便攜式隱藏焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于吉?jiǎng)?楊 錄,張艷花

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051 )

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便攜式隱藏焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于吉?jiǎng)?楊 錄,張艷花

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051 )

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法快速、準(zhǔn)確對(duì)車架號(hào)碼區(qū)域隱藏焊縫進(jìn)行檢測(cè)的現(xiàn)狀,采用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)一套基于C8051F360的便攜式超聲檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)超聲檢測(cè)隱藏焊縫的方式對(duì)車架號(hào)碼區(qū)域進(jìn)行篡改鑒別，系統(tǒng)體積小、操作簡(jiǎn)單。檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)高頻超聲全波信號(hào)采集，及數(shù)字處理系統(tǒng)對(duì)采集的信號(hào)實(shí)時(shí)處理，根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)響應(yīng)情況檢測(cè)出車架號(hào)碼區(qū)域是否經(jīng)過(guò)篡改。該方法已在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，取得了良好效果，可快速有效識(shí)別出偽造車架號(hào)碼區(qū)域的痕跡。

車架號(hào)碼區(qū)域；C8051F360；超聲檢測(cè)；隱藏焊縫；全波信號(hào)采集；信號(hào)處理

0 引言

世界各國(guó)汽車公司生產(chǎn)的汽車90%以上使用車輛識(shí)別代號(hào)編碼。車架號(hào)碼是由17位字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成的，經(jīng)過(guò)排列組合，可以使同一車型的車在30年之內(nèi)不會(huì)發(fā)生重號(hào)現(xiàn)象，具有對(duì)車輛的唯一識(shí)別性，因此有“汽車身份證”。之稱。

近年來(lái)，汽車被盜案件頻發(fā)，作案分子盜得車輛后通常把原車架號(hào)碼區(qū)域整體摳掉[1]，重新焊接一塊相應(yīng)大小的鋼板，再通過(guò)打膩?zhàn)优c噴漆等方法偽造基體，刻制新的車架號(hào)碼，表面上可以達(dá)到以假亂真的效果,很難用肉眼和觸摸識(shí)別，焊接過(guò)的痕跡隱藏在膩?zhàn)雍陀推嵯旅?，稱為“隱藏焊縫”。對(duì)于這種情況，本文將選用橫波脈沖反射法對(duì)車架鋼板進(jìn)行有效檢測(cè)，采用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)便攜式檢測(cè)系統(tǒng)，分析超聲波穿過(guò)完整車架和有焊縫車架回波的不同，將回波數(shù)據(jù)直接在單片機(jī)片內(nèi)算法處理，存在隱藏焊縫則立即響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，從而識(shí)別出偽造的車架號(hào)碼。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在焊縫檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)比較成熟。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已逐步從無(wú)損探傷和無(wú)損檢測(cè)向無(wú)損評(píng)價(jià)過(guò)度。近年來(lái)，我國(guó)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步，逐步向高精度，高分辨率方向發(fā)展，在線檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)增多，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、圖像化、智能化。

1 超聲檢測(cè)原理

文中主要采用超聲橫波脈沖反射法針對(duì)車架號(hào)碼區(qū)域膩?zhàn)雍陀推岜砻嫦陆饘俦′摪逵袩o(wú)隱藏焊縫的檢測(cè)。

1.1 超聲檢測(cè)原理

將與軸線垂直的徑向缺陷定義為橫向缺陷，與軸線平行的徑向缺陷定義為縱向缺陷。如圖1所示，將隱藏在膩?zhàn)雍陀推岜砻嫦碌暮缚p看做是薄鋼板的橫向缺陷，課題的任務(wù)是準(zhǔn)確快速判斷隱藏焊縫的有無(wú)。將耦合劑均勻涂抹在超聲探頭上，并與待測(cè)樣板緊密的貼合好，移動(dòng)探頭，當(dāng)探頭沒(méi)有遇到隱藏焊縫時(shí)，探頭發(fā)出的波大部分折射掉，探頭接收到的波只有始發(fā)波；當(dāng)探頭接近隱藏焊縫時(shí)就會(huì)有一小部分的回波反射回探頭；當(dāng)探頭移動(dòng)到隱藏焊縫附近，就會(huì)有大部分的超聲波反射回探頭。通過(guò)單片機(jī)對(duì)回波信號(hào)算法處理，把有隱藏焊縫的回波數(shù)據(jù)用來(lái)響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確判別車架薄鋼板是否存在隱藏焊縫。

圖1 超聲檢測(cè)原理圖

1.2 探頭、耦合劑的選用

對(duì)于車架薄鋼板的焊縫檢測(cè)，選擇合適的探頭很重要，接觸法檢測(cè)中，一般采用頻率為2 MHz左右的接觸式斜探頭，由于車架鋼板很薄，為了保證足夠的靈敏度，宜選用入射角較小的探頭。實(shí)驗(yàn)中采用可變角度斜探頭實(shí)際測(cè)試車架薄鋼板，發(fā)現(xiàn)入射角度為30°時(shí)，超聲橫波脈沖反射回波的電壓幅值最大，故本課題選用頻率為2 MHz入射角度為30°、晶片大小13 mm×13 mm的接觸式斜探頭[2]。

接觸法探傷時(shí)，為了能使超聲波更有效的入射到工件內(nèi)部，在探頭與工件之間，應(yīng)涂上一層耦合劑。本課題最初選用的是用水作為耦合劑，主要原因是易獲得、造價(jià)低，但需要將車架號(hào)薄鋼放到水中檢測(cè)，若要拆卸車架鋼板，車輛就會(huì)到受損壞，經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終選用機(jī)油作為耦合劑，耦合性好，可以直接在車架上進(jìn)行檢測(cè)，不用拆卸車架薄鋼板，提高了系統(tǒng)整體的檢測(cè)效率。

2 超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)按鍵：一個(gè)是無(wú)隱藏焊縫波單次觸發(fā)采集按鍵，采集一次無(wú)隱藏焊縫回波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部，作為參考；另一個(gè)是有隱藏焊縫回波連續(xù)采集按鍵，連續(xù)采集的回波數(shù)據(jù)每次都要和無(wú)隱藏焊縫回波數(shù)據(jù)參考進(jìn)行比對(duì)。由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)和處理，若有隱藏焊縫回波數(shù)據(jù)與無(wú)隱藏焊縫回波數(shù)據(jù)相差到一定程度時(shí)，就觸發(fā)啟動(dòng)報(bào)警電路。利用脈沖反射式超聲檢測(cè)的方法結(jié)合算法對(duì)本課題設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路是在窄脈沖控制之下，產(chǎn)生激發(fā)超聲探頭的高壓控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)射。在實(shí)際的超聲探傷中，通常是將800 V的高電壓窄脈沖信號(hào)加到超聲探頭上，激發(fā)超聲探頭的壓電晶片振動(dòng)，使其發(fā)射超聲波。

2.1.1 窄脈沖信號(hào)的產(chǎn)生

通過(guò)單片機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)定2 μs的觸發(fā)脈沖，重復(fù)頻率為1 kHz的窄脈沖信號(hào)，如圖3所示，觸發(fā)脈沖FS經(jīng)高速光耦HCPL0630隔離后，經(jīng)過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器TC4427將電壓提升至12 V，觸發(fā)場(chǎng)效應(yīng)管8N80對(duì)800V高壓的關(guān)斷，使得800 V高壓有規(guī)律的加載到超聲探頭上。

圖3 窄脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路

2.1.2 超聲波發(fā)射電路

8N80是一款耐800 V高壓的N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管，導(dǎo)通電阻小，關(guān)斷時(shí)間短。發(fā)射電路工作原理：在TRIG為低時(shí)，800 V高壓通過(guò)RG1、RG2對(duì)CG3充電，使其兩端的電壓差達(dá)到+800 V左右；在TRIG為高時(shí)，8N80導(dǎo)通，此時(shí)CG3通過(guò)8N80放電，在其導(dǎo)通的瞬間，8N80的漏極電壓比較小，使CG3的電位拉低。由于電容兩端的電壓不能突變，使得輸出端FST1的電位在瞬間約為-800 V，這個(gè)負(fù)脈沖作用于超聲探頭，激勵(lì)超聲探頭的壓電晶片振動(dòng)，發(fā)射超聲波。圖4中，根據(jù)超聲傳感器的內(nèi)部靜態(tài)電容、靜態(tài)電阻、設(shè)計(jì)由RG5、RG6共同構(gòu)成并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)調(diào)節(jié)RG3、RG4的值來(lái)改變脈沖幅度，使電路工作在諧振頻率上，用以提高超聲傳感器效率。

圖4 發(fā)射電路

2.2 超聲波接收電路

超聲波接收電路主要由前置接收電路、壓控可變?cè)鲆骐娐?、寬帶固定增益電路以及偏置調(diào)整及放大電路共同構(gòu)成。

2.2.1 前置接收電路

如圖5所示，前置接收電路主要由二極管限幅電路以及由低電壓、寬帶、低噪聲高速運(yùn)放AD8065構(gòu)成。二極管限幅電路主要是起到對(duì)運(yùn)放輸入保護(hù)作用，使運(yùn)放的輸入信號(hào)電壓控制在±0.7 V以內(nèi)，AD8065構(gòu)成增益為1倍的電壓跟隨器，匹配輸入阻抗，增強(qiáng)帶負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。AD8065內(nèi)部前端提供的是場(chǎng)效應(yīng)管(FET)輸入電路，比起晶體管電路，場(chǎng)效應(yīng)管具有很高的輸入電阻，還具有熱穩(wěn)定性好、功耗小、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單便于集成等優(yōu)點(diǎn)，AD8065還有很高的輸入阻抗，使超聲回波信號(hào)能夠很好的與探頭阻抗匹配。

圖5 前置接收電路

2.2.2 壓控可變?cè)鲆嬲{(diào)整電路

由于不同車架鋼板及材質(zhì)密度不同，回波信號(hào)幅值也不同，故采用壓控可變?cè)鲆骐娐?。如圖6所示，可變?cè)鲆婺K選用集成壓控增益放大器VCA810，增益和控制電壓呈線性關(guān)系，G=-40(VC+1)dB，其中VC2=-2～0 V，可通過(guò)DAC5620數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片控制。增益帶寬為35 MHz，增益控制帶寬為25 MHz，通過(guò)可變?cè)鲆嬲{(diào)整電路使其輸出信號(hào)幅值保持在2Vpp左右。根據(jù)VCA810芯片資料可知，輸入阻抗需設(shè)置成對(duì)地50 Ω，RB5應(yīng)為25 Ω以消除偏置電流的影響[3]。

圖6 壓控可變?cè)鲆骐娐?/p>

2.2.3 寬帶固定增益及偏置調(diào)整放大電路

如圖7所示，為滿足偏置調(diào)整電路輸入電壓范圍，固定增益運(yùn)放采用帶寬為160 MHz的高速電流反饋運(yùn)算放大器AD9618，使輸出全波信號(hào)可達(dá)到±1 V。由于ADC全波輸入信號(hào)范圍0～4 V，所以將全波信號(hào)基線從0 V調(diào)整到直流偏置2 V上，輸出信號(hào)滿足0～4 V。偏置調(diào)整電路運(yùn)放采用AD8062，其中電阻RD1和RD2組成分壓電路，把基線電壓抬高到1 V，CD3是級(jí)間耦合電容，CD4起到電源濾波的作用，AD8062增益為1+RD4/RD5=2，把從AD9618出來(lái)的1Vpp信號(hào)放大到0～4 V，直流偏置也放大到2 V上[4]。

圖7 固定增益及偏置調(diào)整電路

2.3 數(shù)據(jù)采集電路

2.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集電路主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)報(bào)警和控制超聲波發(fā)射接收電路等功能。系統(tǒng)所采集的超聲信號(hào)為2 MHz的全波信號(hào)，采用40 M的高速ADC芯片TLC5540與100M的高速C8051F360單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。文中單片機(jī)采用的是增強(qiáng)型51單片機(jī)C8051F360，采用流水結(jié)構(gòu)，提供100MPIS處理能力，與8051指令兼容，與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比，具有速度快、外圍接口多、成本低、調(diào)試方便和可靠性高的特點(diǎn)。主要實(shí)現(xiàn)3大功能：(1)回波信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理，包括數(shù)字濾波、信號(hào)提取等；(2)對(duì)前端電路的控制，包括A/D采集芯片控制、FIFO數(shù)據(jù)緩存控制、發(fā)射脈沖控制等；(3)根據(jù)回波信號(hào)的不同實(shí)時(shí)響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路原理框圖如圖8所示。通過(guò)單片機(jī)控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波，同時(shí)控制40M的ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)全波信號(hào)采集，F(xiàn)IFO緩存ADC數(shù)據(jù)，根據(jù)回波信號(hào)的強(qiáng)弱，修改D/A實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控可變?cè)鲆骐妷旱恼{(diào)整。

圖8 數(shù)據(jù)采集電路原理框圖

2.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片簡(jiǎn)介及電路設(shè)計(jì)

TLC5540是高速8位A/D轉(zhuǎn)換器，采用了一種改進(jìn)的半閃結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持低功耗。由于TLC5540具有高達(dá)75 MHz的模擬輸入帶寬以及內(nèi)置的采樣保持電路，因此非常適合在欠采樣的情況下應(yīng)用。另外，TLC5540內(nèi)部還配備有標(biāo)準(zhǔn)的分壓電阻，可以從+5V的電源獲得4 V滿刻度的參考電壓。如圖9所示，VD為0～4 V模擬全波信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)R3和C9組成的無(wú)源低通濾波器，截止頻率5 MHz左右，濾除全波信號(hào)中大于5MHz的高頻分量。外部基準(zhǔn)采用基準(zhǔn)電壓為4V的LM4040，價(jià)格便宜，基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性高，4 V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)AD8065電壓跟隨器接入到TLC5540的參考輸入端，因?yàn)門LC5540參考輸入端內(nèi)部電阻較小，為了增強(qiáng)基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力，加入了一級(jí)有AD8065組成的電壓跟隨器。

圖9 模數(shù)采集電路

3 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

用標(biāo)準(zhǔn)車架鋼板樣品和有隱藏焊縫的車架鋼板樣品進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)，并且在MATLAB中還原波形，選取2組不同的波形進(jìn)行比對(duì)[5]，波形如圖10和圖11所示。

圖10 始發(fā)波和回波

圖10實(shí)線標(biāo)記的波為始發(fā)波，虛線標(biāo)記的波為遇到有隱藏焊縫的回波。圖11是對(duì)始發(fā)波和回波算法處理。不同的車架薄鋼板超聲探頭的始發(fā)波數(shù)據(jù)不同，采用兩個(gè)按鍵觸發(fā)的目的是去除始發(fā)波的影響，對(duì)不同車架號(hào)碼區(qū)域都能滿足檢測(cè)出隱藏焊縫的要求。圖11中始發(fā)波和回波形成對(duì)比，單次觸發(fā)采集一次無(wú)焊縫始發(fā)波數(shù)據(jù)，共1024點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部數(shù)組變量buffer1[1024]中，作為去除始發(fā)波數(shù)據(jù)參考；連續(xù)觸發(fā)多次采集有焊縫回波數(shù)據(jù)(即圖11中回波的波形數(shù)據(jù))，每次采集1024點(diǎn)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部數(shù)組變量buffer2[1024]中，在單片機(jī)內(nèi)部將2次數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)作差，即

圖11 回波數(shù)據(jù)處理

buffer2中的每一點(diǎn)減去buffer1中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部數(shù)組變量buffer[1024]中，得到圖11中回波減始發(fā)波，然后將buffer中的1024點(diǎn)數(shù)據(jù)取絕對(duì)值后在賦值給變量buffer，得到圖11中回波減始發(fā)波求絕對(duì)值。實(shí)際采集時(shí)是從圖11中10 μs處開(kāi)始采集1024點(diǎn)波形數(shù)據(jù)，通過(guò)多次采集始發(fā)波和回波數(shù)據(jù)，確定報(bào)警系統(tǒng)的閾值設(shè)定范圍。表1為模數(shù)采集芯片TLC5540實(shí)際采集8次始發(fā)波和回波，經(jīng)過(guò)算法處理存儲(chǔ)到buffer數(shù)組中1024個(gè)電壓伏值量化數(shù)據(jù)累加和。

表1 1024點(diǎn)電壓伏值量化數(shù)據(jù)累加和

始發(fā)波回波始發(fā)波回波89660328326320732686364966826096223837620982860548286534

累加和數(shù)據(jù)大于系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的有隱藏焊縫閾值范圍，則響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，提示有焊縫缺陷的存在。由表1分析可知，始發(fā)波累加和范圍在800左右，回波累加和范圍在6 000左右，閾值可以設(shè)定范圍2 000～5 000中的任何一個(gè)值都可以，考慮到會(huì)有更為細(xì)小的隱藏焊縫存在，為了提高檢測(cè)分辨率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得閾值設(shè)為3 000比較合適，不會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)，還可以分辨出更為細(xì)小的隱藏焊縫。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)檢測(cè)車架號(hào)碼區(qū)域有無(wú)偽造痕跡的應(yīng)用背景，利用超聲無(wú)損檢測(cè)原理設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)的便攜式車架號(hào)碼區(qū)域隱藏焊縫超聲檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)。該方法在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試，都可以很好的達(dá)到檢測(cè)出車架號(hào)碼區(qū)域薄鋼板有無(wú)隱藏焊縫的要求，對(duì)交警部門和公安機(jī)關(guān)處理走私、盜竊車輛案件的偵查工作提供了重要參考價(jià)值。

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Design of Portable Hidden Weld Ultrasonic Testing System

YU Ji-gang,YANG Lu，ZHANG Yan-hua

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,College of Informationand Communication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China )

As there is no technology to test the frame number area hidden weld rapidly and accurately,a portable ultrasonic inspection system based on C8051F360 was designed by using techniques of ultrasonic nondestructive testing.By means of ultrasonic testing hidden weld to identify frame number area,the system had the advantages of small size,simple operation.By using high-frequency ultrasound full wave signal and digital processing system for real time processing of digital signal acquisition,the system detected the frame number area which was tampered according to the alarm system response.The method was proved in the laboratory,and achieved good results,it can quickly and efficiently identify counterfeit marks frame number area.

frame number area;C8051F360;ultrasonic testing;hidden weld;full wave signal acquisition;signal processing

2015-03-19 收修改稿日期：2015-08-04

TP216

A

1002-1841(2015)12-0085-03

于吉?jiǎng)?1988—),碩士研究生，主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)和信號(hào)處理方面的研究。E-mail：yujigang@163.com 楊錄(1968—)，副教授，主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)和信號(hào)處理方面的研究。E-mail：tyyanglu@126.com