（通信与信息系统专业论文）双通道虚拟数字式超声波探伤仪的研制.pdf

南京航空航天人学硕十学侮论文 摘要 ，超声波探伤是无损检验的主要方法之一，它可以非破坏性地检测材料内部和 表面酌缺陷及其性质，广泛应用于固民经济的各个领域，并成为保证工程质量、确 保设备安全的一种重要手段。 虚拟数字式超声波探伤仪是一种新型的超声波探伤设备，它是计算机技术和 超声波探伤技术相结合的产物，由普通的个人计算机、专用接口卡和超声波探头组 成，不仅可以完成传统的模拟和数字超声波探伤仪的一切功能，而且能充分利用计 算机提供的软、硬件资源，增强仪器的功能、简化仪器的结构和操作的复杂度，已 成为超声波探伤仪的发展方向。目前，国内已研制成功第一代数字式虚拟超声波探 伤仪。本课题在第一代单通道探伤仪的基础上，又进一步研制成功了新一代双通道 数字式虚拟超声波探伤仪。卜、 本课题的硬件工作平台是p e n t i u m 系列个人计算机，软件平台为w i n d o w s9 x 操作系统，硬件电路板插卡基于i s a 总线设计，应用软件的开发语言采用v i s u a lc + + 语言。本文提出了一种双通道探伤仪实现方案，其硬件复杂度与单通道探伤仪相同 并兼容单通道探伤仪的功能，通过软件实现了单通道向双通道的升级。本文首先简 要介绍虚拟超声波探伤仪的一些背景知识，然后详细阐述仪器的硬件和软件，特别 是从单通道向双通道升级过程中仪器软硬件方面所作的调整和改进，并对其中遇 到的实际问题作了一些分析和探讨。在本文的最后，对虚拟探伤仪的发展作了技术 e 的展望。 关键词：超声波探伤虚拟超声波探伤仪接口卡操作系统 舣通道虚拟数字式超声波探伤仪的研制 a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gi so n eo ft h em a i nm e t h o d so fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) i tc a l l d e t e c ti n t e m a la n ds u r f a c ef l a w si nm a t e r i a l sw i t h o u td e s t r o y i n gt h e m a t e r i a l s ，s ou l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r s ( u f d ) h a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a l d e p a r t m e n t s t og u a r a n t e ep r o j e c tq u a l i t ya n de q m p m e n t s a f e t y v i r t u a ld i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r ( v d u f d ) i san e w s t y l ee q u i p m e n tu s e di n u l t r a s o n i cd e t e c t i n g i tj sar e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n i q u ea n du l t r a s o n i c d e t e c t i n gt e c h n i q u e a v d u f di sc o m p o s e do f c o m p u t e r , c o n n e c t i n g c a r da n du l t r a s o n i c s e n s o r i th a sp o w e r f u lf u n c t i o n sa n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n sw i t ht h es u p p o r to fd e v e l o p i n g s o f t w a r ea n dh i g h p o w e r e dc o m p u t e r i th a sb e e nc o n s i d e r e da sag o o dd i r e c t i o no f u l t r a s o n i cd e t e c t i n gd e v e l o p i n g o nt h eb a s eo ft h ef i r s tg e n e r a t i o nv d u f d ，t h es e c o n d g e n e r a t i o nv d u f d h a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi sa p p l i c a t i o nf o rd u a l c h a r m e ld e t e c t i n g w h i l et h ef i r s tg e n e r a t i o nv d u f di so n l yf o rs i n g l ec h a n n e ld e t e c t i n g d u a l c h a n n e lv d u f di sag r e a ta d v a n c eo nv i r t u a lf l a wd e t e c t o ra n dr e p r e s e n t st h e c u r r e n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no fv i r t u a lf l a wd e t e c t o r t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e wp r o j e c t t or e a l i z ed u a l c h a n n e ld e t e c t o r i nt h i sp r o j e c t d u a l c h a n n e lv d u f di sc o m p o s e do f h a r d w a r ep a r ta n ds o f t w a r ep a r t t h eh a r d w a r ep a r tc o n s i s t so fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n da c o n n e c t i n gc a r db a s e do ni s a b u sa n dau l t r a s o n i cs e n s o r t h es o f t w a r ep a r tc o n s i s t so f t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m sa n da l la p l ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) ，w h i c hi sd e v e l o p e d w i t ht h ei d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ) o fv i s u a lc + + t h eh a r d w a r ep a r t i s c o m p a t i b l ew i t hs i n g l ec h a n n e ld e t e c t o ra n dt h eu p d a t i n g o ft h ed e t e c t o ri s m a i n l yb y m o d i f y i n ga n de x p a n d i n g t h es o f t w a r ep a r t k e y w o r d ： u f dv d u f d c o n n e c t i n gc a r do p e r a t i n gs y s t e m 南京航空航天人学硕十学位论文 1 1 课题背景及任务 第一章引言 超声波探伤是一种先进的无损检测方法。它利用材料本身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缺陷( 如裂纹、气泡、杂渣等) 的大小、形状和分布状况以及测定材料性质。超声波探伤具有灵敏度高、穿透力强、 检测速度快、成本低、设备简单轻便和对人体无害等一系列优点，因此在大型锅炉、 发电机组、输油气管道、铁路、桥梁、航空航天等领域都得到了广泛的应用，成为 保证工程质量、减少损失的一种重要的、理想的手段。 超声波探伤仪是用于超声波探伤的专用设备，是超声波探伤技术的产物，集中 体现了超声波探伤技术的进步和发展。按照传统的分类方式，超声波探伤仪可以分 为模拟式探伤仪和数字式探伤仪两大类。模拟超声波探伤仪诞生得较早，以我国为 例，9 0 年代以前的超声波探伤仪全是模拟式的，它们有一些不可避免的缺点，如缺 陷显示不直观，探伤技术难度大、探伤结果不便保存、探伤精度、可靠性差等等。 近年来，数字式超声波探伤仪的出现克服了这些缺点，并以其检测速度快、精度高， 可靠十幸好等优点，适应了现在无损探伤的高要求，从而得到了前所未有的发展。在 我国，自从1 9 9 2 年第一台数字式超声波探伤仪问世以来，到目前为止已经发展到第 二代，其中：d u t - 9 7 、d u t - 9 2 、c u f d 一9 5 、s o n i c 1 0 0 0 等仪器已经是比较成熟的 产品。这些仪器一诞生，就因为它们相对于模拟超声波探伤仪的性能优势和相对于 国外数字式探伤仪较高的性价比，在超声波领域被广泛使用，成为超声波探伤仪市 场的主导产品。这些仪器的诞生不仅极大地丰富了超声波探伤技术、提高了超声波 探伤水平，而且还为一种不同于传统的数字式超声波探伤仪的新型数字式超声波探 伤仪“虚拟数字式超声波探伤仪”的产生做了技术上的铺挚。 虚拟仪器，又称卡式仪器，是计算机技术高度发展的产物，也是数字仪器发展 过程中的一大进步。它在许多领域都取得了广泛的应用和发展，不仅具有传统的数 字仪器的一切优点，而且由于利用了计算机的高速度、高性能、可编程、易扩充等 优点，可以完成传统的数字仪器达不到的一些数据处理功能，并且可以进行些钾 能分析、智能计算，这些都是以往传统仪器所望尘莫及的。 超声波探伤技术是一门涉及多种学科的综合性学科，与此十【i 埘应，和超一i 波探 伤技术相关的任何技术的发展都会促进超声波探伤技术的发展，尤其是汁筇机技术 的t 坷度发展和成熟，对超声波探伤技术的影响更是巨大而深远的。虚拟数字式超声 舣通道虚拟数字式超声波探伤仪的研制 波探伤仪就是超声波探伤技术和计算机技术相结合的产物。在国外，已经出现了许 多虚拟超声波探伤仪并投入到实际应用中。国内经过一段时间的研制，第一台虚拟 数字式超声波探伤仪d u t - 9 5 8 6 于1 9 9 9 年问世。浚仪器不仅具备了传统的数字 式超声波探伤仪的优点，还解决了困扰传统的数字式超声波探伤仪己久的一些技术 上的难题，如波形的实时存取、缺陷的定量和分析、探伤报告的自动生成等，并且 利用计算机软件较强的交互性，方便了用户的操作，达到了实际使用的要求。但是， 随着市场需求的改变，作为单通道探伤的d u t - 9 5 8 6 已不能完全满足市场和用户的 要求，双通道数字式超声波探伤仪已成为市场的主流。于是，我们提出了一种双通 道虚拟数字式探伤仪的实现方案，其硬件复杂度与单通道探伤仪相同，并兼容单通 道探伤仪的功能，主要通过软件实现了单通道向双通道的升级。基于这个方案，我 们已成功研制出用于双通道探伤的虚拟数字式超声波探伤仪。 1 2 本论文的结构安排 本文第二章将简要介绍超声波探伤的些理论基础和基本知识；在第三章，将 对双通道虚拟数字式超声波探伤仪的整体结构和设计思路作一个概述；第四、五章 将分别详细介绍本仪器的硬件部分和软件部分，列举主要电路模块、解释其功能和 原理，阐述软件设计中的一些主要算法及其思路；第六章对研制过程中所遇到的一 些实际问题及解决方法进行总结，并对今后的后续工作及虚拟数字式超声波探伤仪 的发展前景做了一些展望。 南京航空航犬人学硕士学位论文 第二章超声波探伤概述 超声波探伤的对象有很多，我们所研制的超声波探伤仪都是针对金属探伤的。 应用超声波对余属进行探伤，主要运用了超声波在金属中的传播以及超声波在金属 中与缺陷的相互作用的一些原理。下面将简要讲述超声波探伤的基本原理。 2 1 超声波探伤 2 1 1 超声波概述 振动和波动是物质运动的基本形式之一，物体沿着直线或曲线在某一平衡位置 附近做往复周期性的运动，成为机械振动。振动物体在任一时刻的位移情况可以由 它的振动方程描述：y = a c o s ( o ) 十，+ 曰) 。 振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。在弹性介质中 传播的称为机械波，电磁波可以在空间进行传播。因此，产生机械波必须具备两个 条件： ( 1 ) 要有作机械振动的波源； i 2 ) 要有能传播机械波的弹性介质。 波长丑、波速c 、频率f 描述了一个波的特性，它们之间的关系为：c = 五+ 厂。 次声波、声波、超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们的区别主要是频 率上的不同。人们日常生活中听到的各种声音，是由各种不同声源的振动通过空气 等弹性介质传播到耳膜引起耳膜振动，然后牵动听觉神经产生听觉。但并不是任何 频率的机械振动都能引起听觉，只有频率在一定范围内的振动才能引起听觉。人们 把能引起听觉的机械振动称为声波，频率在2 0 2 0 ，0 0 0 h z 之间，频率低于2 0 h z 的 机械波称为次声波，频率高于2 0 ，0 0 0 h z 的机械波称为超声波。次声波和超声波人 耳都听不到。 超声波探伤所用的超声波频率在o 5 1 0 m h z 之间，对钢等些会属材料的检 验，常用的超声波频率在l 5 m h z 。超声波的波长很短，由此决定了超声波具有一 些重要特性，使其能够广泛应用于无损探伤： ( 1 ) 超声波的方向性好 超声波的频率很高，波长很短。在无损探伤领域中使用的超声波波长为毫米 数量线。超声波可以像光束一样具有良好的方向性，可以定向发射。 ( 2 ) 超声波能量高 般通道虚拟数字式超卢波探仇仪的研制 超声波探伤时的频率远高于声波，而能量( 声强) 是与频率的平方成币比的。 因此，超声波的能量远大于声波的能量。 ( 3 ) 超声波能在界面上产生反射、折射和波形转换 在超声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波所具有的 几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇到界面会产生反射，折射和波形转 换等等。 ( 4 ) 超声波穿透能力强 超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强， 在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其他的探伤手段所无法比拟的。 2 1 2 超声波的类型 常见的超声波分类方法有两种： 一、根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向，可以将超声波分为纵 波、横波、表面波和板波等。 ( 1 ) 纵波l ； 介质中质点的振动方向和传播方向相同的波，称为纵波。当介质质点受到往复 压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。此时介质质点疏密 相同，故纵波又称为压缩波或疏密波。凡是能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播 纵波，固体、液体、气体都能传播纵波。 ( 2 ) 横波s ( t ) ： 介质中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波称为横波，用s 或t 表示。 当介质受到交变的剪切力作用时，产生切变形变，从而产生横波。只有固体介质才 能承受剪切应力，液体和气体都不能承受剪切应力，因而横波只能在固体介质中传 播，而不能在液体和气体介质中传播。 ( 3 ) 表面波r ： 当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波， 常用r 表示。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直 于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以看作为纵向振动和横向 振动的合成，即纵波和横波的合成，因此表面波只能在固体介质中传播，而不能在 液体和气体介质中传播。 表面波只能在固体表面传播，而且表面波的能量随着深度增加而迅速减弱，当 传播深度超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小。因此，一般认为表面波探伤只 能发现距离工件表面两倍波长深度内的缺陷。 ( 4 ) 板波： 南京航空航天人学硕十学位论文 在板厚与波长相当的弹性介质中传播的波，称为板波。 二、按波的形状分类 波的形状( 波形) 时根据波阵面的形状来区分的，根据波阵面的不同，可以把 不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波。 在实际应用中，超声波探头的波源近似活塞振动，在各项同性的介质中辐射的 波称为活塞波。当距离波源的距离足够大时，活塞波类似于球面波，球面波的振动 o 方程为：y = - - “c o s ( t 一二) 。 xc 三、按振动的持续时洲长短，可以分为连续波和脉冲波 ( 1 ) 连续波：波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。 ( 2 ) 脉冲波：波源振动持续时间短( 通常是毫微秒数量级) ，间歇辐射的波称 为脉波。 目前超声波探上中得到广泛应用的是脉冲波。 2 1 3 超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关。对一定的介 质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数，不同的介质，有不同的声速。超声 波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。因此，超声波在介质中传 播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。 一、固体介质中的声速 固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波，但它们的声速是不一 样的。此外，介质的尺寸大小对声速也有一定的影响，无限大介质中与细长棒中的 声速是不一样的。我们可以给出一些声速的理论计算公式，然后给出一些分析结果。 但是在实际的超声波探伤操作中，声速作为一个参数在f 式探伤之前往往要先测量。 无限大固体介质中的声速：无限大固体介质是相对于波长而占的，当介质的尺 寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。 在无限大固体介质中，纵波的声速为： 印j 引编 印挣j 引志 在无限大的固体介质中，表面波的声速为 。0 8 7 + 1 1 2 盯阿 2 f 、万 ( 2 1 式) ( 2 2 式) ( 2 3 式) 烈通道虚拟数字式超声波探伽仪的研制 在上面的三式中，e 表示介质的杨氏弹性模量，g 表示介质的切变弹性模量， p 表示介质的泊松比。 由上面的( 2 1 式) 、( 2 2 式) 、( 2 3 式) 三式比较，可以得出下面的一些结论： 固体介质中的声速于介质的密度和弹性模量等性质有关，不同的介质，声速不 同，介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大。 声速与波的类型有关，在同一固体介质中，有c 。) c 。) c 。 二、液体和气体介质中的纵波声速 由于液体、气体中只能承受压应力，不能承受剪切力。因此液体和气体介质中 陌 只能传播纵波，液体和气体介质中的纵波波速为：c ，= 兰，其中的b 是液体、气 vp 体介质的容量弹性模量。 2 1 4 超声波的叠加、干涉和绕射 一、波的叠加原理 ( 1 ) 当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的 分振动的合成，任一时刻该质点的各列波引起的分位移的矢量和。 ( 2 ) 相遇后的各列波仍然保持它们原有的特性( 频率、波长、振幅、振动方向 等) 不变，并按照自己原来的传播方向继续前进，好像在各自的传播过程中没有遇 到其他波一样。 这是波的叠加原理，它描述了波的独立性及质点在几个波同时作用时的振动叠 加性。 二、波的干涉 波的干涉是波动的重要特征。当两列频率相同、相位相同或相位差恒定的波相 遇时，由于波叠加的结果，会使某些地方的振动始终互相加强，而另一些地方的振 动始终相互减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉现象。产生干涉现象的波源称 为相干波源。 波的叠加原理是波干涉现象的基础，干涉现象的产生是相干波传播到空间各点 波程不同所导致的。 当波程等于波长的整数倍，两列相干波相遇时互相增强，合振幅达到最大值。 当波程差等于半波长奇数倍时，两列相干波相遇时互相减弱，合振幅达到最小值， 当两列波的振幅相同时，则互相完全抵消。 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时相互叠加而形成的波， 称为驻波。驻波是波的干涉现象的特例，当介质厚度h 等于半波长的整数倍时，即 ) h = ，+ 芸时，会产生驻波，驻波t 1 振幅最大的点称为波腹，振幅为零的点称为波节。 2 6 南京航空航天人学硕十学何论文 在超声波探头的设计中，通常压电晶片的厚度就是h = 兰，形成驻波，产生共 振，合振幅最大，这时探头辐射超声波的效率最高。 三、波的绕射 波在传播过程中遇到障碍物时能绕过障碍物的边缘继续前进的现象，称为波的 绕射或衍射。超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射，另一方面产生 绕射，绕射取决于障碍物的尺寸d ，和波长 的相对大小。 当d r 时，几乎只有反射，这时反射回波很强； 当d ，与 相当时，既有反射也有绕射，出于有波的绕射使反射回波减弱。 j 一般认为超声波探伤能探测到的最小缺陷尺寸为芸，其中波的绕射是一个重要 2 的原因。 2 2 普通探伤仪、探头和标准试块 2 2 1 超声波探伤仪 超声波探伤仪是超声波探伤的主要设备，其作用是产生电振荡并加于换能器一 一探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式 显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。 超声仪器分为超声检测仪器和超声处理( 加工) 仪器，超声波探伤仪属于超声 检测仪器。超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目 的、探测场合、探测速度等方面的不同要求，因而有不同的超声波探伤仪，常用的 有以下几种： 一、按超声波的连续性分类 ( 1 ) 脉冲波探伤仪：这种仪器通过探头向工件周期性的发射不连续而且频率 不变的超声波，根据超声波的连续时间及幅度判定工件缺陷的位置和大小。 ( 2 ) 连续波探伤仪：这种仪器通过探头向工件发射连续而且频率不变( 或在 小范围内周期变化) 的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺 陷及缺陷大小。这种仪器现在在超声共振测厚方面有应用。 ( 3 ) 调频波探伤仪：这种仪器探头发出的是连续的频率不断变化的超声波， 根据发射波与反射波的频差变化情况判断工件有无缺陷。现在已大多被脉冲探伤仪 取代。 二、按缺陷显示方式分类 舣通道虚拟数字式超声波探伤仪的研制 t1 ) a 型显示探伤仪：a 型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表 波的传播时间( 或距离) 。纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷 的位置，有反射波的幅度可以估算缺陷的大小。如图2 1 ( a ) 所示。 ( 2 ) b 型显示探伤仪：b 型显示是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠 机械扫描代表探头的扫描轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间( 或距 离) ，因而可以直观的显示出被探工件任纵截面的分布及缺陷的深度。如图2 1 ( b ) 所示。 缺陷示意 ( a ) a 型显示( b ) b 型显示 ( c ) c 型显示 图2 1al ! 、b 牙! 、c 耍q ( 3 ) c 型显示探伤仪：c 型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的纵、横坐 标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接受信号幅度以光点灰度表 示，或者以不同的颜色表示，因而当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工 件内部缺陷的平面图像，但是不能显示缺陷的深度。如图2 1 ( c ) 所示。 三、按超声波探伤仪的通道分类 ( 1 ) 单通道探伤仪：又个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用 较为广泛的仪器。d o t 一9 5 8 6 即属于此类型。 ( 2 ) 多通道探伤仪：这种仪器由多个或多对探头交替工作，每一个通道相当 于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。目前，我们所研制的虚拟数字式双通通 探伤仪属于此类型。 南京航空航天人学硕+ 学位论文 2 2 2a 型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理 a 型脉冲反射式超声波探伤仪相当于一种专用示波器，它们的工作原理和基本 结构式大同小异的。早期的a 型脉冲反射式探伤仪都是模拟的，基于分离元件的， 幽2 2 数字式探伤仪框图 包括同步、扫描电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路等。现在的探伤 仪部引入c p u 处理单元，已经是数字化的仪器，主要包括发射接收电路、滤波放大 电路、a d 模块和显示电路。由于引入数字技术，所以图形数据的后处理工作更加 的方便。数字式超声波探伤仪的框图如图2 2 所示。 仪器的工作过程如下： 控制电路触发发射电路产生高频窄带脉冲加到探头，激励压电晶片振动，产生 超声波并发射到工件中去，超声波在工件中传播遇到缺陷或底面发生反射返回到探 头时，又被压电晶片转换为电信号，经过接收电路然后到滤波放大电路，检波之后 送到a d 模块中进行采样和压缩处理，最后送到显示屏上进行显示。根据缺陷的位 置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估计出缺陷当量的大小。 2 2 3 探头的种类和结构 探头是实现电信号与声信号相互转换的器件，是超声探伤仪的重要组成部分。 目前所用的探头，绝大多数是利用压电效应原理制作的，探头中的核心元件是压电 晶片，它的作用是发射和接收脉冲超声波。压电晶片是探头的关键元件，其性能好 坏直接关系到探头的质量，因而各种探头的压电晶片都是经过精心研制而成的。 超声波探伤中，由于被探工件的形状和性质、探伤的目的、探伤的条件不同， 因而使用各种不同形式的探头。在超声波探伤中常用的探头包括直探头、斜探头、 表面波探头、双品探头等。 波束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。直探头用来发射和接收纵 波，一般用于手工操作接触法探伤，既适宜于单探头反射法，也适宜于双探头穿透 法。使波束倾斜与工件表面射入工件的探头称为斜探头，依入射角度的不同，可以 o 舣通道虚拟数字式超卢波探伤仪的研制 在工件中产生纵波、横波和表面波，也可以在薄板中产生板波。通常的斜探头指横 波斜探头，它的标称方式常用横波在钢中的折射角的正切值( 也称为k 值) 来标称。 超声波探伤仪的探测能力在很大程度上取决于探头超声频率的选取，超声频率 高时、波长短、声束窄、扩散角小、能量集中，因而发现小缺陷的能力强，分辨率 好，缺陷定位准确：但是扫查空问小、仅能发现声速轴线附近位置的缺陷。此外， 高频率超声波在材料中衰减大，穿透能力差。频率低时，波长长、声束宽、扩散角 大、能量不集中，因而发现小缺陷的能力差、分辨率也差。但是扫查空间大。此外， 低频超声波在材料中衰减小、穿透能力好。 一般的接触法探伤中，对于晶粒细小的材料，考虑到探测范围和分辨率等因素， 采用2 5 - 5 兆赫的频率是合适的，例如大型的锻件、焊缝等。超声波能发现的最小缺 陷一般是在 2 左右。当采用2 5 兆赫或5 兆赫的频率时，能发现的最小缺陷是一 毫米左右，这对我们通常所要求探测的缺陷大小是足够了。对于晶粒粗大，对超声 波散射较强烈的材料，频率高时，就会出现晶界引起的林状回波，导致无法探伤， 因此对于这类材料一般选用低频率的超声波。 超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头实现的。探头的类型很多， 性能各不相同，需要根据检验的对象合理的选择探头。比如在探测锻件时，因为缺 陷大多垂直与锻压方向，一般选用直探头在锻压面上探测；而在检查焊缝时，因为 存在焊缝加强面以及危险缺陷大多垂直于或大致垂直于探侧面，一般选用斜探头探 伤。 2 2 4 标准试块 在无损检测技术中，常常采用与己知量相比较的办法来确定被检测物体的状 况。超声无损检测中是以试块作为比较的依据。试块上有各种已知的特征，例如它 具有特定的尺寸以造成固定的声学特性，或者它带有某一尺寸的孔、凹槽、狭缝等。 超声波探伤仪在实际使用时经常要进行校f ，校正的依据就是这些具体条件已知的 标准试块。用试块作为参考依据是超声波探伤技术的一个特点，超声波技术的发展， 一直是与试块的研制、使用分不丌的。 所谓标准试块，就是指它的材质、形状、几何尺寸、性能等是由国际组织讨论 通过的，或者由某个国家的权威机构讨论通过的。还有一些非标准的、可能是由用 户制定的参考试块，它们都是用来调节、校验仪器的。 ( 1 ) 确定合适的探伤方法 有时在探伤之前，我们就预先知道或者大概知道缺陷可能发生在什么部分：也 有时仪仅需要探测某一部位有无缺陷。我们可以应用在某个部位带有某种人工缺陷 ( 孔、凹槽等) 的试块来摸索合适的探伤方法。一般来说，在这样的试块上摸索到 的规律，也适用于与试块材质、尺寸相同的工件。 1 0 南京航空航犬人学硕十学位论文 ( 2 ) 确定探伤灵敏度何评价缺陷的大小 大多数的探伤仪都有较大的灵敏度范围，以便能探测到不同种类、不同厚度的 工件。在每次探伤时使用的灵敏度各不相同，为了能确定探伤时所采用的灵敏度， 就需要使用试块，这种试块带有人工缺陷。用人工缺陷波的波高表示探伤灵敏度， 这是最常用的一种定量的表示灵敏度的方法。 为了评价工件中某一深度处缺陷的大小，可以利用试块，采用与同一深度处的 各种人工缺陷波的波高比较的方法，这就是所说的当量法。 ( 3 ) 校验仪器及测试探头的性能 对于使用者来说，为了方便起见，可以利用试块来校验仪器的一些参数、仪器 的性能以及探头的性能。 2 2 5 探伤仪和探头的主要参数 探伤仪要显示出合适的波形图像，必然要有可以控制的参数，这些参数包括： ( 1 ) 声程：也就是声波所走过的距离，它其实是和时间紧密联系在起的， 因为在声速已知的情况下，距离和时间参数是可以互换的。声程可以展宽和缩小， 相当于普通示波器上的时基旋钮。 ( 2 ) 增益：控制仪器的放大倍数，控制波形在垂直方向上的变化，相当于普 通示波器上的y 轴灵敏度旋钮。 ( 3 ) 延迟：用来控制a d 模块采样的起始时刻，调节它可以把所需要的波形 移到波形显示区的中心，以便于波形的观察。 ( 4 ) 抑制：可以把低于某给定的波形置为零，也就是不显示小波形，用该 参数可以让波形显示区比较干净，滤掉不需要的杂波，便于观察大的波形，但是有 时也会导致漏检。 ( j ) 零点偏移：为了对探测出来的缺陷进行准确定位，探头中压电晶片与被 探测工件表面的这一段距离由软件测出并自动去除。 ( 6 ) 声速：由于被探测工件的材料不同，工件中传播的声速也不相同，为了 准确定位缺陷，声速需要由软件测出并反映到实际的探伤中( 声程的变化) 。 ( 7 ) 斜探头的k 值：在一些特殊的场合要用到斜探头，由于斜探头的声波是 倾斜入射到工件的表面，为了缺陷定位的准确性，要测出入射声波的折射角，而折 射角的_ f 切就称为k 值。 烈通道虚拟数字式超声波探伤仪的研制 第三章双通道虚拟数字式探伤仪的结构 虚拟数字仪器不同于传统意义上的数字式仪器，其主要特点是：用一块或几块 基于p c 机标准总线的插卡取代了传统仪器的硬件模块，通过相应的总线接口和接口 驱动程序，将插卡上采集的数据传给计算机，并根据不同仪器的不同要求，编制相 应的处理软件，利用计算机高速度、高精确性等优点，完成对数据的处理，最后通 过计算机的显示器将处理结果显示在由软件编制的控制界面上，用户可以通过控制 界面对仪器进行操作。 由于虚拟仪器的硬件电路仅仅是基于p c 机标准总线的插卡，因而可以利用接 口的标准性，很方便地进行硬件电路的设计；针对不同的仪器，只需基于一定的总 线设计相应的插卡，编制对应的应用软件即可。可以看出，虚拟仪器的核心是由插 卡和相应的软件构成的，所以又称虚拟仪器为卡式仪器。又由于利用了计算机c p u 进行数值处理，并且编制了相应的应用处理软件，承担了很多原先由硬件处理的功 能，因而在很大程度上简化了仪器的硬件电路，再加之软件模块的可扩充性，可以 在不改变硬件电路或者硬件电路作微小改变的基础上，对应用软件进行大规模的修 改，从而对仪器的功能进行扩充。我们对双通道虚拟数字式超声波探伤仪的设计正 是在这些特点的基础上，提出了个切实可行的方案，其硬件部分不仅兼容了单通 道探伤仪的全部功能，而且其复杂程度基本与单通道探伤仪的硬件部分相同；从单 通道向双通道的功能升级字要通过软件的编制、修改、扩充来实现。 3 1 虚拟超声波探伤仪简介 虚拟超声波探伤仪由计算机、接口卡和超声波探头组成( 如图3 1 所示) 。超 声波探头负责超声波信号和电信号的转换；接口卡部分则对超声波探头转换成的模 拟电信号进行一系列处理，如模拟信号的放大、滤波、检波等，将处理过的信号通 过a d 转换成数字信号送入计算机，此外还要接收用户通过计算机下达的些操作 幽3 i 虚拟超卢波探伤仪的组成 1 2 南京航空航天人学硕十学位论文 仪器的命令；计算机则在相应的应用软件的配合下完成对仪器的操作和波形的显示 等任务。计算机和软件的使用，完成了传统的数字式探伤仪中c p u 板、键盘、视频 显示描述、高压驱动电路和显像管等部分的功能，用软件实现了以往仪器用硬件实 现的功能。实现了仪器的“虚拟”，极大的简化了仪器的结构，增强了仪器的功能。 3 2 双通道虚拟探伤仪的结构 本课题所研制的双通道虚拟数字式超声波探伤仪的基本结构如图3 2 所示，模 拟信号处理( 主要包括滤波、检波、数控放大三个部分) 、a d 转换、d a 转换、可 编程数据压缩和接口选择是浚仪器接口卡的主要组成部分，共同完成仪器接口卡的 功能，它们和超声波探头一起被称为仪器的“硬件”部分；而针对硬件编制的相应 的应用软件则被称为仪器的“软件”部分。 图3 2 双通道虚拟数字式超声波探伤仪的结构 虚拟超声波探伤仪的设计主要由硬件设计和软件设计两大部分组成。因此，选 择好仪器设计的硬件和软件平台对仪器的设计来说是非常重要的。本仪器的硬件平 台采用“奔腾”( p e n t i u m ) 2 6 6 的工控计算机，实现了仪器的随身携带。软件平台 采用w i n d o w s 操作系统，如w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sn t 。这主要是因为w i n d o w s 操作系统直观的图形用户接口和强大的帮助功能，使得仪器的操作十分方便。开发 软件选用了m i c r o s o f t 的集成丌发环境中( i d e ) 的v is u a ic + + ( 简称v c ) 。v c 作为 一种良好的 8 in d o w s 编程语言具有如下一些特点：它是种面向对象的编程语言， 可以直接根据用户的操作步骤对相应的控件或菜单等对象进行编程；v c 编辑环境提 供了强大的程序管理和调试功能，最大限度地减少了应用程序的错误；它提供了所 见即所得的资源编辑环境，编程人员可以很方便的利用标准的w in d o w s 控件制作出 标准的w i n d o w s 界面，极大的方便了用户的操作，减少了丌发的周期：v c 代码效率 烈通道虚拟数字式超卢波探伤仪的研制 高，程序功能易扩充，尤其适合于对硬件进行管理的应用程序的编制。正是这些优 点，我们采用v c 作为仪器软件的编程语言。研制的结果也证明了这个选择的币确性。 陔仪器的接口卡是插在计算机的总线上的，是基于i s a 总线设计的。接口卡上 的硬件电路由一些功能模块和时序电路、接口电路组成，它们必须满足i s a 总线接 口的要求，在这旱我们采用了一个成熟的硬件驱动程序作为软硬件的接口，使得接 口卡可以受计算机的控制，并且能将采集到的数据准确的传给计算机。接口卡和计 算机之间进行数据通信的方式有查询方式、中断方式、d m a 方式，该仪器采用了中 断方式做到了实时的将数据传给计算机。计算机接收到接口卡上送过来的数据后， 就可以通过软件对其处理并在界面上显示，为此，在软件实现方面，我们提出了新 的波形实时显示算法，在兼容单通道波形显示的基础上，合理的解决了双通道波形 实时显示的要求；为了实现仪器的其它功能( 诸如增益控制、波形压缩展宽等) ，由 于硬件部分中增益控制模块的主控芯片的改变，我们提出并实现了全新的增益校正 算法，修改扩充了声程的压缩、展宽算法。正是由于这些算法和软件中的一个个功 能模块以及硬件的支持，才保证了仪器实时性、可靠性的要求。有关仪器的硬件、 软件以及软硬件的接口将在第四、五章作详细的阐述。 和传统的数字式探伤仪相比，本仪器有其鲜明的优点： 1 波形的实时显示 传统的超声波探伤仪的波形显示是通过仪器的扫描电路来完成的，而虚拟超声 波探伤仪是由软件完成波形的显示，所以波形的实时显示有着很大的难度。但由于 我们采用了效率很高的显示算法，使得本仪器波形的实时显示算法不仅能显示彩色 波形，前景色和背景色都可以由用户根据具体情况改变，而且耗时极短，即使是在 般的计算机上也可以无闪烁的稳定显示。 2 动态指数3 a c 曲线 用户可以在仪器的指示下采样两个或两个以上的有效峰值点，仪器就可以做出 符合指数衰减规律的指数d a c 曲线。这与传统的超声波探伤仪只能制作实测的直线 段的d a c 相比，极大的方便了探伤人员对缺陷的定量工作，提高了定量的准确性。 而且这种d a c 曲线可以随着声程的展宽压缩、增益的调整而自动更新显示，这更是 传统的超声波探伤仪无法达到的。 3 动态d a c 门 该仪器可以制作出符合实际需要的d a c 门( 包括1 ) a c 进波报警门、d a c 失波报 警门以及动态定量门) 。与d a c 曲线相似，这些d a c 门也可以随着声程的展宽压缩、 增益的调整而自动更新显示。这使得将来自动探伤成为可能。 4 多种探伤标准 孩仪器中含有大量的探伤标准。在超声波探伤领域内各种各样的标准层出不 穷，虚拟超声波探伤仪因为其内存空问大和软件的可扩充性等优势，在仪器内部包 含了几乎所有的常用的探伤标准，而且还可以为特殊用户专门定制自己的标准。 南京航空航犬人学硕七学位论文 5 强大的后处理功能 浚仪器可以通过对采样的数据进行分析画出相应的缺陷定位的示意图，如焊缝 显示与曲面修萨示意图，而且还可以显示b 型扫描示意图，显示缺陷的一维大致形 状。 陔仪器拥有和一般计算机一样大的存储空i 剐，通常为几g 一几十g ，可以存储大 量的图形数据并加以编号，而且能自动作出探伤报告。还和w i n d o w s 操作系统的一 些常用软件相兼容，从而使用户可以方便的制作出美观实用的后期报告。 舣通道虚拟数字式超声波探伤仪的研制 第四章双通道虚拟超声波探伤仪的硬件 虚拟数字式探伤仪的硬件，从广义上来说包括超声波探头、专用接口卡、和一台 没有配备专用应用软件的计算机。而从狭义上来讲，则是指超声波探头和专用接口 卡，因为对仪器的设计者来说，仪器硬件部分的设计即是超声波探头和专用接口卡 的设计，更进一步的说，就是专用接口卡的设计。接口卡部分包括许多电路模块， 这些模块和传统的数字式探伤仪有一些共同之处，又有着显著的差异：整个接口卡 的设计是针对一定的总线的，本仪器的接口卡就是针对i s a 总线的，并采用了可编 程逻辑器件设计接口电路。 双通道虚拟探伤仪专用接口卡的设计是建立在单通道探伤仪的基础上的，如前 所述l 其硬件部分包括模拟信号处理电路、a d 和d a 转换电路，数据压缩和接口 控制f 船等等。针对双通道的特点，我们对其中些电路作了调整，提出并实现了 两种方案，一是对原有的单通道接口卡不做大的修改，用两块单通道接口卡实现双 通道接口卡，这样做的优点在于对原先电路板的改动少，只需在其中一块接口卡的 可编程器件里改变相应的i 0 端口即可；缺点是占用了较多的系统资源，增加了仪 器进一步升级扩充的难度。另一种方案是对原先单通道接口卡做一定的改动，添加 信号发射接收电路和通道选择电路等一些功能模块，用一块接口卡实现双通道探伤， 这样做的优点在于板卡所占的系统的资源小( 仅需一条总线插槽) ，为系统进一步升 级打下了良好的基础，缺点在于两路信号之间的乇掳难以避免。下面，将在介绍具 体电路的同时，就两种方案作详细的分析。q p 一，炉 4 1 发射接收电路岣私i 脚氅0 0 “帏救 1 竹川叫7 超声波探伤仪中，探头是进行声电信号相互转换的器件，这种转换需要外部的 激励。探头中的压电晶片需要高压负脉冲激励才能发射出超声波，高压是由变压器 进行升压产生的，产生的高压加到个大电容和一个丌关m o s 管上，m o s 管的通 断由控制电路输出的触发脉冲控制，开关管的通断控制电容的一端是高压还是零电 压，由于电容两端电压不能突变，在电容的另一端就产生了高压的负脉冲，这个高 压负脉冲加到探头激励压电晶片产生超声波。 超声波被障碍物发射回探头，再由压电品片转换为电信号传送给接收电路，对 于单探头探伤，发射和接收用同一个探头，在接受的电信号甲混有高压的负脉冲， 则对后续电路很不利，我们采用稳压管和二极管构成的嵌位电路来去掉高压的负脉 冲。 对于用两块单通道接口卡构成的双通道接口卡，每块板卡上分别有一信号发射 南京航空航大人学硕七学位论文 和接收电路，分别由相应的控制信号触发，因而发射接收这部分电路不需要做任何 调整，就可以继续使用。而对于一块接口卡构成的双通道电路，我们在原先单通道 接口卡上增加了一路信号发射接收电路，并在其后加入了信号选择控制电路，控制 电路的主要部件是一模拟丌关。用户通过对应用程序界面的操作将相应的控制、选 通命令通过接口电路传给模拟丌关，实现信号的选择。 4 2 模拟信号处理电路 接口卡的模拟信号处理部分主要负责接收超声波探头经过发射接收电路传来的 模拟电信号，并对其进行处理，以便于a d 对其进行采集以及计算机对采集的数据 进行处理。模拟信号部分由滤波电路、检波电路、增益控制电路三部分组成。下面 一一介绍。 4 2 1 滤波电路 。， 1 。i 蕊i i ：m 滤波电路可以滤除信号带宽外的噪声，提高仪器的信噪性能。根据不同类型的 探头产生的不同频率的超声波信号和用户探伤的需要，仪器的用户可以选择不同带 宽的滤波电路，以达到最好的探伤效果，大多数的超声波探伤仪，都工作在 0 4 1 5 m h z 。本仪器提供了包括宽带在内的六个工作频段供选择，它们是 0 4 1 5