器。读操作将自动访问接收寄存器，而写操作自动访问发 1 2 上海大学硕士学位论文 送寄存器。 本课题采用u a r t o 的中断工作方式。u a r t o 有两个中断源：一个发送中断标 志t i o ( s c o n o 1 ) ( 数据字节发送结束时置位) 和一个接收中断标志r i o ( s c o n o o ) ( 接收完一个数据字节后置位) 。当c p u 转向中断服务程序时硬件不清除u a r t o 中断标志，中断标志必须用软件清除。这就允许软件查询u a r t o 中断的原因( 发 送完成或接收完成) 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了课题检测对象以及输入输出数据的类型。通过分析系统必备 的特征，提出本课题的系统结构方案，并对工作流程做了说明。 本章主要讨论了各个功能子系统的设计目的与设计思路。由于本课题中的检 测对象是大口径塑料管道，壁厚值很大，超声波束在塑料介质中衰减严重，这就 给检测系统的各个部分都带来相当大的研发难度。因此，本课题采用特制的水浸 聚焦超声探头和信号采集装置。本章最后简要介绍了本课题信号处理电路的特殊 性和c y g n a lc 8 0 5 1 f 1 2 1 芯片的特点以及串口通讯系统通信方式。本章介绍的内 容将在下面几章中详细论述。 1 3 i 。海大# 砸十学位论女 第三章信号采集子系统设计 工业上有很多构件部需要精密的厚度无损检测如各类板材厚度、船舶壳体、 高温高压容器、输油输气管道以及奉课题研究的太口径塑料管道。 超声测厚具有很多优点：首先它的指向性好，具有像光波一样良好的方向性； 其次测量精度高，在测量几毫米以上的厚度时，精度町选到01 05 ：设备 操作性好，对人体无害。因此，超声测厚已成为一种重要的工业上厚度检测手段。 信号采集子系统主要由信号采集装置和八路探头的超声仪组成。 3 1 信号采集装置 信号采集装置是信号的来源，由超声探头、稳压装置、密封箱体、标准管材 水箱、水泵等部件组成。如图3 一l 所示。 3 1 1 超声探头 塑料管道壁厚信息的可靠、高精度采集是整个超声测厚仪工作的基础。考虑 到大口径塑料管道的壁厚值比较大，同时塑料对超声信号的衰减度高因此设计 上海大学硕士学位论文 合适的超声探头至关重要。 超声探头实际上是一种电声和声电转换器件，其种类很多，按照其结构和使 用的波型等分类有直探头、斜探头、可变角探头；直接接触式探头、水浸探头、 轮式探头；纵波探头、横波探头表面波探头；单晶片探头、双晶片探头、阵列探 头；聚焦探头、特殊探头等等。 本课题所采用的超声头，其灵敏度要求相当高，不同于常用的超声探伤探头， 它对制造工艺及材料的要求均较高，目前国内尚无定型产品。这是因为普通超声 探伤探头( 一般在5 m 以下) 与被测工件是直接接触的，探头接收到的反射波信 号较强；本项目中的被测材料较厚( 一般厚度大于1 5 r a m ) 且是声损较严重的塑 料，国内市场没有合适的成品探头，只有根据检测条件及要求，在多次实验、反 复对比的基础上专门研发。 考虑到以上的因素，传统的平头超声探头显然不能满足本课题的设计要求， 因此本课题考虑采用声透镜聚焦探头来代替平头超声探头。与光学透镜一样，声 透镜也有发散或会聚之分，但迄今为止，超声工程中实际使用的都是会聚透镜。 而将声束聚焦的目的，就是使其更细，能量更集中，以便提高超声检测得精度。 聚焦方法如图3 - 2 所示，主要有三种：图( a ) 将晶片做成凹面状，使发射声柬 图3 2 聚焦探头 直接聚焦；图( b ) 通过反射来聚焦；图( c ) 用声透镜法进行超声波聚焦。把压 电晶片做成凹面状，在工艺上比较困难，灵活性较差，因此本课题采用加声透镜 得方法。声透镜聚焦探头可分为球面声透镜聚焦探头和阶梯形带状声透镜聚焦探 头。本课题采用的是球面声透镜聚焦探头。把平面活塞压电换能元件与平面一球 面声透镜胶合，构成球面折射面( 如图3 3 所示) ，发射的声波经过折射可形成 球面会聚的波阵面。聚焦声透镜的几何焦距，用下式计算嘲： f = r o - c c ，) 1 5 上海大学硕士学位论文 式中，r ：透镜的曲率半径，单位是m ： c ：周围媒质中的声速，单位是m s ； c ，：透镜材料中的声速，单位是m s 。 如果是c ， c 的固体透镜，n f 0 ，因此该透镜为凹面透镜；如果是c ， 0 ，所以本课题采用的是 凹面镜声透镜超声聚焦探头。 该探头可浸在液体中使用，不与被测物接触，不需要保护膜，其结构与直探 头相似，但是密封性好，在聚焦区内声束宽度变小，在实际测量过程中明显比普 通的水浸探头具有更高的内表面反射波分辨率。考虑到探头工作在噪声处于高水 平、内反射波幅值低而不稳定的情况下，选用较低频率的探头比较适合，本课题 采用的水浸聚焦超声探头的工作频率为2 m h z ，保证了抗衰减和测量精度的平衡。 声透镜聚焦超声探头的结构如图3 4 所示。 值得注意的是，本课题在装置内共安装有八路超声探头。在信号采集系统开 发完成后，为了保证系统的稳定性，需要对若干探头进行测试和选择，挑选出的 八个探头在相同的工作频率下应该具有相似的品质，具体的挑选方法如下：首先 对超声探头进行编号，准备三种不同直径和壁厚的塑料管道作为被测物，然后选 1 6 t 海大学l 学位论z 择相同的探头工作频率( 2 h z ) ，分别做测试并记录示波器上的波形图，等全部测 试工作结束后按照波形图上显示的探头特性进行选择。 31 2 稳压装置 超声波在空气中的损耗很大，若超声波在传输途中遇到气泡，则无法获得反 射信号，从而导致采集的检测数据失真，返也是超声检测中普遍存在的问题。因 此在探头里不允许有气泡存在，为了解决这个问题设计了一个探头冲水的装簧， 以达到冲走气泡，使信号稳定输出的效果。水泵出水的压力不是根稳定，为了使 每个探头都能得到稳定的压力，设计了稳压管，其实物幽如图3 - 5 所示。考虑到 防腐防锈的因素t 我们采用的是不锈钢材料。经过实验的测试，在安装稳压管之 后t8 个探头通过调试都能稳定地输出信号。 、 3 1 3 密封箱体 斟3 - 5 稳压管实物图( 图中不锈钢部分) 密封箱体要求具有防水、坚固、轻便等特点，因此采用电术拼接而成( 图 3 - 3 中外壳部分) ，坚固而且防水功能比较好。电术是一种人造合成化学物质，算 是种塑胶产品，可做灯头、开关、插座、电路扳等的材料。特性是不吸水、不 上海大学硕士学位论文 导电、耐高温、强度高，因为多用在电器上，所以叫做电木。电木是用粉状的酚 醛树脂，加进锯木屑、石棉或陶土等混合后，在高温下用模子压出成品，其中酚 醛树脂是世界第一个人工合成的树脂。 3 1 4 样管 在调试及实验过程中，样管必不可少。样管的主要作用包括： 1 用于调整仪器参数，包括探头间距、标准直径、超声参数( 水和塑管) ； 2 实验并调试各探头信号的一致性： 3 检验采集信号的准确性； 4 调试设备的整体一致性。 因此，样管的选择也十分关键，选得好可以让调试及实验事半功倍。本课题 所用的样管是黑色的p e 管( 图3 1 中黑色部件) ，外径为5 0 0 m m ，壁厚为1 5 2 m m 。 外径5 0 0 m m 属于大口径的管材，这种管材主要应用于地下水或者石油的输送。 p e 管具有以下几个特点： 1 强度高、耐环境应力开裂性能优良、抗蠕变性能好； 2 韧性、挠性好，对基础不均和错位的适应能力强，可抵御地震和台风等 恶劣环境； 3 具有良好的耐候性( 包括抗紫外线) 和长期热稳定性； 4 耐腐蚀，无需做防腐处理，使用寿命长： 3 1 5 水箱及水泵 由于超声波在空气中损耗较快，因此整个设备必须在水环境下才能正常运 行。为了使设备更加简单实用，我们采用水泵和水箱，使之形成一个循环的系统， 达到系统运行的要求。 本课题的水箱( 如图3 1 中不锈钢箱体) 采用不锈钢材质，可防止长期浸水 后铁锈的产生。 本课题采用普通增压泵供水，事先在不锈钢箱体内装满水，水泵直接从箱体 内抽水。水泵一大一小，大的负责给密封仓供水，小的负责给稳压管供水，冲探 头防止探头内残留气泡影响信号输出。 上海 学顺学位论文 在密封仓的上端，设置一个出水口，将多余的水排放到不锈钢箱体内，这样 就能与水泵抽水形成循环系统。 3 28 c h - b u s 超声仪 超声波常用频率范围为05 1 0 m h z 。由于具有穿透力强、速度快、实时显 示、设备轻便、操作无害、易实现自动化等优点，超声检测已得到越来越广泛的 应用。 图3 - 68 0 h b u s 宽频超声检测仪 8 c h - b u s 超声检测系统采用了8 个宽频水浸聚焦超声探头，自动扫描检测材 料壁厚、尺寸和结合质量等。 3 2 1 宽频超声检测仅技术说明 超声波可分为纵波、横波、表面波及板波。其中纵波和横波是超声检测中常 用的波形。 纵波：足质点振动方向平行于波的传播方向的一种波形。在液体、气体和固 体中均可以传播的波形。 * * d 日 # ”t ：t 一 i 研月r 一叫 * m # * j 自 图3 7 纵波和横波 琵琵一 士一 上海大学硕士学位论文 横波：是质点振动方向垂直于波的传播方向的一种波形，由于空气和液体不 能传播剪切力，因此，横波只能在固体中传播，不能在气体和液体中传播。 超声波的指向性可用下式计算平探头圆晶片半扩散角： 秒= a r c s i n l 2 2 声骶分由冈 _ 一l 幕扩敷观律嘲 图3 8 声压分布及声束扩散规律图 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射及吸收。声波的 衰减可用下面的公式计算： p = p o p 一鲋 ( 口为衰减系数，z 为声程) 超声波的声场通常是以声压、声强和特性阻抗等特征值来描绘。超声波的声 场通常是以声压、声强和特性阻抗等特征值来描绘。 声压q ) ：为在声波传播的介质中，某一点所具有的压强与没有声波存在于 该点的静压强之差。声压与超声波的频率成正比，频率越高声压越强。 声阻抗( z ) ：表示材料的声特性。声阻抗( z ) 为介质密度( p ) 与声速( c ) 乘 积： z 2 p c 反射率( r ) ：通常将反射声压与入射声压的比值称为声压反射率， 透射率( t ) ：将透射波声压和入射波的声压的比值称为声压透射率 ，：盟：丝 p o z2 + 孔 f ：旦：兰墨! p o z2 + z l 式中：刃是反射波声压，p ，是透射波声压，p o 入射波声压，z 2 第二种介质 的声阻抗，z 1 第一种介质的声阻抗。 几种情况： 上海大学硕士学位论文 当z 2 z l 时，r 、t 是正值，表示反射声压和入射声压同相； 当z ： 2 0 m l t z ： 2 运算能力要快，能支撑多探头信号采集： 3 接口丰富，具有鬼好的可扩展性： 4 芯片具有一定的存储空间： 5 芯片支持连续稳定工作可靠性高，能够对异常数据进行判断和处理。 基于以上几点考虑，比较了市场上知名企业的产品的性能和价格，本课题采 用新华龙公司的基于c i p 一5 l 芯片的片上系统( s o c ) c 8 0 5 1 f 1 2 1 ，它具有3 2 个 数字i 0 引脚( 6 4 脚t q f p 封装) ，主要特性如下： 高速、流水线结构的8 0 5 i 兼容的c i p 一5 1 内核，运算速度为i o o m i p $ ： 全速、非侵入式的在线系统调试接口； k - 12 位l o o k s p s 和8 位j o ok b p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关； h4 3s o c 实物倒 两个1 2 位d a c 具有可编程数据更新方式 2 周期的1 6 x 1 6 乘法和累加引擎； 1 2 8 k b 可在线系统编程的f l a s h 存储器： 8 4 4 8 ( 8 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a 3 1 ： 上海大学硕士学位论文 可寻址6 4 k b 地址空间的外部数据存储器接口； 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口； 5 个通用的1 6 位定时器； 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列( p c a ) ； 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 s o c 的实物图见图4 3 。 4 3 1 片内存储器 c 8 0 5 1 f 1 2 1 采用s i l i c o nl a b 的专利c i p - 5 1 微控制器内核c i p - 5 1 ，有标准 的8 0 5 1 程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据r a m ，其中高1 2 8 字节为 0 x 2 0 0 f f 0 ) 臣0 0 0 0 o x l f f f f o x l f c