超声波探伤的相关知识.docx

超声波探伤技术简介 1、 超声检测 超声波检测是无损检测方法之一，无损检测是在不破坏前提下，检查工件宏观缺陷或测量工件特征的各种技术方法的统称。常规无损检测方法有：超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）； 射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）； 磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）； 渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT）；涡流检测Eddy current Testing（缩写 ET）； 2、 超声波探伤仪 运用超声检测的方法来检测的仪器称之为超声波探伤仪。它的原理是：超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。 超声检测是指用超声波来检测材料和工件、并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。 超声波是频率大于 20 kHz 的一种机械波（相对于频率范围在 20 Hz 20 kHz 的声波而言）。超声检测用的超声波，其频率范围一般在 0.25 MHz 15 MHz 之间。用于金属材料超声检测的超声波，其频率范围通常在 0.5 MHz 10 MHz 之间；而用于普通钢铁材料超声检测的超声波，其频率范围通常为 1 MHz 5 MHz。 超声波具有众多与众不同的特性，如：声束指向性好（能量集中）；声压声强大（能量高），传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射（或折射）和波型转换，以及产生衍射等。 通常，超声检测采用了不同的技术： 按波源不同可分为：连续波、脉冲波； 按波型不同可分为：纵波、横波、表面波、板波、爬波； 按接收方式不同可分为：回波（反射）、穿透； 按耦合方式不同可分为：接触式、液浸式； 按探头数不同可分为：单探头、双探头、多探头。 脉冲回波（脉冲反射）技术是超声检测中最常用的一种技术，其所用的超声波是一种脉冲波，即波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级）、仅在很短一段时间内有振幅（间歇发射）的一种机械波动。 通常，脉冲回波超声检测的过程是：由超声检测仪（亦称超声波探伤仪）产生脉冲电信号，输入到换能器（或探头）上，激励换能器的压电晶片发射脉冲超声波；超声波透射（或折射）进入被检材料或工件中，经过反射或衍射等传播变化，最终又被换能器的压电晶片所接收，再转换成电信号，输送回超声检测仪显示出来；最后，通过对显示屏进行观察，来分析和评价被检材料或工件的内部或表面质量。 超声检测仪的显示方式通常有三种：A 扫描显示、B 扫描显示、C 扫描显示摘要：在电站设备的各类检修、寿命评估中，最经常和广泛应用的是超声波探伤技术。超声波探伤具有应用方便、适用性强、准确率高、易自动化等许多优点。本文重点介绍了超声波探伤技术中的裂纹检测方法，缺陷定量方法，损伤、劣化评价方法，以及评价和应用实例。 关键词：超声波探伤 裂纹 缺陷 损伤 劣化 评价 应用 1.前言 电站设备中的多数部件长期应用在高温高压的水、蒸气介质中，应力、腐蚀、蠕变、氢蚀及疲劳等造成的时效损伤和劣化问题比较严重。对这些设备进行检修、寿命评估等工作的信号采集中，最经常和广泛应用的是超声波技术。超声波由于广泛应用于薄管到厚管、表面到内部的缺陷信息采集，对缺陷定量评价迅速，现场检查容易、解析方便、自动化程度高等许多优点使其得到普遍应用。 利用超声波法进行微裂纹的检查，材质损伤及劣化诊断时，超声波信号一般比较微弱，变化量小。因此，要准确捕捉这些微小的信号，并用其进行解析，必须具备高性能的测量系统。近年来，高灵敏度、高性能、高可靠性的超声波发送接收器已经商品化，伴随着计算机的高速、大容量化，信号处理、数据处理等能力增加，图像化、图像解析、自动化也越来越容易；此外，双晶探头，聚焦探头，表面SH 波探头，爬波探头及高温探头及电磁超声波的非接触探头等的广泛应用。在这种前提下，使得近期通过在实验室阶段解析、积累基础数据的进行，能在现场广泛推广应用多种多样的超声评估损伤和劣化诊断技术得以实现。 本文介绍使用超声波法，对材料、焊接部位产生的损伤和劣化进行无损检查时的评价方法、评价精度的现状，以及应用情况和应用时的注意事项等。 2.超声波探伤的检查方法 到目前为止，已经应用或者提议应用的利用超声波探伤进行无损检查的方法见下表： 缺陷定量方法 当量法(当量试块比较法、当量计算法、当量AVG曲线法) 测长法（相对灵敏度测长法、绝对灵敏度测长法、端点峰值法） 底波高度法 裂纹的检测方法 表面波波高法 表面波波时延法（单探头法、双探头法） 端部回波峰值法 横波端角反射法 横波串列式双探头法 相对灵敏度法（6dB、10dB、20dB） 散射波法（衍射法） 损伤、劣化评价方法 衰减法（低层回波反射法、透射法、共鸣法） 音速法（表面波法、容积波法） 临界角反射法 光谱仪法（光谱分布及面积、中心频率、频幅、重心频率） 频率解析法 利用后方散射波的杂波分析法 其它（法、波松比评价法） 3.裂纹的评价和应用实例 3.1聚焦超声波 作为在现场可以方便测量的方法而广泛应用的是相对灵敏度测长法。这种方法是通过探头前后扫查时的回波高度超过距离波幅曲线（distance amplitude curve, DAC）时阈值前后的波束路程来测量裂纹高度的一种方法。这种方法的测量精度主要取决于超声波波束的宽度，通过使用超声波波幅较窄的聚焦探头，可提高裂纹自身高度的测量精度。 在实验室应用5MHz，折射角45的聚焦探头，以直径1mm长横孔DAC为基础，使阈值变化时的焊接裂纹等的缺陷高度的测量精度和常规探头测量结果的比较得出：在使用聚焦探头的情况下，阈值设计的越低，精度越好，如果阈值为DAC的-25dB，误差的平均值及标准偏差都接近零，可见聚焦探头可以高精度的进行测量。之所以通过设计低的阈值能使精度提高，是由于在缺陷的端部产生的散射波也被检测系统作为缺陷的反射波测量出的缘故。 疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等的缺陷高度测量经常使用端部回波法。这种方法是收集裂纹端部的散射波回波，然后由其波束路程和探头的折射角来测裂纹自身高度。使用45折射角聚焦探头时，散射回波变得容易发现，而且测量精度也比常规探头增高。在实验室，对于铬钼钢产生的裂纹，通过使用常规探头和聚焦探头的上部回波表现形式的检测比较表明，使用聚焦探头时精度提高50。对奥氏体系列不锈钢配管发生的自身高度0.517mm的尖端部位呈复杂形状的晶间应力腐蚀裂纹，通过利用聚焦探头的端部回波法，其裂纹自身高度曾以低于1mm的精度进行了测量。 端部回波法测量本身简单，但回波的判别方法依赖于检查技术人员的水平和经验，存在客观性差的问题。另外，微裂纹并存、裂纹的形状复杂时，无法得到预期的精度，这一点也需特别留意。 对发电设备水冷壁管内表面发生的腐蚀疲劳裂纹、不锈钢焊接部位产生的应力腐蚀裂纹及石化设备中的碱蚀脆化裂纹等的缺陷高度测量一般使用散射法（Time Of Flight Diffraoction,TOFD）。 TOFD法是BS7706中规定的方法，将发射探头和接收探头按一定的距离焊缝两侧放置，使发射探头发射出传播纵波，利用裂纹端部的衍射波测量裂纹自身高度。在没有裂纹的地方得到的信号仅是在试验体表面传播的横波和底层反射波的单纯波形，但在有裂纹的情况下，还会接收到来自裂纹上端及下端的衍射波。所以是求损伤图形上的各个信号的到达时间差，并由这些值测量裂纹深度及高度的方法。这些收集到的反射信号经波形数据转换，并由计算机处理后，变换成相位程度带明暗的灰色标度，探伤结果可实时图像显示。在常规方法中，入射角如果偏离10，其灵敏度约降低25dB，而TOFD法为5dB，相对减小许多。可以说TOFD法具有不易受裂纹斜度影响的良好的裂纹检测性能。 应用TOFD法可以高精度的测量裂纹自身高度，例如：在水冷壁管腐蚀裂纹中，精度为0.2mm。对板厚50mm的低合金钢产生的疲劳裂纹，其测量精度达到5%。另外，对原来检测较困难的碱蚀脆化损伤所造成的裂纹顶端的晶间剥离的定量评价也可以应用TOFD法进行。但是，TOFD法信号微弱，而且根据探头的设定条件，其检测性能、测量精度受到很大的影响，因此，需要进行寻求最佳条件的预备实验。 目前日本正在研究使用大开口角的线聚焦探头，使在试验体表面发生泄漏弹性表面波（LSAW），以定量评价不锈钢晶间腐蚀（IGA）自身高度的方法。实验证明晶间腐蚀自身高度和LSAW回波振幅之间有着良好的相关关系。 3.2表面SH波 普通斜探头在工件中产生的横波，振动方向在垂直于工件表面的平面内振动，称SV波；如果横波的振动方向与工件表面平行，称为SH波。压电晶片在逆压电效应作用下产生的振动波通过异质界面上的波形转换在被检介质中产生SH波。 单晶压电材料可以选择不同的晶体切割方向实现横向振动产生横波，SH波的横波是压电晶片发射的横波在有机玻璃与受检部件界面上发生折射后在受检部件内得到的，SH波的振动方向与工件表面相平行。当楔块角度达到或大于第一临界角值1（33.1）时钢中仅存在SH波，试验证明SH波在折射角度为7080范围时回波声压达到最大值，因此工程实践中应用的SH波斜探头主要为大角度SH波斜探头。 试验证明SH波探头的往复透过率随SH波探头在钢中折射角度的增大而增大，随频率的降低有所升高，低频率探头在不同角度的往复透过率差值比高频率探头在不同折射角度上的往复透过率差值小。将验证结果与理论计算结果相比较，高频率探头的一致性较好，低频率探头的一致性稍差一些，这是由于理论计算所考虑的晶片为无限大平面，实际试验中晶片为有限尺寸。在应用于工程实践时SH波探头主要分为大角度SH波斜探头与表面SH波探头。 表面SH波对工件的表面光洁度要求不高，表面SH波一次有效检验距离更大，可提高检验效率；应用于汽轮机叶片叶身检验时可一次完成末级叶片全长度检验，且不受末级叶片汽蚀影响。检验纵树型叶根时检验灵敏度可达到1mm。应用于管内壁疲劳裂纹检验时，检验灵敏度可达到0.5mm。 表面SH波在长距离传播过程中传播声能损失小于表面波。采用不同频率的表面SH波探头检验钢板对接焊缝，在距焊缝1m与距焊缝5m、检验长度为20mm的焊缝缺陷，其回波幅度仅相差30dB。 SH波探头检验灵敏度受耦合效果影响较大。造成这种差异的主要原因是由于SH波探头发射的横波属于剪切波，仅能在固体介质中传播。而目前横波专用耦合剂在不同温度下，其透声效果有较大差异，既横波在界面的往复透过率有较大差异，导致介质中的横波声场强度有较大改变，造成检验灵敏度上的差异。因此目前实践应用中，一般用在环境温度差别不大的情况下，如果环境温度差别较大时，应对检验仪器的检验灵敏度重新校准。大角度SH波斜探头由于声场强度在表面及表面下0-10mm左右范围，声场强度基本一致，因此在应用于较薄工件检验时，其在缺陷定位（深度方向）上难以作到准确定位。 由于表面SH波具有以上所述的种种优点，所以期望能在结构构件的无损检查方面得到广泛的应用。对于火力发电设备等使用的配管焊接部位发生的裂纹的探伤，国外已经开发了面向现场的电子扫描系统，并且已经开始应用。例如使用电弧阵列探头，进行电子的超声波波束的扇形扫描，试验体的断面图像为可以实时显示的移动式图像系统。 4.损伤、劣化评价和应用实例 4.1 蠕变损伤评价 蠕变损伤是高温环境下，长时间负载一定负荷时，在晶间产生孔穴等的现象。对其应用的超声波评价方法有波速法、衰减法、光谱法、频率解析法及杂波分析法等，理论解析也多种多样。其中杂波分析法从精度和适用性看较为有效。该方法是将来自金属组织变化的后方组织散射波作为杂波处理，然后用某频率范围的积分值定量评价其振幅的一种方法。 有文献研究表明微波变换底层回波波形是解析每个频率的音速、衰减系数结果的有效手段。另外，也有文献正在研究使用频率解析法，求相位光谱，然后从相位光谱的斜度测量音速，以评价蠕变损伤过程的方法。对于叶片0Cr18Ni11Ti不锈钢的蠕变损伤材料，有文献研究表明，如果利用线聚焦大开口角的探针，使泄漏弹性表面波传播，那么表面波的传播方向是蠕变孔穴的分布方向和直角方向，振幅及频率特性将受到很大的影响。 在汽轮机高中压转子中，叶轮键槽部的蠕变损伤在评价剩余寿命方面非常重要。但其评价方法建议使用使横波倾斜入射叶轮键槽，然后用垂直探头接收来自损伤部的波形变换后的纵波的法。有资料证明，根据这个方法可以得出蠕变的损伤程度和回波高度之间的直线的良好相关关系。 4.2 氢蚀的损伤评价 氢损伤是在高温(220)高压条件下，当炉水PH2 fM 时，相邻频谱无重叠；F2 fM，原始信号的恢复将可以实现，只需将取样信号波形通过矩形低通滤波器即可。若取样频率低于此值，原始连续信号便不可能根据它的取样信号波形得到不失真的恢复。 412 A/D转换 按转换器的工作原理不同，A/D转换器通常可分为积分型和比较型。积分型A/D转换器先将输入的模拟量转换为中间量，然后再将此中间量变换成相应的数字量。这种类型的A/D器件的特点是抗干扰能力强，精度高，但速率较低。高速A/D转换器一般采用比较型。下面介绍几种适用于高速变换的A/D转换器。 （1） 闪烁式A/D转换器：将采样的模拟信号直接与各个不同的参考电压比较，从而得出相应的数字信号大小。这种方式只需一个A/D内部周期即可得到数字结果，速度相当快，但分辨率不高。它需要2N（N为A/D的位数）个内部比较器，电路非常复杂。 （2） 逐次比较型A/D转换器：其原理是利用比较器不断地对采样模拟信号与D/A转换器产生的标准模拟电压进行比较，直到两者之差小于1LSB为止。这种方式需要N个内部周期来完成一次转换,但只需一个比较器,比较容易提高分辨率,电路较简单。 （3） A/D转换器：其原理是将模拟信号先进行调制，再通过高性能的数字滤波，就能得到高分辨率的数字信号。这种方式能获得较大的信噪比，它实际上利用了下面要介绍的过采样技术。 为了满足软件无线电对数据采集模块的需求，进一步提高采集的性能，在上述基本结构的基础上，采用了一些改进的采集技术，现分别介绍如下： （1） 正交采样技术：将要进行数字化的信号分成两个分量，其中一个乘以正弦波，下变频到零中心频率上；另一个乘以900相移的正弦波，下变频到零中心频率上。每一分量只以原信号的二分之一带宽出现，以原信号的二分之一采样速率进行取样。 （2） 带通信号采样技术：如果前一模块送出的是带通模拟信号，可以以低于抽样定理中的Nyquist采样率进行模数转换。只要采样率fs不低于两倍的信号带宽（fh-fl），就不会导致信号的频谱的重叠，同时，fs还应满足： 2fh/k这里k是满足如下关系的整数2（3） 过采样技术：以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称之为过采样技术，采用过采样技术会带来两个好处。首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计要求；其次，过采样技术可提高信噪比。 （4） 并行ADC、DAC技术：软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近射频端。高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围都提出了较高要求，这时可采用并行A/D转换技术。这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。 4 2高速A/D数据采集 421采样频率和缓冲容量的确定 本课题是针对超声波工业检测设备而开发的高速数据采集技术，因此，检测对象基本上为钢体材料。超声波在钢中传播时，纵波CL的传播速度为5900米/秒，横波CS的传播速度为3230米/秒，可见，超声波在钢中的传播速度很快。因此，对于一定厚度的工件进行检测时，超声波在工件中的传播时间很短，尤其对于薄壁材料检测，传播距离更短。从以下超声波检测的基本方法可以计算出超声波的传播时间，确定检测频率和缓冲的容量要求。 422超声波传播时间的计算 超声波在钢中的传播速度、距离和时间的关系公式为： D=CT 式中： D表示声程（距离） C表示声速 T表示传播时间 如果采用反射法直探头进行检测，在其探测范围内的传播时间： T=2H/C 式中： H表示工件厚度 C表示声速 T表示传播时间 如果采用反射法斜探头进行检测，则要考虑入射角和几次声程的影响。采用一次声程探伤，在其探测范围内的传播时间： T=2H/(cosC) 式中： H表示工件厚度 C表示声速 T表示传播时间 表示探头入射角 采用二次声程探伤，在其探测范围内的传播时间： T=4H/(cosC) 式中： H表示工件厚度 C表示声速 T表示传播时间 表示探头入射角 4 23 采样频率的确定 从以上的超声波传播时间可以看出，对于钢质材料的超声波检测，由于超声波在钢中传播时间很短，因此，一般需采用较高的检测频率。尤其对于薄壁材料的检测，为了得到足够的分辨率，采用高的检测频率就更为重要。这就要求有足够的采样频率才能满足信号采集的要求。 如对于1mm厚的材料进行检测，由于超声波在其中的传播时间仅为0.339s，要达到10%（0.1mm）的检测精度，必须要能分辨0.0339s的信号周期，不至于信号重叠而无法分辨。这就要求检测频率至少大于29.5MHZ（1/0.0339s）的检测频率fM。因此，对于采样频率FN至少满足内奎斯特（Nyquist）频率，即满足条件：FN2 fM ，也就是采样频率至少达到60MHZ以上。对于整个系统的设计检测频率上限40MHZ，采样频率必须在80MHZ以上。 为了提高信噪比和检测精度，我们选择了大于Nyquist采样率的过采样技术。确定了整个系统的采样速率必须达到100MHZ以上。 当然，整个系统为了满足不同检测要求的需要，采样速率是可以调整的，在检测频率不是很高时，可以降低采样速率，以减小缓冲容量的要求。 424 缓存器容量的确定 由于整个系统的采样速率较高，要对信号数据进行保存，就需要使用高速缓存器，缓存器的容量应该把探测范围内的时域信号得以保存。我们选用了64K容量的缓存器。 在200MHZ采样速率的情况下，64K缓存器可存储的时域信号的时间长度为： T=64K/（200MHZ/S）=320s 这种采样频率一般用于检测频率较高的检测信号的采集，用高检测频率检测薄壁材料时，往往采用纵波入射和45度斜探头一次声程的横波入射方式，在同样厚度的工件中横波入射方式检测的时域信号时间长度较长，因此该容量的缓存器可适应的最大厚度的工件厚度为： H=(320s3230m/scos45)/2=365mm 对于薄壁材料远小于该厚度值，因此所设计的缓存器容量是足够的。 而对于壁厚较厚的工件，一般采用1-5MHZ的检测频率，采用30MHZ的采样频率足以满足信号数据采样的要求，这时64K缓存器可存储的时域信号的时间长度为： T=64K/（30MHZ/S）=2133s 即使使用70度斜探头二次声程的横波入射方式，该容量的缓存器可适应的最大工件厚度为： H=(2133s3230m/scos70)/4=589mm 它也能适应压力容器等工业检测的需要，比较重要的核电站反应堆压力容器的壁厚只有在250 mm左右。 43 A/D采集卡的设计和开发 为了满足对超声波宽频带高速率的信号进行采集的要求，设计了一种基于并行直接转换原理的flash A/D转换器的高速8位分辨率的数据采集卡。 该采集卡的主要性能指标是： （1） 最大采样率为200MHz； （2） 数据分辨率为8位； （3） 数据缓存容量为64k*16位； （4） 模拟输入带宽70MHZ； （5） 输入路数：4路 （6） 转换触发方式：可编程为定时触发、指令触发、外源触发 （7） 数据传输速率：25MBytes/S 采集卡设计成计算机扩展槽的插板形式，不需外接电源，其各种状态可通过主机进行编程控制，便于用户使用。 44 高速数据缓存器 数据的缓存使用了两片高速FIFO，在将采集得到的数据写入其中一片时，后续模块同时对另一片中的数据进行处理。对FIFO进行对写是在时序控制模块的控制下进行的，但数据的读出由用户自己的后续模块自己进行，并提供相应的控制信号。FIFO缓存器由于其先进先出的特性，数据的读写都无需提供地址信号，简化了电路的设计，提高了数据的吞吐率。该FIFO的最高运行速率是100MHz，这完全满足系统的要求。 5 超声波检测数据的传输和记录 51 系统简介 由于本系统采集速率较高，因此对于传输的速率要求相对也比较高。由于ISA总线制定的时间较早，不可避免地带有一些局限性，例如数据宽度仅为16位、总线同步时钟也只有8MHZ等。而目前CPU的数据宽度和工作频率都有了很大的提高，同时面向图形的操作系统的引入，使标准的PC I/O结构中的处理器和它的显示外设之间产生了数据瓶颈，ISA总线已经不能满足系统要求。但如果将外设的功能在与系统处理器总线同样宽的高宽带总线上实现，这个瓶颈就可以消除，因此引入了高宽带总线，通常称为“局部总线”。在多种局部总线中，VESA总线和PCI总线是比较具有代表性的两种。 在本项课题数字式超声波成像系统中应用PCI总线作高速数据采集和传输。整个系统的硬件由两个部分组成：主处理机（PC）和信号发射/接收前端组成： 灰色部分的接口卡就是本课题要研究的对象：PCI总线接口卡。它起的作用是发射/接收前端与主处理机之间的桥梁。在发射/接收前端，高速采样后的接收信号在A/D转换后，经由连接电缆送到接口卡，再由接口卡通过PCI总线传送到主处理机内存中指定的数据接收区。 5 2 PCI总线的特点 PCI总线即外设部件互连，是一种新型的、同步的、高宽带的、独立于处理器的总线。其所以能在各类总线中脱颖而出，是因为其具有以下特点： 传输速度快。最高工作频率33MHZ，峰值吞吐率在32位时为132MB/S，64位时为264MB/S。 支持无限猝发读写方式。读写时后面可跟无数个数据周期，具有强大的数据猝发传输能力。 支持并行工作方式。PCI控制器具有多级缓冲，利用它可使PCI总线上外设与CPU并行工作。例如CPU输出数据时，先将数据快速送到缓冲器中，当这些数据不断送往设备时，CPU就可转而执行其他工作了。 独立于处理器。PCI在CPU和外设间插入一个复杂的管理层用以协调数据传输，通常称之为桥。桥的主要功能是在两种不同的信号环境之间进行转换，并向系统中所有的主控制器提供一致的总线接口。因此PCI总线可支持多种系列的处理器，并为处理器升级创造了条件。 提供4种规格，可定义32位/64位以及5V/3.3V电压信号。3.3V电压信号环境的定义为PCI总线进入便携机领域提供了便利。 数据线和地址线采用了多路复用结构，减少了针脚数。一般而言，32位字长、仅作目标设备的接口只需47条引脚，作为总线控制者的设备接口再加2条引脚，并可有选择地增加信号线以扩展功能，如64位字长的接口卡需加39条引脚，资源锁定加1条引脚，等等。 支持即插即用功能，能实现自动配置。在PCI器件上包含有寄存器，上面带有配置所需的器件信息，使外设适配器在和系统连接时能自动进行配置，无须人工干预。 53 硬件结构 这里对接口卡的硬件结构作一简要描述： 从连接电缆输入的16位宽的数据经信号缓冲后暂存在FIFO中，然后被PCI总线接口芯片读出并通过PCI总线送到主处理机内存中指定的数据接收区。 531 PCI总线接口芯片结构 PCI总线接口芯片是用FPGA来实现的。其上除了完成与PCI总线接口所必须的PCI总线配置寄存器之外，还具有一些用户可编程的控制寄存器。用户通过对这些控制寄存器编程，就可使PCI总线接口芯片自动向系统申请占用总线，从FIFO中读出数据并传送到系统内存中指定的数据接收区中。 芯片内部由两个模块组成：PCI接口模块和FIFO接口模块。PCI接口模块负责与PCI总线端相接的逻辑。FIFO接口模块负责与FIFO端相接的逻辑。 532 PCI接口模块 PCI接口模块除了实现PCI总线配置寄存器以外，还起到FIFO接口模块与PCI总线之间的转接作用。一方面，来自PCI总线上的对FIFO接口模块中控制寄存器的读写要经PCI接口模块才能转换为可以被FIFO接口模块接收的读写信号；另一方面，FIFO接口模块从FIFO中读取的数据需要经过PCI接口模块才能转换为PCI总线上的相应信号被系统接收。 533 FIFO接口模块 FIFO接口模块的功能是控制从FIFO读出数据，然后通过PCI接口模块向总线发出申请，得到许可后开始向系统内存指定的数据接收区传送数据。FIFO接口模块中还实现了可编程的控制寄存器，可使软件对数据传送进行控制。 54 软件接口 本接口卡的软件接口包括两个部分：与PCI系统相关的软件接口及与用户应用相关的软件接口。与PCI系统相关的软件接口是PCI总线配置寄存器，包括本接口卡的生产厂商所指定的设备标志号、修订版本号以及PCI SIG所分配的厂商标志号寄存器，还有状态寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。与用户应用相关的软件接口是与本接口卡实现的特定功能相关的寄存器，包括两组与数据传送有关的起始地址寄存器和结束地址寄存器，还有命令寄存器和状态寄存器。 对与用户应用相关的寄存器的操作都应以32位的方式进行。若以8位或16位的方式操作，将产生不可预知的结果。 在内存以字节（8位）为单位进行寻址的情况下，在进行16位或32位的操作时认为字节排列顺序如下：高位字节在地址较大的字节上，低位字节在地址较小的字节上， 在各个寄存器中，有些寄存器是只读的，有些寄存器是可读可写的，还有一些寄存器是可读可清除的。以上这些属性在以后对每个寄存器的说明中将分别以只读、读/写、读/清的字样标出。 对于只读和可读可写属性应该是见词明义，这里就不多作说明。对于可读可清除属性，在这里有必要说明一下。对可读可清除的寄存器作读操作时，与一般的读操作无异。在写操作时，那些写入1的位会被清0，那些写入0的位则不受影响。具体来说，当某个具有可读可清除属性的字节内容为01010101时，若对该字节读，则读出的内容为01010101。若对该字节写入00001111时，该字节的低4位被清0，内容改变为01010000。 6. 结论 1从调试结果和研制结果来看，超声波信号采集、分析和成像处理系统的整体设计方案是正确的，整套系统可以满足频率范围从1MHZ到40MHZ超声波检测采集和分析的需要，同时可以调整采样速率，适应不同检测频率的记录要求。 2该课题采用全数字式超声波信号显示和处理方式，可以为超声波检测的分析提供必要的数据，对检测结果更为准确和直观。可以更为精确地对缺陷进行定位和定量。同时，为超声波检测设备的开发提供了良好的开发手段。对提高我国的超声波检测设备的开发水平具有积极意义。 3该课题中采用的PCI实时技术解决了高速大容量现场检测数据的存储和传输，为其他有关项目的开发提供了方案。 4课题中应用的关键硬件FPGA和PLD器件可以较强地适用于科研开发和调试，同时具有一定的保密性，对知识产权的保护提供了方案。并且，可以大大缩小硬件的体积。 5课题中采用的谱估计方法进行信号处理，可以从噪声中提取回波信息，可以降低硬件的开发难度。 整个系统的开发成功对于提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶具有重要的意义。 参考文献 1 Albert S.Birks Robert E.Green,Jr. 等编，美国无损检测手册（超声卷），世界图书出版公司，1996年 2 全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会组织编写，超声波探伤，劳动人事出版社，1995年 3 尚利 安迪生 刘晖等著，PCI系统结构， 电子工业出版社，2000年 4 刘贵山等著，PCI局部总线开发指南，西电科大出版社，2000年 5 李大友等著，微型计算机接口技术，清华大学出版社，2000年 6 邵时等著，微机接口技术，清华大学出版社，2000年 7 黄正瑾等著，在系统编程技术及其应用，东南大学出版社，1999年 8 蒋璇等著，数字系统设计与PLD应用技术，电子工业出版社，2001年 9 苏涛等著，高性能数字信号处理与高速实时信号处理，西电科大出版社，2000年本文对涉及超声波探伤仪器性能评定的欧洲标准与我国目前应用标准的情况作了比较，指出我国关于超声波探伤仪器的性能评定要求方面与欧洲标准尚存在较多的差异，建议国内有关部门应尽快修订和充实现有的标准，并在管理模式上加以改进，以满足与国际标准接轨的需要，更好地保障超声波探伤仪器的性能质量以及有利于把中国自主创新制造的超声波探伤仪器推向世界。 关键词：