虛擬超聲波無損探傷系統(tǒng)前端電路設計實現

何世彪　廖　強　李　勇

摘 要：基于虛擬式超聲波無損探傷設備,介紹了該儀器設備的前端電路設計與實現,主要包括：用于激勵超聲波探頭的脈沖發(fā)射電路,高增益的超聲波接收電路,以及隔離、濾波等相關的信號調理電路。在前端電路的設計實現中,以AT89C52單片機為控制核心,實現對信號發(fā)射與接收的控制。這些電路采用模塊化的設計思想和成熟的技術,電路功能強、易于實現,并具有廣泛的應用價值。實驗結果表明,這些電路性能穩(wěn)定可靠,使用效果良好。

關鍵詞：超聲無損檢測；發(fā)射電路；高頻放大；帶通濾波

中圖分類號：TM930 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-116-04

Design and Implementation of Front Circuit in Virtual

Ultrasonic Nondestructive Flaw Detection System

HE Shibiao1,LIAO Qiang1,LI Yong2

(1.College of Communication Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044,China;

2.Chongqing Communication Institute,Chongqing,400035,China)

Abstract：This paper introduces the design and imlementation of front circuit in virtual ultrasonic nondestructive flaw detection system.This front circuit mainly includs pulse transmission circuit which is used to impel the ultrasonic transducer,the high gain receiving circuit of ultrasonic echo signals,the isolation circuit and the filter circuit for signal adjustment.AT89C52 microcomputer is used as its core and controlled signal trasmitter and receiver.Owing to adopt the modular design method and mature technology,the circuit is powerful in fuction and easy to realize and has extensive value in use.The tesults show that the effect is excellent and performance is stable.

Keywords：ultrasonic nondestructive testing;transmitting circuit;high frequency amplification;bandpass filter

0 引 言

隨著現代工業(yè)和科學技術的發(fā)展,無損檢測技術在設備和裝備的運行、產品質量的保證、提高生產率、降低成本等領域發(fā)揮著越來越大的作用,無損檢測也已經發(fā)展成為一門獨立的綜合性學科,而超聲波探傷技術在無損檢測領域內占有極其重要的地位,在很多領域均獲得非常廣泛的應用。

由于超聲波無損探傷設備在不同的應用場合,其對探頭的要求不同,對接收的回波信號的處理算法也不同,因此某一類的無損探傷設備,通常只能適應于一種或幾種應用場合。為使超聲波探傷設備具有更好的應用范圍、更高的處理算法和更快的更新周期,可采用虛擬式超聲波無損探傷設備。虛擬超聲探傷系統(tǒng)是利用計算機顯示器的功能來模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板,以多種形式輸出檢測結果,利用軟件功能來實現數字信號的運算、分析和處理。利用輸入輸出(I/O)接口設備完成信號的采集、測量與調試,從而完成各種測試功能的超聲無損探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是虛擬儀器技術、數字技術與傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)相結合的產物。在設計虛擬數字超聲系統(tǒng)時,必須結合傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)中模擬通道的設計,因為任何一個超聲探傷系統(tǒng)都必須包括超聲波的發(fā)射電路、接收電路和信號調理電路才能進一步進行后續(xù)的處理工作,這些電路的設計將直接影響到整個超聲探傷系統(tǒng)工作的可靠性和測試精度。這里設計的電路就是在進行A/D轉換之前的前端電路。

1 虛擬式超聲波無損探傷設備的系統(tǒng)組成

超聲檢測一般是指使超聲波與試件相互作用,就反射、透射和散射的波進行研究,對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征,并進而對其特定應用性進行評價的技術［1］。用于固體材料超聲檢測的裝置按其指示的參量可分為三類：第一類指示聲的穿透能量,常用于穿透法；第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波在試件中形成駐波的情況,可用于共振測厚,但目前已很少用；第三類指示反射聲波的幅度和運行時間,常用于脈沖反射法。鑒于脈沖反射法在目前的廣泛使用,虛擬儀器就是采用反射檢測法來設計的。

脈沖反射法的基本原理如圖1所示,一般只利用一個探頭發(fā)射兼接收［2］。當工件完好時,顯示器上只有始波T和底面回波B,如圖1(a)所示。當工件中有小于聲束截面的小缺陷時,在始波T和底波B之間還有缺陷回波F出現,如圖1(b)所示。根據缺陷波F的高度可對缺陷的大小進行評估,根據缺陷回波F與始波T之間的時間差可以得到缺陷的埋藏深度。有缺陷回波時,底面回波高度下降。當工件中有大于聲束截面的大缺陷時,超聲波束全部被缺陷反射,顯示器上只有始波T和缺陷回波F,底波B消失,如圖1(c)所示。

虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結構如圖2所示。該系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心控制器件,數據采集由計算機結合專用數據采集卡進行完成,然后利用計算機軟件對數據進行運算、分析和處理,結合LabVIEW應用軟件進行探傷系統(tǒng)的面板設計和部分功能的設計和構建,對測試結果進行顯示。單片機控制發(fā)射電路發(fā)射400 V的高壓窄脈沖,激勵探頭產生超聲波,并隨之切換開關至信號接收電路。同時啟動數據采集卡進行數據采集工作。單片機控制系統(tǒng)與計算機之間的通訊(如脈沖重復頻率、脈沖占空比和增益調節(jié)等)采用USB接口來進行。

2 發(fā)射電路與接收電路

2.1 超聲發(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鍵部分,對于超聲探傷系統(tǒng)的性能具有很大的影響。發(fā)射電路通常有調諧式和非調諧式兩種。調諧式電路中有調諧線圈,諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定,發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖,脈沖的頻帶較寬,可以適應不同頻帶范圍的探頭,此時發(fā)射出的超聲波頻率主要由壓電晶片的固有參數決定［3］。該系統(tǒng)采用德國K.K公司(Krautkramer)的B5S單晶縱波直探頭。該探頭具有5 MHz的標稱頻率,15～6 000 mm的工作量程和110 mm的近場長度。為便于系統(tǒng)的靈活調試,采用非調諧式發(fā)射電路,其脈沖控制參數可以通過核心控制器AT89C52單片機方便地進行修改設定,發(fā)射電路如 圖3所示。

在發(fā)射電路中,高壓直流通過限流電阻R1,隔直電容C被充電到VH,在常用的超聲檢測系統(tǒng)中,VH電壓在數十伏至幾百伏的范圍內。為充分激發(fā)探頭的壓電性能,采用了400 V的高壓直流電源模塊。晶閘管Q作為一個高速開關器件在此受單片機產生的脈沖信號控制。在低電平時,晶閘管Q處于截至狀態(tài),電容C被充電到400 V,在高電平信號到達時,晶閘管Q處于導通狀態(tài),引起電容C經晶閘管Q和可調電阻R2放電,在R2上產生激勵探頭的高壓脈沖?？勺冸娮鑂2決定了電路的阻尼情況,可以通過改變R2的阻值來改變發(fā)射的強度。電阻大時阻尼小,發(fā)射強度大,儀器的分辨力低,適合探測厚度大,對分辨率力要求不高的試件。電阻小時阻尼大,分辨率高,在探測近表面缺陷時或對分辨力要求較高時予以采用。該設計選用雙向晶閘管BT136-600,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［4］。為充分驅動該晶閘管工作,特意選用了雙路功率MOSFET驅動器ICL7667設計了驅動電路。發(fā)射電路產生的高壓脈沖和超聲波信號如 圖4所示。

2.2 限幅與接收放大電路

當檢測范圍很大時,深度缺陷或底波的反射波信號很微弱,因此在處理之前需要進行高增益放大處理。而由于探頭是收發(fā)一體的,發(fā)射信號很強,它同時作用于接收電路,而且在實現的測試過程中,有可能加進強干擾,因此為保護放大電路不致?lián)p壞,使放大電路能處于線性的動態(tài)范圍,需要在放大之前接收信號進行限幅,限幅電路如圖5所示。圖中電阻R3相對于發(fā)射電路中的可調電阻R2要足夠大,用以消除接收電路對發(fā)射電路產生負載效應。選用具有較大正向電流的二極管(如2K61701)D2和D3構成雙向限幅電路,防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進入到后端接收電路中,這樣限幅電路的輸出在±0.7 V左右,達到了該電路的預期效果。

限幅之后,便是放大電路,為了能夠測量幅度的變化值,在回波信號進入放大器之前,先經過已校準的衰減器,以便于對信號幅度定量調節(jié),以適應不同的信號范圍。該設計選用AD(ANALOG DEVICES)公司推出的壓控增益放大器AD603進行程控增益放大電路模塊的設計。AD603具有線性分貝、低噪聲、寬頻帶、高增益精度以及增益控制靈活等特點,其高達50 MΩ的阻抗能夠保證信號充分加載到后級電路中。AD603程控增益原理圖如圖6所示,其管腳說明如表1所示［6］。

AD603提供精確的、可由管腳選擇的增益,且其增益線性可變,而且在溫度和電源電壓變化時有很高的穩(wěn)定性,增益變化范圍40 dB,增益控制轉換比例 25 mV/dB,相應速度為40 dB,變化范圍所需時間小于1 μs。如圖6所示,AD603內部包含一個七級R-2R梯形網絡組成的0~-42 dB的可變衰減器和一個固定增益放大器,此固定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網絡的方式改變,以選擇AD603不同的增益變化范圍。AD603的這種可變增益功能是其他運算放大器所不能比擬的。

超聲回波信號由VINP進入衰減器衰減后,再通過定增益放大器放大。衰減器的增益控制由控制電壓VG完成,VG是差動輸入的增益控制電壓,即GPOS與GNEG之差,范圍是-0.5~+0.5 V。定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網絡的方式改變,以選擇AD603不同的增益變化范圍。

(1) 當AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK短接時,Gain(dB)=40VG+10；此時增益范圍為-10~ +30 dB,帶寬為90 MHz。

(2) 當AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK接上反饋電阻時,Gain(dB)=40VG+20；此時增益范圍為0~+40 dB,帶寬為30 MHz。

(3) 當反饋端FDBK接地時,Gain(dB)=40VG+30；此時增益范圍為10~50 dB,帶寬為9 MHz。

由此可見,AD603的增益控制是相當靈活的。在實際的使用過程中,可以將多片AD603串聯(lián)來實現更大的放大和動態(tài)范圍控制。本設計首先使用了單片AD603作為前置放大,之后使用了兩片AD603串聯(lián)使用作為AGC自動增益放大。前置放大器如圖7所示。

如圖7所示,在設計中將輸出端VOUT和反饋端FDBK之間用電位器R3連接,可以靈活地選擇增益范圍。通過調節(jié)電位器R2,可以調整GPOS與GNEG間的電壓在0~0.5 V之間,如果將電位器R3的阻值調至0,則使得放大器的增益變化范圍是10~30 dB。AGC自動增益放大電路的設計原理類同,限于篇幅,這里不再贅述。電路的輸出波波形如圖8所示。

3 帶通濾波電路

高頻放大電路在對回波信號進行放大的過程中會引入噪聲,為了對引入噪聲進行控制,提高系統(tǒng)整體的信噪比,需要設計帶通濾波器來對噪聲進行濾除。該設計選用美信(MAXIM)公司生產的MAX4104設計了帶通濾波電路,其中心頻率為5 MHz,增益K=4,品質因數Q=5,帶寬B=1 MHz。如圖9所示為帶通濾波電路及回波信號經過濾波后的結果。

4 結 語

介紹了虛擬式超聲波無損探傷設備的前端電路的設計與實現。為驗證所設計的電路功能,采用JB/T4730.3-2005標準規(guī)定的CSK-ⅠA試塊進行實驗,結果表明這些電路能夠很好地完成在進行A/D轉換之前的信號調理任務,電路性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻

［1］Charles J.Hellier.無損檢測與評價手冊［M］.北京:中國石化出版社,2006.

［2］馮諾.超聲手冊［M］.南京:南京大學出版社,1999.

［3］中國機械工程學會無損檢測學會.超聲波檢測［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社,2000.

［4］Theodore F Bogart Jr,Jeffrey S Beasley,Guillermo R

［5］何立民.單片機應用系統(tǒng)設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社,1990.

［6］Analog Devices Inc.AD603 Low Noise,90 MHz,Variable Gain Amplifier,Data Manual［Z］.2005.

作者簡介何世彪 男,1963年出生,安徽懷寧人,博士后,重慶大學通信工程學院教授、重慶通信學院三系副主任。主要從事抗干擾通信與寬帶無線通信的研究。

廖 強 男,1983年出生,四川簡陽人,在讀碩士研究生,重慶大學通信工程學院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)。主要研究方向為電路系統(tǒng)設計開發(fā)。

李 勇 男,1979年出生,四川資陽人,碩士研究生,重慶通信學院講師。主要從事數字化測試技術的研究。