基于虚拟仪器超声波探伤仪的设计

1、一、仪器的基本结构仪器基本结构分两部分，一部分是硬件结构，一部分是软件结构。硬件部分要实现超声波的发射、接收、模数转换、数据传输以及整个电路工作的协调控制等功能。为此提出了如图1-1的硬件结构设计方案。图1-1仪器硬件结构图 软件设计部分有以下几个任务，一是设计友好的人机界面，可以使操作者根据探伤要求方便的输入参数。二是设计合理的数据分析处理程序，使得探伤的可靠性较高，也就是较好的应用程序。三是仪器的驱动程序的编写。图1-2是软件设计方案。图1-2仪器软件结构图二、仪器数据采集卡电路设计 硬件电路以高速S1系列单片机80CS1ZX为控制核心，采用适当的外围电路，实现以下功能:超声波的发射、回波

2、的接收、信号的放大、包络检波、模拟数字转换、与计算机的串行通信等。为实现这些任务，提出如图2-1所示的设计方案。如图所示，整个硬件电路工作原理是这样的，首先单片机控制发射电路发射脉冲信号，同时单片机计时。发射脉冲利用反压电效应驱动超声波探头发射超声波，超声波在被检测物体中遇到缺陷，产生反射回波。这个回波利用压电驱动探头产生电脉冲信号，电脉冲经接收电路接收后幅值很小，需放大电路放大。由于信号频率太高不易后处理，同时考虑到频率对判断缺陷没有影响，因此采用包络检波电路将信号包络线检出，使信号频率降低，在包络检波电路的后面，有一个峰值点检出电路和一个AD采样电路，峰值点检出电路的作用是当信号峰值点时产

3、生一个低电平信号，单片机查询到这个信号后停止计时，同时，命令AD采样电路采集回波幅值信号。图2-1数据采集卡电路框图 同时，电路为实现斜探头前沿的自动测量，在电路里加入一块前沿测量电路，运用超声波测距原理来测量探头前沿距离。 硬件电路要实现的主要任务有两个，一个是信号起始点的确定，一个是信号峰值的确定，准确地确定起始点可较准确地确定信号回波所用时间，而准确地确定峰值高度可较准确的确定缺陷大小。1、 触发脉冲的产生图2-2触发脉冲产生 触发脉冲产生电路如图2-2所示。超声波探伤仪属于单脉冲连续工作的检测超声仪器，所以其超声波发射应采用窄脉冲发射电路，这个电路需要一个极窄脉冲，触发可控硅发射超声波

4、。这个窄脉冲要求周期很小，单片机不能直接产生。我们通过单片机产生一系列方波，然后对这些方波微分，就可得到所需的窄脉冲。 窄脉冲产生电路如图2-2，工作原理如下:首先，由单片机定时发送高低电平给输出脚P1.1，产生一定频率的方波，在方波由高向低跃变的过程中，C两端都为低电平，此时，三极管导通，TOUCH端输出为高电平，同时电容一边为高电平，一边为低电平，形成充电回路，并且，其充电常数= CR1，电容很快达到饱和，三极管截止，TOUCH端输出高电平，电容充电的过程非常短暂，因此形成了一个瞬时的脉冲电压，其宽度与r有关。 方波发送的周期要视被检材料的深度而定，如果周期小于声波在工件中来回一次所需时间

5、，会造成缺陷漏检，周期远大于传播时间，则会导致显示分辨率不高。在单片机和反射脉冲电路中间加上光电祸合器，来隔离模拟地和数字地，用于电路抗干扰。2、超声波发射电路 单脉冲发射电路的主要性能参数为发射脉冲宽度和脉冲幅度，这两个参数对于缩小盲区，提高探测精度有重要意义。目前一般采用可控硅构成发射电路，其特点是结构简单、发射功率大、功耗低，发射电路分调谐式和非调谐式两种类型。(1)调谐式发射电路:如图4-2-3所示为调谐式发射电路，RO和LO组成并联谐振电路。电图2-3超声波发射电路路在稳态时，可控硅不导通，电容C1充电，其充电线路:R一C一谐振回路一地。当触发脉冲加到可控硅控制极时，使其导电，电容C

6、则通过可控硅放电。放电线路:c一可控硅一地谐一振回路一C。电容C放电时，在谐振回路内引起故障谐振。电容电路中，RO、 C1、 LO,以及换能器构成了谐振回路，频率为f=1 /(2L0C1)。C1为换能器本身的电容线圈的分布电容及其他分布电容之和。由于谐振回路在R。上消耗的能量，振荡很快停止，形成脉冲波。设发射脉冲用Va表示、可控硅阳极电压以Vb表示，探头发射电压以Vc表示，则它们的波形分别如图2-4所示。由于探头工作在谐振状态，因此余振时间较长，从而盲区也较大，另外探头发射的声波频带也较窄，所以此电路适于窄带探伤。R0相当于一个分流电阻，起阻尼作用，用来调节发射功率的强弱。当R0增大时，分流作

7、用减小，阻尼减小，发射功率增大，同时盲区增大。反之亦然。图2-4发射电路各点波形 (2)非调谐式发射电路: 工作原理与调谐式相似，只是在探头的两端没有并联谐振电感，所以电路是工作在非谐振状态，它的发射频率主要由探头的固有参数决定(连接电缆的分布电容也有一定的影响)，所以探头发射声波的频带比较宽，频带宽就意味着发射脉冲窄，所以发射盲区也就比较小，这种发射电路适合于宽频带探伤仪，以及探测近表面的缺陷。本设计采用了调谐式发射电路。采用标准试块对电路作检测试验，发现可测得距表面7mm的缺陷，说明电路盲区在7mrn之内。 由于超声波探伤需要较大的声能，因此，石英晶片的的驱动需要高电压，本设计中取+600

8、V驱动谐振电路，十600V电压通过交流220V电压经过倍压升压获得。3、信号接收隔离放大电路图2-5信号接收前端电 在检测超声实际应用中，接收电路部分通常包括微弱信号放大电路，信号滤波电路。如图2-5所示，由于超声波探头采用收发一体式，因此接收到的信号中含有很大幅值的发射信号，为了保护放大电路工作器件的安全，采用二极管并联电路限制大信号对放大电路的冲击。同时为防止干扰，用变压器将高电压地和低电压地隔离。 滤波器采用二阶有源滤波电路实现，这种滤波器优点在于元器件少、电路调整方便，具有很好的幅频特性。滤波器分两级，一级为低通，一级为高通，两级共同构成一个带通滤波器。图2-5中跟随器后面紧跟的一级是

9、巴特沃斯高通滤波器。 放大器采用AD625 , AD625是AD公司出品的增益可编程、满电源幅度输出、低价仪表放大器。允许用户通过一只外接电阻设置放大器增益，最大增益可达1000，无外接电阻时，增益为1。它有极高的交流共模抑制比，随增益的增加而增大，由于CMRR在频率达200Hz时仍保持常数，故工频噪声和谐波受到有效抑制，较宽的共模输入范围，能放大具有低于地150mV共模电压的信号。可单电源或双电源(+3V+12V/2.5V6V)工作。低功耗、较宽的动态范围、良好的线性、温度稳定性和可靠性、极小的体积，一个多路器和一个电阻网即可构成完整的电路，电路图从略。图2-6包络检波电路4、包络检波电路

10、包络检波电路图如2-6(上页)所示。由于超声波换能器的频率都在1M以上，而根据奈奎斯特定理可知，在模数转换时，采样频率必须大于等于被转换波形频率的2倍，即:f0 2f，才有可能正确的还原原始数据，但实际应用中，一般选择到5倍或更高。这就要求A/D转换器的频率是非常高，现有普通的A/D转换器是达不到这个速度要求的。因此必须采用另外的方法解决这个问题，由超声波探伤的原理可知，我们关心的是回波的最大幅值，而非其频率，我们采取包络检波的方法，将高频回波序列转换为相对低频的信号，解决A/D转换器速度不够的问题。5. A/D转换电路 图2-7为AD转换电路。高频回波信号经过包络检波电路后，转换成为低频信号

11、，这个信号的幅值和缺陷的大小有关，我们通过A/D转换电路将此信号转换为离散信号，送入单片机，单片机不作数据处理，将数据传到上位机上处理。A/D转换芯片有多种，考虑到系统速度要求、价格因素以及使用的方便性，采用8位单通道逐次逼近串行模数转换器TLC0831来实现。图2-7 AD转换电路 TLC0831串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口，输入基准电压可调整大小，在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。其转换周期与时钟频率CLK有关，在时钟频率为f = 250kHz时，转换周期为32u S。本设计拟采用f = 500kHz时钟频率，转换频率为16uS。6,峰值检出电路图2-8峰值点检

12、出电路框图 包络检波电路信号输出后被分为2路，一路送AD转换器，另一路送峰值点检出电路，峰值点检出电路由微分电路和过零比较器构成，该电路可将Va的峰值点时间t。检测出来，并经过整形电路整形后作为回波到达时间的基准供单片机计算传播时间t。图2-8为电路框图，4-2-9为各单元电路的输出波形图。声波传播时间t的测量误差t由3部分组成:t =t1 +t2+t 3式中，t1是电路元件产生的时间延迟，在纳秒数量级，完全可以忽略;t2是单片机执行指令产生的时间延迟，是固定不变的，可通过程序加以修正;是t3回波前沿的测量误差，下面讨论t3的消除。图2-9峰值点检出电路各点波形图2-10是超声回波及其包络线波

13、形图，从图中可以看到，回波信图2-10超声回波及其包络线波形号经过若干个周期后才达到最大值，图中r。是回波前沿到达超声传感器的时间，由于此时回波幅度很小，再加上各种噪声信号的存在，实际上检测不到te。通常设置一个门槛电压Vm将噪声信号挡住，单片机实际检测到的时间是tA。回波信号的前几个周期会漏掉，从而产生测量误差，误差大小取决于回波信号的幅度和Vm的大小。当v,不变时，回波幅度越小漏点的回波周期越多，产生的测量误差越大。当探头频率为1 MHz，声速为5 900m/s时，每漏掉一个波产生l .5rnm的测量误差，这将影响到缺陷的定位精度。理论分析并经过多次试验表明，回波信号的宽度及峰值点出现时间

14、tI与幅度无关，根据这一原理，采用包络检波的峰值点检出电路检测峰值时间介，再山单片机进行修正，可以大大减小回波信号前沿的测量误差。7、探头前沿测量电路 在斜探头探伤时，由于探头的磨损，使得探头前沿会有所改变，这种改变会给探伤带来测量误差，为了修正这一误差，每次测量前，都要对探头前沿距离进行标定，目前的探伤仪对这个值的标定采用人工直尺测量，误差大、操作繁琐。本设计首次实现系统自动测量(具体原理在本章4.5节中给出)，依据超声测距原理实现。对探头前沿距离进行标定的电路如图2-11所示。由于测距是在空图2-11前沿测量与探伤转换示意图气中进行，超声波衰减相对较小，发射电路不需要高频大功率触发，因此采

15、用单片机直接产生方波脉冲触发，接收电路采用已有电路，两个发射电路之间采用开关切换，由计算机控制，实现前沿距离的自动测量和开关的自动转换。8、核心控制电路 硬件接口电路核心控制用80C5 l ZX实现。80C S 1 ZX是Intel公司推出的一款高速单片机，它的机器周期可达到1 l6uS o 80C5 I ZX芯片的内部结构为Sl系列通用结构，片内共有256个RAM单元，有4KH的ROM，用于存放程序、原始数据、表格等，它有一个串行通行接口，四个并行I/O接口，用来实现与外部器件的数据交换，还有2个16位的定时/计数器，可实现定时或计数功能，单片机以其定时或计数结果对程序进行控制。80C5 1

16、ZX单片机的中断功能较强，可以满足控制应用的需要，它有5个图2-12看门狗电路中断源，即2个外部中断、2个定时中断、一个串行中断。单片机外接石英晶体和微调电容，为其内部工作提供时钟脉冲序列。 为了提高系统稳定性，单片机外围设计了看门狗电路，如图2-12所示。看门狗定时电路是由川监控电路DS 1232作为核心的，DS 1232可以监测微处理器的三种重要情况，电源供电、软件运行和外部干预复位。 软件运行功能也就是看门狗定时器功能。看门狗定时器具有一个内部定时器，通过硬件电路可预置一个超时周期，具体的可以设置为150mS, 600mS和1.2秒三种定时器超时周期。如果在超时周期前选通输入未被驱动为低

17、电平，则该定时器将使复位信号有效，中止并重新启动失控的微处理器。电源故障后自动复位、程序跑飞自动复位，是微处理器工作稳定的保证。 本设计中取定时超时周期为600mS，电路按600mS设计。手动复位开关没有加在看门狗定时器上，而是另外作了一个电路直接加在微机的复位引脚上，主要是考虑到调试的时候单步执行程序指令执行速度慢，不能加看门狗(否则看门狗将不停复位)，因此另外加复位电路以利于调试。 另外，电路设计了工作正常指示器，只有单片机正常工作的情况下，用于指示的发光二极管才会正常闪烁，这个小电路便于调试程序，同时在板卡出故障的时候便于排查故障。三、仪器采集卡软件设计1、仪器数据采集卡主程序图3-1主

18、程序流程图 数据采集软件任务有以下几项:发送触发电平信号，接收超声回波信号，为超声波来回经历时间计时，控制AD转换电路的转换，控制看门狗定时器，控制串行口发送接收的数据，测量斜探头前沿距离等。程序采用模块化设计，使得编写及维护都相对方便。主程序流程如图4-4-1所示: 2、串行口中断程序流程图 采集卡接收上位机探伤命令时，使用串行口中断来控制程序，程序具体实现如流程图3-2(下页)所示。图3-2串行中断流程3、探伤子程序图3-3探伤子程序流程图 由于接收到第一次回波时无法判断是缺陷波还是底面回波，因此接收两次回波后相比较，如果两次回波幅值相同，则说明第一次收到的是底波，否则认为第一次收到的是缺

19、陷波。其他程序如AD转换子程序、前沿测量子程序、串行发送子程序、看门狗子程序等实现比较简单，流程图就不在此一一列出。四、系统软件调试与仿真4.1软件调试LabVIEW的程序错误大致可以分为硬件连接错误、I/O接口错误、程序结构和逻辑错误。程序结构和逻辑错误是最常见的错误。程序调试利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“断点设置”进行。(1)找出语法错误如果存在语法错误,则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时,该按钮变成一个折断的箭头,程序不能被执行。单击该按钮,则将弹出错误清单窗口,窗口列出错误的项目,然后单击其中任何一个所列出的错误,单击“ShowError”功能按钮,则出错的对象或端口就会

20、变成高亮。在“Detail”有详细的错误原因,也可以单击“Help”功能按钮打开帮助窗口,窗口中详细说明了出错原因以及解决办法。(2)慢速跟踪运行利用快捷工具栏中的“高亮执行”按钮,该图标变成高亮形式,再单击“运行”按钮,程序就以较慢的速度运行。没有被执行的代码呈灰色显示,执行后的代码呈高亮显示,并显示数据流上的数据值。这样,就可以根据数据流流动状态,跟踪程序的执行。(3)断点与单步执行使用断点工具可以在程序的某一地点终止程序执行,用探针或者单步执行方式查看数据。用工具模板上的“断点”工具,单击希望设置或者清除断点的地方,该处即为所设置的断点。当VI程序运行到断点设置处,程序被暂停在将要执行的节点。单击单步执行按钮,闪烁的节点被执行,下一个将要执行的节点变为闪烁,表明它将要执行。也可以单击快捷工具栏中的“暂停”按钮。这样,程序将连续执行到下一个断点。(4)设置探针通过设置探针来查看框图程序流流经某一根连线的数据值。当探针设置完毕以后会出现一个探针显示窗口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。运行VI时,在框图程序窗口的工具条中选择