【正文】 人員所占比例較小，極大阻礙了超聲無損檢測技術(shù)向自動(dòng)化、智能化、圖象化的進(jìn)展。 近年來我國超聲無損檢測事業(yè)取得了巨大進(jìn)步和發(fā)展。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門使用不多。本文正是建立在 NDI 和 NDT 基礎(chǔ)上，對齒輪進(jìn)行檢測，進(jìn)行有效的評估。目前，微計(jì)算機(jī)在超聲檢測中能夠完成數(shù)據(jù)采集、信息處理、過程控制和記錄存儲(chǔ)等多種功能。能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測對象的在線實(shí)時(shí)檢測和評價(jià)。 超聲無損檢測(NDT)超聲波檢測在近幾十年中得到了較大的進(jìn)展，它已成為材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測最常用的手段。正是由于超聲波的上述特點(diǎn)，使得超聲檢測適應(yīng)性強(qiáng)、檢測靈敏度高、使用靈活、設(shè)備輕巧、成本低廉、可及時(shí)得到探傷結(jié)果，適合在車間、野外和水下等各種環(huán)境下工作，并能對正在運(yùn)行的裝置和設(shè)備進(jìn)行檢測。近年來，缺陷的定量技術(shù)、信號處理技術(shù)、人工智能、超聲波成像、檢測可靠性、材料特性評價(jià)、超聲波換能器技術(shù)、數(shù)值模擬和過程仿真、雷達(dá)和聲吶技術(shù)、現(xiàn)場檢測等各種先進(jìn)技術(shù)紛紛應(yīng)用于超聲檢測領(lǐng)域，促進(jìn)了超聲檢測的發(fā)展，使得超聲檢測這一新技術(shù)更為引人注目。Rayleigh、Lamb、Knott、Macelwane、Stonely 和 Jeans 等學(xué)者詳細(xì)論述了聲波的反射、折射、波型轉(zhuǎn)換、衍射、散射、衰減等規(guī)律。第一章 緒論 超聲無損檢測的發(fā)展隨著現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是原子能、航空、航天技術(shù)的發(fā)展，以不損害被檢驗(yàn)對象(材料、工件或設(shè)備)的使用性能為前提的無損檢測（Nondestructive Testing）技術(shù)越來越為人們所重視。隨著電子工業(yè)的發(fā)展和材料加工技術(shù)的進(jìn)步，20 世紀(jì) 30 年代，石英換能器已出現(xiàn)，雙探頭超聲波系統(tǒng)已經(jīng)建立，用于探測材料中的缺陷。 超聲檢測的優(yōu)點(diǎn)在常規(guī)無損檢測方法中，超聲檢測因超聲波具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而得到了迅速地發(fā)展。 廣義超聲檢測的介紹廣義的超聲無損檢測包括超聲無損探傷、超聲無損檢測和超聲無損評價(jià)三個(gè)層面。幾十年來，超聲波無損檢測已得到了巨大發(fā)展和廣泛應(yīng)用，幾乎應(yīng)用到所有工業(yè)部門。這種方法效率高，速度快并且有其它方法無法比擬的優(yōu)越性。許多超聲檢測儀器都把微處理器作為一個(gè)部件而組裝在一起，去執(zhí)行處理數(shù)據(jù)和圖像任務(wù)。 超聲檢測的國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的無損檢測技術(shù)是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。直至七十年代中期，因無損檢測技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的 UCT2，CTS10 型儀器。超聲無損檢測已經(jīng)應(yīng)用到了幾乎所有工業(yè)部門，其用途正日趨擴(kuò)大。由于經(jīng)驗(yàn)豐富的老一輩檢測工作者缺乏把實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為理論總結(jié)，而年輕的檢測人員缺乏切實(shí)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這有可能導(dǎo)致現(xiàn)有的超聲檢測軟件系統(tǒng)不同程度的缺陷，降低了檢測的可靠性。齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、船舶、兵器等行業(yè)的各類儀器儀表及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要部件。針對齒輪檢測的困難，采用超聲波自動(dòng)檢測技術(shù)，多探頭多方位縱波和橫波復(fù)合檢測方法來實(shí)現(xiàn)。指出了本文的研究目的和意義（2）第二章介紹了超聲波的定義、波形、介質(zhì)中傳輸特性等超聲基本知識(shí)，說明了超聲檢測的原理。[19] 超聲檢測原理超聲波檢測的基本原理是：超聲波在均勻連續(xù)彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，將產(chǎn)生極少能量損失；但當(dāng)材料中存在著晶界、缺陷等不連續(xù)阻隔時(shí)，將產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射和衰減等現(xiàn)象，從而損失比較多的能量，使我們由接收換能器上接收的超聲波信號的聲時(shí)、振幅、波形或頻率發(fā)生了相應(yīng)的變化，測定這些變化就可以判定建筑材料的某些方面的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造的情況達(dá)到測試的目的。當(dāng)超聲波在一種介質(zhì)中傳播到界面或遇到另一種介質(zhì)且傳播方向不垂直于界面時(shí)，將發(fā)生聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。 超聲波折射示意圖折射波的折射角、由折射定律可知： 式中—入射角 —入射波在第一介質(zhì)中的聲速 —縱波折射角 —縱波在第二介質(zhì)中的聲速 —橫波折射角 —橫波在第二介質(zhì)中的聲速 （縱波和橫波）的傳播規(guī)律多層介質(zhì)中的反射，當(dāng)一束縱波L或橫波T以入射角傳播到界面1時(shí)，將有部分聲波折射到介質(zhì)2中，產(chǎn)生折射縱波L2和折射橫波T2，其折射角、分別為： 2—1 2—2當(dāng)兩束折射波到達(dá)界面2時(shí)，又有一部分聲波折射到介質(zhì)3中，另一部分則被反射。多層介質(zhì)中的折射。在檢測時(shí)，我們都把超聲發(fā)送探頭置于試件的一側(cè)，而把接收探頭置于試件的另一側(cè)，保證探頭與試件之間有良好的聲耦合，并使兩個(gè)探頭在一條直線上，這樣，簡單地監(jiān)視接收到的超聲波強(qiáng)度就可以得到檢測結(jié)果了．在超聲檢測的歷史上，穿透法曾經(jīng)是第一種可行的方法，但由于其精度比較低，所以到現(xiàn)在，它的應(yīng)用只限于精度要求不太高且能采用較簡單系統(tǒng)的場合，或是材料特性使得脈沖回波技術(shù)不可能應(yīng)用的場合．二、 反射法（反射回波法） 脈沖反射法是應(yīng)用最廣泛的一種超聲檢測方法．在實(shí)際檢測中，最常用的是直接接觸脈沖反射法，它又可按波型分為：單探頭的縱波法、檢波法、板波法、表面波法；雙探頭的雙直探頭縱波法、雙斜探頭檢波法．對某些特殊試件必須使用脈沖反射液浸法，按實(shí)際情況又分為全沒液浸法、局部液浸法、間隙法．[20] 脈沖反射法是利用超聲脈沖波入射到兩種不同介質(zhì)交界面上會(huì)發(fā)生反射的，且反射回波的幅度和相位等參數(shù)攜帶信息進(jìn)行檢測?？梢钥吹竭@種方法對于絕熱層厚度的一致性有比較苛刻的要求，而且檢測的分辨力難以低于Ф10mm，因此在工程實(shí)踐中應(yīng)用較少[22,23].應(yīng)用諧振檢驗(yàn)的主要領(lǐng)域是在生產(chǎn)階段檢驗(yàn)板材、片材和管壁的厚度，以及指示是否存在夾渣．其精度也不是很高。由于小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，所以多采用集中控制。微機(jī)控制系統(tǒng)由微機(jī)和其他工業(yè)生產(chǎn)對象兩大部分組成．其中包括硬件和軟件。軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計(jì)算和自診斷程序等。 微機(jī)控制系統(tǒng)模式國內(nèi)外常用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有兩種模式：一、計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)，由單板機(jī)、單片機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī)，適當(dāng)配以必要的外圍設(shè)備和接口電路，構(gòu)成獨(dú)立的過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一切檢測控制顯示和管理功能均由該微機(jī)承擔(dān)；二、集散控制系統(tǒng)，由下位機(jī)工作站和上位機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)對被控對的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，通過通訊接口將所采集的信息和狀態(tài)傳遞給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)的指令，上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行綜合指揮，分散控制，集中管理。 常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有步進(jìn)電機(jī)、繼電器、運(yùn)動(dòng)控制卡。 各子系統(tǒng)功能（1）機(jī)械掃描及控制子系統(tǒng)：由工控機(jī)、數(shù)控機(jī)床、驅(qū)動(dòng)器和檢測工作臺(tái)組成。它是一種多功能的信號處理、識(shí)別及自動(dòng)判讀的軟件包，具有下述功能：1檢測信號整形與降噪2多元信息特征識(shí)別與提取3缺陷特征量化4缺陷定位5缺陷數(shù)字判讀6質(zhì)量技術(shù)評定（4）檢測操作子系統(tǒng)：由鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)以及系統(tǒng)開始、停止等各種檢測控制按鈕組成。超聲探傷儀的作用是向被檢試件發(fā)射一束超聲脈沖，并接收試件反射回的反射波,收集工件的檢測信息。然后進(jìn)行檢測。 控制系統(tǒng)總體方案控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，由下位機(jī)工作站和上位機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)對被控對的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，通過通訊接口將所采集的信息和狀態(tài)傳遞給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)的指令，上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行綜合指揮，分散控制，集中管理，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求簡單實(shí)用。信號采集過程是：工業(yè)控制機(jī)把NC代碼傳輸給數(shù)控機(jī)床后，啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床按編程的路徑運(yùn)動(dòng)；傳感控制器接收到周向位置起點(diǎn)信號后觸發(fā)探傷儀對齒輪進(jìn)行超聲檢測。儀器的探傷靈敏度高，分辨能力高，性能穩(wěn)定。2LSB。編程簡單，性價(jià)比高，購買方便?？刂瓶üδ苄枨笕缦拢阂?、產(chǎn)生兩路頻率相同但有一定延時(shí)的脈沖信號，且要求頻率值和延遲時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)；二、能夠選擇使用單片機(jī)控制卡內(nèi)部觸發(fā)信號（主動(dòng)方式）或外部探傷儀信號（被動(dòng)方式）；三、檢測過程中能夠控制切換選擇不同的探傷儀和探頭工作；四、存儲(chǔ)檢測相關(guān)信息；五、與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)交互式操作；六、故障報(bào)告。把CPLD應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),同單片機(jī)結(jié)合起來,更能體現(xiàn)其在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)。我們選用單片機(jī)市場銷量第一的ATMEL公司的89系列單片機(jī)。 　　 　　89系列單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。本節(jié)詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)方法。 END 傳感器結(jié)束信號輸入位未檢測到結(jié)束信號時(shí)為低電平；檢測到結(jié)束信號為高電平。AT89C2051實(shí)際并不是完全與MCS－51兼容，它只應(yīng)用于對芯片體積有著苛刻要求的場合，并且I/O口線和定時(shí)器等資源均不滿足系統(tǒng)要求；AT89C51及AT89S51只有兩個(gè)定時(shí)器，所以選擇AT89C52和AT89S52。定時(shí)器0中斷：每10ms中斷一次，引起單片機(jī)復(fù)位。接收器是雙緩沖的，以避免在接收下一幀數(shù)據(jù)之前，CPU未能及時(shí)響應(yīng)接收器的中斷，沒有把上一幀數(shù)據(jù)讀走，而產(chǎn)生兩幀數(shù)據(jù)重疊的問題。單片機(jī)本身也可以利用定時(shí)器產(chǎn)生軟件可調(diào)節(jié)的脈沖。因?yàn)槊}沖周期固定，所以由計(jì)數(shù)值便可計(jì)算出定時(shí)時(shí)間。能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電信號相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)路，簡稱鎖相環(huán)（PLL），它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。Uc作用于壓控振蕩器的結(jié)果是把它的輸出振蕩頻率f。從局部來看，將輸出頻率除以了N，但從總體上來看，將輸入頻率乘以了N。 定義4046芯片7腳外接振蕩電容為C1，11腳外接振蕩電阻為R1，12腳外接振蕩電阻為R2，鎖相環(huán)的最低工作工作頻率為fmin，最高工作頻率為fmax，中心工作頻率為fo，頻率偏移為foffset。[33]8253的功能用途： （1）延時(shí)中斷 （2）可編程頻率發(fā)生器（3）事件計(jì)數(shù)器 （4）二進(jìn)制倍頻器 （5）實(shí)時(shí)時(shí)鐘（6）數(shù)字單穩(wěn)（7）復(fù)雜的電機(jī)控制器8253有六種工作方式： （1）方式0：計(jì)數(shù)結(jié)束中斷（2）方式1：可編程頻率發(fā)生（3）方式2：頻率發(fā)生器（4）方式3：方波頻率發(fā)生器（5）方式4：軟件觸發(fā)的選通信號（6）方式5：硬件觸發(fā)的選通信號其中，方式3能夠按初值N將時(shí)鐘信號N分頻，方式5能夠?qū)㈤T控信號延時(shí)。也可以配套 CD4060 電路，但是電壓范圍為 3 － 18V，靜態(tài)電流隨電壓提高而上升，在 +5V 供電時(shí)，靜態(tài)電流約 － 5uA，主要考慮的是在 電池供電時(shí)的停振問題。（ 的高低交替電平輸出）。即in＝2Hz。進(jìn)行串行通信時(shí),發(fā)送數(shù)據(jù)由TXD端送出,接收數(shù)據(jù)從RXD端輸入。對探傷儀的選擇包括觸發(fā)不同的探傷儀和允許不同的探傷儀信號輸出，對探頭的切換就是允許不同的探頭信號輸出。通過以上方法，綜合實(shí)現(xiàn)了對觸發(fā)脈沖、探傷儀、和探頭信號的切換控制。所謂電磁干擾是指引起電子設(shè)備工作失常的各種電磁效應(yīng)。傳導(dǎo)必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個(gè)連接電路傳遞到敏感器發(fā)生干擾現(xiàn)象。由于大功率開關(guān)的通斷，電機(jī)的啟停，電焊等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏、甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾。 干擾抑制措施在齒輪檢測系統(tǒng)中，單片機(jī)控制卡起著控制檢測工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)檢測系統(tǒng)各部分的作用，因此單片機(jī)系統(tǒng)控制卡工作的可靠性和穩(wěn)定性對系統(tǒng)的正常工作有著舉足輕重的影響。整個(gè)檢測系統(tǒng)的抗干擾可以分為單片機(jī)控制卡和檢測系統(tǒng)兩個(gè)層面的抗干擾?，F(xiàn)在的 CMOS 器件的性能已超過標(biāo)準(zhǔn)的TTL 器件，當(dāng)今幾乎已經(jīng)不再使用真正的 TTL 器件了。其次，確定PCB板尺寸后，確定主要和特殊器件的位置，將模擬電路和數(shù)字電路及電源電路分開，最后根據(jù)各功能單元對全部元器件進(jìn)行布局。電路板最好為長寬比3：2或者4：3的矩形。這可以消除電源線和地線中的脈沖電流干擾。（2） 盡量縮短傳輸導(dǎo)線的長度。以防高頻信號的反射。同時(shí)可將晶振外殼接地。（3）電源線和地線適當(dāng)加寬?！＃?）所有元器件均安置在印制板的一面，焊接在另一面。輸入輸出元件盡量遠(yuǎn)離。CMOS 器件由于功耗極低、輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)、電壓范圍廣，而且出現(xiàn)了速度與TTL不相上下的高速HCT系列。（一）單片機(jī)控制卡的抗干擾：電子元器件是構(gòu)成部件或系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，元器件的正確選用是單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的重要保證。所以，必須采取有效的干擾抑制措施保證單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。過程通道干擾：過程通道干擾是指通過系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道引入的干擾。輻射干擾是指通過空間傳播的電磁干擾。干擾是客觀存在的,實(shí)際中不可完全避免,只能設(shè)法加以消除或抑制到可以接受的程度。系統(tǒng)中利用安裝在數(shù)控機(jī)床上的MOC704T4槽型光電開關(guān)傳感器檢測齒輪的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。因此，雖然都是對信號進(jìn)行控制，但原理不同。本系統(tǒng)采用模式1，即8位UART，可變波特率。所以若要得到頻率為N的信號， 8253設(shè)置初值時(shí)，需要寫入N/2。圖 以上兩種方法輸出都應(yīng)該外加高輸入阻抗的緩沖級。主要參數(shù)：供電：DC5V. 連續(xù)運(yùn)行月誤差：≤ 15S。定時(shí)器1工作在方式3，門控接高電平始終有效，時(shí)鐘線接鎖相環(huán)4046的輸出，8253分頻后在OUT1端輸出與基準(zhǔn)信號源相同的脈沖。系統(tǒng)要求超聲觸發(fā)頻率在50Hz－1000Hz內(nèi)可調(diào)。 鎖相環(huán)頻率倍增電路框圖鎖相環(huán)芯片的選用和計(jì)算[41]最常用的鎖相環(huán)芯片是CD4046和HC4046。當(dāng)二者相等時(shí)，環(huán)路被鎖定最基本的鎖相環(huán)由三個(gè)部件構(gòu)成：鑒相器（PC）、環(huán)路濾波器（LPC）和壓控振蕩器（VCO）。這樣就造成某些頻率值的定時(shí)時(shí)間不夠精確。利用用定時(shí)器產(chǎn)生脈沖信號根據(jù)所使用定時(shí)器的不同可分為軟件定時(shí)脈沖