【正文】 10 型儀器。從此，無損檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。如羅馬尼亞 N2701 型超聲波測(cè)試儀 ，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量 10Kg。 1978 年 10 月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出 JC2 型便攜式超聲波檢測(cè)儀。同期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有 SC2 型， CTS25 型， SYC2 型超聲波檢測(cè)儀。 超聲波檢測(cè)技術(shù)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展和推廣的新技術(shù)，其具有高精度 ，無損，非接觸等優(yōu)點(diǎn)。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。對(duì)超聲波測(cè)距精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳播時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，二者中以傳播時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳播時(shí)間的不確定度來提高測(cè)距精度。 超聲波檢測(cè)技術(shù)作為無損檢測(cè)技術(shù)的重要 手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用，它提供了評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測(cè)其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。 八十年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析成為可能。廈門大學(xué)的某位學(xué)者研究了一種回波輪廓分析法。意大利的 Carullo 等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來獲得好的回波包絡(luò)，同時(shí)采用對(duì)環(huán)境基于單片機(jī) 和虛擬儀器技術(shù)的超聲 探測(cè)儀的 設(shè)計(jì) 7 噪聲進(jìn)行估測(cè)，設(shè)置一定的回波開平電路，且采用自動(dòng)增益的控制放大器，通過這些措施來提高超聲波的探測(cè)精度。這些處理方法都取得了較好的效果。國(guó)內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。 隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超 聲檢測(cè)儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 20xxA 型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機(jī)打印。與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。 研究?jī)?nèi)容和 論文安排 本論文主要 研究基于 單片機(jī) 和虛擬儀器技術(shù)的超 聲波探傷儀的 設(shè)計(jì) 和應(yīng)用 。 第一章 緒論 主要介紹了超聲波探傷儀的發(fā)展?fàn)顩r，以及目前的現(xiàn)狀和前景。并詳細(xì)介紹了最終確定的各單元設(shè)計(jì)方案以及最終方案的設(shè)計(jì)原理。 第五章 結(jié)論 對(duì) 本設(shè)計(jì)進(jìn)行 詳細(xì) 地總 結(jié)。它是一種非破壞性的材料實(shí)驗(yàn)方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測(cè)其內(nèi)部各種缺陷（如裂紋、氣泡、夾雜物等）的大小，形狀和分布狀況以及測(cè)定材料性質(zhì)。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種： 一、脈沖反射法 把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來自物體中的反射波，這種探傷方法稱為脈沖反射法。在脈沖反射法中，根據(jù)聲束傳播情況可分為直探法和斜探法；根據(jù)探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法和板波探傷法；根據(jù)探頭個(gè)數(shù)和作用可分為單探頭法和雙探頭法；根據(jù)聲耦合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。 二、穿透法 利用穿過被檢物體的超聲波的穿透率和有無聲影進(jìn)行探傷檢驗(yàn)的方法稱為穿透法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于薄工件；由于超聲波傳播路程僅為反射法的一半，故適用于檢查衰減大的材料；探傷圖形直觀，只要定好檢查標(biāo)準(zhǔn)就可以進(jìn)行作業(yè)；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷、檢查速度快。 三、共振法 把頻率連續(xù)改變的超聲波射入被檢材料，根據(jù)材料的共振狀況測(cè)量其厚度或檢查有無缺陷等材料性質(zhì)的方法稱為共振法。 四、聲阻法 聲阻法是利用被測(cè)物件的振動(dòng)特性，即被測(cè)物對(duì)探頭所呈現(xiàn)的機(jī)械阻抗的變化來進(jìn)行檢測(cè)的一種無損檢測(cè)法。它的工作頻率范圍一般都較低（如幾千赫茲）。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 。數(shù)據(jù)采集由 AT89C82單片機(jī)結(jié)合 LabVIEW串口通訊函數(shù)完成 ,然后結(jié)LabVIEW應(yīng)用軟件進(jìn)行探傷系統(tǒng)的面板設(shè)計(jì)和部分功能的設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處 理，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。 LabVIEW 并不像一般傳統(tǒng)的文本編程語言，它基本上不用寫程序代碼，而是用圖標(biāo)、連線構(gòu)成程序框圖，類似于一個(gè)搭積木的過程。 LabVIEW 中術(shù)語、圖標(biāo)和概念都是工程師們所熟知的，因此被工程師看作為基于單片機(jī) 和虛擬儀器技術(shù)的超聲 探測(cè)儀的 設(shè)計(jì) 11 標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)開發(fā)環(huán)境。 LabVIEW 和虛擬儀器有著緊密的聯(lián)系，虛擬儀器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)的儀器及測(cè)量技術(shù)。在 LabVIEW中開發(fā)的程序也被稱為虛擬儀器，所有的虛擬儀器都包括了前面板和程序框圖兩部分。它同樣定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用規(guī)則等一般編程語言的基本要素，使用者完全可以用它來設(shè)計(jì)專業(yè)的、功能強(qiáng)大的程序。利用它結(jié)合 NI公司的其他硬件，用戶可以很方便地建立自己的虛擬儀器。虛擬儀器可以應(yīng)用了多種領(lǐng)域，是因?yàn)樗梢耘c多種物理控制和采集單元連接，于此同時(shí)虛擬儀器必須應(yīng)用到計(jì)算機(jī)的控制，用于虛擬儀器的軟件也是虛擬儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 LabVIEW 可以在計(jì)算機(jī) /硬件終端使用例如臺(tái)式機(jī)、工控機(jī)、移動(dòng)設(shè)備和嵌入式設(shè)備?；趩纹瑱C(jī) 和虛擬儀器技術(shù)的超聲 探測(cè)儀的 設(shè)計(jì) 13 第 3 章 基于單片 機(jī)的超聲波探傷儀 的 設(shè)計(jì) AT89C52 單片機(jī) AT89C52 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和 256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位 電路，來構(gòu)成單片機(jī)的最小電路。 單片機(jī)單元電路連接圖如圖 所示： 12345678RST9101112131415(/WR)16(/RD)17XTAL118XTAL219GND20A8/21A9/22A10/23A11/24A12/25A13/26A14/27A15/28/PSEN29ALE30/EA31AD7/32AD6/33AD5/34AD4/35AD3/36AD2/37AD1/38AD0/39VCC40U12AT89C5210KR2710uFC15 S112YXTAL30pFC16Cap30pFC17VCC 圖 單片機(jī)單元電路 時(shí)鐘電路 計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍的進(jìn)行的，這個(gè)脈沖是由單基于單片機(jī) 和虛擬儀器技術(shù)的超聲 探測(cè)儀的 設(shè)計(jì) 14 片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。為了保證各部件間的同步工作。要給單片機(jī)提供時(shí)序要有相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然 后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路如圖 所示，外接晶振時(shí)， C17 和 C16 值通常選擇為 30PF 左右。晶體的頻率范圍可在 ～ 12MHZ 之間選擇?？煽康毓ぷ?，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。 發(fā)射電路 超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲探傷儀的關(guān)鍵部分，對(duì)于超聲探傷系統(tǒng)的性能具有很大的影響。調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。本設(shè)計(jì)采用非調(diào)諧式發(fā)射電路。圖 32為其原理圖。經(jīng)三極管 Q Q Q3 驅(qū)動(dòng)后送到 Q4 的控制極，該設(shè)計(jì)選用雙向晶閘管 BTl36 600，該晶閘管具有 600 V 的反向峰值電壓和 4 A 的額定平均電流。在常用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)中， Vch 電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內(nèi)，為充分激發(fā)探頭的壓電性能，本設(shè)計(jì)中采用 600v 高壓直流電源?？勺冸娮?R8 為 10kΩ 決定了電路的阻尼情況，可以通過改變 R8 的阻值來改變發(fā)射的強(qiáng)度。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測(cè) 近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪σ筝^高時(shí)予以采用。而由于探頭是收發(fā)一體的，發(fā)射信號(hào)很強(qiáng)，它同時(shí)作用于接收電路，而且在實(shí)現(xiàn)的測(cè)試過程中，有可能加進(jìn)強(qiáng)干擾，因此為保護(hù)放大電路不致?lián)p壞，使放大電路能處于線性的動(dòng)態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號(hào)進(jìn)行限幅，限幅電路如圖 所示。選用具有較大正向電流的二極管 (如 2K61701)D2和 D3 構(gòu)成雙向限幅電路，防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進(jìn)入到后端接收電路中，這樣限幅電路的輸出在士 V 左右，可以達(dá)到該電路的預(yù)期效果。該設(shè)計(jì)選 AD(ANALOG DEVICES)公司推出的壓控增益放大器 AD603進(jìn)行程控增益放大電路模塊 的設(shè)計(jì)。 AD603 程控增益原理圖如圖 所示，其管腳說明如表 31所示。如圖 所示， AD603 內(nèi)部包含一個(gè)七級(jí)R一 2R梯形網(wǎng)絡(luò)組 成 0~ 40dB 的可變衰減器和一個(gè)固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變，以選擇 AD603 不同的增益變化范圍。 圖 AD603 增益控制原理 超聲回波信號(hào)由 VINP 進(jìn)入衰減器衰減后，再通過定增益放大器放大。定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)