（测试计量技术及仪器专业论文）超声波探伤信号数据采集技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 捅要 钢铁材料在生产加工过程中，会在钢铁的内部或外部产生分层、裂纹、重皮等各种 缺陷。缺陷会对材料的金属特性和机械强度影响很大，容易产生断裂、撕裂等现象，影 响使用该材料的设备和工具的使用寿命及质量，给安全生产带来潜在隐患。目前，在众 多探伤检测法中，超声波探伤法是国内外公认的检测钢铁材料内部缺陷最为有效的检测 方法。数据采集是探伤过程中最为重要的一个环节，会直接影响探伤的精度和准确性。 论文论述了超声波数据采集卡的设计。主要针对超声波探伤信号的数据采集，除了 为保证能够精确恢复探伤回波信号而采用高速数据采集外，还对采样到的数据进行实时 处理。采集卡以d s p 为核心器件，通过高速a d 及其外围电路实现高速数据采集。系 统包括信号放大、模数转换、数据缓存和数字信号处理四大部分，以d s p 为核心，对 探头接收到的超声波回波信号进行高速数据采集，由d s p 对采集到的数据进行数据处 理，并通过u s b 接口将数据传送到上位机。为了解决在数据采集过程中不可避免引入 的噪声对探伤结果的影响，设计还包括对输入信号进行小波变换的方法，进行对输入信 号的噪声去除。即采用小波分析的方法，利用d a u b e c h i e s 小波家族的d b 2 做小波函数， 借助于小波变换的时一频局部分析特性，对超声波回波信号进行多分辨率分析。在每一 阶设定不同噪声阈值，对输入信号进行噪声去除，并将噪声去除后的信号进行重建。 通过对探伤试块探伤回波信号数据采集实验，本数据采集卡能够实现对超声波探伤 回波信号进行高速数据采集，并通过i j s b 接口将采集到的数据传送到上位机。使用小波 去噪法，重建的回波信号中的噪声得到了有效的抑制，能够获得理想的缺陷回波数据。 关键词：超声探伤，d s p ，小波分解，阈值 超声波探伤信号数据采集技术的研究 t h er e s e a r c ho f d a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y o f u l t r a s o n i cd e t e c t i o ns i g n a l a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fs t e e lm a t e r i a l s p r o d u c ea n dm a n u f a c t u r e ，f l a w so fo v e r l a p p e ds k i n , c r a c ki n s i d eo ro u t s i d et h es t e e lm a t e r i a l sw i l l a p p e a r t h ef l a w sm a yi n f u e n tt h e c h a r a c t e r i s t i co fm e t a la n dt h e i n t e n s i t yo fm e c h a n i s m , w h i c hw i l le a s i l yb r i n g t h e p h e n o m e n o no fr u p t u r ea n da v u l s i o n , i n f l u e n tt h eu s i n gl i f ea n dq u a l i t yw h i c hu s es t e e l m a t e r i a l si n c l u d ef l a w s ，a n db r i n g sh i d d e nt r o u b l ei nt h es a f e t yp r o d u c i n g a tp r e s e n ti nt h e m o s to ff l a wd e t e c t i o nm e t h o d , u l t r a s o n i cd e t e c t i o ni sa d m i t t e d l yt h i n kt ob et h em o s t e f f i c i e n t l yd e t e c t i o nm e t h o di nd e t e c t i n gt h ei n n e rf l a wo fm a t e r i a li na n da b r o a d d a t a a c q u i s i t i o ni st h em o s ti m p o r t a n ts t a g ei nt h ep r o c e s so fd e t e c f i o n , i tw i l ld i r e c t l yi n f l t m n tt h e p r e c i s i o na n dv e r a c i t y t h i sa r t i c l ew a sa b e u tt h ed e s i g no fu l t r a s o n i cd a t aa c q u i s i t i o n , b e s i d ec o l l f i r mh i 曲 s p e e d d a t aa c q u i s i t i o nw i t c hc a n p r e c i s e l yr e b u i l dt h ed e t e c t i o ne c h os i g n a l ，i tw i l la l s od o r e a l t i m ep r o c e s st ot h ea c q u i r e dd a t a t h ec o r ed e v i c ei nt h ec a r di sd s p , t h ec a r dc a nr e a l i z el l i g h s p e e da c q u i s i t i o nt h r o u g hh i g hs p e e da da n dp e r i p h e r a ld e v i c e 1 1 坞s y s t e mi n c l u d e sf o u r p a r t st h a ti st h ea m p l i f i e r , a d ，d a t ab u f f e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i nt h ec o r eo f d s p t h e c a r dc a np r o c e s sh i g hs p l e e dd a t aa c q u i s i t i o no nt h eu l t r a s o n i cs i g n a lc o m ef r o mt h e 辩n s o r ， a n dt h e nd s pw i l ld e a lw i t ht h ed a t aa n dt r a n s m i tt h ed a t at ot h ec o m p u t e rt h r o u g hu s b i n t e r f a c e i no r d e rt or e s o l v et h ei m p a c to f t h ea v o i dn o i s ei nt h ep r o c e s so f d a t aa c q u i s i t i o nt o t h ed e t e c t i o nr e s u l t , t h ed e s i g na l s oi n c l u d em e t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r mt ot h ei n p u ts i g n a l ， w h i c hw i l lw i p eo f f t h en o i s ei n t h ei n p u ts i g n a l s ow eu s ew a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o da n dd b 2 鹪t h ew a v e l e tf u n c t i o ni nt h ew a v e l e tf a m i l yo fd a u b e c h i e s i nt h eh e l po ft h n e - f i - e q u e n c y p a r ta n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i cm a d em u l t i r e s o l v i n gc a p a b i l i t ya n a l y s i so fu l t r a s o n i cs i g n a l d i f f e r e n tn o i s et h r e s h o l dw a ss e ti ne v e r ys t a g e ，t h ei n p u ts i g n a lw a sd e - n o i s e d , a n dt h e d e n o i s e ds i g n a lw a sr e b u i l t u s i n gt h i sm e t h o d , t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tn o i s ei nt h e u l t r a s o n i cs i g n a lw a se f f e c t i v e l yr e s t r a i n e d n 沈阳工业大学硕士学位论文 e x p e r i m e n to f h i g hs p e e dd e t e c t i o ne c h os i g n a l sa c q u i s i t i o n a b o u tt e s t i n gb l o c kc o n f i r m t h a tt h i sd a t aa c q u i s i t i o nc a r dc a nr e a l i z eh i 【g hs p e e da c q u i s i t i o no fd e t e c t i o ne c h os i g n a la n d t h ea c q u i r e dd a t ac a l lt r a n s m i tt ot h ec o m p u t e rt h r o u g hu s bi n t e r f a c e t h en o i s ei nt h e r e b u i l ds i g n a li se f f e c t i v e l yr e s t r a i n e dt h r o u g hw a v e l e td e n o i s em e t h o d ，p e r f e c tf l a wd a t ac a n a c q u i r e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n , d s p , w a v e l e td e c o m p o s e , t h r e s h o l d - i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工 业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：矽7 ；膨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：掣导师签名：域日期：堂掣 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 随着当今世界科学技术的飞速发展，航空、航海、汽车等工业对钢材的需求量与日 俱增，对质量的要求也越来越高。由于生产工艺及其金属内部结构特性，在其生产和加 工过程中，不可避免会产生各种缺陷。具有这些缺陷的钢材难以达到其应具有的机械强 度，一旦被使用，就会因为过低的机械强度和机械疲劳度带来安全隐患甚至灾难。 通常钢铁会含有裂纹、重皮和分层等缺陷，裂纹和重皮属于表面缺陷，通常可以用 肉眼观察到；而机械强度和特性影响最大的缺陷是分层，它属于内部缺陷，我们通常无 法用肉眼直接观察到【l 】钢板中的分层主要是由板坯中的缩孔残余、气泡或夹杂物等在 轧制过程中未焊合而形成，常存在于板厚或板宽的中间部位。当钢板受垂直于表面的拉 应力作用时，分层会严重影响钢板的强度。分层出现在焊接坡口处会使焊缝产生缺陷， 如果焊接应力垂直于分层面，则即使分层不开口。坡口处也易产生撕裂【2 】。作为高速智能 数字化超声探伤仪的一个重要组成部分，数据采集卡是采集回波信号、进行数字信号处 理和与主机进行通讯的核心器件，它还决定了超声波探伤仪的探伤速度和精度。因此一 部高速智能数字化超声探伤仪是否具有一块优秀的高速数据采集卡是判断其性能的一 个重要标准。国内外高速数据采集卡的价格高昂，使得其难以在国内探伤行业大范围进 行推广。因此，有必要自主开发一套具有高性能且价格低廉的高速数据采集卡。 1 2 国内外发展近况 自从1 9 2 9 年苏联科学家s o k o l o v 第一次提出超声波探测物体内部的缺陷和结构，并 成功的研制了第一台连续超声波检测探伤仪以来，超声波检测探伤技术在工业领域中得 到了广泛的应用 3 1 。在2 0 世纪7 0 8 0 年代，超声波检测仪器的研制开始进入到数字化阶 段。该技术是通过超声波接收部分将超声波检测仪器采集的超声波回波信号放大，并由 模数转换器转变为数字信号传给微处理器【4 】。微处理器再把随时间和位置变化的超声波 波形进行适当处理。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， 另一方面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。不仅解决了超声波检测的记录问题，而且减少了人为误差，提高了检测结果 超声波探伤信号数据采集技术的研究 的可信性。当前，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头、大规模集成电路以及计算 机技术的高速发展，各种新材料，特别是高性能功能材料( 诸如先进复合材料、功能陶 瓷材料、微电子材料等) 的出现，使得具有高数字化、自动化、智能化超声检测和超声 成像技术变成了热点，并且，广泛地用于材料的物质评价和工程寿命评估，从而使超声 检测技术与断裂力学和材料间发生了更加深入密切的联系，在工业领域中得到了更加广 阔与深入的使用。 为了配合超声探伤仪生产厂商，国内外各大数据采集卡生产厂商也加紧对高速数据 采集卡的研究。近些年，随着半导体技术的高速发展，各类芯片的速度和性能也随之增 强，数据采集卡的采样速度和精度也随之增加。尽管如此，各大国内国外厂商推出的各 类数据采集卡的采样速度以及精度仍然不能满足人们对其的要求。虽然一些著名厂商推 出了速度和精度均比较理想的数据采集卡，但其高昂的价格却让使用者望而却步。作为 国内数据采集的龙头和旗舰企业，凌华科技推出了h s 3 1 0 0 型号数据采集卡，具有 1 0 0 m s p s 的采样速率和8 位的分辨率，其市场价格为1 万8 千多元。而2 0 0 5 年3 月推出的型 号为p x i 9 8 2 0 的数据采集卡，达至t j l 3 0m s p s 的采样速率和1 4 位的采样精度，但是它的市 场价格却高达到了3 万多元【5 l 。美国的d e l a n e e 公司的型号为p c i a v r 3 2 5 0 3 的数据采集卡 虽然只具有1 2 位的采样分辨率和6 m s p s 的采样速率，售价却为l 万7 千元。瑞典的战略测 试公司的u f 3 0 0 0 p c i 数据采集卡的采样速率为1 0 0 m s p s 和1 2 位的a d 精度，售价为4 万元。 1 3 超声波检测的主要优点 超声检测、磁粉检测和射线检测构成当今无损检测的三大组成部分。其中，磁粉检 测方法，只能检查被测物体的表面和近表面缺陷，对其内部的裂纹不敏感。漏磁检测中 被测物体在强大的磁场下磁化后，很难在短时间内消磁，为了实现快速退磁，还需要退 磁装置，加大了检测的难度和成本。射线检测法虽然可以用于检测内部缺陷，但是它对 裂纹等面形缺陷检测灵敏度低，并且检测速度较慢。并且具有辐射性，对检测人员的健 康具有威胁，需要配备专门的防护设备，因而大大限制了该方法的应用范围【6 】。超声检 测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性，不仅对平面缺陷很敏感，而 且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对人体无害，并且检测速度快，操作 方便，易于实现自动化超声检测。超声波检测法除了具有设备简单、安全性好、使用方 沈阳工业大学硕士学位论文 便和检测范围广等根本性的优点外川，还可以通过计算机实现对超声检测采集到的信号 实时处理，提高了检测的自动化程度。超声检测还具有对微型裂纹敏感的特点，结合断 裂力学和损伤力学的知识可以对检测对象进行寿命估计，因此超声检测在当今的无损检 测领域应用最为广泛。 1 4 论文的主要研究内容 本论文主要研究关于超声波探伤信号的数据采集问题，针对于超声波探伤的特点， 本文着重解决以下两个方面问题： ( 1 ) 针对超声波脉冲回波信号宽度较窄，实现对回波信号的高速数据采集。 ( 2 ) 针对采集到的回波信号含有噪声，使用小波分析的方法，实现对噪声信号的 抑制。 超声波探伤信号数据采集技术的研究 2 超声波检测的原理及方法 超声检测是一种常规的无损检测技术，它利用超声波在材料中传播时，遇到界面( 如 裂纹、气孔缺陷) 反射回来的声讯号特征，或声能在不同介质中衰减特征不相同等性能， 来检测被测物内部的缺陷情况嗍。超声波检测的基本原理如图2 1 所示例。 产生用于il 超声波在介质il 信号的处理 警黎譬警r 叫老的传播和接r 1 和显示 声波信号ll 收ii 删2 币 发射接收信号处理 图2 1 超声波检测原理 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo f u l t r a s o n i cd e t e c t i o n 缺陷信号 的判别 判别 超声波探伤按照其探伤原理可分为脉冲反射法、脉冲透射法和共振、法【“。 2 1 脉冲反射法 脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行 检测的方法。 ( 1 ) 脉冲反射法包括：缺陷回波法、底波高度法和多次底波法【l l 】。 1 ) 缺陷回波法。根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回 波法。缺陷回波法是脉冲反射法检测的主要使用方法，其基本原理如图2 2 所示。 当被测物内部没有缺陷时，如图2 2 a 所示。接收波形只有头波( t ) 信号和经过被 测物上、下表面多次反射而形成的一系列衰减底波( b ) 信号，即图2 2 c 所示。当被测 物内部含有缺陷时，如图2 2 b 所示。在头波和底波之间出现接收到缺陷波( f ) ，即如 图2 2 d 所示。缺陷波在时轴上的位置取决于缺陷的声程( 即缺陷与被测物上表面之间的 距离) ，可由此确定缺陷在被测物中的位置。缺陷波的高度，取决于缺陷的反射面积和 方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射，同时超声波在 被测物体内部传播时的能量要产生衰减，因此底波高度小于头波高度【l “。 沈阳工业大学硕士学位论文 m = 爿 图2 2 缺陷回波法检测原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo f f l a we c h od e t e c t i o n a ) 不含有缺陷的试块b ) 含有缺陷的试块c ) 无缺陷采样d ) 有缺陷采样 a ) t e s t i n gs a m p l ew i t h o u tf l a wb ) t e s t i n gs a m p l ew i t hf l a w c ) s i g n a ld e t e c t e dw i t h o u tf l a wd ) s i g n a ld e t e c t e dw i t hf l a w 2 ) 底波高度法。当被测物的材质和厚度不变时，底波的高度应该是基本不变的； 如果被测物体内部具有缺陷，底面回波的幅值会明显下降甚至消失，这种依据底波高度 变化判断缺陷情况的方法，称为底波高度法。 因为底波高度法对缺陷定位定量较难，灵敏度较低，因此通常很少作为一种独立的 探伤方法，而是经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的或小而密集的 缺陷。 3 ) 多次底波法。当被测物体厚度较小，且超声波能量较强时，超声波可以在探测 面与底面之间往复传播多次，形成多次底波。当被测物存在缺陷，则由于缺陷的反射以 及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也破坏了底波的衰减规律。这种 根据底波回波次数和衰减情况来判断被测物有无缺陷的方法，即为多次底波法。 多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件探伤，探伤的 灵敏度要低于缺陷回波法。 ( 2 ) 脉冲反射法的特点 1 ) 灵敏度高。当反射声压达到晶片起始声压的l 时即能检测，因此，可以发现 超声波探伤信号数据采集技术的研究 较小的缺陷。 2 ) 缺陷定位精度高。反射法是利用缺陷波在被测物中传播的时间，通过调节扫描 速度，即调节时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。只要仪器水平线性好，缺陷定位就 准确。 3 ) 适应范围广。改变耦合方式、探头和波形可实现不同方法的检测。 4 ) 操作方便。脉冲反射波一般不需要专门的扫描和检查装置，为各种场合下的检 测作业带来了极大的方便和灵活性。 ( 3 ) 脉冲反射法的不足之处 1 ) 存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用。 2 ) 声束轴线不垂直于的缺陷反射面，由于折射的原因，使探头往往收不到缺陷回 波信号，容易造成漏检。 3 ) 因为超声波在被测物内部往返传播，不适用对高衰减材料的检测。 2 2 脉冲透射法 脉冲透射法是根据脉冲波或连续波穿透被测物之后能量变化来判断缺陷情况的一 种方法。其基本原理如图2 3 所示。 a ) 一 一 l 图2 3 脉冲透射法检测原理 f i g 2 3t h ep r i n c i p l eo f p u l s et r a n s m i s s i o nd e t e c t i o n a ) 试块b ) 无缺陷采样c ) 有缺陷采样 曲t e s t i n gs a m p l eb ) s i g n a ld e t e c t e dw i t h o u tf l a wc ) s i g n a ld e t e c t e dw i t hf l a w 脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧，如图2 3 a 所示。使两个 沈阳工业大学硕士学位论文 探头的声轴处于同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦合，根据超声波 穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。当试件内部不含有缺陷，探头能够接 收到头波( t ) 和具有一定幅度的回波脉冲( b ) ，如图2 3 b 所示；当含有小缺陷时，声 波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；而当试件中缺陷面积造成的声影面积大于 声束截面时，则只能接收到头波( t ) ，无回波信号，如图2 3 c 所示。 ( 1 ) 脉冲透射法的优点 1 ) 工件中不存在盲区，适宜探测薄壁工件。 2 ) 与缺陷取向无关。不管缺陷取向如何，只要它遮挡声束的传播路径，接收探头 就能够发现。 3 ) 声波是单声程传播，故适合检测高衰减的材料。 ( 2 ) 脉冲透射法的缺点 1 ) 探测灵敏度低。仅当入射声压变化大于2 0 以上时，才能被接收探头检出。 2 ) 不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和大小。 3 ) 对发射和接收探头的相对位置要求严格。需专门的探头支撑装置，操作不方便。 2 3 共振法 依据试样的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法【1 3 1 。 若声波( 频率可调的连续波) 在被测物内传播，当试样的厚度为超声波的半波长的 整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，将引起共振。因此用相邻的两个共振频率 之差，被测物的厚度由式( 2 1 ) 获得。 辟害= 轰= 硼c c 2 2 2 厶2 l 厶一厶一i j 式中：五一被测物的固有频率( k ) ；兀- l 、厶相邻两共振频率( h z ) ；c 一超 声波在被测物中的声速( m s ) i2 波长( m ) ；j 一被测物厚度( m ) 当被测物内存在缺陷或厚度发生变化时，将会改变被测物的共振频率。因此，可以 根据被测物的共振特性，来判断缺陷情况和被测物的厚度变化情况。共振法，通常情况 用来测量试件的厚度。 超声波探伤信号数据采集技术的研究 3 数据采集电路设计 3 1 系统总体构成 传统的数据采集卡由于不是针对于超声探伤设计的，因此只能实现对信号采集，而 无法做到实时处理。而在超声波探伤时，对被测物检测到的大量的信息都是无伤的回波 信息，而我们往往最关心的是缺陷回波信号，它包含了大量的关于缺陷位置和当量信息。 因此，针对于超声波探伤的数据采集卡就要求必须具备实时的数据处理能力。 系统主要由4 部分组成：信号放大电路、模数转换( a d ) 电路、数据缓存( f i f o ) 电路、数字信号处理( d s p ) 电路。硬件框图如图3 i 所示。总体电路原理图见附录c 。 控制信号 u s b ii 回波信号 睡一i 7 l 囱靠耐a 图3 1 系统硬件框图 f i g 3 1h a r dw a r es y s t e mc , l l a f t 超声波脉冲激励电路每隔一段时间就会激励超声波探头，使之发射一组脉冲信号。 超声波信号在试件内传播，分别在上、下表面分别发生多次反射，形成一系列有规律的 衰减脉冲信号。当试件内部具有缺陷时，也会在缺陷面发生反射而形成的缺陷波。由于 缺陷的反射以及散射增加了声能的损耗，缺陷的存在也破坏了底波的衰减规律，因此， 底面回波次数减少且幅值会明显下降甚至消失【1 4 j 。 超声波传感器检测到的回波信号，经过放大后传送给模数转换部分( a d ) ，转换后 的数字信号经过一级缓存，被传送给数字信号处理器( d s p ) 。为了解决a d 与d s p 传 输数据时序不同步的问题，在a d 和d s p 之间加了一级缓存( f i f o ) 。经过d s p 处理 沈阳工业大学硕士学位论文 后的数据由u s b 接口传送给主机，主机对数据进行分析和图像显示。 3 2 信号放大部分 超声波接收探头接收到的回波信号在进入a d 之前，需要将信号放大在超声探伤 中使用的超声脉冲信号通常频率较高，因此要放大此类信号就要求运算放大器必须具有 较好的带宽( b a n d w i d t h ) 和摆率( s l e w r a t e ) 等特性。 信号放大部分采用美信公司的m a x 4 1 0 8 ，它是一种高速、低失真的运算放大器， 具有4 0 0 m h z 的- 3 d b 增益带宽，电压转换速率能够达到1 2 0 0 v i _ t s ，并具有9 0 m a 的高 输出驱动电流。 信号放大电路采用二级放大，第一级使用跟随电路，以提高输入阻抗；第二级分别 使用同相和反相放大电路，对a d 进行差模输入，实现抑制共模信号和放大差模信号的 功能，增大采集信号的幅值，以提高采样精度。信号放大部分如图3 2 所示。 3 3 模数转换部分 模数转换器是将模拟输入信号转化为n 位2 进制数字信号输出的器件。 ( 1 ) 通常使用的模数转换器的主要类型 1 ) 并联比较型 并联比较型模数转换器主要由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分组成。输 入的模拟电压与量化电平同时加到各级电压比较器进行电压比较，并将比较结果存入比 较器，比较器输出一组2 进制代码，最后由代码转换电路将2 进制代码转换成2 进制数。 并联比较型模数转换器的转换速度是所有模数转换器转换速率最高的，但是精度不 高，功耗也比较大。 2 ) 积分型 积分型模数转换器通常由积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源几部分 构成。输入的模拟电压信号分别在积分器上做两次积分，同时计数器在积分时间以固定 的时钟频率对时钟脉冲进行计数。积分所需时间与输入电压的幅值成正比，因此脉冲数 日也与输入的电压成正比。当比较器比较结束后，计数器中所存的数字就是转换的结果。 积分型模数转换器精度很高，具有极强的抗干扰能力，能抑制高频噪声和固定频率 超声波探伤信号数据采集技术的研究 的低频干扰，缺点是转换速率较慢，只能用于低速，精密领域。 图3 2 信号放大部分 f i 9 3 2s i g n a la m p l i f yp a r t 3 ) 逐次逼近型 逐次逼近型模数转换器含有一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄存器和 一个逻辑控制单元。它将输入信号与已知电压不断进行比较，一个时钟周期完成一位的 比较，n 位转换需要n 个时钟周期，转换完成后输出2 进制数。逐次逼近型模数转换器 的采样速率与分辨率是矛盾的，分辨率低时采样速率较高，要提高分辨率，采样速度就 会受到限制。 逐次逼近型模数转换器采样速率做不到很高，带宽也不是很宽，适用于中速率而分 辨率要求很高的场合。 4 ) 一型 沈阳工业大学硕士学位论文 一型模数转换器又称为过采样转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与 后一量值的差值的大小来进行量化编码。一型模数转换器包括模拟一调制器和 数字抽取滤波器，一调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提 供增量编码b p e - a 码，数字抽取滤波器完成一码的抽取滤波，把增量码转换成高 分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。 一型模数转换器的分辨率和转换速率都比较高，但是高速的一型的价格较 高，而且在转换速率相同的情况下，功耗要比积分型和逐次逼近型高。 5 ) 流水线型 流水线型a d c 由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样，保持放大器、一个低 分辨率的a d c 和d a c 以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大 器。快速精确的n 位转换器分成两段以上的子区( 流水线) 来完成。首级电路的采样 保持器对输入信号取样后先由一个m 位分辨率粗a d 转换器对输入进行量化，接着用 一个至少n 位精度的乘积型数模转换器( m d a c ) 产生一个对应于量化结果的模，拟电平 并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定 增益后交给下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的k 位细分 a d 转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细a d 的输出组合起来即构成高精度 的n 位输出【1 5 1 。 流水线型a d c 有良好的线性和低失调，可以同时对多个采样进行处理，有较高的 信号处理速度、低功率、高精度、高分辨率。但基准电路和偏置结构过于复杂，输入信 号需要经过特殊处理，以便穿过数级电路不造成流水延迟，对锁存定时的要求严格，对 电路工艺要求很高，电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。 ( 2 ) 超声波探伤时使用的高频超声波对探伤的有利之处 1 ) 由于波的绕射，使得超声波探伤的灵敏度约为昙，因此提高频率，有利于发现 z 更小的缺陷。 2 ) 频率高时脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。频率高，灵敏度和分 辨力高，指向性好，对探伤有利。 超声波探伤信号数据采集技术的研究 3 ) 由0 0 = a r c s i n l 2 2 妥可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能 上， 量集中，有利于发现缺陷并对缺陷进行定位【1 6 1 。 ( 3 ) 超声波的频率高给探伤带来不利之处 n 2 1 ) 由= 兰冬可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。 4 3 2 ) 由口= c 2 f d 3 f 4 可知，频率增加，会导致衰减急剧增加。 由以上分析可知，频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对探伤有利。但是频率 高，近场区长度大、衰减大，不利于探伤。因此探伤使用的超声波信号的频率通常选用 0 5 1 0 m h z 。 在超声探伤中通常使用频率较高的脉冲信号，并且脉冲的宽度非常窄，为了充分捕 捉到回波信号，获得大量的回波信息，尤其是缺陷波信息，以根据缺陷波信息来判断缺 陷的位置、形状和当量。因此，必须以较高的速率来对超声波回波信号进行采集。根据 s h a n n o n 采样定理，a d 采样频率至少为被采样信号频率的2 倍，但在实际检测过程中 通常采样速率为被采样速率的4 倍以上【m 。通常超声波脉冲的宽度只有l 5 u s ，为了 实现对超声波脉冲信号的高速采集，充分反映超声脉冲的细节情况，必须在一个脉冲之 间采集到足够的点数，以保证恢复信号的准确性和完整性。若超声脉冲的宽度为3 u s ， 如果在一个脉冲时间内采样2 0 0 点，采样速率必须为6 6 m s p s ，因此系统的采样频率选 定为8 0 m h z 。a d 芯片采用美信公司的m a x l 4 4 8 ，它是一款具有8 0 m s p s 采样速率、 l o 位精度、单3 3 v 电源供电的低功耗高速a d 芯片。它内部采用l o 阶流水线结构， 自身提供一个2 0 4 8 v 的精确基准电压，用来设定电压满量程输入范围，同时，它还可 以使用外部电压基准源作为参考，以使用户根据具体情况调节电压输入范围，方便用户 使用。m a x l 4 4 8 内部功能框图如图3 3 所示。 m a x l 4 4 8 内部采用1 0 阶全差分流水线型结构，在每一阶流水线，输入的差分模拟 信号同时进入采样保持电路和流水线闪存模数转换器。在流水线闪存模数转换器中含有 一个低分辨率的模数转换器、一个高分辨率的数模转换器和一个求和电路。每次采样时， 在半个时钟周期内，低分辨率的模数转换器将采样保持器的输出模拟信号进行量化，再 沈阳工业大学硕士学位论文 使用高分辨率数模转换器产生对应于量化结果的模拟信号并将此信号传送到求和电路， 求和电路将此信号与采样保持信号电路输出的模拟信号做差，产生一个差值信号，差值 信号经过固定增益为2 的放大器进入下一阶流水线，直至完成1 0 阶流水线。 图3 3m a x l 4 4 8 内部原理图 f i g 3 3m a x l 4 4 8 si n n e rt h e o r yc h r r t 每一阶流水线能够提供一位的精度，因此总共具有1 0 位的分辨率，1 0 位精度的数字 信号最后经过输出驱动电路输出【l 明。 m a x l 4 4 8 有外部的参考电压输入( r e f i n ) ，在允许的电压输入范围内可以通过 改变参考电压值来改变输入电压范围，其两个差分参考电压为：r e f p = ( v d t ) ，2 + v r l 础4 ) ，砒 f n = ( v d d 2 v 髓f n d 4 ) m a x l 4 4 8 有两种电压输入方式，即单端电 压输入和差分输入方式。与单端输入方式相比，差分输入可提供最佳的总谐波失真和无 杂波失真动态范围，使输入信号动态范围加倍，对共模噪声不敏感，并且能有效抑制偶 次谐波【埘。因此，系统设计采用差分输入方式m a x l 4 4 8 的差分输入电压对应输出的 二进制代码如表3 1 所示。 超声波探伤信号数据采集技术的研究 表3 1 二进制代码 t a b 3 ib i n a r ys y s t e mc o d e 差分输入电压值二进制输出值 v r x5 1 1 5 1 2 v r 耶5 1 0 5 1 2 v r 邱1 5 1 2 o v wx1 5 1 2 5 1 1 5 1 2 v 肼5 1 2 5 1 2 l ll l l l 1 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 l o 0 0 0 0 0 0 0 0 o l1 1 1 1 1 1 1 1 0 00 0 0 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 0 0 0 模数转换部分整体设计电路图如图3 4 所示。 图3 4 模数转换部分电路图 f i g 3 4c i r c u i td i a g r m no f a d 模数转换部分以8 0 m h z 的采样频率对输入的模拟信号进行采样，电路使用内部电 压参考源，经过两级运算放大器放大后的差模信号通过i n + 、i n 一端进入模数转换器， 两个差模信号做差后与内部参考源提供的参考电压( 曼号竽 进行比较，当输出使能 - 1 4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 o e 有效时，并转换为对应的数字量从d 9 d o 端口并行输出。 3 4 数据缓存部分 当模拟信号由a d 转换成数字信号后，往往都需要输入处理器作进一步处理。传统 的数据采集设备通常采用在a d 与处理器之间加一级大容量存储器，将采集来的信号保 存起来，以使数据处理部分有充分的时间进行数据处理。然而此类存储器通常无法实现 c p u 和a d 的同时读写，大大影响数据的处理速度。所以，为了控制方便，避免数据 丢失，设计时采用f i f o 作为两者之间的接口。 f i f o 是英文f i r s t i n f i r s t o u t 的缩写，是一种先进先出的数据缓存器。它与普通存 储器的区别是没有外部读写地址线，可以实现与d s p 的无缝连接，方便用户使用。f i f o 存储器作为a d 与d s p 之间的桥梁，其参数指标直接影响数据的采集速度。首先，f i f o 存储器的读写速度要足够快，以保证数据能够不丢失接收。其次，f i f o 存储器的存储 容量要适宜，如果容量过大会造成资源浪费，容量过小会造成溢出或者数据采集速度过 慢【2 0 】。根据以上原则，本设计采用c y p r e s s 公司生产的c y 7 c 4 2 4 5 。它是一款高速、低 功耗的4 k x1 8 位的异步f i f o ，具有1 0 0 m h z 的操作速度，每个读写周期只有1 0 n s ， 通过独立的读写使能控制接口和读写控制时钟实现异步和同步读写操作。并具有空、满、 半满以及可编程的即空和即满标志，它还具有宽度和深度可扩展能力。 其内部功能框图如图3 5 所示。 在上电后，f i f o 首先被复位，进入复位状态。然后当使能位o e 有效，复位位r s 获 得一个时钟下降沿时，f i f o 进入默认状态，此时f i f o 既不能读入数据也不能向其写入 数据。f i f o 复位后，当写使能信号w e n 有效时，数据在写时钟的上升沿向f i f o 写入 数据。同样，当读使能信号r e n 有效时，数据在读时钟的上升沿，f i f o 向外部输出数 据。 当f i f o 满时，f i f o 的溢出标志位f f 变为低电平，无论写使能状态如何，都禁止 新的数据进入f i f o ：如果f i f o 的下溢标志位e f 变为低电平，无论读使能状态如何， 都禁止f i f o 向外部输出数据。f i f o 数据输出保持输出的最后一组数据。 超声波探伤信号数据采集技术的研究 q o i n p u t r e g i s t e r w o l kw x i i e ， f l a g 上 1 p r o g r a m w r l t e r e g l s t e r c o n t r o l d u a lp o r t r r a ma r r a y_- - b 7r r 6 4 1 8 f l a g e f 2 5 6 x 1 8 l o g i c pa 5 1 2 x 1 8 r p a w r i t e i。 l k 1 8 ：i p o i n t e r i 7 2 k 1 8 。 aj y t 4 k 1 8 卜 r e a d r e s e t p o l n t e r r s 卜 l l o g i c ii | ijii l ，k i xt w x l- o u t u r e g i s t e r - s t 。a 嗽g e h i k u l 讯a d c u n 扎 e x p a n s i o n 【r p l o g i c r x i r x o fi1 l一 图3 5c y 7 c 4 2 4 5 内部功能框图 f i g 3 5t h ec h a r to f c y 7 c 4 2 4 5i n n e rf u n c t i o n 当f i f o 需要数据进行深度扩展时，则第一级的接收、发送输入接口w x o 、感石 分别与第二级的w x i 、丽相连，然后第二级的w x o 、丽再与下一级的面茹、两 沈阳工业大学硕士学位论文 相连，依此类推，最后一级的可反石、i 西丽与第一级的丽茹、i 西西相连，形成一个环 状结构。 f i f o 工作流程图如图3 6 所示。 图3 6 f i f o 工作流程图 f i g 3 6w o r k i n gf l o wc h a r to f f i f o f i f o 在复位后，进入默认的等待状态，自动对存储区初始化。当控制器发出允许 写指令时，f i f o 开始存取写入的数据，并同时判断存储区是否存满数据，如果未满则 允许继续写入数据，否则禁止数据继续存取；在控制器发出写指令的同时，控制器也发 出读指令，允许f i f o 向外部输出数据。如果存储区的数据全部被输出，则控制器禁止 数据继续输出，等待下一组数据进入存储区。 超声波探伤时，超声探头发出的超声脉冲信号并不是连续的，而是发出一个