【文章內(nèi)容簡介】 減少了硬件電路復(fù)雜設(shè)計和電路規(guī)劃，降低了信號干擾和信號失真。 設(shè)計儀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖 2． 4所示。 1． 儀器探頭的選擇 超聲波的發(fā)射與接收都是通過探頭實現(xiàn)的，必須根據(jù)檢測對象，合理選擇探 頭。探頭的選擇主要考慮：探頭形式、晶片尺寸、角度、頻率等幾個方面因素。 (1)探頭形式的選擇要視具體情況認(rèn)定，選擇直探頭或者斜探頭主要取決于欲發(fā)現(xiàn)缺陷的部位和方位。 (2)探頭晶片尺寸的大小決定近場的覆蓋范圍。探頭晶片尺寸小則 近場的覆 蓋率小，即近場范圍內(nèi)聲束窄。對缺陷的定位和定量，選擇探頭的原則是聲束應(yīng)盡可能地狹窄，聲束相對于缺陷要垂直入射。 (3)超聲波頻率很大程度上決定了超聲波對缺陷的探測能力。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。因此，頻率上 限一般應(yīng)由衰減 (底波出現(xiàn)狀況 )和草狀回波信號的大小來決定：而下限由檢測靈敏度、脈沖寬度及指向性決定。寬帶窄脈沖探頭具有靈敏度高、分辨力好、缺陷定位準(zhǔn)確的特點。因此，結(jié)合上面的分析，對于芯片檢測，我們選用德國 SONIX公司的 SONIXl230 型超聲波探傷儀所配的系列探頭作為此儀器的超聲檢測探頭【 11】【 12】。頻率范圍是 0． 5MHz～ 10MHZ。另一個原因是，我公司現(xiàn)有的設(shè)備基本上都在使用這一系列的探頭，這樣更有利于管理和成本控制。 2． 電源模塊 為了用于現(xiàn)場檢測作業(yè)，電源模塊采用直流電源 (充電電池 )供電方 式，提 供超聲波檢測模塊、數(shù)據(jù)采集、處理模塊、人機對話模塊等工作所需的電源，并由單片機 MCU 控制 EPLD產(chǎn)生的電源控制信號 (DY)作用，分時響應(yīng)待機工 作狀態(tài)或短暫的檢測工作狀態(tài)： (1)當(dāng)檢測儀器在待機工作狀態(tài)時，單片機控制電源模塊，使其僅產(chǎn)生數(shù)字 電路和液晶顯示部分正常工作所需的電源，這樣可以大大降低儀器的功耗，延長電池的使用時間和使用壽命。 (2)當(dāng)需要工作在檢測狀態(tài)時，電源模塊受控制信號 (DY)作用，為超聲波 檢測模塊的電路提供電源，儀器進行檢測的工作。 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。 (1)高頻放大子模塊 該子模塊基本由 8位數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832，高速寬帶集成運算放大器 LM318，低噪聲寬帶集成運算放大器 AD600AR 等設(shè)計組成。根據(jù)檢測工件材料、 厚度，超聲波檢測頻段的需要，將接收到的微弱回波電壓信號由毫伏級放大到 O～ 2． 0V。滿足模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD9058JD 的工作條件。放大范圍 O～ 100dB。(2)帶通濾波子模塊 13 帶通濾波模塊基本由三片高速寬帶集成運算放大器 LM318配合其它電子元 器件設(shè)計組成。針對探頭頻段的需要 選擇 5MHz和 10MHz。最大限度地去除系 統(tǒng)聲學(xué)噪聲和電路噪聲的干擾，實現(xiàn)不同頻率超聲波檢測時的最佳效果。 (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。 4． 數(shù)據(jù)采集、處理模塊 該模塊主要是靠 A／ D轉(zhuǎn)換子模塊和 EPLD 芯片實現(xiàn)的。下面主要介紹一下 A／ D轉(zhuǎn)換子模塊， EPLD芯片的功能與使 用將在后面的設(shè)計中詳細介紹。 采樣回波信息由 A／ D轉(zhuǎn)換芯片 AD9058AJD 進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。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 進行功能控制操作，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進行實時緩存于靜態(tài)存儲芯片 SRAMC (CY7C199． 15)，再由單片機 MCU從緩存區(qū)讀取數(shù)字信息進行下一步的分析、 處理 (多次采樣信號的平均處理 )。處理后的數(shù)字信息再送固定存儲器 (FLASH PROM芯片 AT29C512)存儲，并可送液晶顯示屏進行波形圖顯示，或通過外接 端口中的 RS． 232 接口送計算機進行概率統(tǒng)計、頻域分析、數(shù)字濾波、聲成像或模式識別等更進一步的處理操作。 5． 人機對話模塊 人機對話模塊中的液晶顯示器 (LCM)，可由大屏幕顯示屏顯示缺陷回波圖 形、文字說明，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。菜單操作界面顯示檢測參數(shù)選擇、修改界面，顯示儀器一些常規(guī)設(shè)置的參數(shù)選擇、修改界面等。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行回放顯示。 6． 監(jiān)控超聲波檢測 模塊 由于系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，需要一個統(tǒng)一的“大腦”來控制與協(xié)調(diào)各個模塊的動 作，所以選擇 Intel 公司的 AT89S52 芯片作為 MCU 來實現(xiàn)對電源模塊、超聲波發(fā)射電路、探傷方式、頻段選擇功能的管理，同時實現(xiàn)程控放大 (增益 )功14 能的管理。 7． 通訊模塊 另外，為了和其上位 PC機進行通訊互聯(lián)，將現(xiàn)有的探傷結(jié)果數(shù)據(jù)信息上傳 給 PC機進行進一步的分析和處理，同時也是為了解決儀器固有存儲容量不夠的問題，所以儀器設(shè)計了 RS． 232雙工的串口通訊模式。 2． 2． 3 儀器軟件系統(tǒng)的基本構(gòu)成在前述硬件電路構(gòu)成的基礎(chǔ)上，采用模塊化的設(shè) 計方案設(shè)計了相應(yīng)的配套軟 件。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行調(diào)用，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、明了。整個軟件設(shè)計采用樹狀結(jié)構(gòu)，每個功能按鍵對應(yīng)一個相關(guān)功能子程序，配合液晶顯示屏進行人機對話，實現(xiàn)功能菜單的分選操作。在每個功能菜單項的基礎(chǔ)上又分為多個子功能菜單，力求操作簡單。圖 2． 5為軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的樹狀圖，具體的功能定義將在第五章人機對話模塊設(shè)計中介紹。 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。其現(xiàn)場作業(yè)的使用環(huán)境亦比較惡劣，故對各種干擾信號的處理和排除一些聲學(xué)噪聲和電路熱噪聲影響的要求也就相對比較高，對此，采取了以下的抗干擾措施，效果良好。 1．盡量采用低噪聲，抗干擾能力強的芯片、器件。 IC器件盡量直接焊在電 路板上，盡量不使用 IC插座。 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。 3．優(yōu)化電路設(shè)計，盡量減少信號線布線長度、不 用 90度折線減少高頻噪聲 的發(fā)射，用地線隔離繼電器、變壓器等大功率器件，并將其盡量分布在線路板邊緣，減少電磁干擾。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地。采用地平面技術(shù)，以使所有數(shù)字地、模擬地均直接連到完全包圍高速部件的地平面上。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。 4。在晶體振蕩器的電路布線安排上，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線 把時鐘區(qū)隔離起來。 5．繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾，在 繼電器接點兩端并接火 花抑制電路 (RC串聯(lián)電路 )，減小電火花的影響。 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。 7．軟件設(shè)計上，盡量優(yōu)化、簡單的模塊化設(shè)計方案，減少了煩瑣的操作過 程和復(fù)雜的邏輯處理。在采樣過程中，采用了多次采樣平均處理的方法。 16 2． 4 本章小結(jié) 本章介紹了脈沖反射式超聲波探傷儀器的基本原理，提出了利用 EPLD 強大的邏輯處理功能、易于應(yīng)用的 I／ O端口，借助單片機 MCU體積小、成本低、易控制、可靠性高、運用靈活等特點，開發(fā)一套數(shù)字化 脈沖反射式超聲波探傷儀器。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)。第三章超聲波檢測模塊設(shè)計 超聲波檢測模塊的主要任務(wù)是將微弱的超聲回波電壓信號不失真地放大，然 后送給高速數(shù)據(jù)采集、處理模塊。因此，它是本課題設(shè)計的基礎(chǔ)部分，是實現(xiàn)將檢測信息娩出，得到良好超聲波回波信息的關(guān)鍵所在。本章在繼續(xù)分析超聲波檢測原理的基礎(chǔ)上，詳細介紹了電源電路，超聲波發(fā)射電路，接收、阻尼限幅電路，程控放大電路， 濾波電路，檢波電路等各部分的設(shè)計。 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)。 考慮到儀器雖然大部分時間都工作在待機工作狀態(tài)，功耗不是很大。但一旦 工作在檢測狀態(tài)時，其要提供的高壓直流電源是脈沖式超聲波檢測儀器超聲波發(fā)射電路必不可少的部分，電源性能的好壞直接關(guān)系到探頭激發(fā)的聲源質(zhì)量。高質(zhì)量的電源電壓紋波系數(shù)要小，此時貯能電容的充電電壓一致性才好，因此超聲源的發(fā)射強度就會很穩(wěn)定。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。儀器設(shè)計選用高頻開關(guān)電源。 圖 3． 1是電源模塊的部分電路圖，其中 PWM為脈寬調(diào)制型的控制電源轉(zhuǎn)換 的 IC芯片，受邏輯器件 EPLD的控制，需要時響應(yīng)儀器的檢測工作狀態(tài)。 常用的超聲波檢測電壓超過 l 00V，多數(shù)在 +400V,+600V左右，本設(shè)計電源 取 +600V。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。由于使用高頻變壓器，使電源的體積小、重量輕， 18 3． 2 超聲波發(fā)射控制電路設(shè)計 發(fā)射電路接收由單片機 MCU控制 EPLD 提供的低壓可調(diào)脈寬的高頻脈沖電 壓信號 (FJ)后，產(chǎn)生高壓的窄脈沖激勵信號。激勵脈沖電壓加在探頭的壓電晶體兩端，由于逆壓電效應(yīng)，壓電晶體受激振動而產(chǎn)生形變，從而發(fā)出超聲波，其輻射能量與脈沖電壓直接相關(guān)，只要在線性范圍內(nèi)，脈沖電壓越高，其輻射能量越強，檢測儀器靈敏度越高。但是以提高脈沖電壓來增強輻射能量是有限的，因為當(dāng)脈沖電壓達到一定值時，其輸出能量會飽和，這時提高脈沖電壓不僅沒有好處，反而因脈沖寬度加大而增大檢測盲區(qū)。另外，過高的發(fā)射電壓也可能會 損壞高頻探頭。發(fā)射電路最常用的有諧振式及非諧振式兩類，其中諧振式發(fā)射電路的發(fā)射頻率由電路的諧振頻率決定，而非諧振式發(fā)射電路的發(fā)射頻率由探頭本身的自然頻率決定。超聲發(fā)射脈沖通常是用預(yù)先充電到高壓的電容突然放電來產(chǎn)生，得到的超聲信號波形是一種單頻載波脈沖信號。儀器設(shè)計采用非諧振式發(fā)射電路，其電 路原理圖如圖 3． 2所示。 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。激勵脈沖 (FJ)寬度是影響檢測縱向分辨率的主要因素。激勵脈沖越寬，發(fā)射強度越大，儀器分辨率就越低，這時適合探測范圍大，對分辨率要求不高的場合；反之，激勵脈沖越窄，發(fā)射強度越小，分辨率就越高，適合探測近表面缺陷或?qū)Ψ直媛室蟾叩膱龊稀Ｃ}沖寬度與檢測時縱向分 辨 率 的 關(guān) 系 如 圖 3 ． 3 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。 為了保證反射回波 WA和 WB不重疊，激 勵脈沖寬度 t必須滿足 t_2d／ e，因此： d晌 =△皿 =247。 Z 式中單位： c，為聲速，單位 mm／ s； t，為激勵脈沖寬度，單位 S； d，為界面間距，單位 mm； dmin，為最小界面間距，單位 mm； 這樣，對于不同的探傷材料、不同的探傷厚度等需要配合不同諧振頻率的探 頭、不同寬度的激勵脈沖、不同重復(fù)頻率等要求時，儀器均可利用 MCU 中存儲的程序調(diào)用及一些簡單的參數(shù)修改來完成，操作靈活、方便。 20 3． 3 阻尼限幅電路設(shè)計 在單探頭工作方式中，因接收探頭和發(fā)射探頭為同一探頭，因此激勵脈沖高電壓將輸入到接收通道，造成 在其接收通道輸入端輸入的信號不僅有幾十微伏到 1． 0 伏的回波信號，而且還有 100～ 600 伏的發(fā)射脈沖高壓信號，如果不能對此信號進行限幅，將損壞接收通道電路元件，并使接收通道在激勵脈沖之后一段時間不能正常接收缺陷回波信號，很可能造成工件近表面探傷的誤判。本超聲波檢測儀器的接收通道采用并聯(lián)限幅的保護電路，其電路如圖