超声波检测硬件电路设计.doc

2011届本科毕业论文（设计）论文题目：超声波检测硬件电路设计学生姓名： 所在院系： 所学专业：电气工程及其自动化 导师姓名： 完成时间：年 月 日摘 要超声波检测技术在工业领域有着广泛的应用，是材料与设备无损检测的主要手段之一。本论文介绍了超声波检测的基本原理，设计了超声波检测的硬件电路系统，通过系统发射模块和接收模块，方便快捷有效的获取了被测物体内部信息。设计了以可控高压电源供电的超声波发射电路，该电路可以产生频率和发射功率可调的超声波，提高了检测灵敏度和信号的抗干扰能力，增加了检测的有效范围。设计了回波信号调理电路，提高了回波信号的信噪比和检测的准确性，为下一步回波信号的分析处理、实现对缺陷的准确判断、定位、定量提供了有利条件。关键词：超声波 检测 发射电路 高压电源 信号调理 Design of ultrasonic testing hardware circuitAbstractThe ultrasonic detection technology in the industry has a wide range of applications. It is one of the principal means of the nondestructive testing of materials and equipment. This paper introduces the basic principles of ultrasonic testing, the hardware circuit system of ultrasonic testing is designed, through the system transmitter module and receiver module, convenient and effective access to the information of measured object. The ultrasonic transmitter circuit which is provided by controllable high-voltage power is designed to produce adjustable ultrasonic in frequency and transmission power, it is improve the detection sensitivity and signal anti-jamming capability, increasing the effective range of testing. Echo signal conditioning circuit is designed to improve the SNR and accuracy of the detection and provides favorable conditions for the analysis of echo signal which can realize accurate judgment、location、and quantification for the defect.Key words: Ultrasonic； Testing；Transmitter Circuit；High Voltage Power Supply； Signal Conditioning19目 录1.绪论11.1国内外发展概况11.2选题背景意义12.超声无损检测及相关理论12.1超声无损检测的概念、物理基础12.2超声波的波长、声速、超生场的特征量22.3超声波的传播特点42.4脉冲反射式超声波探伤的基本原理及缺陷的判断43超声波检测硬件电路设计63.1超声波检测系统总体设计结构63.2 超声波发射模块73.2.1激励脉冲产生电路73.2.2高压电源及其控制93.2.3发射模块仿真及分析103.3 超声波接收模块103.3.1回波信号调理电路113.3.1.1限幅电路113.3.1.2前置放大电路123.3.1.3带通滤波123.3.1.4变增益放大电路133.3.2信号采集电路143.3.2.1差分变换电路153.3.2.2A/D转换电路153.3.2.3FIFO缓冲电路16结束语16致 谢16参考文献171.绪论1.1国内外发展概况利用超声波来进行无损检测始于20世纪30年代。但得以广泛应用，是在20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲回波式超声检测仪，利用该技术，超声波从物体的一面发射并接收，能检测小缺陷，较准确地确定其位置及深度，评定其尺寸，用于锻钢和厚钢板的探伤。20世纪60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨力和放大器线性等性能上取得了突破性进展，超声检测发展为一个有效而可靠地无损检测手段，并得到了广泛的工业应用。从20世纪80年代以来，由于电子技术和计算机技术的飞速发展，超声检测设备不断向数字化、小型化、智能化方向改进，形成了适应不同用途的多种超声检测仪器。这种仪器以高精度的运算、控制和逻辑判断功能来替代大量人的体力和脑力劳动，减少了人为因素造成的误差，提高了检测的可靠性，较好的解决了记录存档等问题，具有良好的发展前景。1.2选题背景意义 超声波检测在无损检测中占据着主要地位，广泛应用于金属、非金属材料以及医学仪器等领域。近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，超生无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力【1】，为了提高检测的可靠性和提高检测效率，研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声仪是当今无损检测领域发展的一个重要趋势。 传统的模拟超声检测系统虽然也能基本满足人们进行超声检测的要求，但它存在许多不足之处，例如：需要手动保存记录，不能生成图像，判断存在一定偏差等，显然无法满足现在工业及其他的一些科研领域的智能化，自动化，数字化等要求。不利于无损检测的进一步发展。现在市场上虽然也出现了一些数字式的超声检测仪器，但厂家不会向用户提供产品的核心技术，并进行了封闭化处理，对科研人员的实验活动造成了诸多限制【2】。本文设计了一种简单、可靠、实用的超声波检测电路，能够激励不同探头产生频率和发射功率可调的超声波，可应用于对厚度在4mm-120mm的铸铁工件进行裂纹、砂眼、未焊透或未融合的焊缝等多种缺陷的探伤中。它吸取了多种超声波检测仪器结构简单、性能优良、携带方便的特点，而且在改善检测装置的灵敏度和抗干扰能力方面，也取得了良好的效果。2.超声无损检测及相关理论2.1超声无损检测的概念、物理基础无损检测是在不损伤原材料和工件受检对象的前提下，测定和评价物质内部或外表的物理和力学性能，并包括各类缺陷和其他技术参数的综合性应用技术，对于控制和改进生产过程和产品质量，保证材料、零件和产品的可靠性，提高生产率起着关键的作用，是发展现代工业必不可少的重要技术措施之一23。随着现代物理学、材料科学、微电子学和计算机技术的发展，无损检测技术也随之迅猛发展起来。各种无损检测方法的基本原理几乎涉及现代物理学的各个分支。按照不同的原理和不同的探测及信息处理方式，详细地统计了已经应用和正在研究的各种无损检测方法，总共达70余种。主要包括射线检测、声和超声检测、电学和电磁检测、力学和光学检测、热力学方法和化学分析方法等。不同的检测方法适用的缺陷种类、特点不同。本文讨论的超声无损检测，是利用超声波对材料中的宏观缺陷进行探测，依据的是超声波在材料中传播时的一些特性，如：声波在通过材料时能量会有损失，在遇到两种介质的分界面时，会发生反射等等。超声波检测具有灵敏度高，指向性好、穿透能力强、检测速度快等优点。它既可检测材料或构件的表面缺陷，又可以检测内部缺陷，尤其对裂纹、叠层和分层等平面状缺陷，具有很强的检出能力。A型显示超声波探伤较难识别缺陷的类型，B型和C型显示可以给出缺陷的图像，对识别缺陷的种类可提供更多的信息。超声波检测适用于钢铁、有色金属和非金属，也适用于铸件、锻件、轧制的各种型材和焊缝等。但是，一般说来超声检测只适用于检查几何形状比较简单的工件。对于管材、棒材、平板、钢轨和压力容器焊焊缝等几何形状状简单的材料或构件，可以实现高速自动化检测，通常采用水浸法或喷水探头。除了探伤以外，超声波法还可用来测量厚度、硬度、淬硬层深度，检测材料的弹性模量和晶粒度，测量零件或构件中的应力，以及进行液位和流量的测量等。声阻检测法适用于检测胶接结构的质量和强度。超声波是频率范围超过20KHz的声波，在超声波探伤中，最常用的频率是0.5MHz10MHz。超声波本质上是一种机械波，机械波是机械振动在介质中的传播过程。所以它的产生必须依赖于做机械振动的声源，同时还必须依赖于弹性介质的传播。波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波质点的振动方向与波形的传播方向平行，常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波质点的振动方向与波形的传播方向垂直，常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。2.2超声波的波长、声速、超生场的特征量声速是声波在介质中向前传播的速度。不同波型的超声波(纵波、横波、表面波等)，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。超声波是声波，属于机械波的范畴，因此其的频率、波长和声速必然满足如下关系：(2-1)其中为超声波的波长，为超声波的波速，为超声波的频率。可见在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。超声场的定义为充满超声波的空间。超声场特征的几个重要物理量分别为：声压、声强度、声阻抗1。(1) 声压声压：超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态压强的差值表示为声压。超声波在介质中传播时，介质的每一点的声压随着时间，距离而变化，其公式为：(2-2)式中为介质的密度、为介质的角频率、为介质中的波速，为介质质点的振动速度， 为超声波的振幅。可见声压的绝对值与波速成正比，也与角频率成正比，而，因而声压也与频率成正比。超声波的频率越高，其声压越大。(2) 声强度声强度：在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量，也简称声强。(2-3)式中，为声压振幅，由此可见声强与质点振动位移振幅的平方成正比，与质点振动角频率的平方成正比，与声压振幅的平方成正比。因为超声波的频率很高，所以超声波的强度远远大于可闻声波的强度，这是超声波能够应用于探伤的前提。(3) 声阻抗从声压的公式可知，在同一声压的情况下，越大，质点振动速度越小，反之亦然它反映了介质的声学特性故称为介质的声阻抗以符号表示。2.3超声波的传播特点声波在无限大且各向同性的介质中传播时其波形是根据波阵面的形状来区分的。在波的传播过程中，将某一瞬间波到达各质点的几何位置所联成的面成为波阵面。按波阵面的形状可以把波分成平面波、球面波、柱面波、活塞波等。超声波在传播过程中如果遇到一个障碍物，就可能产生若干现象，这些现象与障碍物的大小有关：如果障碍物的尺寸比超声波的波长小得多，则它们对超声波的传播几乎没有影响；如果障碍物的尺寸小于超声波的波长，则波到达障碍物后将发生反射，如果障碍物尺寸与超声波波长近似，则超声波将发生不规则的反射、折射和投射，这些现象均是波的散射；如果障碍物的尺寸比超声波波长大得多，则在障碍物的表面发生反射和透射。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量会逐渐减弱，这种现象就是衰减。超声衰减有三种主要的原因：声束扩散引起的超声波衰减；散射引起的超声波衰减；由介质吸收引起的超声波衰减。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，这种方法仅能粗略地比较超声波在不同材料中的衰减程度；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。2.4脉冲反射式超声波探伤的基本原理及缺陷的判断超声探伤仪的分类类似于超声探伤方法的分类，但根据探伤结果显示方式的不同可分为A，B，C型，其分别对应着点扫描、线扫描和面扫描，其中A型是B，C型实现的基础。脉冲反射法的定义是：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来探测反射源的位置和大小的方法。该方法基于的物理原理是：超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上会发生反射。交界面可以分为两种：工件的表面和底面是工件介质和工件外介质的交界面；工件内部的缺陷表面是工件介质和缺陷的交界面。换能器发射的超声波在工件内部传播时，若遇以上的两种交界面，将发生反射，根据反射回来的超声回波信号就可以判断是否有缺陷，并且可以探测出缺陷的位置及其大致的大小。纵波脉冲反射法工作原理如图2-1所示，一般只需采用收发一体的探头进行检测。图21 超声探伤原理示意根据超声波的指向、反射等特性，A型脉冲反射式超声探伤可以实现三方面的功能：其一，利用超声波在不同介质分界面的反射作用来判断工件材料有无缺陷；其二，若有缺陷，利用声束的指向性对缺陷进行定位，根据声束和声波在介质中传播至缺陷所需时间可测定探头到缺陷的声程；其三，利用超声反射或穿透声压的大小来鉴别材料缺陷的大小。有了以上三个方面的判断后，进而评价其使用的安全性和修复的可能性。另外，还可以应用于管道厚度探测等方面。图2-1中所示的初始脉冲由两部分迭加而成，一是激励脉冲，二是表面回波。首先是激励脉冲作用，当激励脉冲加在压电晶体两面时，因逆压电效应，晶体发生振动产生超声波，同时又因正压电效应在压电晶体两面产生相反电荷，即发射始波电脉冲，初始脉冲通过接收电路显示在屏幕上。同时，表面反射的回波也很快被晶片接收，从而产生电脉冲。两者迭加产生所谓的发射初始脉冲。但晶片振动会因阻尼作用很快停止，而后开始接收缺陷回波或底面回波。如果工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射回波，两者之间没有其他回波，它们之间的声程等于工件的厚度；如果工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始波和底波之间出现缺陷回波，底波也被相应削弱；如果工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。根据屏幕上出现的电脉冲波形，就很容易判断出被测工件是否存在缺陷，并根据始波与第一次底面回波之间的缺陷回波的数量确定出缺陷的数量。由图2-1所示可知，探头到缺陷的距离为(2-4)探头到工件底面的距离为(2-5)式中为材料中的声速，为声波遇到缺陷时的来回传播时间，为发射波到底波的来回传播时间。3超声波检测硬件电路设计3.1超声波检测系统总体设计结构 超声波检测系统总体结构框图，如图 3-1 所示。该系统主要由3部分组成：超声波发射模块、超声波回波信号接收模块、ARM处理器。ARM处理器PC机激励电路限幅电路前置放大电路探头带通滤波电路可变增益放大电路被测物差分放大电路A/D转换电路FIFO图3-1 硬件系统框图该系统以ARM微控制器为核心，通过超声波发射电路产生激励脉冲电压和重复频率可调的超声波，接收电路首先将反射回来的微弱信号经放大、滤波等电路处理，然后通过A/D转换电路对信号进行采集并将采集的信号经数据缓存送入PC机中。ARM微处理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微处理器S3C2440A。其内核频率最高为400MHz，功率低，体积小，集成外设多，数据处理能力好，因而可广泛用于手持设备等。3.2 超声波发射模块在超声波应用领域中，超声波发射电路是系统中的关键部件。随着电子技术的发展和测量系统等在性能和精度方面的要求不断提高，检测仪器向高集成度、高灵敏度、低功耗及模块化方向发展。其中，超声发射电路是影响其性能的关键技术。超声发射电路的主要功能是用来产生不同形式的超声波，以满足实际需要。目前，超声波发射电路设计方法众多，其供电直流电压一般较高，以产生几十到几百伏的超声脉冲激发电信号。该电路的高压电源采用一种可控高压电源设计方案能输出0-1000V电压。并分析了激励脉冲对超声波信号的影响、电路中各个元件对超声波激励脉冲的影响。从理论上得出发射电路中各个电阻与激励脉冲电压电流的数学关系，发射电路可以激励不同探头产生多种频率和发射功率可调的超声波。3.2.1激励脉冲产生电路根据被测件的材料、厚度等不同条件，所需的相应超声波探头的频率、发射电压也不同。发射的超声波频率一般为几MHz，高压激励脉冲一般为几十到几百伏，脉冲的上升时间不超过100 ns。根据频谱分析。激励脉冲宽度探头频率之间存在着最佳关系式7，当脉冲宽度满足这一关系式时，接收探头的接收信号质量最好。该关系式即为： （3-1）式中f0为探头频率，2a为脉冲宽度。本设计所选探头频率为2.5 MHz，由式(3-1)确定的脉冲宽度为6O0 ns，所以放电时间应尽量控制在600 ns。超声波探伤法的容C、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)VQ 快速恢复型二极管VD1、VD2和探头组成，设种类很多，实际运用中。大部分选用脉冲反射法，其发射电路多选用非调谐式，超声波发射电路如图3-2所示。电路由可调高压电源、电阻R1和R2、能量存储电二极管等效电阻为R3，开关等效电阻为R4。ARM微处理器产生频率和占空比可调的脉冲，经IGBT的驱动和保护电路后送人开关管VQ的栅极形成控制脉冲V1。当V1为负脉冲时，IGBT关断，高压电源通过R1、VD2对电容C充电，充电时间常数为1=C(R1+R3)。当t51时，认为电容C充满。当V1为正脉冲时，IGBT开通，电容C通过开关管VQ、R2和二极管VD1对探头放电，放电时间常数为1=C(R2+R3+R4)。超声波探头收到高压负脉冲的激励后便产生一定频率的超声波。图3-2 激励脉冲产生电路电路中元件作用：1)电阻R1用来限制充电时高压电源对电容C的充电电流，即起到限流作用。并减小发射单元工作时对电源的影响 ，从这点考虑，要求电阻R1阻值越大越好。另一方面，电路的重复频率f较高，为了使电容C在触发前能充满电，就必须满足CR1缓存器-处理器”就成为一种通用模式。并行传输速度快，能够满足高速系统的需要。信号采集电路组成部分包括差分变换电路、A/D转换电路、FIFO缓冲电路。3.3.2.1差分变换电路该电路的功能就是实现将单端输入变成差分输出，这种功能在现代高速模数转换电路中是非常有用的。部分A/D转换芯片都有两种电压输入方式:单端输入和差分输入方式。单端输入实现简单，但性能相对较差。相比较，后者虽然实现较为复杂，但可提供最佳的总谐波失真和无杂波失真动态范围。所以绝大多数的高速A/D芯片都需要模拟信号为差分输入。如果采用单端输入，必然会使A/D转换结果的二次谐波增大，降低信噪比SNR。因此，系统设计采用差分输入方式。与单端方式相比，差分输入主要具有以下优点:输入信号动态范围加倍；对共模噪声不敏感；有效抑制偶次谐波;对输入信号调理电路要求较低。本系统选用的差分转换芯片是由AD公司生产的AD8138，这是一款专门用于模数转换器的驱动器件，实现将单端输入转换成差分输出。该器件具有较宽的模拟带宽，增益-3dB时的带宽可达320MHz。其输入阻抗高达6M，完全可以直接与输入信号相连而不需要隔离放大器。3.3.2.2A/D转换电路该电路实现模拟输入信号转化为N位2进制数字信号的输出。ADC器件是采集电路中的核心器件，它的性能对采集电路的整体性能有着非常大的影响。它的两个关键的性能参数是最高采样频率和字长，最高采样频率决定了不发生频率混叠的最大的输入信号频率，字长决定了信号的最小量化误差。根据香农采样定律可知，当采样频率大于等于信号最高频谱成分的两倍即可保存信号所包含的所有信息。但对于超声信号而言，由于一般情况下超声信号中的最高频率成分要比信号的中心频率大许多，所以如果希望超声信号经过数字化而不会产生明显的失真，则需要的采样频率至少为超声中心频率的6-8倍，而往往在实际的应用中采用的采样频率会更高。本系统中超声探头的中心频率为2.5M，所以系统选择的采样频率25MHz。本系统选用流水线型ADC器件，型号为AD9283，其有以下特点：分辨率为8位，最高采样速率为50MSPS，封装模式为20脚SSOP，体积较小；差分输入方式，单电源，低功耗，休眠状态时功耗只有4.2mW；可以利用内部的参考电压，将VREFOUT与VREFIN相连时，模拟输入的范围在正负0.512伏之间；可以获得很好的信噪比，对信号干扰很小，适合微弱信号的采样。3.3.2.3FIFO缓冲电路高速缓存器有两种选择:双口RAM和FIFO(先进先出缓冲器)。双口RAM方式速度快，但需要占用PC机大量而宝贵的存储器地址资源，使用时还要注意避免地址冲突；FIFO方式速度同双口RAM一样，由于没有地址总线，不会产生地址冲突，接口电路简洁且不占用系统地址资源，系统移植或升级换代方便。在实际应用中，利用FIFO芯片，仅占用少量的系统资源就实现了数据的快速传输，而且控制简单，不会产生地址冲突，可以方便缓存大量的数据块。IDT公司的FIFO存储器IDT72V251比较适合本系统，其最快访问时间为10ns，可以满足AD9283的采样速率;容量为8K9，可以满足数据量要求。IDT72V251是单向异步、高速、低功耗的先进先出存储缓冲器。结束语本课题在超声波理论的基础上，结合了现代的数字信号处理技术，微电子技术等，设计了一种简单、可靠、实用的超声波检测电路，能够产生频率和发射功率可调的超声波，可以对厚度在4mm-120mm的铸铁工件进行裂纹、砂眼、未焊透或未融合的焊缝等多种缺陷的探伤。它吸取了多种超声波检测仪器结构简单、性能优良、携带方便的特点，并进行了优化设计，提高了系统的整体性能，在检测装置灵敏度和抗干扰方面也取得了良好效果。主要完成了一下工作：设计了超声波发射模块，该模块采用一种可控高压电源设计方案，能输出0-1000V电压。并分析了激励脉冲对超声波信号的影响、电路中各个元件对超声波激励脉冲的影响。从理论上得出发射电路中各个电阻与激励脉冲电压电流的数学关系，对发射模块进行了仿真，经验证该电路发射的超声波功率、脉冲宽度和重复频率均可调，能满足多种检测需求。在超声波接收模块中，通过回波信号调理电路和信号采集电路实现了对回波信号的放大、滤波、数据采集等处理，提高了回波信号的信噪比和检测的准确性，为下一步回波信号的分析处理、实现对缺陷的准确判断、定位、定量提供了有利条件。尽管本文在超声检测系统方面做了一些有益探索与研究，可为无损检测技术提供一定的借鉴，但由于时问和条件的限制，对一些问题未作更深入的研究，对于后续的工作，提出以下的改进意见：超声波信号采集电路还需要