【正文】 選擇探傷儀一；高電平時(shí)選擇探傷儀二。I/O口線(xiàn)的分配所有的控制功能都是由處理器通過(guò)I/O口對(duì)外部器件直接或間接進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程是各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)—模塊組合—調(diào)試。而89系列單片機(jī)內(nèi)部采用了Flash存儲(chǔ)器，所以，錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。 　　 　　89系列單片機(jī)的引腳是和80C51一樣的，所以，當(dāng)用89系列單片機(jī)取代80C51時(shí)，可以直接進(jìn)行代換。這個(gè)系列對(duì)于以8051為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是十分容易進(jìn)行取代和構(gòu)造的。在實(shí)驗(yàn)階段，單片機(jī)非常適合調(diào)試和設(shè)計(jì)，而且成本低、上手快。但最大的缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)困難，周期長(zhǎng)且開(kāi)發(fā)成本高。CPLD（復(fù)雜可編程邏輯電路）是一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件,具有在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床外圍設(shè)備超聲發(fā)射接收電路A/D數(shù)據(jù)采集卡傳感器控制卡 （下位機(jī)）工控機(jī) （上位機(jī)）探傷儀一探頭2探傷儀一探頭1探傷儀二探頭2探傷儀二探頭1圖 單片機(jī)控制卡控制結(jié)構(gòu)示意圖 控制器選擇隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛躍發(fā)展，集成度更高，性能價(jià)格比更為優(yōu)越的控制器不斷涌現(xiàn)。本章主要介紹單片機(jī)控制卡的設(shè)計(jì)方法和抗干擾措施。選用市場(chǎng)上性能最好的原裝研華（臺(tái)灣）工控機(jī)，工控機(jī)需要最少具有一個(gè)ISA總線(xiàn)插槽和一個(gè)PCI總線(xiàn)插槽，以便安裝高速AD數(shù)據(jù)采集卡。所以選用AT89C52或AT89S52單片機(jī)。內(nèi)部時(shí)鐘：速度40MHz、20MHz、10MHz、5MHz、軟件設(shè)置。： 它的主要特點(diǎn)、性能：[26] 兩路輸入，12位A/D，BNC輸入連接器；軟件、硬件觸發(fā)（外觸發(fā)）啟動(dòng)。工作方式：?jiǎn)翁筋^發(fā)射、接收或雙探頭分別發(fā)射、接收衰減器總衰減量：90dB（20dB2dB20）；衰減誤差：在工作頻率范圍內(nèi)每2dB177。 系統(tǒng)硬件選擇：目前超聲探傷儀有模擬和數(shù)字兩種，模擬式超聲探傷儀技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、價(jià)格低；數(shù)字式超聲探傷儀功能先進(jìn)、價(jià)格高。在數(shù)控機(jī)床的機(jī)械掃描過(guò)程中，必須要注意的是檢測(cè)頻率與工件移動(dòng)速度的配合，確保每個(gè)超聲脈沖對(duì)齒輪的齒進(jìn)行掃描。在該檢測(cè)系統(tǒng)中，多探頭多方位超聲波探測(cè)器對(duì)被檢齒輪進(jìn)行掃描來(lái)采集檢測(cè)信號(hào)。由于系統(tǒng)要求的采集頻率和采集精度非常高，因此一般的A/D芯片無(wú)法勝任，必須專(zhuān)門(mén)購(gòu)置高速高精度數(shù)據(jù)采集卡，與工控機(jī)接口為ISA或PCI均可。這時(shí)，上位機(jī)用戶(hù)界面將出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)束的提示，并詢(xún)問(wèn)當(dāng)前是否要求下位機(jī)傳送有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。位置傳感器搜索被檢試件端部的起始標(biāo)志，單片機(jī)系統(tǒng)控制卡檢測(cè)到位置傳感器的起始信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的門(mén)控信號(hào)，并對(duì)超聲的發(fā)射和接收實(shí)施控制，使設(shè)備進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。被檢齒輪試件裝上檢測(cè)工作臺(tái)后，首先給系統(tǒng)上電，打開(kāi)單片機(jī)控制卡。系統(tǒng)對(duì)超聲波發(fā)射、接收電路的控制是通過(guò)改變加在其上的觸發(fā)脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)要求如下： 一、能夠?qū)崿F(xiàn)超聲自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)各個(gè)檢測(cè)單元自動(dòng)控制和協(xié)調(diào)；二、可以按需求調(diào)節(jié)超聲發(fā)射頻率和數(shù)據(jù)采集頻率以及上述兩頻率間的延遲時(shí)間；三、能夠?qū)崿F(xiàn)不同的檢測(cè)工作模式和探傷儀的選擇以及同一探傷儀的不同探頭切換，即可以同時(shí)使用、多個(gè)探傷儀或者探頭以類(lèi)似多通道的方式進(jìn)行檢測(cè)；四、測(cè)完畢自動(dòng)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，并得出工件缺陷報(bào)告； 控制系統(tǒng)分析 控制系統(tǒng)需求分析齒輪檢測(cè)系統(tǒng)的控制功能集中由下位機(jī)完成。根據(jù)人機(jī)工程原理設(shè)計(jì)的操作臺(tái)，操作者在這里完成全部的檢測(cè)操作，包括：利用工控機(jī)鍵盤(pán)對(duì)檢測(cè)掃描實(shí)行編程控制；利用計(jì)算機(jī)實(shí)行檢測(cè)結(jié)果的自動(dòng)判讀和技術(shù)評(píng)定；完成檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、打印或硬盤(pán)拷貝等。（3）超聲檢測(cè)信號(hào)處理及自動(dòng)判讀子系統(tǒng)：由安裝在工業(yè)控制機(jī)中的信號(hào)處理、圖像處理及顯示軟件組成。（2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)齒輪檢測(cè)的檢測(cè)子系統(tǒng)包括下述幾部分：高性能數(shù)字超聲波探傷儀、控制卡、傳感器和對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行處理及顯示的計(jì)算機(jī)。 檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)根據(jù)檢測(cè)原理和功能及技術(shù)要求，要研究開(kāi)發(fā)的超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由五個(gè)部分構(gòu)成：1 超聲檢測(cè)子系統(tǒng)；2 機(jī)械掃描及控制子系統(tǒng)(由數(shù)控機(jī)床等組成)；3 超聲檢測(cè)信號(hào)處理及自動(dòng)判讀子系統(tǒng)；4 操作子系統(tǒng)；5 系統(tǒng)校準(zhǔn)試件。 這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平后再送入微機(jī)。通用外部設(shè)備：通用外部設(shè)備主要是為了擴(kuò)大主機(jī)的功能而設(shè)置的。主機(jī)(CPU)：它是整個(gè)控制系統(tǒng)的指揮部。輸出的數(shù)字量通過(guò)。硬件是微機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是微機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂。并用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)連接起來(lái)，使用非常方便。硬件是由主機(jī)、接口電路及外部設(shè)備組成的。其控制對(duì)象已從單一的工藝流程控制擴(kuò)展到企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理和控制。這就為超聲自動(dòng)檢測(cè)提供了良好的條件。計(jì)算機(jī)用于工業(yè)控制也是近年來(lái)發(fā)展非常廣泛、非?；钴S的領(lǐng)域之一。這里列舉三種應(yīng)用場(chǎng)合：(1) 檢測(cè)低至75μm左右的很薄的截面；(2) 查找金屬板后面橡膠或塑料的缺陷(脫粘)；(3) 檢測(cè)多層結(jié)構(gòu)． 工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)研究概述超聲檢測(cè)按操作方式可分為人工檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)。在檢測(cè)板材或片材時(shí)，諧振現(xiàn)象可得到很好的利用．如果與被檢板材耦合的換能器用比它本身的諧振頻率低的，有變化的連續(xù)波激勵(lì)，那么，當(dāng)此連續(xù)波通過(guò)被檢板材的基頻諧振或諧波諧振時(shí)，換能器承受的載荷要比在其他頻率時(shí)重得多，而載荷的增加會(huì)引起易于檢測(cè)到的激勵(lì)交流電流的相應(yīng)增加．[21]諧振方法檢測(cè)試件的最初和最簡(jiǎn)單的應(yīng)用并不在超聲范圍，而是在聲頻范圍，檢測(cè)方法很不完善，只是用某種物件(例如硬幣——因而稱(chēng)硬幣敲擊法)敲擊試件，細(xì)聽(tīng)自試件發(fā)出的振鈴音調(diào)．在有了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)之后，檢測(cè)人員就能聽(tīng)出良好試件和有缺陷試件的音調(diào)差別．聲諧振在包括兩種方法：聲傳播阻抗法及掃頻超聲法，比較常用的是掃頻法，它的原理是通過(guò)調(diào)節(jié)入射超聲波的頻率，使其波長(zhǎng)的1/4奇數(shù)倍剛好等于絕熱層的厚度。缺點(diǎn)是由于存在一定盲區(qū)，對(duì)近表面缺陷和薄壁工件不適用、容易露檢、材料衰減太大不適用。當(dāng)然，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的前提是聲波在介質(zhì)2中沒(méi)有被完全衰減掉 超聲檢測(cè)方法一、 穿透法材料的非連續(xù)性是超聲波傳輸?shù)恼系K，超聲波通過(guò)障礙時(shí)只能透射一部分聲能，所以1929年，Sokolov首先提出用超聲波探查金屬物體內(nèi)部缺陷 (非連續(xù)性)的方法。將222分別代入以上四式可得： 從以上兩式可知，介質(zhì)中所有的橫波折射角相等，所有的縱波折射角相等。由此可以得出如下結(jié)論：介質(zhì)1中的聲波折射到介質(zhì)2和介質(zhì)3中無(wú)論被轉(zhuǎn)換成何種類(lèi)型的聲波，當(dāng)它再返回到介質(zhì)1中時(shí)，仍以原來(lái)的波的形式和狀態(tài)傳播。反射角分別為： 2—3 2—4 2—5 2—6 多層介質(zhì)聲波反射示意圖將式222分別代入式226中得： 上式表明，雖然聲波反射時(shí)發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，但反射波中所有縱波的反射角相等，所有橫波的反射角相等。由反射定律可知： 其中：—縱波在第一介質(zhì)中的聲速 —橫波在第一介質(zhì)中的聲速 超聲波反射示意圖 (a)縱波入射 (b)橫波入射、折射 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面上，且第二介質(zhì)為固體時(shí)，透射波要發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，分離為折射縱波和折射橫波。（或橫波）入射到兩異質(zhì)界面時(shí)的情況。當(dāng)缺陷越大，反射面則越大，其反射的能量也就越大，故可根據(jù)反射能量的大小來(lái)查知缺陷（當(dāng)量）的大小。工業(yè)上常用數(shù)兆赫茲的超聲波來(lái)探傷[3739]。第二章 檢測(cè)原理及控制方法研究 超聲無(wú)損檢測(cè)的原理 超聲波介紹聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，人們的耳朵能直接接收到的聲波的頻率范圍通常是20Hz到20kHz，即音（聲）頻；頻率低于20 Hz的稱(chēng)為次聲波；高于20 kHz的稱(chēng)為超聲波。（4）第四章介紹了單片機(jī)控制卡的硬件設(shè)計(jì)。 本文主要內(nèi)容本文主要研究?jī)?nèi)容：（1）控制方法研究；（2）控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（3）單片機(jī)控制卡軟硬件設(shè)計(jì)（4）工控機(jī)與數(shù)控機(jī)床、單片機(jī)控制卡的控制接口技術(shù)開(kāi)發(fā)；（5）單片機(jī)控制卡與探傷儀、數(shù)據(jù)采集卡的接口技術(shù)開(kāi)發(fā)；（6）數(shù)控機(jī)床與單片機(jī)控制卡的控制接口開(kāi)發(fā)。本檢測(cè)系統(tǒng)在自動(dòng)完成對(duì)齒輪的快速聲學(xué)掃描后，可按給定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)地做出齒輪質(zhì)量合格與否的技術(shù)評(píng)定。但由于中小模數(shù)齒輪檢測(cè)的種種困難，此類(lèi)研究比較少，還未見(jiàn)進(jìn)行自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)的報(bào)道。為了降低齒輪生產(chǎn)的成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，可用國(guó)產(chǎn)鋼材替代進(jìn)口鋼材，但國(guó)產(chǎn)鋼材與進(jìn)口鋼材相比質(zhì)量較低，所生產(chǎn)的齒輪內(nèi)部容易出現(xiàn)裂紋、夾雜、氣孔等缺陷，嚴(yán)重影響齒輪質(zhì)量。4. 無(wú)損檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范多而雜目前，超聲檢測(cè)在已成功地應(yīng)用于我國(guó)的船舶、冶金、機(jī)械、石油、化工、食品、電子、航天、電力、建筑、農(nóng)林、水產(chǎn)及醫(yī)療等領(lǐng)域，正在形成國(guó)民經(jīng)濟(jì)中頗有特色的產(chǎn)業(yè)之一。從而導(dǎo)致目前我國(guó)產(chǎn)品的質(zhì)量普遍存在較大問(wèn)題，據(jù)測(cè)算，我國(guó)不良品的年損失約 2000 億元。但是，我國(guó)超聲無(wú)損檢測(cè)事業(yè)從整體水平而言，與發(fā)達(dá)國(guó)家之間仍存在很大差距。比如，用戶(hù)友好界面操作系統(tǒng)軟件；各種掃描成像技術(shù)；多坐標(biāo)、多通道的自動(dòng)超聲檢查系統(tǒng)；超聲機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)等。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器。從此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。五十年代，我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。超聲無(wú)損評(píng)價(jià)是超聲檢測(cè)發(fā)展的最高境界，不但要探測(cè)缺陷的有無(wú)，還要給出材質(zhì)的定量評(píng)價(jià)，也包括對(duì)材料和缺陷的物理和力學(xué)性能的檢測(cè)及其評(píng)價(jià)。目前，國(guó)外超聲檢測(cè)正在向著自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，超聲檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法得到了迅速發(fā)展，使超聲檢測(cè)的應(yīng)用更為普及。但總的來(lái)看，在很大方面跟國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家仍然有很大差距。其研究手段更加先進(jìn)和多樣，研究成果與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合更為緊密，因而在社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有很大潛力。目前大量應(yīng)用于金屬材料和構(gòu)件。如汕頭超聲電子(集團(tuán))公司在1980 年推出了 CTS 22 型超聲波探傷儀，其主要性能指標(biāo)與當(dāng)時(shí)國(guó)際同類(lèi)儀器水平相當(dāng)。早在 1929年蘇聯(lián)薩哈諾夫提出利用穿透法檢查固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以后利用連續(xù)超聲波在實(shí)驗(yàn)室研究成功。⑤ 對(duì)人體無(wú)害。② 超聲波的穿透能力強(qiáng)：對(duì)于大多數(shù)介質(zhì)而一言，它具有較強(qiáng)的穿透能力例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)十米。隨著超聲工程應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，常規(guī)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足檢測(cè)的需要。隨著系統(tǒng)的逐步完善，1950 年，超聲波探傷已用于工業(yè)中。到上世紀(jì) 20 年代，聲學(xué)和超聲學(xué)的理論大廈已經(jīng)完全建立起來(lái)[5]。超聲檢測(cè)(UT)是一種最重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，有關(guān)資料表明，國(guó)外每年大約發(fā)表 3000 篇涉及無(wú)損檢測(cè)的文獻(xiàn)資料，全部文獻(xiàn)資料中有關(guān)超聲無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容約占45%，特別是2000年10月在羅馬召開(kāi)的第十五屆世界無(wú)損檢測(cè)會(huì)議(WCNDT)收錄的663篇論文中，超聲檢測(cè)就占 250 篇。常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法有：超聲檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)，此外還有激光全息無(wú)損檢測(cè)，微波無(wú)損檢測(cè)，紅外無(wú)損檢測(cè)等方法[14]。超聲波的特點(diǎn)是傳播能量大、方向性好，而且在介質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生界面發(fā)射或者引起聲速和能量衰減的變化，利用這一特性就可以達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的。這都為超聲檢測(cè)提供了理論和技術(shù)的基礎(chǔ)。早期的超聲檢測(cè)主要用于探傷，由于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)自身的局限性，使其在缺陷定性、定位及定量方面的可靠性和靈敏度并不高。超聲波的優(yōu)點(diǎn)很多，具體如下[68]：① 超聲波的方向性好：超聲波具有像光波一樣良好的方向性，經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)可以定向發(fā)射，猶如手電筒的燈光可以在黑暗中幫助人的眼睛探尋物體一樣，利用超聲波可在被檢對(duì)象中進(jìn)行有效的探測(cè)。④ 可供檢測(cè)信息豐富：遇到有界面時(shí)，超聲波將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換：人們利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)工作的靈活性、精確度得以大幅度提高，這也是超聲檢測(cè)得以迅速發(fā)展的原因之一。[9] 超聲無(wú)損探傷(NDI)隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使超聲波無(wú)損探傷技術(shù)和儀器也得到了相應(yīng)發(fā)展與應(yīng)用。我國(guó) 50 年代初引進(jìn)蘇聯(lián)超聲波探傷儀，60年代初期先后形成了一些批量生產(chǎn)的廠(chǎng)家，80 年代初，國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠(chǎng)研制生產(chǎn)的超聲波探傷儀的主要技術(shù)指標(biāo)均有大幅度地提高，較好地滿(mǎn)足了超聲波探傷技術(shù)的需要。如作為基礎(chǔ)工業(yè)的鋼鐵工業(yè)，機(jī)器制造工業(yè)、鍋爐壓力容器有關(guān)工業(yè)部門(mén)、石油化工工業(yè)、鐵路運(yùn)輸工業(yè)、造船行業(yè)、航空航天工業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)、核電工業(yè)等重要工業(yè)部門(mén)。超聲無(wú)損評(píng)價(jià)是在超聲無(wú)損探傷和超聲無(wú)損檢測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 超聲檢測(cè)的國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)狀超聲無(wú)損檢測(cè)在國(guó)外大概開(kāi)始于上世紀(jì)二、三十年代，我國(guó)起步比較萬(wàn)，上世紀(jì)五十年代才開(kāi)始研究，目前取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。近年來(lái)，新技術(shù)的應(yīng)用大大促進(jìn)了國(guó)外超聲檢測(cè)的發(fā)展，使超聲檢測(cè)的功能愈來(lái)愈強(qiáng)大。一些全電腦對(duì)話(huà)式超聲探傷儀，可在屏幕上同時(shí)顯示回波曲線(xiàn)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)儀器調(diào)整狀態(tài)、缺陷波形和各種操作功能。超聲無(wú)損檢測(cè)是近 20 年來(lái)應(yīng)用最廣泛的術(shù)語(yǔ)，它不僅要檢測(cè)最終產(chǎn)品，而且還要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出 CTS10 型非金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約20Kg。1976 年，國(guó)家建委科技司主持召開(kāi)全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無(wú)