（通信与信息系统专业论文）手持式超声波探伤硬件系统的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着超声检测理论日益成熟，以及现代大规模集成电路和计算机技术的快速发展，超声波 检测技术以其快速、准确、高效、无污染、低成本等特点，广泛应用于机械制造、石油化工、 航空航天等工业部门，成为保证工程质量、确保设备安全的一种重要手段。近年来，超声探伤 系统正向着高速度、数字化、自动化和智能化方向发展，便携式、低功耗产品正成为探伤作业 的一大需求。 本课题旨在研制一台基于嵌入式平台的手持式超声波探伤系统，因而，小型化、低功耗、 高性能成为该设计的主要着眼点。主要工作如下： 1 提出并实现了基于a r m + f p g a 平台的手持式超声波探伤硬件平台的设计方案。a r m 处理器因其低功耗、高性能的特点，通过移植l i n u x 操作系统，作为整个平台运算、控制的核 心；f p g a 负责完成回波信号的预处理以及系统的同步时序控制。 2 通过v e r i l o g 编程完成数字检波、非均匀最大值抽取、硬件闸门报警等系统关键技术的 仿真与验证，解决传统仪器重复刷新频率低、扫查速度慢、检测可靠性差等缺点，方便了后续 高速数据流处理。 3 提出并实现了一种基于a d 8 3 3 1 的可控增益运算放大电路设计方案，满足了低噪声、宽 频带、高增益等系统设计需求。通过带通滤波器设计，有效地抑制带外噪声，提高系统信噪比。 4 在低功耗设计方面，采用升压型d c - d c 加l d o 相结合的电源供应方案，既满足了较 高的转换效率，又提高了电源的稳定性；充分运用a r m 系统的电源管理功能，实现系统电源 的整体可控性；通过对f p g a 的低功耗设计，降低静态动态电流消耗；选用小体积、低功耗的 l c d ，并运用p w m 背光功能来实现亮度调节等。 5 在小型化设计方面，尽量采用表贴片封装的高集成度处理芯片，有效减少布局面积；同 时，外置接口采用小型化设计，调试接口采用便携式接插件代替等。 目前，该硬件平台初版已设计成功，并进行了相关功能、性能测试，初步达到系统设计要 求。 关键词：超声波探伤，嵌入式系统，数字检波，非均匀抽取，硬件实时报警，a r m 处理器，f p g a 手持式超声波探伤硬件系统的研制 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gm a t u r i t yo fu l t r a s o n i cd e t e c t i o nt h e o r ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , u l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g y w i t hi t sc e l e r i t y , a c c u r a c y , h i g he f f i c i e n c y , p o l l u t i o n - f r e e ，l o wc o s te t c ，i sw i d e l yu s e di nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ， p e t r o c h e m i c a l ，a v i a t i o na e r o s p a c ea n do t h e ri n d u s t r i a ls e c t o r s ，弱a l li m p o r t a n tm e a n st oe n s u r e p r o j e c tq u a l i t ya n dt h es a f e t yo fe q u i p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e m i s d e v e l o p i n gt o w a r d st oh i 【g hs p e e d ，d i g i t a l ，a u t o m a t i o n ，a n di n t e l l i g e n c e ，p o r t a b l e ，l o w - p o w e rp r o d u c t s a r eb e c o m i n gab i gd e m a n df o rt e s t i n go p e r a t i o n s t h i st h e s i sa i m st od e v e l o pah a n d - h e l du l t r a s o n i ct e s t i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e dp l a t f o r m ， a n dt h e r e f o r e ，t h em a i nf o c u so fo u rd e s i g ni sm i n i a t u r i z a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i l g h p e r f o r m a n c e n o wm a i nt a s k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , p r o p o s ea n di m p l e m e n tt h ed e s i g no fah a n d - h e l du l t r a s o n i cd e t e c t i o nh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do na r m & f p g a a r mp r o c e s s o r b e c a u s eo fi t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i 【g h p e r f o r m a n c e ，a c t sa st h ec o r eo fc o m p u t i n ga n dc o n t r o lo ft h ew h o l ep l a t f o r mt h r o u g ht h er e l o c a t i o n o fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m f p g ai s r e s p o n s i b l ef o re c h os i g n a lp r e - p r o c e s s i n ga n ds y s t e m s s y n c h r o n i z a t i o nt i m i n gc o n t r 0 1 s e c o n d l y , t h r o u g hv e r i l o gp r o g r a m m i n g ，s u c c e s s f u l l yc o m p l e t et h es i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n o ft h es y s t e m sk e yt e c h n o l o g y , s u c ha sd i g i t a ld e m o d u l a t i o n ，n o n u n i f o r mm a x i m u me x t r a c t i o na n d h a r d w a r eg a t ea l a r m , a n dw e l ls o l v et h ep r o b l e mo fl o wr e f r e s h i n gr a t e ，s l o ws c a n n i n ga n dp o o r r e l i a b i l i t yo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s ，a n df a c i l i t a t et h ef o l l o w i n gh i g h - s p e e dd a t as t r e a mp r o c e s s i n g t h i r d l y , p r o p o s ea n di m p l e m e n tt h eg a i nc o n t r o ls i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tb a s e do nt h ec h i p a d 8 3 31 ，a n ds a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fl o wn o i s e ，丽d eb a n d w i d t h ，h i g hg a i na n d o n t h r o u g ht h eb a n d - p a s sf i l t e rd e s i g n ，o u t - o fb a n dn o i s ei ss u p p r e s s e de f f e c t i v e l ya n dt h es y s t e m s i g n a l t o - n o i s er a t i oi si m p r o v e dc o n s p i c u o u s l y f o u t h l y , t oa c h i e v et h el o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g n ，w ea d o p tt h en e wp o w e rs u p p l yp r o g r a m w i t l lb o o s t i n gd c - d cc o n v e r t e ra n dl d or e g u l a t o r , n o to n l yt om e e th i g h e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , b u ta l s oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y ；m a k ef u l lu s eo fa r ms y s t e m sp o w e rm a n a g e m e n t f e a t u r e st oa c h i e v et h eo v e r a l ls y s t e mp o w e rc o n t r o l l a b i l i t y ；t a k et h es t a t i ca n dd y n a m i cc u r r e n t c o n s u m p t i o no ff p g ai n t oc o n s i d e r a t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v e1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g n ；c h o o s e t h el c do fs m a l ls i z ea n dl o wp o w e r , a n da c h i e v eb r i g h t n e s sa d j u s t m e n tt h r o u g hp w mb a c k l i g h t ， a n ds o o n f i n a l l y , t oa c h i e v et h em i n i a t u r i z a t i o nd e s i g n ，u s es m dp a c k a g ea n dh i g h l yi n t e g r a t e d p r o c e s s i n gc h i pa sm u c ha sp o s s i b l et oe f f e c t i v e l yr e d u c et h el a y o u ta r e a ；a tt h es a m et i m e ，e x t e r n a l i n t e r f a c es h o u l da p p l ym i n i a t u r i z a t i o nd e s i g n ，a n dd e b u g i n gi n t e r f a c e su s ep o r t a b l ep l u g i n g - i n c o n n e c t o ri n s t e a d n o w , t h ef i r s te d i t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mh a sb e e nd e s i g n e ds u c c e s s f u l l ya n dp a s s e dr e l a t e d f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t i n g ，t h ep r e l i m i n a r yr e q u i r e m e n t sh a v eb e e nm e tw e l l k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，d i g i t a ld e m o d u l a t i o n ，n o n u n i f o r mm a x i m u m e x t r a c t i o n ，g a t ea l a r m , a r mp r o c e s s o r , f p g ad e v i c e 手持式超声波探伤硬件系统的研制 图表清单 图2 1a 型、b 型和c 型显示示意图。7 图2 2 常用超声波探头9 图2 3c s k - i i i a 标准试块9 图3 1 手持式超声波探伤系统硬件架构1 2 图3 2 超声探伤系统的软件结构框图1 3 图3 3 正负延时控制时序图1 6 图3 4d a c 正门进波和负门失波报警示意图1 7 图4 1 触发电路2 0 图4 2 差分耦合电路图2 0 图4 3限幅网络电路2 0 图4 4a d 8 3 31 内部结构2 1 图4 5 增益电压控制曲线2 2 图4 6 增益输出降噪处理电路2 3 图4 7电源滤波电路及幅频曲线图2 4 图4 8s p i 协议数据输入形式2 5 图4 9d a c 增益控制电路2 5 图4 1 0 带通滤波器等效电路与幅频响应特性曲线2 6 图4 1 1f l a s h - p r o m 主串模式加载f p g a 电路2 8 图4 1 2a r m 系统模块的硬件结构框图2 9 图4 1 3 时钟输入电路3 0 图4 1 4 电源管理状态切换图3 l 图4 1 5n w a i t 总线控制信号时序3 2 图4 1 6l c d 显示电路设计。3 2 图4 1 7 触摸屏结构图3 3 图4 18a d c 和触摸屏接口框图。3 4 图4 1 9c p u 与触摸屏连接图3 4 图4 2 0 触摸屏驱动电路3 5 图4 2 1 开关电源设计电路3 6 图4 2 2 系统电源供应分配方案3 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 2 3 高压生成电路3 7 图4 2 4p c b 叠层版图4 0 图4 2 5 系统p c b 设计版图4 l 图5 1f p g a 设计流程4 2 图5 2 系统f p g a 功能模块划分4 3 图5 3 当异步输入脉冲的宽度比时钟周期大时所采用电路4 5 图5 4 当异步输入脉冲的宽度比时钟周期小时所采用电路4 6 图5 5 多级组合逻辑的分割示意图4 6 图5 6 数字检波实现框图4 8 图5 7 非均匀压缩比模块实现框图4 9 图5 8 非均匀压缩比控制信号仿真图5 0 图5 9 非均匀包络提取实现框图5 0 图5 1 0 非均匀压缩算法f p g a 仿真图5 1 图5 1 l 硬件实时报警模块的实现框图5 2 图5 1 2a 门进波报警仿真图5 2 图5 1 3b 门失波报警仿真图。5 2 图6 1手持式超声波探伤硬件平台实物图5 3 图6 2 开关电源测试图5 4 图6 3n e 5 5 5 定时器输出矩形波5 4 图6 4f p g a 程序烧写界面5 5 图6 5 触发脉冲5 5 图6 6 超声回波信号5 6 图6 7 一次回波微调波形5 6 图6 8 经过增益运放后的超声回波波形5 6 图6 9 利用c h i p s c o p e 捕捉的超声回波信号5 7 图6 1 0b i o s 程序烧写界面5 7 图6 1 1d n w 操作界面5 8 图6 1 2 超声波探伤界面5 9 图6 1 3 动态范围测试波形( 一) 6 0 图6 1 4 动态范围测试波形( 二) 6 0 图6 1 5 电噪声电平测试波形6 l 手持式超声波探伤硬件系统的研制 表4 1 在启动状态下时钟源的选择3 0 表4 2 外部晶体管的导通情况3 4 表5 1 不同编码格式转换对应表。4 8 南京航空航天大学硕士学位论文 a d c ： d a c ： a d i ： a l 洲： f p g a ： c p l d ： c l b ： i o b ： d c m ： i p ： f i f o ： d i a c ： 踟： e m c ： g u i ： j e a g ： l c d ： l d o ： 叭： v g a ： p c b ： r t c ： s p i ： s r a m ： 田f 1 r ： u s b ： c i c ： 注释表 a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e n e r ，模拟数字转换器 d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r ，数字模拟转换器 a n a l o g d e 、r i c ei n c o r p o r a t i o n ，模拟器件公司 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，高级精简指令集机器 h e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列 c o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件 c o n f i g n r a b l e l o g i cb l o c k ，可配置逻辑块 i n p u t o u t p u tb l o c k ，输入输出块 d i g i t a lc l o c km a n a g e m e n t ，数字时钟管理 i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ，知识产权 f i r s ti n p u tf i r s to u p u t ，先进先出 d i s t a n c ea m p l i t u d ec u r v e ，距离波幅曲线 e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，电磁干扰 e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，电磁兼容性 g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，图形用户界面 j o 硫t e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行为组织 l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，液晶显示器 l o wd r o p o u t ，低压差 l o wn o i s ea m p l i f i e r ，低噪声放大器 v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，可变增益放大器 p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板 r e a l - t i m ec l o c k ，实时时钟 s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外设接口 s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，静态随机存取存储器 t h i nf i l mt r a s i s t o r ，薄膜晶体管 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线 a s c a d e di n t e g r a t o rc o m b ，积分梳状滤波器 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：生查盗 e l期： 垫丝：呈：厶2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着国民经济的快速发展，无损检测作为保证高质量、确保设备安全的重要技术，在机械 制造、石油化工和航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。工业无损检测技术中应用的超声 波检测( u l t r a s o n i ct e s t i n g ，简称u t ) 是无损检测技术中发展最快、应用最广泛的一种检测 技术，占有非常重要的地位。它具有检测灵敏度高、穿透力强、声速指向性好、对裂纹、气泡 等危险性缺陷检出率高以及对人体无害、无污染等优点【i 】。近年来，伴随着计算机软硬件技术 和高速信号处理技术的飞跃发展，尤其是大规模集成电路技术、嵌入式系统技术的重大突破， 超声探伤系统正向着高速度、数字化、自动化和智能化方向发展。 1 1 论文的研究背景及现状 利用超声波作为一种无损检测的方法来探测物体内部的缺陷和结构出现于十九世纪二十年 代后期。1 9 2 9 年，s y s o k o l o v 首先提出了用超声波穿透法来寻找金属中隐藏的不连续性的方法 并在石英压电方面进行了大量的研究工作，发明了基于压电效应的成像管；1 9 3 1 年， q m u h l h a u s e r 发明了超声无损检测领域的第一个专利，提出了基于超声连续波的不连续性检测 方法；1 9 4 6 年，d 0 s p r o u l e 提出了利用发射和接收换能器分开的脉冲回波技术并研制出了应 用于钢材的探伤a 型脉冲反射式超声波探伤仪；到1 9 6 4 年，k r a u t k r a m e r 公司成功研制小型超 声波探伤仪，其主要的性能指标取得了突破性进展，标志着跨入了近代超声检测技术阶段。 相比国外，我国的超声探伤技术应用起步比较晚。1 9 5 4 年1 0 月铁道部首先从瑞士m a t i s a 公司引进以声响指示的共振式探伤仪，标志着我国开始进行超声波探伤技术的探索。1 9 6 9 年上 海无线电2 2 厂研制成国内首台a 型脉冲反射式钢轨探伤仪j g t _ 1 型。1 9 8 9 年之后，g t 一1 ( 汕头) 、 j g t 一5 ( 上海) 、c b t - 6 ( 邢台) 等型号的探伤仪相继投入市场。 超声波探伤系统按所处理的信号不同一般可分为模拟式、数字式两大类。模拟式探伤仪由 同步电路、发射电路、锯齿波电路、视频放大电路和c r t 显示器等部分组成。同步电路给出等 时间间隔的固定脉冲，使仪器各部分同步工作；锯齿波电路驱动示波管的水平偏转板形成时基 线；视频放大电路则放大超声回波信号，加到示波管的垂直偏转板；两者共同作用将超声信号 波形显示在示波器荧光屏上。模拟式探伤仪具有技术成熟、价格低、结构简单、便于维修等优 点，但由于模拟式探伤仪不具备对检测信号记录和信息处理功能，现场检测时需要依赖操作人 员对显示屏上的超声波回波信号进行判断和手工记录，所以检测结果受人为因素影响很大【2 】。 另外，调整仪器参数、判断仪器故障等都要依赖于操作人员的经验水平，故使用时易造成伤损 的误报、漏报，探伤质量不高。为克服模拟式探伤仪的缺点，提升探伤系统的自动化、智能化 手持式超声波探伤硬件系统的研制 水平，引入了数字化超声波探伤系统，其特点如下：( 1 ) 传统探伤仪的同步电路、水平扫描电路、 检波器和视频放大电路等由高性能微处理器取代，成为整个系统的核心；( 2 ) 传统的c r t 显示器 由点阵式的l c d 或e l 显示屏代替：( 3 ) 放大后的超声回波信号经高速a d 采样后送入微处理器 或d s p 处理，实现各种处理算法和探伤功能：( 4 ) 具有探伤数据的采集、存储和自动报警功能， 能实现探伤过程中缺陷的自动判定和读出、缺陷位置和当量值的显示以及探伤结果的存储、回 放和打印输出等后续处理。 数字化超声波探伤系统具有波形数据的实时处理与显示、实时报警、文件存储和动态记录 等功能，可以实现探伤过程中对缺陷的自动判断、定位、当量计算、存储和打印报告等任务【3 1 。 与传统的超声波探伤系统相比，数字化超声波探伤系统具有检测精度高、操作简单、便于缺陷 判定、存储和回放等优点，提高了检测效率和检测结果的可靠性【4 】。 随着应用场合和检测对象的不断变化，超声波探伤系统正在逐渐向着低功耗、小型化、智 能化、相控阵检测和超声成像方向发展，并同时集成多种扫描功能。 1 2 本课题研究的意义 超声波检测技术经过几十年的发展，已日渐成熟，市场上超声检测仪器也多种多样，但是 针对不同探伤环境需求，国内的超声波探伤仪还存在一些问题：如仪器通常比较笨重，体积大， 工作人员劳动强度大，不适合高空、野外现场作业以及高强度探伤环境：仪器功耗较大，工作 时间受限，不利于长时间探伤作业：大多数仪器功能单一，智能化水平低，检测可靠性及检测 效率有待进一步提高等。因此，结合当前的市场需求，研制一款新型的便携式探测仪器将具有 很好的现实意义。 本文立足于当前便携式消费产品设计理念，采用当前应用广泛的嵌入式处理平台，选用集 成度较高的处理芯片，设计一款手持式超声波探伤系统，低功耗、小型化、智能化的特点，大 大满足不同探伤环境的便携式应用需求。 1 3 论文的研究内容和安排 在综合当前无损检测技术的发展态势、嵌入式系统技术重大突破以及超声探伤技术的新进 展之后，本文基于本人在硕士阶段所做项目情况，着重介绍一种基于嵌入式平台的手持式超声 波探伤系统的研制方案。具体内容包括： ( 1 ) 系统硬件平台设计 采用典型的嵌入式系统硬件架构方案，完成对缺陷回波信号的放大，衰减、高速采样、处理、 存储与显示，满足探伤设备的诸多功能、性能指标的设计要求，从而设计一台新型的便携式超 声波探伤系统。 ( 2 ) 系统f p g a 软件设计 2 南京航空航天大学硕士学位论文 通过f p g a 编程完成回波信号的预处理以及系统的时序控制，如数字检波、包络提取、数 据缓存、地址译码以及外设单元的同步时序控制等。 ( 3 ) 系统关键技术研究 研究非均匀实时抽取、正负延时、硬件闸门报警、小型化与低功耗设计等系统关键技术的 原理与实现，解决传统仪器稳定性差、检测可靠性低、体积大、功耗高等缺点，提高系统的整 体设计性能。 根据以上研究工作的情况，本文的后续结构安排如下： 第二章简单介绍超声波的概念、性质、超声波探伤原理及系统组成等。 第三章主要介绍手持式超声波探伤系统的总体设计方案，给出系统的软硬件设计指标和要 求，并且对超声探伤系统中若干关键技术原理进行了分析。 第四章先详细介绍超声探伤系统硬件平台的具体设计，包括高速数据采集模块、f p g a 预 处理模块、a r m 处理模块和电源供应模块的详细硬件方案设计与实现，然后分析系统平台低 功耗与小型化设计要点，最后简要介绍系统p c b 设计情况。 第五章先简单介绍f p g a 的具体设计流程和基本设计思想，然后着重论述本系统f p g a 软 件设计方案与实现，并对关键技术进行仿真与验证。 第六章主要介绍超声探伤系统中各个模块的测试方法及测试结果，讨论了一些现象的原因 以及注意事项等。 最后一章对本课题进行简要总结，给出系统的设计不足以及改进之处，并对未来研究工作 进行展望。 3 手持式超声波探伤硬件系统的研制 第二章超声波探伤技术 超声波探伤技术融合了电子技术、信息技术和软件技术。在超声波探伤系统中，主要运用 超声波在介质中的一些传播原理。因此，本章先简要介绍有关超声波的基本概念、数学模型、 超声波探伤基本原理以及超声波探伤系统的构成。 2 1 超声波的基本概念 通常，能引起听觉的机械波称为声波，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【5 】。 用于无损检测领域的超声波频率一般在0 5 - - 一1 5 m h z 之间，对钢体、铸件等一些金属材料的 检测常用的超声波频率在i i o m h z 。超声波的频率很高，波长很短，除具有良好的叠加、干涉 和衍射等特征外，还具有一些重要特性，使其能够广泛应用于无损探伤【6 】： ( 1 ) 超声波方向性好 超声波的频率很高，波长很短。在无损探伤中使用的超声波波长为毫米数量级。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 超声波探伤时的频率远高于声波，而能量( 声强) 是与频率的平方成正比。因此，超声波的 能量远大于声波的能量。如i m i - i z 的超声波的能量相当于i k h z 的声波能量的1 0 0 万倍。 ( 3 ) 能在界面上产生反射、折射和波型变换 在超声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的一些特 点，如在介质中直线传播，遇到界面会产生反射、折射和波型转换等。 ( 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，这是其他探伤手段所无法比拟的。 2 2 超声波的分类 根据不同的检测对象、检测环境及手段，超声波的分类方法很多【7 】f 引。 ( 1 ) 根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的不同，可以将超声波分为纵波、 横波、表面波和板波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波称为纵波。纵波可以在 固体、液体和气体中传播。介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，称为横波。 横波只能在固体中传播，不能在液体和气体中传播。当介质表面受到交变应力作用时，产生沿 4 南京航空航天大学硕士学位论文 介质表面传播的波，称为表面波。表面波只能在固体表面传播，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的缺陷。在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，称为板波。 板波根据质点的振动方向不同可分为s h 波和兰姆波。 ( 2 ) 根据波振面形状的不同，将不同波源发出的波分为平面波、柱状波和球面波。 ( 3 ) 根据波源振动的持续时间长短，将波动分为连续波和脉冲波。波源持续不断地振动所 辐射的波称为连续波。波源振动时间很短，间歇辐射的波称为脉冲波。目前，超声波探伤中广 泛采用的是脉冲波。 2 3 超声回波的数学模型 在脉冲反射式超声探伤研究中，常常采用高斯回波模型来表示回波特征【9 】【1 们，即 s ( p ；f ) = 房一口卜7 2c o s ( 2 矾o f ) + 矽)( 2 1 ) 口= 陋f 丘f 1 ( 2 2 ) 其中，参数口是带宽因子，f 是到达时间，z 是中心频率，是相位，是幅度因子。到达时 间f 与反射体的位置和传输路径有关，反映着声程距离；带宽因子决定着回波的带宽或者回波 在时域上的持续时间；中心频率z 主要由超声探头的频率和传输路径的频率特征决定；回波的 幅度和相位则反映着反射体的阻抗、面积和方位。 为研究方便，假设f l = l ，= 0 ，则归一化后的高斯型回波频谱密度可得： 愀川：三日p 掣+ g 掣 其中，厂代表着频率变量。将幅度谱通过平方运算，可以求出超声回波的能量谱密度，然后将 能量谱密度在频率x e 间 - - o o ，+ 】上积分，e p - - i 求出回波能量： 华三日孚 当带宽信号的中心频率远远大于信号带宽时，即满足r 0 2 4 a 时，能量公式中的指数 部分可以忽略不计。基于以上假设，考虑到回波幅度因子，则超声回波能量公式可以简化为： 巨= 譬怯 ( 2 5 ) 可见，此时回波能量仅仅取决于幅度和带宽因子。 2 4 超声波探伤的基本原理 超声波探伤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，非破坏性地检测 材料内部和表面缺陷的大小、形状和分布情况以及测定材料性质。超声波在弹性介质中传播遇 手持式超声波探伤硬件系统的研制 到异质界面时会发生反射效应，根据反射波的回波声压大小就可以进行探伤并完成相应的测量 任务。 超声波的发射和接收是基于晶体的压电效应，即压电晶体( 例如石英晶体、钛酸钡及锆钛 酸铅等压电陶瓷) 在外力作用下发生变形时，将有电极化现象产生，即其电荷分布将发生变化 ( 正压电效应) ：反之，当向压电晶体施加电荷时，压电晶体将会发生应变，亦即弹性变形( 逆 压电效应) 。因此，利用压电晶体制成超声波换能器( 探头) ，对其输入高频电脉冲，则探头 将以相同频率产生超声波发射到被检物体中去，在接收超声波时，探头则产生相同频率的高频 电信号用于检测显示【1 1 1 。 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫超声波的衰 减。超声波的衰减有两种方法。一种是利用底波多次反射的次数来表示，这种表示方法仅能粗 略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材料在同样的仪器灵敏度下， 观察它们的底波反射波的次数。底波反射次数多的材料，说明声波在该材料中衰减小，底波反 射次数少，则声波衰减比较严重。另一种是理论上定量计算的表示方法，即用衰减系数来表示 声波的衰减。当平面波在介质中传播时，其声压衰减规律可用下式表示1 2 】： p = 只p 一甜( 2 6 ) 其中只为起始声压；p 为超声波从声压为只处传播一段距离s 后的声压：口为衰减系数。 工件或材料中的实际缺陷是多种多样的，其形状和性质也各不相同，而超声波的波长又比 较长，因此，要确定缺陷的真实大小是非常困难的。工业上常采用的方法是缺陷当量法，即在 遵从国家相应的检测标准下，通过测量比较标准试块与已知工件的回波幅度来确定缺陷的当量 大小。实际缺陷与人工规则缺陷大小比较的具体方法是在灵敏度、耦合失真、材料衰减等测量 条件相同时，工件某一声程上的实际缺陷的回波声压或高度，与试块同声程上规则的人工缺陷 的回波声压或高度相等时，则认为该试块上人工缺陷的尺寸或面积就相当于工件中实际缺陷的 尺寸或面积。 2 5 超声波探伤系统的基本组成 通常，一个完整的超声波探伤系统由三部分组成，即超声波探伤仪、超声探头和测量试块。 2 5 1 超声波探伤仪 超声波探伤仪是超声波探伤系统的主体设备，它的作用是先产生高能量的激励去触发超声 波探头，通过探头内的压电晶片产生超声波去扫描工件，同时将探头接收的缺陷回波转换成电 信号，然后对反应缺陷回波特征的电信号进行增益放大衰减、a d 采样、数据压缩、包络提取、 实时报警、波形显示等处理，从而得到被测工件内部有无缺陷及缺陷位置定位和大小等信息。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 目前，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、探测场合、探测速 度等方面的要求不同，出现了不同类型的探伤仪，常用的有以下几种类型： 一按超声波的连续性分类 ( 1 ) 脉冲波探伤仪：这种探伤仪通过探头向工件周期性地发射不连续而且频率不变的超声 波，根据超声波的传播时间和幅度判定工件中缺陷的位置和大小。这是目前使用最广泛的探伤 仪。 ( 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的超声波，根据透过 工件的超声波强度变化来判断工件中有无缺陷及缺陷大小。 ( 3 ) 调频波探伤仪：这种仪器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。 二按缺陷显示方式分类 ( 1 ) a 型显示探伤仪：a 型显示是一种波形显示，探伤仪显示屏上的横坐标代表声波的传播 时间( 或距离) ，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度 可以估算缺陷的大小。 ( 2 ) b 型显示探伤仪：b 型显示是一种图像显示，探伤显示屏的横坐标是靠机械扫描来代表 探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间( 或距离) ，因而可直观地显示出 被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 ( 3 ) c 型显示探伤仪：c 型显示也是一种图像显示，探伤仪显示屏的横坐标和纵坐标都是靠 机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点灰度表示，当探头在工件表 面移动时，显示屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像( 即从探头方向看的投影) ，但不能显示 缺陷的深度。 a 型、b 型、c 型三种显示分别如图2 1 所示。 缺陷示意 a 型b 型c 型 三按超声波的通道分类 图2 1a 型、b 型和c 型显示示意图 7 手持式超声波探伤硬件系统的研制 ( 1 ) 单通道探伤仪：由一个或一对探头单独工作，是目前超声探伤中应用最广泛的仪器。 ( 2 ) 多通道探伤仪：由多个或多对探头交替工作，每一通道相当于一台单通道探伤仪，适 用于自动化探伤。 2 5 2 超声波探头 超声波探伤中，超声波的产生和接收过程是一种能量的转换过程。探头的作用就是将电能 转换成超声能和将回波的超声能转换为电能，所以，超声探头是一种电声能量转换器件。 探头的工作原理是利用探头内部的薄片状压电晶体的压电效应来实现的。当探伤仪通过高 压发射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压电