（通信与信息系统专业论文）手持式超声波探伤仪应用软件设计.pdf

南京航空航天人学硕七学位论文 摘要 超声检测是无损检测领域中一种非常重要的方法，已被j - “泛地应用于机械制造、石油化工 和国防工业等领域，已经成为保证产品质量、确保设备安全的重要方法。超声检测的数字化已 经成为超声检测仪器发展的必然趋势。 由于超声检测多在野外或施工现场进行，要求携带方便；而且现有仪器的硬件平台类型多 样，每次更换平台都会带来上层软件的重新设计。针对以上情况，本文提出了一种基于嵌入式 l i n u x 平台的手持式数字化超声波探伤仪应用软件设计。模块化的设计使系统对底层硬件平台 的依赖小，提高了系统集成度，降低了系统成本，而且功能完善，具有良好的人机交互接口。 本文主要研究手持式超声波探伤仪的应用软件设计，针对这一要求，进行了理论分析研究、 系统设计和软件框架构造等工作。本系统软件主要分为六个模块：主控模块、探伤核心模块、 人机交互模块、图形绘制模块、p c 机上探伤报告打印模块和驱动模块。文章详细阐述了各个模 块的功能分析和设计思想，对系统软件的关键技术和特殊功能的实现也进行了研究。文章最后 对设计工作进行了总结，并对超声波探伤仪进行了一些技术上的展望。 关键词：超声波探伤，嵌入式系统，l i n u x ，q t e m b e d d e d 手持式超声波探伤仪应用软件设计 a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e s t i n gi sav e r yi m p o r t a n tm e t h o di nt h ef i e l do fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，w h i c hh a s b e e nw i d e l yu s e di nm a c h i n em a n u f a c t u r e ，p e t r o c h e m i c a l ，d e f e n s ei n d u s t r ya n ds oo n i th a sb e c o m e a l li m p o r t a n tm e t h o dt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fp r o d u c ta n de n s u r et h es a f e t yo fe q u i p m e n t t h e r e s e a r c ho ft h ed i g i t a lu l t r a s o n i ct e s t i n gd e v i c eh a sb e c o m ei n e v i t a b l et r e n di nw o r l d b e c a u s eu l t r a s o n i ct e s t i n gi su s u a l l yc a r r i e do u ti nt h ef i l eo ro nc o n s t r u c t i o ns i t e ，s ot h e i n s t r u m e n ti sd e m a n d e de a s yt oc a r r y ；a n dt h e r ea r es om a n yt y p e so fh a r d w a r ep l a t f o r m st h a te a c h c h a n g ew i l lb r i n gt h ea p p l i a n c es o f t w a r er e d e s i g n v i e wo ft h es i t u a t i o na b o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa n a p p l i c a b l es o f t w a r ed e s i g nf o rt h eh a n d h e l dd i s t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r , w h i c hb a s e do ne m b e d d e d l i n u xp l a t f o r m t h em o d u l a rd e s i g nm a k e st h es y s t e ms m a l ld e p e n d e n c eo nt h eu n d e r l y i n gh a r d w a r e p l a t f o r m ，a n di m p r o v e st h es y s t e mi n t e g r a t i o n ，r e d u c e s e ss y s t e mc o s t , a n dh a sa9 0 0 d h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i v ei n t e r f a c e t h ea r t i c l ed e t a i l e da n a l y s i st h ef u n c t i o n sa n dd e s i g ni d e a so fe a c hm o d u l e ，a n ds t u d i e st h ek e y t e c h n o l o g i e sa n ds p e c i a lf u n c t i o n so ft h es y s t e ms o f t w a r e i nt h ee n d , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e d e s i g nw o r k ，a n dm a k e sf u t u r ev i s i o no fa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yf o ru l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r 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 ，l i n u x ，q t e m b e d d e d 手持式超声波探伤仪应用软件设计 图表清单 图2 1 嵌入式系统结构3 图2 1 缺陷回波法检测原理1 0 图3 1 软件系统结构图1 4 图3 2 嵌入式软件开发流程1 5 图3 3 探伤模块的工作流程1 8 图3 4 探伤模块功能结构图1 9 图3 5 探伤仪键盘设计示意图2 0 图3 6 探伤系统主界面内容分区2 2 图3 7 探伤系统主界面设计2 3 图3 8 菜单结构图2 4 图3 9 主菜单界面设计2 4 图3 1 0 图像绘制模块详细设计2 5 图3 1 1l i n u x 设备驱动程序的开发步骤2 9 图3 1 2 系统设备驱动模块结构图3 0 图3 1 3f i f o 模块的设计框图3 2 图3 1 4m f c 打印流程3 5 图3 1 5 打印程序流程图3 6 图4 1l i n u x 异步通知和q t 事件管理机制3 9 图4 2 绘制线条方法4 2 图4 3 超声波探伤计算示意图4 3 图5 1 外曲情况下。值不同时超声波的一次反射规律4 6 图5 2 外曲情况下0 值不同时超声波的多次反射规律4 7 图5 3 内曲情况下超声波反射规律5 1 图5 4 不同类型的焊缝示意图5 3 图5 5d a c a v g 曲线的计算框图5 5 图6 1 系统开发的硬件平台5 6 图6 2 应用软件启动界面5 7 图6 3 应用软件系统清零界面5 7 图6 4 应用软件正常工作界面5 8 图6 5 打印程序工作界面5 9 南京航空航天大学硕t 学位论文 图66 直探头情况 图67 斜探头情况 图68 普通波形数据文件 闰69 包络波形数据文件 图6 1 0 曲面修正数据文件 图6 il 焊缝显示数据文件 图61 2 缺陷删高数据文件 图61 3 动态波形数据文件的显示 表3i 与打印相关的c v t e w 类成员函数口1 】 乱乱矾以以 ” 手持式超声波探伤仪应用软件设计 a d c ： a p i ： a i 洲： b o o t l o a d e r c r a r n f s ： d a c ： d m a ： f e d o r ac o r e f i f o ： f p g a ： g u i ： i o ： j 1 隗g ： l c d ： l i n u x m f c m i c r o w i n d o w s ： m i n i g u h n a n d ： q , r x q t e m b e d d e d ： l u s c ： r t c ： s d k s p i ： u s b ： u n i c o d e ： y f 6 江下s ： 注释表 a n a l o g t o d i g i m lc o n v e n e r ，模数转换器 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用编程接1 2 1 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，高级精简运算指令集机器 b o o t l o a d e r ，系统加电启运行的第一段软件代码。 c o m p r e s s e dr o m f i l es y s t e m ，只读压缩文件系统 d i 酉m l - t o a n a l o gc o n v e n e r ，数模转换器 d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接存储器存取 f e d o r ac o r e ，一种基于l i n u x 内核的桌面操作系统。 f i r s ti nf i r s to u t ，先进先出队列 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列 g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，图形用户接口 i n p u t o u t p u t ，输入输出 j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p ，联合测试工作组，一种国际标准测试协议 l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，液晶显示器 l i n u x ，一种计算机操作系统及其内核的名称。 m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ，微软基础类 m i c r o w i n d o w s ，著名开放式源码嵌入式g u i 软件 m i n i g u i ，面向嵌入式l i n u x 的国际知名自由软件项目 n a n df l a s h ，与非门f l a s h 存储器 q n x ，实时微核多任务多用户操作系统 q t e m b e d d e d ，q t 的嵌入式版本g u i 库 r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ，精简运算指令集 r e a l - t i m ec l o c k ，实时时钟 s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，软件开发工具包 s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行设备接口 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线 u n i v e r s a lc o d e ，统一码 y e t a n o t h e rf l a s hf i l es y s t e m ，另一种基于f l a s h 存储器的文件系统 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，均己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：塞盘 日期：垫坦：主：堡 南京航空航天大学硕+ 学位论文 第一章绪论 超声波探伤在无损检测中lo i 有重要地位，它具有检测灵敏度高、穿透力强、卢速指向性好、 对裂纹等危害性缺陷检出率高和对人体无害等优点，已广泛应用于机械制造、彳i 油化：1 ：和航空 航天等领域。近年来，随着集成电路技术、数字信号处理技术和嵌入式软件设计技术的发展， 超声波探伤系统向着数字化、自动化和智能化方向发展【l l 。随着超声波探伤系统功能越来越全 面和完善，系统开发的工作将更多地集中在软件开发上，软件的开发与应用己成为影响探伤仪 功能发挥的关键性因素，这对超声波探伤仪软件的设计带来了新的挑战。 1 1 研究背景 我国工业现代化进程的不断推进，对材料( 或构件) 的质量提出了越来越高的要求。为确 保产品的安全可靠，必须采用不破坏产品原来形状及使用性能的检测方法，这就是无损检测技 术。近年来，计算机软硬件技术和高速数字信号处理技术的飞速发展，使得无损检测技术在数 据处理、检测性能和工程设计系统化等方面有了更大的发展空间。 超声波检测是工业上无损检测的方法之一，超声波检测具有检测对象广泛，穿透能力强； 缺陷定位准确，灵敏度高；成本低，使用方便：速度快，对人体无害等优点，得到了越来越广 泛的应用。传统的探伤仪器采用模拟电子技术，这类仪器可靠性差，检测精度不高，操作不便， 存在的问题有：模拟闸门报警方法的虚警和漏检概率很大，检测性能达不到实际使用要求；各通 道之间参数的离散性大，不便于采用：i ：业探伤标准；对波形的处理、存储困难，不利于探伤结 果的保存和分析，因此采用数字化检测技术是必然的趋势。 数字化超声波探伤是计算机技术和超声波探伤仪技术相结合的产物。它承袭了常规超声波 探伤仪的基本工作方式，脉冲反射式；具有常规超声波探伤仪的基本功能，利用微型计算机实 现探伤过程中的缺陷定位、定量和辅助定性；实现探伤回波和数据的存储及回放，使超声探伤 的现场结果可记录；有效地减少了超声探伤的人为误差，提高了超声探伤结果的可靠性。从实 际应用的情况来看，它的自动化程度高、稳定性好，降低了劳动强度，提高了超声波检测的质 量和工作效率。数字化检测技术具有高可靠、高精度、虚警概率低、垂直线性好等特点，已成 为超声波探伤技术发展的趋势。 由于超声检测多在野外或施工现场进行，要求携带方便，而现有的探伤仪器大多以单片机 为核心，精度不高，体积不够小：而且现有仪器的硬件平台类型多样，每次更换平台都会带来 上层软件的重新设计。针对以上情况，本文提出了一种基于嵌入式l 血呱平台的手持式数字化 超声波探伤系统软件设计，对底层硬件平台依赖性小，提高了系统集成度和开发效率。 手持式超声波探伤仪应用软件设计 1 2 超声波探伤仪的现状和发展趋势 当前，超声波检测仪器的研制已开始进入到数字化阶段。该技术是采用超声波检测仪器采 集超声波回波信号经接收部分放大后，由模数转换器变为数字信号传给微处理器。微处理器再 把随时间和位置变化的超声波形进行适当处理，得出进一步控制检测系统的结论。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，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与当前量值、存储并打印输出检测报告。不仅 解决了超声波检测可记录的问题，而且减少了人为误差，提高了检测结果的可信性。 数字化探伤仪发展迅速，更新换代极快，呈现以下特点：操作键越来越少，操作更直观， 更符合探伤人员的习惯；采样速度提高，数据内存量加大，处理速度加快；功能扩大，仪器除 可设置各种参数外，还可同时显示多种参数；小型化、高亮度，波形显示清晰，便于暗处观察。 伴随着各种新材料、复合材料的出现和使用，以及对现代检测技术的要求不断提高，研制 和开发数字化、智能化、模块化、网络化的超声波检测仪器已成为必然的发展趋势。未来的超 声波检测仪器应当具有以下特型2 叫： 1 ) 系统化和模块化 微型计算机技术和软件技术的发展，为超声波探伤设备的开发提供了丰富的软硬件平台。 在整个设备开发过程中，越来越强调系统化和模块化。在已有的开发平台上，通过更换或者增 加无损检测插卡和升级软件模块，就可以轻松实现系统功能的转换和升级。 2 ) 高数字化、高智能化和图像显示功能 未来的超声波检测仪器应当是高度数字化、高度智能化的，其检测结果应可用图像显示出 来，具有友好的用户界面；开机后具有自检功能，可用菜单选择仪器测试参数，可调用或可存 储仪器的设定参数，以及与其它计算机进行通讯或传输数据。 3 ) 数据库及自动识别功能 未来超声波检测仪器的一个最重要的进步是具有对被检对象的缺陷类型进行自动识别，以 及对被检测对象的状态进行自动评价的功能。因此，它应当具有比较完备的数据库和专家识别 系统。 4 ) 集成多种功能 未来一台超声检测系统具备多种扫描方式，如a 扫描、b 扫描、扇形扫描等，功能越来越 多，可以支持和满足多种不同应用场合的检测需求。软件功能变得更丰富，可以支持多种语言， 具有在线编辑和打印检测报告等功能。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 嵌入式系统技术 l3 l 嵌入式系统定义 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬什可裁 剪，适用下应儿j 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌八式微处理器、外围硬件设备、嵌 式操作系统咀及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统主要由嵌 式处理器相关支捧硬件平嵌八式软件系统组成它是集软便什于一 体的可独立i ：作的器件。嵌 式系统对嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理 能力和电磁兼容性等方面的要求比较严格。嵌 式系统的硬件都必需高教率的设计量体裁表 去除冗余力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争力。 嵌入式系统结构如图21 所示： 圈2 i 嵌 式系统结构 嵌入式系统有以f 优点： 1 ) 系统为专用系统，所以系统小指令精简，处理速度快； 2 ) 系统处理实时性好性能稳定； 3 ) 文件管理系统更适合于大量的数据： 132 本课题的嵌入式操作系统选择 典型的嵌入式操作系统包括i z n u x 、u c o s 、w i n d o w s c e 、v x w o t k s 、p a l m o s 和q n x 等 手持式超声波探伤仪应用软件设计 其中v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，但其价格昂 贵；u c o s 系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首先。 l i n u x 是一个多用户多任务操作系统，支持分时处理和软实时处理，并带有微内核特征( 如 模块加载卸载机制) ，具有很好的定制特性。在众多的嵌入式操作系统中，选择l i n u x 作为嵌 入式操作系统具有以下几点优势： 1 ) 内核功能强大，性能高效、稳定，多任务。l i n u x 的内核非常稳定，它的高效和稳定性 已经在各个领域，尤其在网络服务器领域，得到了事实的验证。l i n u x 内核小巧灵活，易于裁 减，这使得它很适合嵌入式系统的应用。 2 ) 支持多种体系结构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等。目前，l i n u x 已经被 移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u 。 3 ) 支持大量的周边硬件设备。l i n u x 上的驱动已经非常丰富，它们支持各种主流硬件设备 和最新硬件技术。 4 ) 完善的网络通讯、图形、文件管理机制。l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，网络 是l i n u x 的强项。另外，l i n u x 还支持多种文件和图形系统。 5 ) 使用成本低。有效降低产品成本，对成本敏感的嵌入式系统来说至关重要，l i n u x 恰好 具有这一特性。 由l i n u x 操作系统的诸多优点，本方案最终采用嵌入式l i n u x 操作系统，内核版本为2 4 1 8 。 1 3 - 3 嵌入式技术的应用是超声检测技术发展的方向 嵌入式系统是继1 1 r 网络技术之后又一个新的技术发展方向，由于嵌入式系统具有体积小、 性能强、功耗低、可靠性高、以及面向行业应用等突出特征，目前已经广泛地应用于军事、国 防、消费、电子、网络通讯、工业控制等各个领域。 以往的超声检测仪使用个人计算机作为超声检测仪的处理器，但是普通个人计算机设计非 常丰富，提供全部的特性和广泛的功能，虽然可以用于各种应用中，但是使用这种处理器的系 统需要大量的应用编程资源。这些处理器能源消耗大，产生的热量高，尺寸也大，使得以往超 声检测仪复杂性高，制造成本昂贵。随着先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式 系统采用用嵌入式处理器建造，而不是通用的处理器。 根据超声检测的需求，选择的嵌入式处理器需关注性能、尺寸、能耗和价格等要求。超声 检测需要处理大量声波数据，故处理器的主频不能太低；满足野外检测人员手持操作；尺寸不 能太大，电池不可能太大，故要求芯片尺寸小，功耗低：面对国外功能完善但价格昂贵的超声 检测仪，价格也是必须考虑的。总之，嵌入式技术的应用是超声检测技术的发展方向。 4 南京航空航天大学硕十学位论文 1 4 课题研究的意义和内容安排 1 4 1 本课题研究的意义 随着国民经济的迅速发展，超声波探伤技术在精密机械、工业检测、国防工业等领域的地 位也越来越重要，超声波探伤设备的性能也在不断提高。由于超声波探伤技术向着智能化方向 不断发展，系统软件在整个设备中占有越来越重要的地位，对系统的使用性能有着巨大影响， 软件的开发与应用己成为影响探伤仪功能发挥的关键性因素。 研制的嵌入式超声波探伤仪是嵌入式技术在超声波探伤领域的应用，采用了“a r m + f p g a ” 的硬件架构和嵌入式l i n u x 操作系统相结合的设计思想。系统无多余软件，硬件亦无多余存储 器，可靠性高、成本低、体积小、功耗少，且实时性能有很大程度的提高。 本课题针对探伤仪小型化、智能化的实际要求，设计了一种基于嵌入式l i n u x 平台的手持 式超声波探伤仪的应用软件，结构清晰，功能完善，软件的维护和功能升级十分方便，为进一 步发展超声波探伤仪器打下坚实的基础。 1 4 2 本课题研究的内容和安排 超声波探伤仪的研制在本实验室已开展多年，在该领域的持续研究为本课题的开展提供了 很好的技术基础。本课题在总结便携式超声波探伤仪系统软件设计的基础上，设计和开发了一 套基于嵌入式l i n u x 的手持式超声波探伤仪应用软件，本课题的具体研究内容包括： 1 ) 系统应用软件的设计和开发 采用模块化的方法设计系统的应用软件，完成超声波探伤的各种功能，结构清晰，功能明 确。基于第三方g u i 工具库q t e m b c d d e d 设计开发图形用户界面，为用户提供良好的使用界面。 采用m f c 实现探伤报告的打印，既简化了打印工作，又提供了打印预览机制。 2 ) 系统软件的关键技术研究和实现 包括与嵌入式系统开发相关的关键技术和与探伤相关的关键技术。 3 ) 系统应用软件特殊功能的实现 特殊功能包括焊缝显示、曲面修正、d a c a v g 曲线的制作等。 根据以上研究内容，本文的结构安排如下： 第二章介绍了超声波检测的理论基础、基本原理和分类，并介绍了a 型脉冲反射式超声波 探伤仪的工作原理。 第三章介绍了本系统应用软件的总体设计方案，详细阐述了各个模块的功能分析和设计思 想，系统分为六个模块：主控模块、探伤核心模块、人机交互模块、图形绘制模块、p c 机上探 伤报告打印模块和驱动模块。 5 手持式超声波探伤仪应用软件设计 第四章详细论述了本系统关键技术的研究和实现。 第五章详细论述了本系统软件特殊功能的研究和实现。 第六章为本系统的测试，介绍了对手持式超声波探伤仪应用软件的测试情况和测试结果。 本文的最后一章对系统软件的研究开发进行了总结，并结合手持式超声波探伤仪的未来发 展趋势，对今后相关领域的研究工作进行了展望。 6 南京航空航天人学硕十学位论文 第二章超声波检测 2 1 超声波检测的物理基础 超声波是一种频率超过2 0 k h z 的机械波5 1 。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传 输的基本物理特性，即反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加 速度大等特点，可产生较大的能量，并且在不同的媒质界面，超声波的大部分能量会被反射。 超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大的特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中 传播，通过反射波或透射波来了解被测物体的内部情况。 2 1 1 超声场的特征量 充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫超声场5 1 。超声场具有一定的空间大 小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。描述超声场的特征值主要有声压、 声强和声阻抗。 1 ) 声压p 超声场中某一点在某一时刻所具有的压强p 。与没有超声波存在时的静态压强p o 之差，称 为该点的声压，用p 表示。超声场中某一点的声压的复制与介质的密度、波速和频率成正比。 在超声波探伤仪上，屏幕上显示的波高与声压成正比。 2 ) 声阻抗 超声场中任一点的声压p 与该处质点振动速度u 之比称为声阻抗，常用z 表示。 z = p u = c u u = c ( 2 1 ) u = p z ( 2 2 ) 由式2 1 可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。由式2 2 可知，在同一声压下， z 增加，质点的振动速度下降。因此声阻抗z 可理解为介质对质点振动的阻碍作用。超声波在 两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。 3 ) 声强i 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用i 表示。 i = z u 2 2 = p 2 ( 2 z )( 2 3 ) 当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的质点开始振动，因而具有动能；同时 该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性未能；声能为两者之和。 声波的声强与频率的平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强也 远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。在同一介质中，超声波的声强与 7 手持式超声波探伤仪应用软件设计 声压的平方成正比。 2 1 2 分贝的概念与应用 由于在生产和科学实验中，所遇到的声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为 1 0 。1 1 0 4 瓦厘米2 ，最大值与最小值相差1 2 个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的，但 如果对其比值( 相对量) 取对数来比较技术则可大大简化运算。分贝就是两个同量纲的量之比 取对数后的单位。 通常规定将引起听觉的最弱声强i i = 1 0 。6 作为声强的标准，另一声强1 2 与标准声强i l 之比 的常用对数称为声强级，单位是贝尔( b e d 。实际应用时贝尔太大，故常取1 1 0 贝尔即分贝( d b ) 来作单位。 揣101 9 ( 厶1 2 肛i 篙2 0 1 9 ( 州脚) ( 2 4 ) = 。) =丑) ( 扭) 、 在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高与声压成正比。 这时有： a = 2 0 1 9 p 2 p l = 2 0 1 9 h l 9 2 ( 扭) ( 2 5 ) l 、 ， 、 这里声压基准p l 或波高基准h l 可以任意选取。 用分贝值表示回波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高以后，可直 接用仪器的增益值( 数字机) 或衰减值( 模拟机) 来表示缺陷波相对波高。因此，分贝概念的 引用对超声探伤有很重要的实用价值。 2 1 3 超声波的衰减 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，这种现象叫做超声波的 衰减5 1 。超声波的衰减有两种表示方法。一种是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，观察它们的底面反射波( 底波) 的次数，底波次数多的材料，说明声波在该材料中衰 减少，底波次数少，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： p = p o p 喇 ( 2 6 ) 式中p o 为起始声压：p 为超声波从声压为p 。处传播一段距离a 后的声压；口为衰减系数。 8 南京航空航天人学硕十学位论文 2 2 超声波检测的基本原理 2 2 1 超声波检测概述 超声波检测是工业上无损检测的方法之一，通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和 散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检 测和表征，并进而对其特定应用性进行评价( 6 1 。当被检测的均匀材料中存在缺陷时，会造成材 料的不连续性，这种不连续性往往伴随着声阻抗的突变，而超声波遇到不同声阻抗的物质的交 界面上将发生反射，根据反射波的人小、有无及其在时基轴上的位置可以判断出缺陷的大小、 有无以及缺陷的深度。 作为无损检测技术中一种非常重要的方法，超声波用于无损检测领域是由其特性决定的 7 1 。 1 ) 超声波的方向性好。超声波具有像光波一样的方向性，经过专门的设计可以定向发射， 利用超声波可在被检测对象中进行有效的探测。 2 ) 超声波的穿透能力强。对大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。特别在一些金属材 料中，其穿透能力可达数米。 3 ) 超声波的能量高。超声检测的j 1 ：作频率远高于声波的频率，具有很高的能量。被检材料 的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为广泛应用超声波检测的基础。 4 ) 遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时的这 些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声检测j j - 作的灵活性、精确度得以大幅度提高，这也是 超声检测得以迅速发展的原因。 5 ) 对人体无害、适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度快、可及时得 到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行 检测和诊断。 2 2 2 超声波检测分类 超声波探伤方法很多，按其原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法引。 1 ) 脉冲反射法 在超声无损检测技术中，脉冲反射法是通用性最好和使用最广泛的一种。对于钢材和有色 金属工业，几乎所有的半成品，如板材和钢轨，都采用脉冲反射法进行检测。脉冲反射法是一 种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。首先 把超声波脉冲送入物体，当回波自物体的非连续性结构( 缺陷) 或边界返回时，在显示器上显示 出回波波形，并把它们的幅值和传输时间等参数指示出来。如果物体中的声速是已知的，根据 显示器上的读数得知脉冲的传输时间，即可转换成物体内的距离或深度；或者在屏幕上标示出 9 手持式超声波探伤仪应用软件设计 深度的标度，以便于读出。脉冲反射法又包括缺陷同波法、底波高度法和多次底波法。 缺陷回波法。缺陷回波法是根据仪器示波屏上显示的缺陷回波波型进行判断的检测方法， 是反射法的基本方法。缺陷回波检测法的基本原理如图2 1 所示，当工件完好时，超声波可顺 利传播到底面，检测图形中只有发射脉冲t 及底面回波b 两个信号，如图2 k a ) 所示。若工件 中存在缺陷，在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波f ，如图2 1 ( b ) 所示。 ( a ) ( b ) 图2 1 缺陷同波法检测原理 底波高度法。当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的：但如果工件 内存在缺陷，则底面回波高度会下降甚至消失，依据底面回波高度的变化就可判断工件内的缺 陷情况，这种检测方法称为底波高度法。底波高度法的优点是同样投影大小的缺陷可以得到同 样的指示，而且不出现盲区。但是实施该方法时要求被检测工件的探测面与底面平行，耦合条 件一致。由于该方法检出缺陷的定位、定量不便，灵敏度也较低，因此，很少作为一种独立的 检测方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜或小而密集的缺陷。 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 ) 脉冲透射法 脉冲透射法是依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法。 此方法采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在工件的两侧进行探测。此方 法的优点是探伤图形直观，结果易于说明，适用于薄工件，由于超声波传播路程仅为反射法的 一半，故适用于检查衰减大的材料。但由于缺陷的可探出性随缺陷面积与波束面积之比、缺陷 相对于波束取向、及缺陷与探头之间的距离不同而异，且试件几何形状的微小改变又会引起接 收信号幅值的变化，所以使用该方法不能知道缺陷的深度位置，缺陷探测灵敏度一般比反射法 1 0 南京航空航天人学硕士学位论文 低，难以检查较小缺陷。 3 ) 共振法 把频率连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷 等材料性质的方法称为共振法。共振法是利用被测物件的共振特性来实现的，该方法比较复杂， 一般用来测量金属板，管壁，容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中的分层和进行材 质判定。 2 3 超声波探伤仪 超声波探伤仪是超声波检测的主体设备，它的作用是产生电振荡并加于换能器( 即探头) ， 激励探头发射超声波，同时将探头送同的电信号进行放大、采集和处理。按照一定的方式显示 波形，从而可以得到被检测工件内部有无缺陷以及缺陷位置和火小等信息。 2 3 1 超声波探伤仪的分类 超声波探伤仪在现代工业中的应用日益广泛，由于检测的对象、目的、速度和应用的场合 不同，所以有不同种类的超声波探伤仪。常用的超声波探伤仪有如下几种： 1 ) 按缺陷显示方式分类 a 型显示超声波探伤仪：a 型显示为缺陷波幅显示，显示屏的横坐标代表声波的传播距 离或时间，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，由反射波的幅度 可以估算缺陷的大小。 b 型显示超声波探伤仪：b 型显示为缺陷俯视图像显示，显示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代表声波的传播距离或时间，因而可以直观地显示 出被检测工件任一纵截面上缺陷的分布以及缺陷的深度。 c 型显示超声波探伤仪：c 型显示为缺陷侧视图像显示，显示屏的纵、横坐标都是靠机 械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号的幅度以像素点的灰度或者不同的颜色表 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，但不能显示缺陷的 深度。 3 d 型显示超声波探伤仪：3 d 型显示为缺陷三维图像显示，能够显示出缺陷的立体图像。 2 ) 按超声波的连续性分类 脉冲波探伤仪：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 波的连续时间及幅度判断工件中缺陷的位置和大小。 连续波探伤仪：通过探头向工件发射连续而且频率不变( 或在小范围内周期性变化) 的 超声波，根据透过上件的超声波强度变化来判断工件中有无缺陷及缺陷大小。 手持式超声波探伤仪应用软件设计 调频波探伤仪：通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波，根据发射波与 反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。 3 ) 按超声波的通道数目分类 单通道探伤仪：由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。 多通道探伤仪：由多个探头或多对探头交替工作，每一个通道相当于一台单通道探伤系 统，适用于自动化探伤。 2 3 2a 型脉冲反射式超声波探伤仪 超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用得最为广 泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续性，这种不连续性往往又造成声阻 抗的不一致。由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的交界面上将会发生反射，反射 回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超 声波探伤仪就是根据这个原理设计的。 目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是a 型扫描方式的，所谓a 扫描显示方式即 显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的 幅值9 1 。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成缺陷和钢材料之间 形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面 之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就 会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射 波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。 a 型脉冲反射式超声探伤仪具有缺陷定位精度高、能确定缺陷的当量尺寸、灵敏度高、只 需单面接近试件、适用于各种形状等优点，是目前使用最广泛的探伤仪。 2 4 本章小结 本章介绍了超声波检测的基本物理量，和超声波检测的原理与分类，最后介绍了超声波探 伤仪的分类。本课题设计的仪器是基于a 型脉冲反射式原理，故对a 型脉冲反射式探伤仪进行 了详细的介绍。这一章的内容为本系统应用软件的设计奠定了理论基础。 1 2 南京航空航天人学硕+ 学位论文 第三章超声波探伤仪应用软件设计 3 1 应用软件层总体设计方案 3 1 1 超声波探伤系统的主要功能 1 ) 显示分辨率为4 8 0 x 6 4 0 点阵，波形显示区域为4 4 0 x 4 0 0 。 2 ) 可实时显示c 门内波高、位置及声速或深度，准确的测量探头的零点偏移、声速和k 值。 3 ) 支持a 扫描，b 扫描；支持d a c 曲线，a v g 曲线，包括实测曲线、理论曲线和拟合 曲线；支持自动增益。 4 ) 动态包络线( 峰值记忆) 功能，能又快义准的找到最高波。 5 ) 闸门内波形展宽功能，可将进波门内的波形展宽到满屏进行分析。 6 ) 自动曲面修正( 内曲，外曲) 功能，自动计算出弧长l 和深度h 。 7 ) 焊缝剖面显示功能，自动显示缺陷在焊缝中的位置，并显示超声波在工件中传播的路径 和给出缺陷离焊缝中心的位置和深度，并自动报警。 8 ) 数据存储功能，具有普通探伤、焊缝显示、曲面修正、缺陷测高、b 扫描、动态探伤波 形六类数据的存储和恢复功能。最多可存储1 0 0 0 幅a 扫描波形数据，2 0 幅b 扫描图形，支持 动态记录。输出方式支持u s b 接口，可将存储文件通过u s b 接口传给u 盘，利用探伤系统配 套的计算机打印程序完成数据和波形的后期处理。 9 ) 电池使用状态的实时检测并自动报警。 1 0 ) 双闸门自动报警( 进波、失波) 3 1 2 应用软件总体设计框图 本软件系统是基于l i n u x 操作系统和q t e m b e d d e d 图形用户界面库实现的。l i n u x 为应用 软件提供简洁、高效的运行平台以及丰富的外围设备驱动，如液晶显示驱动、串口驱动、通用 串行总线驱动和以太网接1 3 驱动等。q t e m b e d d e d 有丰富的类库和控件资源，为高效开发图形 界面提供支持。 软件系统的整体结构如图3 1 所示。 1 3 手持式超声波探伤仪麻川软件设计 g u 应用i 群。 阵阑童鹰夏囊蠹纛；疆瓤。 舒 * i 强艘骥嘲黪蹴豳敷稿蒡稿糍 舒 。，蛾穗础镒瀚幽黼翻越斑豳痞蝌 督 冬8 自罄8 9 9 9 嫩? ， k ，。铺。毹i 。蠲矗蕊强日螽黼l 鑫i m 甜洲j 。! 墅!