【正文】 別需要的時候，由人工將儀器跳轉(zhuǎn)到此種工作方式下，滿足一些對缺陷性質(zhì)、缺陷特征要求高的使用場合。有利于峰值采集，方便確定缺陷當(dāng)量。射頻信號含有檢波前的大量高頻信息，能比較真實地反映出超聲波脈沖在介質(zhì)中傳播的真實情況，它可保持波形狀態(tài)。而且，探傷人員習(xí)慣使用的是檢波后的脈沖顯示。 28 3． 6 檢波電路設(shè)計 在許多插卡式或嵌入式的基于計算機的超聲波檢測儀器或者手提電腦式的超聲波檢測 儀器中，通常采集未經(jīng)檢波 (或叫整流 )的超聲信號，以便于以后的處理，如顯示高頻波形和脈沖的頻譜等。 圖中， CFx是來自數(shù)據(jù)采集與處理模塊中 MCU的程控信號。 經(jīng)過分析和研究，設(shè)計了如圖 39所示的帶通濾波電路來處理聲學(xué)噪聲。為了提高信噪比，增加缺陷目標(biāo)的檢出率，采用雙晶片斜探頭或聚焦探頭可提高某一深度附近缺陷的檢出能力，但是這種硬件的方法有局限性，應(yīng)該把更多的精力放在超聲信號的處理上。再加上放大電路本身元器件工作帶來的干擾噪聲的影響。電噪聲是一種連續(xù)性隨機變量，即在某一時刻可能出現(xiàn)各種可能數(shù)值。在掃描檢測過程中，若換能器 (探頭 )不動，則不同次采樣中的材料噪聲應(yīng)近似相同。 26 3． 5 濾波電路設(shè)計 3． 5． 1超聲回波信號的噪聲 聲回波信號的噪聲一般分為兩種：非聲學(xué)噪聲和聲學(xué)噪聲。設(shè)計壓控放大芯片礦 AD600AR的熱噪聲電壓密度華： 一 B 1≯ 7一 ．一 半 =一 4KTR=1． 4NV／ 0H N V稱為熱噪聲電壓， B為頻帶寬度 (35MHz)， k為玻耳茲曼常數(shù)，其值為 1． 37 10之 3J／ K， T是絕對溫度 (K)， R是放大電路的內(nèi)阻 (Q)。如果希望 聲控制在 5％以下，則噪聲必須小于 5pV。其在接收回波信號時，失真己經(jīng)很小，已基本滿足探頭(0． 5MHz～ 10MHz，常用頻率 10MHz以下 )對通頻帶的要求。由圖 37 所示，設(shè)計儀器放大電路的頻帶寬度應(yīng)該為：低頻帶fL=100KHz，高頻帶 fH=35MHz。過寬的頻率范圍也會帶來增益下降的犧牲。 現(xiàn)在通用的超聲波檢測儀器大多使用的是寬帶放大器，為的是使其在工作頻 率范圍內(nèi)有很好的幅度和相位特性，可以適應(yīng)相應(yīng)范圍內(nèi)不同頻率探頭的需24 要，輸出高保真的波形。由此可見，如果把讀數(shù)限制在lO％或 5％幅度處，根據(jù)數(shù)字式超聲波檢測儀器的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，則 26dB的動態(tài) (線性 )范圍足夠了。當(dāng)然希望模／數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠最好讀取放大電路線性范圍內(nèi)輸出的不失真的信息。在熒光屏上，最大幅度是 100％，最小通常是 10％或 5％。理論上，所有放大電路都只有在它的線性放大范圍內(nèi)時，也就是滿足 V輸入在 VI～ V2之間范圍時， 才會有一個比較恒定的放大倍數(shù) K。本 課題設(shè)計是 O～ 1 00dB的增益可調(diào)范圍，將回波電壓信號放大到合適的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍 (+O． 2V~+2． 0V)。程控放大電路也就沒有必要考慮小于 1 0uV的信號進(jìn)行任何增益放大。 增益就是 120dB，故 在傳統(tǒng)模擬式探傷儀器中， 110～ 120dB的增益是必要的。超聲回波電信號為微弱的電壓 信號，一般為毫伏級，部分信號為幾十微伏，經(jīng)常見到的超聲探傷儀器的增益數(shù)值是 l 10dB 左右。另外，它的最大功耗僅為 125mW。選擇 AD600AR 作為放大電路的主要器件，是因為該器件具有線性分貝、噪聲低、頻帶寬、增益精度高、增益控制靈活等特點。設(shè)計中選擇了兩片壓控放大芯 AD600AR構(gòu)成程控高頻放大電路，其結(jié)構(gòu)原理如圖 3— 5所示。本超聲波檢測儀器的接收通道采用并聯(lián)限幅的保護(hù)電路，其電路如圖 3． 4所示。當(dāng)反射回波 WA 和 WB剛好不重疊時，界面 A與界面 B就剛好能分辨開來。 工作過程： 19 穩(wěn)態(tài)時，功率 MOS 管 M1關(guān)斷，高壓直流電源 +600V通過電阻剛給高壓貯 能電容 C1充電；動態(tài)時，正觸發(fā)脈沖 (FJ)加在 P1三極管上，三極管 P功 率 MOS管 M2導(dǎo)通，高壓貯能電容 Cl就通過功率 MOS管 MI、電阻 R6和探頭 放電，探頭受到貯能電容所放電高壓脈沖的激勵，按照本身的自然諧振頻率發(fā)射脈沖超聲波。另外，過高的發(fā)射電壓也可能會 損壞高頻探頭。采用高頻 DC． DC變換器將恒定的 12V直流變?yōu)?+600V 直流和 _5V、 一 12V 的直流電源。另外，高 壓直流電源還必須要具有一定的功率，能提高貯能電容的充電速度，從而提高超聲波發(fā)射重復(fù)頻率的上限。 17 3． 1 電源電路設(shè)計 超聲波檢測儀器要適合于現(xiàn)場檢測，必須體積小、重量輕、工作時間長，還要分時響應(yīng)待機工作狀態(tài)或短暫的檢測工作狀態(tài)。該儀器不僅具有超聲回波信號的自動采集、存儲、顯示、分析和處理功能，而且具有輸出接口，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步二次開發(fā)處理，實現(xiàn)超聲檢測的圖像化、智能化、自動化奠定了良好的基礎(chǔ)。 6．對單片機 MCU 使用了電源監(jiān)控及看門狗電路，在速度能滿足要求的前 提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。地平面應(yīng)盡可能覆蓋整個 PCB，連到地平面的每條線盡可能短，以減少分布電感。 2．集成數(shù)字電路使用的電源、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用了抗干擾元件 (串聯(lián)磁珠 )去禍、并聯(lián) 0． 01 肛瓷片電容作高頻旁路和 l 心鈕電容作低頻旁路，盡量減少噪聲的干擾。 15 2． 3 儀器抗干擾措施 由于本儀器的高頻工作特性，而且需要將幾十微伏級的微弱電壓信號放大到 0,2． OV，并且要從許多高頻信號中采樣出來。在設(shè)計上，把儀器要用到的所有功能定義為一個個的模塊化、菜單式的子程序，并能在其它功能子程序中進(jìn)行調(diào)用，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、明了。根據(jù)探傷人員的需要，回波圖形可以實時顯示并存儲，也可對存儲的缺陷回波圖形進(jìn)行回放顯示。為了滿足 A／ D 轉(zhuǎn)換后數(shù)字信息的高速度存儲要求，這里選用 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)可編程邏輯芯片， Altera 公司的 EPM7128SLC84． 6 進(jìn)行功能控制操作，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進(jìn)行實時緩存于靜態(tài)存儲芯片 SRAMC (CY7C199． 15)，再由單片機 MCU從緩存區(qū)讀取數(shù)字信息進(jìn)行下一步的分析、 處理 (多次采樣信號的平均處理 )。 (3)超聲波檢測子模塊 超聲波檢測模塊中的檢波電路，是由一片達(dá)到 120MHz的寬帶集成運算放大 器 LM733CN設(shè)計完成，滿足了解決針對視頻顯示 (檢波顯示，有利于峰值采集，方便確定缺陷當(dāng)量 )和射頻顯示 (不檢波顯示，可保持波形狀態(tài)，有助于缺陷性質(zhì)的識別 )的不同需要。放大范圍 O～ 100dB。 3． 超聲波檢測模塊 該模塊主要由高頻放大子 模塊、帶通濾波子模塊和超聲波檢測子模塊 (檢波 電路 )組成。頻率范圍是 0． 5MHz～ 10MHZ。頻率高時，波 12 長短、聲束窄、擴張角小、能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強、分辨力好、缺陷定位準(zhǔn)確，但是掃查空間小，僅能發(fā)現(xiàn)聲束軸線附近的缺陷，對于裂紋等面狀缺陷，因其有顯著的反射指向性，如果超聲波不是近于垂直射到裂面上，在檢測方向上就不會產(chǎn)生足夠大的回波，頻率越高這種現(xiàn)象越顯著，而且被檢測面粗糙時，高頻聲波散射大，不易入射。 (2)探頭晶片尺寸的大小決定近場的覆蓋范圍。 設(shè)計儀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖 2． 4所示。 2． 2． 2儀器硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成 設(shè)計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)。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 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)計為子程序式的各功能菜單塊。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。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。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在熒光屏上自左向右以一定的速度均勻移動。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 )。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 )。 6．對人 體無害、適應(yīng)性強、檢測靈敏度高、設(shè)備輕巧、使用靈活、檢驗速度快。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。 3．超聲波的穿透能力強。 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。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。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算機，聲、光缺 陷報警提示等功能。 2．開發(fā)超聲波探傷模塊 (脈沖反射式 )，實現(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。具體研究內(nèi)容如下： 1．開發(fā)以單片機 CPU 為主的高速數(shù)據(jù)采集、處理模塊。 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。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。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、高容量的計算機，超聲波檢測儀器的研制將變得比較容易。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。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。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。 (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。檢測結(jié)果對檢測人員的依賴性都還很強，并且都還存在著一些難以克服的困難和缺陷，比如： (1，通常要有熟練的技術(shù)技能，對結(jié)果做出說明及解釋。進(jìn)入 90 年代后，在世界無損檢測會議上發(fā)表的論文中有關(guān)超聲檢測方面的所占比例最高。結(jié)合我國目前超聲波檢測領(lǐng)域的現(xiàn)狀，并緊跟世界超聲波檢測技術(shù)發(fā)展潮流的需要，大力開發(fā)和應(yīng)用數(shù) 字化、智能化、自動化和圖像化的超聲波探傷儀已經(jīng)是我們?nèi)找婢o迫的任務(wù)。就超聲波檢測儀器領(lǐng)域來說，目前我國大多數(shù)科研單位、廠礦企業(yè)還是普遍采用傳統(tǒng)的 A掃描脈沖反射式超聲波探傷儀。超聲波是機械波的一種，即是機械振動在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播 p 兒 4|。美國總統(tǒng)里根曾說過“如果沒有先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，美國就不可能享有眾多領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。從而改進(jìn)制造工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)故障，保證設(shè)備安全、高效、可靠地運行【 2J。該儀器具有檢測精度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，成本低廉、 體積小、重量輕等特點。借助單片機體積小、成本低、可靠性高、運用靈活等特點，利用可擦除可編程邏輯器件 (EPLD)的實時邏輯處理功能，并通過 UO端口和高速處理能力，開發(fā)了一個數(shù)字化超聲波脈沖反射式探 傷儀?，F(xiàn)在半導(dǎo)體生產(chǎn)工程中，超聲波探傷起到了在低成本的基礎(chǔ)上快速，準(zhǔn)確的檢測出缺陷的不可替代的作用。在超聲波脈沖反射探傷儀開發(fā)中，采用了模塊化的設(shè)計方案，提高了系統(tǒng)的易維護(hù)性；選用了低噪聲、低漂移、高精度、高可靠性的集成電路芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用大屏幕的液晶顯示器、中文菜單化的操作界面等，實現(xiàn)了良好的人機界面。無損檢測診斷的目的在于定量掌握缺陷與強度的關(guān)系，評價構(gòu)件的允許載荷、壽命或剩余壽命；檢測產(chǎn)品在制造或使用過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完整性，以及缺陷的情況。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，無損檢測診斷技術(shù)已成為必不可少的重要工具和手段。己被廣泛地應(yīng)用于 各行各業(yè)的質(zhì)量監(jiān)控和安全保障，尤其是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。以我國目前無損檢測儀器的研發(fā)、設(shè)計和制造水平來講，在