【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 減少了硬件電路復(fù)雜設(shè)計(jì)和電路規(guī)劃，降低了信號(hào)干擾和信號(hào)失真。 設(shè)計(jì)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(guò)探頭實(shí)現(xiàn)的，必須根據(jù)檢測(cè)對(duì)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(gè)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(chǎng)的覆蓋范圍。探頭晶片尺寸小則 近場(chǎng)的覆 蓋率小，即近場(chǎng)范圍內(nèi)聲束窄。對(duì)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(duì)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(duì)缺陷的探測(cè)能力。頻率高時(shí)，波 12 長(zhǎng)短、聲束窄、擴(kuò)張角小、能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強(qiáng)、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(duì)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(cè)方向上就不會(huì)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(cè)面粗糙時(shí)，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(hào)的大小來(lái)決定：而下限由檢測(cè)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(diǎn)。因此，結(jié)合上面的分析，對(duì)于芯片檢測(cè)，我們選用德國(guó) 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(cè)探頭【 11】【 12】。頻率范圍是 0． 5MHz～ 10MHZ。另一個(gè)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(chǎng)檢測(cè)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(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集、處理模塊、人機(jī)對(duì)話(huà)模塊等工作所需的電源，并由單片機(jī) MCU 控制 EPLD產(chǎn)生的電源控制信號(hào) (DY)作用，分時(shí)響應(yīng)待機(jī)工 作狀態(tài)或短暫的檢測(cè)工作狀態(tài)： (1)當(dāng)檢測(cè)儀器在待機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)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(zhǎng)電池的使用時(shí)間和使用壽命。 (2)當(dāng)需要工作在檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，電源模塊受控制信號(hào) (DY)作用，為超聲波 檢測(cè)模塊的電路提供電源，儀器進(jìn)行檢測(cè)的工作。 3． 超聲波檢測(cè)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(cè)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(yùn)算放大器 LM318，低噪聲寬帶集成運(yùn)算放大器 AD600AR 等設(shè)計(jì)組成。根據(jù)檢測(cè)工件材料、 厚度，超聲波檢測(cè)頻段的需要，將接收到的微弱回波電壓信號(hào)由毫伏級(jí)放大到 O～ 2． 0V。滿(mǎn)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(yùn)算放大器 LM318配合其它電子元 器件設(shè)計(jì)組成。針對(duì)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(shí)現(xiàn)不同頻率超聲波檢測(cè)時(shí)的最佳效果。 (3)超聲波檢測(cè)子模塊 超聲波檢測(cè)模塊中的檢波電路，是由一片達(dá)到 120MHz的寬帶集成運(yùn)算放大 器 LM733CN設(shè)計(jì)完成，滿(mǎn)足了解決針對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)中詳細(xì)介紹。 采樣回波信息由 A／ D轉(zhuǎn)換芯片 AD9058AJD 進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。為了滿(mǎn)足 A／ D 轉(zhuǎn)換后數(shù)字信息的高速度存儲(chǔ)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(shí)時(shí)緩存于靜態(tài)存儲(chǔ)芯片 SRAMC (CY7C199． 15)，再由單片機(jī) 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(hào)的平均處理 )。處理后的數(shù)字信息再送固定存儲(chǔ)器 (FLASH PROM芯片 AT29C512)存儲(chǔ)，并可送液晶顯示屏進(jìn)行波形圖顯示，或通過(guò)外接 端口中的 RS． 232 接口送計(jì)算機(jī)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)、頻域分析、數(shù)字濾波、聲成像或模式識(shí)別等更進(jìn)一步的處理操作。 5． 人機(jī)對(duì)話(huà)模塊 人機(jī)對(duì)話(huà)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(shuō)明，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。菜單操作界面顯示檢測(cè)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(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，也可對(duì)存儲(chǔ)的缺陷回波圖形進(jìn)行回放顯示。 6． 監(jiān)控超聲波檢測(cè) 模塊 由于系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，需要一個(gè)統(tǒng)一的“大腦”來(lái)控制與協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的動(dòng) 作，所以選擇 Intel 公司的 AT89S52 芯片作為 MCU 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)實(shí)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，同時(shí)也是為了解決儀器固有存儲(chǔ)容量不夠的問(wèn)題，所以?xún)x器設(shè)計(jì)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(jì)方案設(shè)計(jì)了相應(yīng)的配套軟 件。在設(shè)計(jì)上，把儀器要用到的所有功能定義為一個(gè)個(gè)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。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)功能按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)相關(guān)功能子程序，配合液晶顯示屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)，實(shí)現(xiàn)功能菜單的分選操作。在每個(gè)功能菜單項(xiàng)的基礎(chǔ)上又分為多個(gè)子功能菜單，力求操作簡(jiǎn)單。圖 2． 5為軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的樹(shù)狀圖，具體的功能定義將在第五章人機(jī)對(duì)話(huà)模塊設(shè)計(jì)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(jí)的微弱電壓信號(hào)放大到 0,2． OV，并且要從許多高頻信號(hào)中采樣出來(lái)。其現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的使用環(huán)境亦比較惡劣，故對(duì)各種干擾信號(hào)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(duì)比較高，對(duì)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(qiáng)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(jì)，盡量減少信號(hào)線布線長(zhǎng)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(diǎn)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(gè) 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(jī)引腳盡量靠近，用地線 把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)。 5．繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾，在 繼電器接點(diǎn)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(duì)單片機(jī) MCU 使用了電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路，在速度能滿(mǎn)足要求的前 提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。 7．軟件設(shè)計(jì)上，盡量?jī)?yōu)化、簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)方案，減少了煩瑣的操作過(guò) 程和復(fù)雜的邏輯處理。在采樣過(guò)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(qiáng)大的邏輯處理功能、易于應(yīng)用的 I／ O端口，借助單片機(jī) MCU體積小、成本低、易控制、可靠性高、運(yùn)用靈活等特點(diǎn)，開(kāi)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(hào)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、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(kāi)發(fā)處理，實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)的圖像化、智能化、自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。第三章超聲波檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 超聲波檢測(cè)模塊的主要任務(wù)是將微弱的超聲回波電壓信號(hào)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(jì)的基礎(chǔ)部分，是實(shí)現(xiàn)將檢測(cè)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(cè)原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)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(jì)。 17 3． 1 電源電路設(shè)計(jì) 超聲波檢測(cè)儀器要適合于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，必須體積小、重量輕、工作時(shí)間長(zhǎng)，還要分時(shí)響應(yīng)待機(jī)工作狀態(tài)或短暫的檢測(cè)工作狀態(tài)。 考慮到儀器雖然大部分時(shí)間都工作在待機(jī)工作狀態(tài)，功耗不是很大。但一旦 工作在檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，其要提供的高壓直流電源是脈沖式超聲波檢測(cè)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(shí)貯能電容的充電電壓一致性才好，因此超聲源的發(fā)射強(qiáng)度就會(huì)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(jì)選用高頻開(kāi)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(shí)響應(yīng)儀器的檢測(cè)工作狀態(tài)。 常用的超聲波檢測(cè)電壓超過(guò) l 00V，多數(shù)在 +400V,+600V左右，本設(shè)計(jì)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(jì) 發(fā)射電路接收由單片機(jī) MCU控制 EPLD 提供的低壓可調(diào)脈寬的高頻脈沖電 壓信號(hào) (FJ)后，產(chǎn)生高壓的窄脈沖激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)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(dòng)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(qiáng)，檢測(cè)儀器靈敏度越高。但是以提高脈沖電壓來(lái)增強(qiáng)輻射能量是有限的，因?yàn)楫?dāng)脈沖電壓達(dá)到一定值時(shí)，其輸出能量會(huì)飽和，這時(shí)提高脈沖電壓不僅沒(méi)有好處，反而因脈沖寬度加大而增大檢測(cè)盲區(qū)。另外，過(guò)高的發(fā)射電壓也可能會(huì) 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(lèi)，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(lái)產(chǎn)生，得到的超聲信號(hào)波形是一種單頻載波脈沖信號(hào)。儀器設(shè)計(jì)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(guò)程： 19 穩(wěn)態(tài)時(shí)，功率 MOS 管 M1關(guān)斷，高壓直流電源 +600V通過(guò)電阻剛給高壓貯 能電容 C1充電；動(dòng)態(tài)時(shí)，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(guò)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(lì)，按照本身的自然諧振頻率發(fā)射脈沖超聲波。激勵(lì)脈沖 (FJ)寬度是影響檢測(cè)縱向分辨率的主要因素。激勵(lì)脈沖越寬，發(fā)射強(qiáng)度越大，儀器分辨率就越低，這時(shí)適合探測(cè)范圍大，對(duì)分辨率要求不高的場(chǎng)合；反之，激勵(lì)脈沖越窄，發(fā)射強(qiáng)度越小，分辨率就越高，適合探測(cè)近表面缺陷或?qū)Ψ直媛室蟾叩膱?chǎng)合。脈沖寬度與檢測(cè)時(shí)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(shí)，界面 A與界面 B就剛好能分辨開(kāi)來(lái)。 為了保證反射回波 WA和 WB不重疊，激 勵(lì)脈沖寬度 t必須滿(mǎn)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(lì)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(duì)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(lì)脈沖、不同重復(fù)頻率等要求時(shí)，儀器均可利用 MCU 中存儲(chǔ)的程序調(diào)用及一些簡(jiǎn)單的參數(shù)修改來(lái)完成，操作靈活、方便。 20 3． 3 阻尼限幅電路設(shè)計(jì) 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(lì)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(hào)不僅有幾十微伏到 1． 0 伏的回波信號(hào)，而且還有 100～ 600 伏的發(fā)射脈沖高壓信號(hào)，如果不能對(duì)此信號(hào)進(jìn)行限幅，將損壞接收通道電路元件，并使接收通道在激勵(lì)脈沖之后一段時(shí)間不能正常接收缺陷回波信號(hào)，很可能造成工件近表面探傷的誤判。本超聲波檢測(cè)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