超声波探伤仪)

1、 成绩评定： 传感器技术课程设计 题 目 超声波探伤仪 摘要人们在使用各种材料，尤其是金属材料的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。因此人们迫切的想寻找一种能无损检测材料内部情况的方法。超声探伤技术是无损检测领域中的重要的方法，在冶金、勘探、生产控制，质量管理、和安全监测中有着广泛的应用。现在半导体生产工程中，超声波探伤起到了在低成本的基础上快速，准确的检测出缺陷的不可替代的作用。关键词：无损检测 超声波探伤 AT89C52 虚拟仪器 LabVIEW目 录一 、设计目的1二、设计任务与要求12.1设计任务12.2设计要

2、求1三、设计步骤及原理分析23.1设计方法23.2设计步骤43.3设计原理分析17四、课程设计小结与体会21五、参考文献22传感器技术课程设计一、 设计目的用超声波检测金属材料和部分非金属材料的内部缺陷,我们可以从其波形中一眼看出物体的内部是否有裂缝。二、 设计任务与要求2.1设计任务 设计出一种可以检测零件内部缺陷的装置。在检测零件的时候我们可以从示波器中看到其波形，从而一眼就能看出检测的零件是否有缺陷的。2.2设计要求设计一个简易的超声波探伤仪，要求如下：(1).不能对零件有损坏(2).工业探伤上常用的超声波范围是：0.520MHz；其中金属探伤最常用的频率是：15MHz；探水泥构建用的频

3、率是：< 0.5 MHz；探测玻璃陶瓷中m级。小缺陷用的频率是100MHz200MHz,甚至更高(3). 超声波在工件中传播的3个物理量：频率、声速和波长，三个因素必须全部具备(4). 波长声速/频率。波长的大小影响到可以探测的最小缺陷(5).探伤的5个组成要素必须全部都有：仪器：电子设备，提供发射脉冲去激励探头，接收/放大/显示信号探头：核心为压电晶片，发射/接收超声波试块：探伤的基本原理是将试块上的人工伤与实际被检测的工件，对比。工艺/标准：规范探伤的方法/步骤等检测人员三、设计步骤及原理分析3.1设计方法超声波在被检材料（金属、非金属）中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质

4、对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探测其内部各种缺陷（如裂纹、气泡、夹杂物等）的大小，形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门，已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声波探伤仪的分类(1)按超声波的连续性可将探伤仪分为脉冲波、连续波和调频波探伤仪三种。 (2) 按缺陷显示方式，可将探伤仪分为A型显示（缺陷波幅显示）、B型显示（缺陷俯视图像显示）、C型显示（缺陷侧视图像显示）和D型显示（缺陷三维图像显

5、示）超声波探伤仪等。 (3)按超声波的通道数目又可将探伤仪分为单通道和多通道超声波探伤仪两种。前者是由一个或一对探头单独工作；后者是由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。考虑到脉冲超声探伤仪在实际中应用最为广泛，本设计将对基于虚拟仪器技术的超声脉冲反射式探伤仪的实现技术进行讨论。3.2 设计步骤3.2.1 系统硬件整体结构框图虚拟超声探伤系统的总体结构如图3.1所示。该系统以AT89C52单片机为核心控制器件，主要由主机控制、发射电路、信号调理电路、探头、上位机显示等部分组成。数据采集由AT89C82单片

6、机结合LabVIEW串口通讯函数完成,然后结LabVIEW应用软件进行探伤系统的面板设计和部分功能的设计，对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。图3.1 超声探伤仪总体框图3.2.2 AT89C52单片机单元电路AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。单片机正常工作时，

7、都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。EA端接+5v电源选中内部存储器。单片机单元电路连接图如图3.2所示：图3.2 单片机单元电路时钟电路 计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作。单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。因此选择了内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨

8、接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图3.2所示，外接晶振时，C17和C16值通常选择为30PF左右。C17，C16对频率有微调作用。晶体的频率范围可在1.212MHZ之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。复位电路由图3.2可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与电源接通。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单

9、片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。3.3 设计原理分析脉冲反射式超声探伤仪的原理 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。纵波脉冲反射法工作原理如图3.13所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。图3.13 脉冲法纵波探伤原理 a.判断缺陷的存在换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质

10、的材料有关。由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。l 当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射波，两者之间没有其它回波。l 当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。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，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。l 当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。 b.缺陷的定位 由于超声波在介质的波速是一定的，则在图3.13中 (1)若知道工件长L的大小，则可以根据发射波到反射波与发射波到底波的

11、时间的比值，来确定缺陷距探头的距离。若不知道L的大小，则可以根据声束和声波在介质中传播至缺陷所需时间和波速来定位缺陷。 (2)式中C为材料中的声速，为声波遇到缺陷时的来回传播时间。 c.缺陷的定量 假如缺陷尺寸小于波长一半时，由于超声波的衍射作用而将不会产生明显的反射回波，从而无法探测缺陷，因此缺陷尺寸的最小检测极限为。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大，要确定其真实大小是非常困难的，甚至不可能的，所以只能采用相对比较的方法，即用未知量(缺陷)与已知量(规定的人工缺陷)的回波振幅相比较的方法，来确定缺陷的当量大小，这就是超声探伤中的缺陷定量的基本

12、原理。假设已经规定A处为已知量，以此处为参考，如图3.14图3.14 缺陷定量示意图则缺陷率为 ： （3）其中 缺陷波幅值 始波幅值 四、课程设计小结与体会通过为期一周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。所以说实践，是一面镜子，能够通过它看出我们自身的缺点，能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉到“书到用时方恨少”。在以后的生活中我会不断地学习充实自己。五、参考文献1. 梁森、欧阳三泰. 自动检测技术及应用. 北京：机械工业出版社，20112. 童诗白、华成英. 模拟电子技术. 北京：高等教育出版社