（信号与信息处理专业论文）基于labview的超声波检测系统的设计.pdf

摘要 超声波检测具有测量材质种类多、灵敏度高、探伤深度大、穿透力强、检 验速度块、对人体无害等优点，因此，被广泛地应用于机械制造、冶金、电力、 石油等行业的无损检测。目前，国内多使用数字式a 扫描探伤仪，其存在不直 观、判伤难、无记录等缺点，且数据处理及扩展能力有限，缺乏灵活性。 本文采用虚拟技术设计了基于l a b v i e w 的超声波检测系统，提出了一种超声 波检测系统的设计方案；采用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 处理器设计了超声波检测器的硬 件电路，包括d s p 控制器、超声脉冲发射电路、超声回波接收电路、放大电路、 a d 转换电路及以太网络接口等电路，并编写了其相应的软件；采用l a b v i e w 软件 开发平台开发设计了上位机超声检测系统软件；采用t c p i p 协议编写了上位机与 超声波检测器的通信软件。 该系统能够实现被测物体超声回波信号的采集、分析、处理、存储等功能， 具有功能强、界面友好、操作方便、扩展性好等优点，在机械制造、冶金、电力、 石油等行业的无损检测中具有较高的应用价值。 关键词：超声检测；虚拟仪器；d s p ：l a b v i e w a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e s t i n gi sw i d e l ya p p l i c a t e di nt h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n go ft h e i n d u s t r i e ss u c ha sm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g i c a l ，p o w e rs y s t e m ，p e t r o l e u m ， e t c ，b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fw i d ed e t e c t i n gf i e l d ，h i g hs e n s i t i v i t y ，l a r g et e s t i n g d e p t h ，s t r o n gp e n e t r a t i n gf o r c e ，r a p i dt e s t i n gs p e e d a n dh a r m l e s st oh u m a n n o w d a y s ， t h ea - s c a n n i n gf l a wd e t e c t o ri sg e n e r a l l yu s e di nc h i n a t h ed e c e c t o rh a sm a n y d i s a d v a n t a g e sl i k en o n i n t u i t i o n ，h a r dt oj u d g ed e f e c t i o n s ，n or e c o r d s ，e t c w h a t s m o r e ，i ti sl i m i ti nd a t ap r o c e s s i n ga n de n t e n s i o na b i l i t y , l a c ko ff l e x i b i l i t y i na 1 1 i nt h i s p a p e ra n u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wi s p r e s e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dad e s i g nm e t h o d a b o u tt h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n g s y s t e m ；d e s i g n e dt h eh a r d w a r ep a r to ft h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rw h i c h i n c l u d e s d s p ，u l t r a s o n i cp u l s e se m i s s i o nc i r c u i t ，u l t r a s o n i ce c h o sr e c e i v i n gc i r c u i t ，a m p l i f y i n g c i r c u i t ，a dc o n v e r t i n gc i r c u i ta n dn e t w o r ki n t e r f a c e ，b yu s i n gt m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p ， a n dw r i t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h eu p p e rs o f t w a r eo ft h ed e t e c t i n gs y s t e m i sd e s i g n e dw i t hl a b v l e w t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb e t w e e nu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o ra n du p p e rd e s i g n e dw i t ht c p i pp r o t o c 0 1 t h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gs y s t e mc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n sa b o u tt h eo b j e c t e c h o s s a m p l i n g ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n ds t o r a g e t h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so f s t r o n gf u n c t i o n s ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，g o o d e n t e n s i o n i th a sh i g h a p p l i c a t i o nv a l u e i nt h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n go ft h ei n d u s t r i e ss u c ha sm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g i c a l ，p o w e rs y s t e m ，p e t r o l e u m ，e t c k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d s p ，l a b v l e w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名獭鲁签字日期：叫年月昭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞淫王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：聪葺 签字日期：渊年、 月f2 日 j 新虢孩_ 签字日期：1 年堋帅 学位论文的主要创新点 提出了一种超声波检测系统的设计方案，采用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p 处理器设计了超声波检测器的硬件电路，包括d s p 控制 器、超声脉冲发射电路、超声回波接收电路、放大电路、a d 转换电路及以太网络接口等电路，并编写了其相应的软件。 采用l a b v i e w 软件开发平台开发设计了上位机超声检测系统 软件，采用t c p i p 协议编写了上位机与超声波检测器的通信 软件。 第一章引言 1 1 超声波检测的现状 第一章引言 超声波检测是无损检测的主要方法之一。它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，非破坏性的探测材料内部和表面的缺陷( 如裂纹、 气泡、夹渣等) 的大小、形状和分布状况以及测定材料性质。近半个世纪以来， 超声波检测技术得到了迅速发展。许多工业发达国家采用a 型脉冲反射式探伤仪 进行钢铁、造船和机械制造中的探伤。5 0 年代后期超声检测已在医疗领域内被广 泛应用。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术和电子技术的发展，超声检测仪器 和检测方法都得到了迅速的发展瞳，。 超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。1 9 8 9 年4 月在荷兰阿姆斯特丹召 开的第1 2 届世界无损检测会议上共发表论文4 7 8 篇，其中有关超声检测的论文 1 8 2 篇，是论文数量最多的无损检测方法。1 9 9 2 年l o 月在巴西圣保罗市召开的 第1 3 届世界无损检测会议上宣读和交流的论文共3 1 2 篇，5 种常规无损检测论 文占6 5 ，其中有关超声检测的论文最多，占到5 5 。1 9 9 6 年第1 4 届世界无损 检测会议在印度的新德里举行，会议收到论文7 3 2 篇，收入论文集的论文5 5 0 篇，其中与超声检测有关的论文2 0 0 篇。新千年的无损检测大会，第1 5 届世界 无损检测会议在意大利的罗马市召开，大会收到7 7 3 篇论文，收入论文集的有 6 6 3 篇，其中有关超声检测的有2 5 0 篇瞳1 。 我国超声波检测事业也取得了巨大的进步和发展，超声波检测在工业中已确 立了其重要地位，几乎渗透到所有工业部门，如作为基础工业的钢铁工业、机器 制造业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输业、造船工业、 航空航天工业，高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业 部门。但就总体而言体水平而言，与发达国家相比还有很大差距。在检测专业队 伍中，高级操作人员和高级技术人员的比例较小。由于过度地追求近期经济效益， 对与超声无损检测相关的基础研究和应用基础研究投人的人力和经费远少于美、 日、德等国。以手工检测为主的状态还会持续很长一段时间，但由计算机控制的 自动检测将在更大程度上普及数字式、智能型超声探伤仪将得到更快的发展。为 提高工作效率，各种专用设备和自动化超声检测系统将得到更广泛的开发和应 用。超声成象系统也将逐步完善并得以实用。 天津工业人学硕十学位论文 1 2 课题的目的和意义 目前，我国仍然以手工检测为主，测量方法上，则多选用传统的脉冲反射法。 该方法缺陷定位精度高、适应范围广、灵敏度高。但是，脉冲反射法是一种波形 显示的方法，需要人为通过对超声回波波形判断缺陷的存在、位置、形状等，因 此受到操作人员主观影响较大。同时受仪器本身条件所限，也无法充分利用数字 信号处理技术对超声回波信号进行进一步有效的分析，存在不直观、判伤难等缺 点。其次，目前国内超声检测产品主要是以微处理器为核心，采用大规模集成芯 片为外围电路设计，一旦成型则其检测功能固定化，很难更改，不具备可扩充性。 本文采用虚拟技术设计了基于l a b v l e w 的超声波检测系统，提出了一种超 声波检测系统的设计方案。可以实现的功能有： 1 超声波的发射与接收； 2 对回波信号的可调控增益放大，提高了系统的精确度； 3 放大后的信号经过a ，d 转换后送入上位机，利用数字信号处理技术，进行 进一步的分析； 4 可以将波形数据进行存储，以便需要时调用。 该系统具有功能强、界面友好、操作方便、扩展性好等优点，在机械制造、 冶金、电力、石油等行业的无损检测中具有较高的应用价值。 1 3 课题内容 本文在对超声波的性质，超声波检测的基本原理和方式研究的基础上，设计 了基于l a b v i e w 的超声波检测系统。具体研究内容如下： 1 确定基于l a b v i e w 的超声波检测系统的整体设计方案； 2 采用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p 处理器设计了超声波检测器的硬件电路，包括d s p 控 制器、超声脉冲发射电路、超声回波接收电路、放大电路、a d 转换电路等： 3 编写了超声波检测器相应的软件； 4 采用l a b v i e w 软件开发平台开发设计了上位机超声检测系统软件； 5 采用t c p i p 协议编写了上位机与超声波检测器的通信软件。 第二章超声波检测的原理 2 1 超声波的性质 第二章超声波检测的原理 如果以频率，来表征声波，并以人的可感觉频率为分界线，则可把声波划分 为次声波( 厂 3 r ：a ) 时，圆盘源轴线上的声压随着声程的增加而衰减。具体计算公式为： p f n 等 ( 2 - 5 ) r 。：源盘源半径 p ：轴线上距离声源a 处的声压 只：圆盘源面积 2 近场区及远场区 根据图2 1 圆盘源轴线上的声压分布曲线，由此可将芯片辐射声场分成以下 两个区域： ( 1 ) 近场区( 0 墨a n ) 具有复杂声束能量的区域叫近场区，又称近场干涉区。近场区内声轴上声源 高低起伏变化剧烈，距声源越近，声压最大值和最小值的点分布越密。 ( 2 ) 远场区( 口 n ) 近场以远的声场即“n 值以外的区域称为远场区。在远场区中超声波以一 定的指向角传播，而且随着距离的增大，声压幅值单调下降。a 之3 n 时，声压 变化规律和球面波相似，因此在探讨远场中声压变化规律时均用球面波声压关系 进行运算。 3 超声场的指向特性 超声能量集中在一个方向发射的特性称为指向性。如图2 - 2 中所示，声源 发出的超声波在靠近声源较近的范围可以看作是笔直传播，经过一段距离后，按 一定角度扩散传播。 表示指向性锐度的角称为指向角。它是描述超声场指向特性的标准，是超声 场声束轴线与声束边缘之间的夹角，又称半扩散角臼，指向角的大小取决于芯片 直径刃和波长a 。芯片尺寸越大，频率越高，指向性越好h 1 。其关系为： 天津t 业人学硕十学位论文 s ；n 口。印丢 心- 6 ) 式中叩为常数，取决于超声场中边缘声压与轴线声压之比。 图2 2 理想化的圆芯片辐射场 2 ，1 3 超声波在介质中的传播特性 超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。当超声波 从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于异质界面而言：当垂直入射 时，只有反射和透射；当倾斜入射时，除反射外，透射波会发生折射现象，同时 伴随有波型转换口3 。 所谓波型转换，就是第二介质中传播的波型已不同于入射的波型。 所谓异质界面，是指由两种特性阻抗不同的介质所构成的界面，如气体液 体界面、气体固体界面、液体固体界面和不同固体界面等。 1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射 ( 1 ) 单一界面 当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第一介质中产生与入射波 方向相反的反射波，在第二介质中产生与入射波方向相同的透射波。如图2 - 3 所 不o 一、 p rp o 公i 胥1弋r z l = p l c l 。_ 杉- 7 哆( | ， 介质2 尸内， z 2 。p 2 c 2 图2 - 3 垂直入射单一界面是的声压情况 反射波与透射波的声压是按一定比例分配的。这个分配比例由声压反射率和 声压透射率来表示。界面上的反射波声压乃和入射波声压励之比称为界面的声 压反射率，用r 来表示( z l 是介质1 的声阻抗、z 2 是介质2 的声阻抗) ： r 。生。墨2 = 兰! p o z2 +zl( 2 7 ) 第二章超声波检测的原理 界面上透射波声压与入射波声压之比称为界面的声压透射率，用d 来表示： n 每。表 8 ， p 0 z2 + z l ( 2 8 ) 若z l 与z 2 几乎相等，则此时r 约为0 ，d 约为1 。声波几乎没有反射而直接 从第一介质投射入第二介质。 若z l 远大于z 2 ，则此时声波在界面上几乎全反射而透射极少。 ( 2 ) 薄层界面 在进行超声波检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷层，这些都可以归结为 超声波在薄层界面的反射和透射问题。 超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同， 异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形 成一系列的反射和透射波。这一系列的波是相互叠加的，其叠加结果与相位有关。 因此，计算叠加的结果是十分复杂的。 2 超声波斜入射到平界面上的反射和折射h 3 当超声波以一定倾斜角人射到异质界面上时，对固体来说，在一般情况下反 射波和折射波都分裂成两种波型，即除了与原有入射波相同波型的反射波和折射 波外，还有与原有波型不同的反射波与折射波，如图2 4 所示。入射的纵波除 产生反射纵波l 和折射纵波l 外，还产生反射横波s 和折射横波s 。 玉，一 十，l sv 、 睦。7 矽 玲赝l 一l ， 介，域2 l ，缴波 s ：移：泼 图2 4 超声波斜入射到平界面上的反射和折射 角度与波速之间的关系符合反射和折射定理； c c c ，c ：c ： ( 2 9 ) s i n ls i n ls i n s s i n 8 f s i n 8 s 根据反射定律和折射定律，可以改变入射角和第一介质的材料来获得横波、 表面波、板波等各种不同的波形。 随着入射角度的不同，在第二介质中有不同角度的折射波，对不同介质来说 天津。1 ：业人学硕十学位论文 则有不同的临界角。其计算公式如下： 纵波折射角0 = a r c s l n ( 。ls i n ) ( 2 1 0 ) c 工 横波折射角8 s 。a r c s n ( 詈s i n i l )( 2 1 1 ) 如果增大入射角，则折射角也随之增大。当吼为9 0 度时，折射在界面上产 生表面波；若继续增大入射角使臼，大于9 0 度，则纵波反射入第一介质，在第二 介质内只存在横波。依此可用来设计探头的入射角。 2 1 4 超声波在传播过程中的衰减 超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超 声波衰减。引起超声波衰减的主要原因是介质吸收、晶粒散射和波束扩散。 通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括扩散衰减。 2 2 超声波换能器 超声波换能器是完成超声波发射和接收的关键器件，是超声检测设备的重要 组成部分副。 2 2 1 压电效应和超声波换能器 1 压电效应 某些晶体材料或多晶陶瓷材料在应力作用下产生变形时，在晶体的界面上出 现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象，称 为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。能够产生压电效应的 村料称为压电材料。 2 超声波换能器 超声波换能器又叫作超声波探头，它是电一声换能器。一方面将来自发射电 路的电脉冲加到压电晶片上，变成同频率的机械振动，从而向被检测对象辐射出 超声波。另方面，它又将从声场中反射回来的声音信号转换成电信号，送入接 收、放大电路，变为可供在屏幕上观察和判断的检测信号。 2 2 2 超声波换能器及其选择 1 超声波换能器的分类 超声波检测使用的换能器的种类很多，根据波形不同分为纵波换能器、横波 第二章超声波检测的原理 换能器、表面波、板波换能器等。根据耦合方式分为接触式换能器和液( 水) 浸换 能器。根据波束分聚焦换能器与非聚焦换能器。根据晶片数不同分为单晶换能器、 双晶换能器等。 2 换能器的选择 超声波换能器的类型很多，性能各异，因此根据超声波探伤对象的形状、对 超声波的衰减和技术要求合理选用换能器，是保证探伤结果j 下确可靠的基础。对 超声波换能器的选择包括换能器型式、换能器频率、换能器晶片尺寸等。 ( 1 ) 换能器型式的选择 根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择换能器的型式， 尽量使超声波声束轴线与缺陷垂直。直换能器只能发射和接收纵波，波束轴线垂 直于探伤面，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠 等缺陷。斜换能器是通过波型转换来实现横波探伤的。主要用于探测与探测面垂 直或成一定角度的缺陷，如焊缝中的未焊透、夹渣、未熔合、气孔等缺陷。表面 波换能器用于探测工件表面缺陷，双晶换能器用于探测工件近表面缺陷，聚焦换 能器多用于水浸探测管材或板材1 。 ( 2 ) 换能器频率的选择 频率对超声波探伤的影响较大。超声频率在很大程度上决定了超声波探伤的 探测能力，必须选取合适。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，分辨力好，缺陷定位准确。但扫查空间小，仅能发现 声束线附近位置的缺陷。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，分辨力差，但扫查空间大。此外，低频超声波在材料 中衰减小，穿透能力强。一般说来，在满足探伤灵敏度要求的前提下，尽可能选 取频率较低的换能器。 ( 3 ) 换能器晶片尺寸的选择 换能器晶片的形状一般为圆形和方形。换能器的晶片尺寸对超声波探伤结果 有一定影响，晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，换能器未扩散区扫查范围大， 远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。在探伤面积范围大的工件 时，为了提高探伤效率，宜选用大晶片换能器；探伤厚度大的工件时，为了有效 地发现远距离的缺陷宜选用大晶片换能器。对小型工件，为了提高缺陷的定位定 量精度，宜选用小晶片换能器；对表面不太平整、曲率较大的工件，为了减少耦 合拐失，宜选用小品片换能器。 2 3 超声波检测的基本原理 超声波在一定介质中传播时其速度保持不变，在不同介质的界面发生反射、 天津jl ：业大学硕十学位论文 折射和波形转换。超声波就是利用这种性质来判断被检材料内部是否存在缺陷、 异物及其存在的大小、位置等。 超声波遇到缺陷产生反射，根据反射回波的声压的高低，可以评价材料缺陷 的大小。形状不同的缺陷，对超声波的反射规律不同。同时根据声速和声波在介 质中传播至缺陷所需的时间可以测定缺陷的距离r ： 尺。坐( 2 一1 2 ) 2 式中c 为材料中的声速，t 为声波遇到缺陷时的来回传播时间。 假如缺陷的尺寸小于波长一半时，由于超声波衍射作用而不产生明显的反射 回波信号，从而无法显示伤痕，因此缺陷尺寸最小检测极限为a 2 。从这一角度 讲超声波探伤所用的频率应该愈高愈好，但频率高的超声波在介质中传播衰减 大。常用的超声频率在0 5 m h z 一1 0 m h z 之间。 2 3 1 超声波探伤仪分类 超声波探伤仪的种类有很多，分类方法各不相同，若按缺陷显示的方式可以 分为a 型显示，b 型显示，c 型显示。如图2 5 所示。 a 型显示b 型显示c 型显示 图2 5a ，b ，c 三种显示方式 a 型显示是一种波形显示，显示缺陷深度及反射波幅度。 b 型显示是一种图像显示，显示在纵截面上缺陷的形状和分布情况。 c 型显示是一种图像显示，显示水平截面上缺陷形状和分布情况，但是不能 显示缺陷的深度。 2 3 2 超声波探伤基本方法 超声探伤的基本方法有两种，脉冲发射法和穿透法。 第二章超声波检测的原理 1 脉冲反射法 根据发射脉冲信号幅度及其在显示屏上显示的位置来判断缺陷的方法，称为 脉冲发射法。它是应用最为普遍的方法，它的优点是：适用范围广，探伤灵敏度 高，缺陷定位准确，操作方便。缺点是：反射波受缺陷取向的影响，超声波在传 播过程中衰减大，对近表面缺陷的检测能力差。 超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部 缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法 工作原理示意见图2 - 6 ，一般只需采用一个又收又发的换能器进行检测。 换能器发射的超声波在工件内部传播时，若遇有不同介质，将发生反射，反 射信号的强度与反射率r 的大小有关，反射率r 只与入射介质和反射介质的材料 有关，由于反射信号通过的声程一定，结合其衰减公式分析，换能器获得的反射 信号的强度也是一定的。当工件无缺陷时，荧光屏上只有始波t 和底波b 显示， 二者之间没有其它回波；如果工件中有小于声束截面的小缺陷，则会在始波t 和 底波b 之间出现缺陷回波f ，缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中 的位置，缺陷回波幅度大小取决于缺陷在声束入射方向的投影面积的大小。当有 缺陷回波出现时，底波高度下降；如果工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被 缺陷所反射，只有始波t 和缺陷回波f ，不会出现底波b 。 厂 厂 喀i 刊，七了l i一i一 tbtfbtf 图2 6 脉冲反射法 脉冲发射法是应用最为普遍的方法，它适用范围广，探伤灵敏度高，缺陷定 位准确，操作方便。但反射波受缺陷取向的影响，超声波在传播过程中衰减大， 对近表面缺陷的检测能力差。 2 穿透法 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透时间的能量变化来判断缺陷情况的方法， 它是根据超声波被缺陷散射等引起的衰减程度探测工件里的缺陷的。穿透法的工 作原理示意图如图2 7 所示。 在被检工件相对两侧各放一个换能器，其中一个向工件发射超声波，另一个 换能器接收超声波。从发射换能器发射的超声波可穿过工件被接收换能器所接 天津【：业大学硕十学位论文 收，根据超声波衰减公式可知，接收器的声压只与被检材料和它到声源的距离有 关，因此被检工件确定后，当两个换能器的距离一定时，接收器的声压也应当为 一个稳定的值，即从仪器荧光屏上看到的波形应当不变，但当工件中声阻抗或声 衰减有某些变化( 如存在宏观缺陷) 时，接收器的声压则会有变化，通过分析这些 变化，就可以对工件的质量进行评价。当工件完好时，可接收较强信号；当工件 有小缺陷时，部分声能被反射，只能接收较弱信号：当工件内有面积大于声束截 面的缺陷时，声能被缺陷全部反射，另一个换能器完全收不到信号。穿透法不存 在探测盲区，判定缺陷方法简单，适用于连续的自动化探伤。但其探伤灵敏度低， 分辨率差，不能确定缺陷位置，一般需要专用的探头夹持装置。 lj r i 第三章超声波检测系统的总体设计 第三章超声波检测系统的总体设计 超声波检测系统由超声波检测器和上位机检测系统软件组成，其框图如图 3 - 1 所示。 图3 - 1 系统总体框图 超声波检测器实现的功能包括超声波的发射、接收、放大及a d 转换。换能 器是用来完成超声波的发射和接收的声一电转换功能；网络接口完成以太网接入 的功能，从而实现超声波检测器与上位机的数据传输；上位机超声检测系统能够 实现被测物体回波信号的采集、显示、存储及处理等功能。 具体工作过程为：d s p 控制发射电路产生触发脉冲，激励换能器进行电一声 转换产生超声波。超声波进入被测物体后被反射，反射后的回波信号由同一换能 器接收，声一电转换后进入接收电路。经限幅、放大后进行a d 转换，转换为计 算机能处理的数字信号，存储于s r a m 中，再通过网口进入计算机。在l a b v i e w 平台下，根据需要对超声信号进行不同的分析处理，得到结果。 d s p 是整个超声波检测器的核心部分，控制整个仪器的运行，在进行超声波 检测时，对回波的数据采集速度要求很高，因此d s p 运算速度也必须很快。根据 上述要求，本系统选择t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 作为超声波检测器的核心处理器。 这是t i 公司的一款性能优异的芯片，片内资源丰富，主频可以达到i o o m h z ， 硬件结构对于数字信号处理特别适用，目前在嵌入式领域、无线设备、数字运算 等领域得到了广泛的应用哺1 。t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 属于t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列。 1 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的c p u 特点是： ( 1 ) t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 内部的总线结构为改进的哈佛结构，包括l 条程序总线、 3 条数据总线和4 条地址总线； ( 2 ) 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括1 个4 0 位桶形移位寄存器和2 个 独立的4 0 位累加器。1 7 位1 7 位并行乘法器，与4 0 位专用加法器相连、用于 天津j ：业人学硕十学何论文 非流水线式单周期乘法累加( m a c ) 运算； ( 3 ) 比较、选择、存储单元( c c s u ) ，用于加法比较选择； ( 4 ) 指数编码器，可以在单个周期内计算4 0 位累加器中数值的指数； ( 5 ) 双地址生成器，包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术运算单元 ( a r a u ) 。 2 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的存储器特点是： ( 1 ) 具有1 9 2 k 字可寻址存储空f 自j ，由6 4 k 字程序空问、6 4 k 字数据空间及 6 4 k 字i o 空间三个独立空间组成。 ( 2 ) 片内r o m ，可配置为程序数据存储器。 ( 3 ) 片内双寻址r a m ( d r a m ) c 5 4 0 2 中的d a r a m 分成若干块。由于在每个机器周期内，允许对同址访问2 次，因此c p u 可以在一个机器周期内对同一d a r a m 块读出1 次和写入1 次。一般 情况下，d a r a m 总是映象到数据存储器空间，主要用于存放数据。但是它也可以 映射到程序存储器空间，用来存放程序代码。 3 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的指令系统特点是： ( 1 ) 单指令重复和块指令重复操作。 ( 2 ) 块存储器传送指令。 ( 3 ) 3 2 位长操作数指令。 ( 4 ) 同时读入2 或3 个操作数的指令。 ( 5 ) 能并行存储和并行加载的算术指令 ，( 6 ) 条件存储指令。 ( 7 ) 从中断快速返回。 ( 8 ) 在片外围电路 ( 9 ) 软件可编程等待状态发生器。 ( 1 0 ) 可编程分区转换逻辑电路。 ( 1 1 ) 带有内部振荡器或用外部时钟源的片内锁相环( p l l ) 时钟发生器。 ( 1 2 ) 1 6 位可编程定时器。 ( 1 3 ) 外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号。 数据总线具有总线保持器特性。 4 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的电源特点： ( 1 ) 可用i d l e i 、i d l e 2 和i d l e 3 指令控制功耗，以工作在省电方式。 ( 2 ) c l k o u t 输出信号可以关断。 5 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的在片仿真接口： 具有符合i e e e i1 4 9 。1 标推的在片仿真接口。 第三章超声波检测系统的总体设计 ( 6 ) t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的速度为： 单周期定点指令的执行时间为2 5 2 0 1 5 1 2 5 1 0n s 。 d s p 采用了白举加载的方式，并且根据需要扩充了s r a m ，f l a s h 等外部器件。 上位机软件程序采用l a b v i e w 语言编写。l a b v l e w 是一种功能强大的编程语言， 采用了基于数据流的图形化编程方式，被广泛的应用在汽车、通信、航空、半导 体、过程控制等各个领域。上位机软件主要实现了对超声回波信号的处理工作， 包括缺陷的定位，时域和频域的分析，数据的存储与回放。 第四章超卢波检测器的设计 第四章超声波检测器的设计 4 1 超声波发射电路的设计 发射电路的任务就是产生高频脉冲波，用来激励换能器产生超声脉冲。常用 的超声换能器激励方式大致可分为窄带激励和宽带激励两类。窄带激励常使用调 制脉冲法，宽带激励则多使用阶跃脉冲、方波、单极窄脉冲等方式。在分辨率上， 窄带激励的纵向分辨率比宽带激励的高，但横向分辨率较宽带激励低，同时由于 低频对小缺陷不灵敏等原因，窄带激励的横向分辨率的高低与缺陷的大小有关。 在应用上，窄带激励适合探测近表面缺陷或对分辨率要求高的场合，宽带激励适 合探测范围大，对分辨率要求不高的场合呻1 。 原则上来说，各种符合要求的能产生高频振荡的振荡电路或脉冲电路都可以 作为超声的激励( 发射) 电路。但在超声探伤仪中应用的较多的一种产生窄脉冲的 方法是利用储能元件( 如电容) 通过电阻的瞬时放电，从而产生尖峰脉冲。其发射 电路有调谐式和非调谐式两种，非调谐式发射电路的发射脉冲频带宽，而调谐式 电路发射的脉冲频带窄。为了减小测量白区，使之能探测近表面处的缺陷，并且 使探伤仪有较高的分辨率，所以发射电路采用较多的是非调谐式电路，其原理图 如图4 1 所示。 图4 一l 基本发射电路 该电路的工作原理为：在没有发射脉冲时，直流电源v c c 通过r 1 1 能电容c 1 l 电，( 由于r 1 1 r 1 2 所以可以忽略r 1 2 的影响) ，使其两端的电压为直流电源v c c 的电压。发射脉冲到达后，场效应管导通，此时电容c 1 1 过i r f 8 4 0 放电。在导 通的瞬间，i r f 8 4 0 的漏极电压比较小，拉低了c 1 1 位。由于电容两端的电压不 能突变，使得二极管d 的输出端电位在瞬间约为一v c c ，这个负脉冲作用于超声换 能器，使其产生压电变换，发射超声波，其发射频率主要由超声换能器晶片的固 天津，i ：业人学硕十! 学位论文 有参数决定。图中在发射换能器部分并联的是阻尼电阻r 1 ，发射电路的阻尼情 况由阻尼电阻r 1 3 定，r 1 3 阻尼大，发射脉冲宽度窄，发射强度低；r 1 3 阻尼就 小，发射脉冲宽度宽，发射强度高。通常v c c 的电压取4 0 0 v 。 i r f 8 4 0 为工r 公司生产的功率场效应管，其耐压达到5 0 0 v 。具有驱动电路简 单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高的特点。 4 2 限幅电路的设计 限幅器主要起到过压保护的作用。由于在系统的设计中采用的是单换能器， 即发射换能器和接收换能器采用的是同一个，因此在其接收通道输入端输入的信 号不仅有几十u v 至l v 的回波信号，而且还有幅值高达几百伏的发射脉冲信号， 为避免损坏接收通道电路元件，保护放大电路工作器件的安全，防止接收通道在 激励脉冲之后一段时间不能j 下常接收缺陷回波信号从而造成的工件近表面探伤 的误判，采用限幅电路。本超声波检测仪器的接收通道采用并联限幅的保护电路， 其电路如图4 - 2 所示。 q l慰10 1 输入_ j l o i l u fl o o ko 皿ld 2 3 1 【 】k d e 2d 已4 、匕 2k l 一输出 l l 担 鼍f 图4 2 限幅电路 其中二极管d 2 1 ，d 2 2 和d 2 3 ，d 2 4 分别对正向和负向大脉冲高压信号进行限 幅，保护了接收通道免受瞬时的脉冲高压冲击，提高了接收通道后续电路的抗阻 塞特性和检测时的反应灵敏度。其中电容c 2 1 主要的作用是隔直，设计中选用了 0 1 u f 的陶瓷电容。 4 3 超声波放大电路设计 由于超声回波信号很微弱，其数量级只有毫伏级，因此需要选用放大器对信 号进行放大，以获取更多的信息量。 第四章超声波检测器的设计 4 3 1 设计参数选择 在设计的超声波检测接收电路中，高频放大部分电路是本检测仪器取得完整 的，而且波形不失真的超声回波信息的关键所在。主要涉及到的几个重要设计参 数是：放大倍数、频率宽度和动态范围。 1 放大倍数 放大器输出的信号幅度e 2 与输入信号的幅度e 1 之比，称为放大器的放大倍 数。它表征放大微弱超声回波电压信号的能力，直接表现了检测仪器的综合灵敏 度，所以是设计者必须着重考虑的主要指标。 通常的超声回波信号为微弱的电压信号，一般为毫伏级，部分信号为几十微 伏。经放大后的信号送入a d 转换器，而a d 转换器的输入电压在0 2 v 之间， 因此，约8 0 d b 左右的放大倍数也就足够了。本课题设计是4 0 d b , - - 一8 0 d b 的增益可 调范围，将回波电压信号放大到合适的a d 转换器的转换范围( + o 2 v 一2 o v ) 。 2 频率宽度 放大倍数随频率变化情况称为放大器的频率特性。放大倍数在高频端和低频 端都要下降。放大倍数下降到中心频率f o 的0 7 0 7 ( 即3 d b ) 时的频率差称为频带 宽度( 如图4 - 3 所示) 。频率特性表示的是接收通道的幅度特性，即增益g 与频率 f 的关系，是指接收通道输出信号与输入信号相比，增益g 在幅度和相位方面随 超声波频率f 的变化规律。 声波回波信号往往具有极宽的频带，以此经常使用宽带放大器放大信号。为 的是使其在工作频率范围内有很好的幅度和相位特性，可以适应相应范围内不同 频率换能器的需要，输出高保真的波形。频带宽度越大，接收到的信号频谱丰富、 波形失真小，再配以宽频带换能器就能获得较高的分辨率。但由于噪声的频带也 较宽，所以加宽频带宽度时，噪声相应也要增大，这样就降低了信噪比，因此接 收电路的频带也不宜太宽。 设计中，为保证接收电路不失真地放大超声回波信号，通常将接收通道的带 宽定是回波信号中心频率的5 8 倍，设计中，频带宽度为9 0 m h z ，已满足换能 器( 0 5 m h z i o m h z ，常用频率5 m h z 以下) 对通频带的要求。 3 动态范围 接收电路除了要求有足够的放大倍数外，还要求放大级有足够大的不失真输 出幅度。最大不失真输出信号的幅度范围，称为放大器的动态范围。放大器的动 态范围决定了探伤仪的动态范围。理论上，所有放大电路都只有在它的线性放大 范围内时，才会有一个比较恒定的放大倍数。 动态( 线性) 范围大，既可减少了小信号的缺失失真，又避免了一些大信号的 饱和失真。但过大的动态范围既增加了电路设计的难度，也没有太大的实际意义。 天津：i ：业人学硕+ 学位论文 4 3 2 放大电路设计 1