【正文】 ： (1，通常要有熟練的技術(shù)技能，對結(jié)果做出說明及解釋。因此，在相互關(guān)系 未經(jīng)證明的情況下，可能存在不同人員對結(jié)果看法不統(tǒng)一。 (2)外界環(huán)境的溫度、濕度、粉塵、振動、噪音以及磁、電場和儀器本身內(nèi) 部的各種干擾都會對檢測結(jié)果造成難以估計(jì)的后果。 (3)性能可以直接測試、而檢測結(jié)果卻只是定性或相 對的。 (4)檢測人員的技術(shù)水平、操作技能、知識水準(zhǔn)等，檢測人員對工作的責(zé)任 心，檢測人員在操作期間的心理和生理狀況都會對檢測結(jié)果造成很大的影響。 (5)我國的超聲無損檢測還大部分是采用常規(guī)的 A型脈沖反射法技術(shù)，存在 不直觀、判傷難、無記錄、人為因素影響大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著超聲檢測結(jié)果的可靠性。 1． 2． 2超聲波檢測儀器的發(fā)展趨勢 當(dāng)然，伴隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)為具體體現(xiàn)的信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代超聲無 損檢測技術(shù)主要還是向著數(shù)字信號處理和檢測成像方面發(fā)展。 己經(jīng)應(yīng)用或正在采用的數(shù)字信號處理技術(shù)主要有：時間渡越衍 射技術(shù)、合成 孔徑聚焦技術(shù)、裂譜技術(shù)、倒譜技術(shù)、模式識別和分析、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。3 采用數(shù)字動態(tài)濾波技術(shù)提高檢測信噪比，通過頻譜分析進(jìn)行超聲參量檢測和提取，數(shù)字信號處理壓縮波形有效提高檢測分辨率。在現(xiàn)代超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展中，超聲成像技術(shù)是一種根據(jù)聲波的特點(diǎn)，以掃描技術(shù)為主流的超聲成像方法。它是在電視技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息采集技術(shù)和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。超聲圖像可以提供直觀和大量的信息，直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，有著自動化和智能化的特點(diǎn)，在醫(yī)療診斷、地震遙感、 地質(zhì)勘探、海洋研究、材料科學(xué)等領(lǐng)域正日益開辟新的用途，具有非常廣闊的發(fā)展前景。目前正在使用和開發(fā)的 超聲成像技術(shù)包括：超聲 B 掃描成像，超聲 C 掃描成像，超聲 D 掃描成像，SAFT(合成孔徑聚焦 )．成像， P掃描成像，超聲全息成像，衍射 CT成像、相控陣成像等門 J。結(jié)合精密掃查機(jī)構(gòu)的超聲成像系統(tǒng)和工業(yè)超聲相控陣成像系統(tǒng)等已在實(shí)際應(yīng)用上取得了很大的成果。 當(dāng)前，超聲波檢測儀器的研制也已開始進(jìn)入到數(shù)字化階段。該技術(shù)是采用超 聲波檢測儀器采集超聲波回波信號，經(jīng)接收部分放大后，由模／數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號傳給微處理器。微處理器 再把隨時間和位置變化的超聲波形進(jìn)行適當(dāng)處理，得出進(jìn)一步控制檢測系統(tǒng)的結(jié)論。一方面它承襲了常規(guī)超聲波檢測探傷儀器的基本模式和基本功能，又具有數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)了檢測過程中自動判傷、自動讀出和顯示缺陷的位置與當(dāng)前量值、存儲并打印輸出檢測報(bào)告。不僅解決了超聲波檢測可記錄的問題，而且減少了人為誤差，提高了檢測結(jié)果的可信性。 伴隨著各種新材料、復(fù)合材料的出現(xiàn)和使用，以及對現(xiàn)代檢測技術(shù)的要求不 斷提高，研制和開發(fā)數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的超聲波檢測儀器已成為發(fā)展的必然。未來的超聲波檢測儀器應(yīng)當(dāng)具有以下特征： (1)模塊化和插卡化各種超聲波檢測卡 (含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理以及接口的 插卡 )將大量問世，借助于高速度、高容量的計(jì)算機(jī)，超聲波檢測儀器的研制將變得比較容易。 (2)高數(shù)字化、高智能化和圖像顯示功能。未來的超聲波檢測儀器應(yīng)當(dāng)是高 度數(shù)字化、高度智能化的，其檢測結(jié)果應(yīng)可用圖像顯示出來：具有友好的用戶界面；開機(jī)后具有自檢功能；可用菜單選擇儀器測試參數(shù)；可調(diào)用或可存儲儀器的設(shè)定參數(shù)，以及與其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊或傳輸數(shù)據(jù)。 4 (3)數(shù)據(jù)庫及自動識別功能。未來超聲波檢測儀器的一個最重要的進(jìn)步是具 有對被檢對象的缺陷類型進(jìn)行 自動識別，以及對被檢測對象的狀態(tài)進(jìn)行自動評價的功能。因此，它應(yīng)當(dāng)具有比較完備的數(shù)據(jù)庫和專家識別系統(tǒng)。 (4)專門的超聲檢測專家系統(tǒng)。專門的專家系統(tǒng)是保證數(shù)字化、智能化超聲 波檢測儀器的有力手段和技術(shù)支持，系統(tǒng)內(nèi)建有模式識別和自適應(yīng)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，它也是協(xié)調(diào)檢測儀器軟、硬件以及儀器與人的友好互動的關(guān)鍵所在。 目前，雖然世界上各種超聲波檢測技術(shù)和超聲波檢測儀器的發(fā)展相當(dāng)快，但 綜合以上的分析和調(diào)查、研究之后，不難發(fā)現(xiàn)：超聲波檢測的未來主要趨勢還是應(yīng)該朝著研制一種智能化的診斷裝置方向發(fā)展。這種智能化的診斷裝置應(yīng)該能靠增 加所獲得的被檢工件的信息量、提高信息質(zhì)量以及經(jīng)專門的數(shù)學(xué)后續(xù)處理等手段來提高評價工件質(zhì)量的能力。因此，把握這方面的發(fā)展動態(tài)，緊隨時代發(fā)展潮流的脈搏，是我國超聲波無損檢測人員進(jìn)行研制、開發(fā)以及應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)責(zé)無旁貸的義務(wù)，亦是我們不斷前進(jìn)的方向和動力。 5 1． 3 課題研究的主要內(nèi)容 課題研究的主要目標(biāo)是在結(jié)合傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)處理、控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，以半導(dǎo)體芯片中的金屬材料和非金屬材料為檢測對象，研究、開發(fā)一套數(shù)字化超聲波脈沖反射探傷儀器。具體研究內(nèi)容如下： 1．開發(fā)以單片機(jī) CPU 為主的高速數(shù)據(jù)采集、處理模塊。該數(shù)據(jù)采集模塊 (卡 )可控制超聲波檢測模塊中的電源、不同探頭的頻段選擇、高頻放大、檢波方式選擇等電路，將被檢測對象內(nèi)部的回波信息掃描并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)一步處理、存儲后，可送液晶顯示屏顯示，并配有標(biāo)準(zhǔn)視頻接口 RS一 232。根據(jù)需要或?qū)⒋鎯?shù)據(jù)信息外傳 PC機(jī)存儲保管；或由計(jì)算機(jī)對接收的回波數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理。還可以與其它傳統(tǒng)超聲波檢測儀器相結(jié)合，形成模擬、數(shù)字結(jié)合式數(shù)字化超聲波脈沖反射探傷儀。 2．開發(fā)超聲波探傷模塊 (脈沖反射式 )，實(shí)現(xiàn)電源模塊的最優(yōu)化管理 ，節(jié)約 能源、減少功耗、提高工作效力；實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射、接收功能，接收電路阻尼限幅，超聲波回波電壓信號的高頻放大、濾波、檢波等功能。該探傷模塊接受數(shù)據(jù)采集卡上 CPU的控制，實(shí)現(xiàn)整機(jī)數(shù)字化。 3．設(shè)計(jì)專用液晶顯示模塊 (LCM)，可顯示經(jīng)微處理器處理后的數(shù)字信息的回波圖形，人機(jī)對話操作界面，以及可視化的必要的功能參數(shù)修正和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示等。 4．編制系統(tǒng)專用軟件。該軟件除了對數(shù)據(jù)采集卡、液晶顯示屏、功能鍵盤、 超聲波檢測模塊的功能進(jìn)行監(jiān)控和運(yùn)行外，還可完成調(diào)用缺陷回波圖形顯示，存儲信息外送上位計(jì)算機(jī)，聲、光缺 陷報(bào)警提示等功能。第二章超聲波檢測儀器的總體設(shè)計(jì)脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)是本儀器設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)或國外的智能型自動化超聲波檢測儀器也是以脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用的。脈沖反射式超聲波檢測儀器與其它超聲波檢測儀器相比具有如下一些突出的優(yōu)點(diǎn)： (1)在被檢工件的一個探傷面上，用單探頭脈沖反射法即可進(jìn)行探傷。這對 那些諸如容器、管道等一些很難在雙面上放置探頭進(jìn)行探傷的場合，更顯示出明顯的優(yōu)越性。 (2)用脈沖反射法可以準(zhǔn)確地確定缺陷的深度；靈敏度遠(yuǎn)比其它方法高；可 6 以同時探測到不同 深度的多個缺陷，能夠分別對它們進(jìn)行定位、定量和定性。 (3)適用范圍廣。用同一臺探傷儀可進(jìn)行縱波、橫波、表面波等不同形式的 探傷，而且適用于探測很多種工件。 7 2． 1 脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)的基本原理 2． 1． 1 超聲波的特性 作為無損檢測技術(shù)中一種非常重要的方法。超聲波用于無損檢測領(lǐng)域是由其特性決定的： 1．超聲波是指頻率大于 20KHz，并且能在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性機(jī)械波。 2．超聲波的方向性好。超聲波具有像光波一樣的方向性，經(jīng)過專門的設(shè)計(jì) 可以定向發(fā)射，利用超聲波 可在被檢測對象中進(jìn)行有效的探測。 3．超聲波的穿透能力強(qiáng)。對大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強(qiáng)的穿透能力。特 別在一些金屬材料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。 4．超聲波的能量高。超聲檢測的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，具有很高的 能量。被檢材料的聲速、聲衰減、聲阻抗等特性攜帶有豐富的能量轉(zhuǎn)換信息，成為廣泛應(yīng)用超聲波檢測的基礎(chǔ)。 5．遇有界面時，超聲波將發(fā)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換。利用超聲波在介 質(zhì)中傳播時的這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計(jì)，使得超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高，這也是超聲檢測得以迅速發(fā)展的原因。 6．對人 體無害、適應(yīng)性強(qiáng)、檢測靈敏度高、設(shè)備輕巧、使用靈活、檢驗(yàn)速度快。 2． 1． 2脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及檢測信號流程 傳統(tǒng)脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及檢測信號流程如圖 2— 1所圖 21脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及檢測信號流程圖 硬件結(jié)構(gòu)主要由時標(biāo)電路、同步電路、掃描電路、發(fā)射電路、接收電路、檢 波電路、視頻放大電路、探頭和示波器 (CRT)電路、電源電路等部分組成。 儀器的啟動起源于同步電路 (主控機(jī)構(gòu) )。電源一經(jīng)接通，同步電路立即發(fā) 出三路同步觸發(fā)信號，以控制發(fā)射電路、掃描電路、時 標(biāo)電路同步工作。當(dāng)稍加延遲后的同步信號反饋至發(fā)射電路時，發(fā)射電路立刻產(chǎn)生一個上升時間很短、脈沖很窄、幅度很大的高頻電脈沖 (發(fā)射脈沖，激勵信號 )。發(fā)射脈沖經(jīng)電纜作用到探頭上，激勵探頭產(chǎn)生高頻率的脈沖超聲波，超聲波透過禍合劑射入工件，完成了超聲波的發(fā)射工作。 探頭與被檢測工件表面相接觸 (需要一定的禍合劑，防止空氣進(jìn)入，在芯片 檢測中我們一般用水 )。探頭發(fā)出的超聲波通過工件表面進(jìn)入其內(nèi)部時，由于8 超聲波的反射特性，會有反射回波傳入探頭，反射的超聲波經(jīng)探頭中壓電晶片的壓電效應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成為電信號 (回波信號 )，經(jīng)接收電 路阻尼限幅、高頻放大、濾波、檢波等電路的處理和作用后，得到檢波信號，再送入視頻放大電路進(jìn)行脈沖放大，最后輸入到電子示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上。這一信號的輸入，引起垂直偏轉(zhuǎn)板電壓瞬時改變，電子束則在垂直方向發(fā)生跳躍，因而在示波管上形成脈沖波型 (始發(fā)反射信號，用符號 T 表示 )；在超聲波進(jìn)入工件內(nèi)部后，若在其前進(jìn)傳遞路線上遇到缺陷，則也會有聲波反射回去，被探頭接收，同樣經(jīng)過阻尼限幅、高頻放大、濾波、檢波等電路的處理和作用之后，在示波管上形成缺陷反射信號，用符號 F 表示；同樣地，當(dāng)超聲波到達(dá)工件的相對底面時，也會有聲波反射回 去在電子示波管上形成脈沖波型 (底部反射信號，用符號 B表示 )。據(jù)此就可以判斷工件中是否有缺陷的存在。發(fā)射波 T、缺陷回波 F、底面回波 B的關(guān)系如圖 22 所示。 在同步電路觸發(fā)發(fā)射電路產(chǎn)生高頻電脈沖的同時，掃描電路也開始同步工 作。此時，掃描電路發(fā)生與時間成正比的鋸齒形的掃描電壓加到電子射線管的水平偏轉(zhuǎn)板上，從而使電子束所形成的光點(diǎn)在熒光屏上自左向右以一定的速度均勻移動。移動的軌跡就形成了水平掃描線。光點(diǎn)移動的距離，正比于超聲波在工件中的傳播距離。 為了確定工件內(nèi)部缺陷的具體位置，探傷儀器中還裝有時標(biāo)電路，由于 它與 發(fā)射電路、掃描電路在同步電路的控制下一起同步工作，發(fā)生等間隔的脈沖9 電壓，從而在電子射線管的屏幕上形成一個等間隔的電子刻度，每個間隔均代表電子掃移該間隔距離所需的時間 (通常用微秒計(jì) )。根據(jù)此間隔值以及超聲波在被檢工件中的傳播速度，就可得到熒光屏上的缺陷波形的具體缺陷位置。脈沖反射式超聲波檢測儀器的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣，設(shè)備輕便、價格便宜，顯示的圖形比較簡單、清晰、容易判斷。但是，在示波器 (CRT)熒光屏上顯示的波形，僅僅是探頭所在探傷面上那一點(diǎn)的探傷結(jié)果。整個探傷面上的探傷結(jié)果是在最后靠探傷人員的記憶來完成 的。因此，該方法使得整個探傷結(jié)果不直觀，不能存儲、不便于記錄，檢測結(jié)果的可靠性不高。而且，其對設(shè)備的質(zhì)量以及探傷人員的技術(shù)水平都有很高的要求，造成該無損檢測手段不能的得到大面積的推廣 。 10 2． 2 超聲波檢測儀器設(shè)計(jì) 2． 2． 1 總體設(shè)計(jì) 檢測儀器的總體構(gòu)成方案如圖 2． 3所示。 在設(shè)計(jì)中，硬件、軟件均采取了模塊化的設(shè)計(jì)方案。硬件主要分為超聲波檢 測模塊、數(shù)據(jù)采樣與處理模塊三部分；軟件根據(jù)控制單元的不同，主要包括單片機(jī) MCU 的匯編語言和邏輯器件 EPLD 的 VHDL 語言兩部分，并按操 作功能的需要，設(shè)計(jì)為子程序式的各功能菜單塊。 在常用的脈沖反射式的檢測中，探頭是兼作發(fā)射和接收換能器使用的，一般 均采用測量來自給定反射體的脈沖反射信號幅度與各頻率分量之間的關(guān)系來表征頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)是指在恒定聲壓和指定入射角的超聲波作用下，探頭輸出電動勢隨頻率變化的特性。 超聲波檢測模塊負(fù)責(zé)儀器超聲波激勵脈沖的發(fā)射和回波電壓信號的接收、模 擬信號處理；數(shù)據(jù)采集、處理模塊負(fù)責(zé)對模擬回波信號的采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信息存儲、數(shù)字處理，以及對超聲波檢測模塊進(jìn)行功能監(jiān)控管理，控制人機(jī)對話模塊功能實(shí)現(xiàn)等；而人機(jī)對話模塊 則負(fù)責(zé)完成儀器的人機(jī)交互功能。 2． 2． 2儀器硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成 設(shè)計(jì)的超聲波檢測儀器中，超聲波的發(fā)射電路、接收電路、高頻放大電路、 檢波電路以及電源電路、探頭等基本采用原有的成熟技術(shù)。而在此基礎(chǔ)上，用數(shù)據(jù)采集、處理模塊采樣模擬回波電壓信號，并進(jìn)行模／數(shù) (A／ D)轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)的 CPU 進(jìn)行一定的處理，再送人機(jī)對話模塊的液晶顯示屏 (LCD)顯11 示，或外送計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、或進(jìn)一步的數(shù)字化處理。并且還由單片機(jī) MCU對電源模塊、發(fā)射電路、高頻放大電路、帶通濾波 (去除工件材料引起的聲學(xué)噪聲和電路元器件工作引起的電路熱 噪聲 )電路、檢波電路實(shí)行全數(shù)字化的控制。取消了原來的同步電路、掃描電路、時標(biāo)電路、示波器 CRT，