超聲水浸探傷檢測(cè)閘門自動(dòng)跟蹤電路研究

武　剛,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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西　太原030051）

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超聲水浸探傷檢測(cè)閘門自動(dòng)跟蹤電路研究

武剛,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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)超聲探傷應(yīng)用中缺陷信號(hào)選通閘門通過硬件或程序預(yù)先設(shè)置，當(dāng)缺陷信號(hào)相對(duì)閘門位置發(fā)生變化而引起系統(tǒng)漏檢或誤判的問題，設(shè)計(jì)一種高可靠性的閘門自動(dòng)跟蹤電路。該電路具有自動(dòng)跟蹤水鋼界面波位置，實(shí)時(shí)調(diào)整選通閘門開啟位置選擇對(duì)應(yīng)缺陷波的功能。通過和常規(guī)閘門電路進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，該跟蹤電路性能穩(wěn)定、可靠，能夠自動(dòng)跟蹤超聲檢測(cè)的界面波并自動(dòng)調(diào)整閘門位置對(duì)缺陷波進(jìn)行探傷。經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)測(cè)試：該電路能有效將檢測(cè)系統(tǒng)中由于工件位置相對(duì)浮動(dòng)而產(chǎn)生的漏檢或誤判概率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，為精確判傷提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：超聲探傷；缺陷信號(hào)；自動(dòng)跟蹤；閘門電路

0 引　言

在超聲無損檢測(cè)中，選通閘門截取回波信號(hào)的質(zhì)量直接決定系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度，考慮超聲的衰減，通常選一次回波作為缺陷的判定。在水浸超聲薄壁檢測(cè)應(yīng)用中，界面波和缺陷波相距很近，若閘門和回波位置不合適，界面波會(huì)進(jìn)入閘門造成誤判。目前，信號(hào)選通閘門是由上位機(jī)直接控制[1-4]，在批量檢測(cè)過程中探傷閘門位置固定不變，但是在實(shí)際檢測(cè)過程中由于機(jī)械振動(dòng)、探頭夾具松動(dòng)、工件位置浮動(dòng)等非電子技術(shù)方面的原因，造成探頭與被檢工件位置相對(duì)變化，回波信號(hào)相對(duì)閘門位置整體產(chǎn)生偏移，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能進(jìn)行正常、正確的檢測(cè)。

針對(duì)上述問題，國外的一些無損檢測(cè)廠商如InnerSpec、RITEC公司提供高準(zhǔn)確度智能化的解決方案，但是系統(tǒng)成本高，體積大，難以適應(yīng)中低端場(chǎng)合。國內(nèi)廠商則沒有深入研究解決方案，仍然采用傳統(tǒng)的控制方式。本文詳細(xì)介紹一種低成本全自動(dòng)閘門信號(hào)跟蹤電路的設(shè)計(jì)，使其能夠在檢測(cè)過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤一次水鋼界面波，這樣，即使回波信號(hào)有細(xì)微移動(dòng)，閘門也能自動(dòng)跟蹤界面波，提高系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可信度。

1 超聲檢測(cè)原理

本文以多通道一次成型彈殼超聲探傷為背景，彈殼檢測(cè)裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。探頭和彈殼之間用水填充作為耦合劑，在檢測(cè)過程中被檢彈殼360°旋轉(zhuǎn)螺旋上升，兩個(gè)收發(fā)一體探頭對(duì)彈殼同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，理想情況探頭和彈殼之間的距離是確定的，各回波信號(hào)的位置也即確定，系統(tǒng)調(diào)校時(shí)由上位機(jī)調(diào)整探傷閘門位置，使其能夠從回波信號(hào)中截取出一次傷波信號(hào)，批量檢測(cè)過程中采集存儲(chǔ)彈殼螺旋上升閘門截取傷波數(shù)據(jù)，根據(jù)信號(hào)幅值大小及回波分布規(guī)律[5]對(duì)彈殼是否有傷做出準(zhǔn)確的判定。

圖1 彈殼檢測(cè)裝置示意圖

彈殼超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[6-8]框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由探頭、信號(hào)調(diào)理電路、采樣電路、增益控制電路、FPGA核心控制電路、USB通信電路等構(gòu)成。

圖3是上述超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作過程中的典型波形以及選通閘門位置示意圖[9-10]。傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)中，其位置在初期調(diào)校時(shí)由上位機(jī)控制硬件確定，在批量檢測(cè)過程中探傷閘門位置確定，不會(huì)發(fā)生變化，檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)被檢彈殼螺旋上升時(shí)有不可避免的甩動(dòng)，導(dǎo)致被檢工件發(fā)生位置浮動(dòng)，回波信號(hào)發(fā)生飄移使水鋼波進(jìn)入選通閘門，系統(tǒng)檢測(cè)正確率明顯下降，彈殼的漏檢率和誤檢率上升。

圖2 彈殼超聲檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖3 典型工作波形和探傷閘門示意圖

所要設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤電路就是用于圖3探傷閘門中，電路需具備跟蹤一次界面波，鎖定脈沖下降沿的功能，保證經(jīng)過閘門之后，得到有效的一次缺陷波，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的缺陷檢測(cè)。

2 探傷閘門自適應(yīng)跟蹤傷波原理

所謂閘門自適應(yīng)跟蹤，即閘門在系統(tǒng)檢測(cè)過程中隨一次水鋼界面波位置的變化而改變，它有效避免由于被檢工件位置浮動(dòng)導(dǎo)致水鋼波進(jìn)入閘門造成系統(tǒng)誤判。探傷閘門自適應(yīng)跟蹤傷波的實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示，由多級(jí)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。開始工作時(shí)D觸發(fā)器未被觸發(fā)輸出低電平，與門輸出為低電平，或門輸出由ACF信號(hào)直接控制；ACF信號(hào)上升沿到來時(shí)，D觸發(fā)器被觸發(fā)輸出反向，與門輸出由JB信號(hào)控制，ACF信號(hào)為低時(shí)或門輸出也由JB信號(hào)控制；JB信號(hào)上升沿到來時(shí)，D觸發(fā)器再次被觸發(fā)輸出信號(hào)由高變低，此后JB信號(hào)任意高低電平變化與門輸出都為低電平，D觸發(fā)器被鎖存不會(huì)再被觸發(fā)，D觸發(fā)器下降沿會(huì)觸發(fā)第一路單穩(wěn)態(tài)震蕩器產(chǎn)生一個(gè)具有一定脈寬的脈沖，該脈沖下降沿會(huì)繼續(xù)觸發(fā)第二路單穩(wěn)態(tài)震蕩器輸出一個(gè)合適寬度的探傷閘門。

圖4 探傷閘門自適應(yīng)跟蹤傷波原理

3 探傷閘門自適應(yīng)跟蹤傷波電路設(shè)計(jì)

探傷閘門自適應(yīng)跟蹤傷波的實(shí)質(zhì)是閘門隨一次水鋼界面波的移動(dòng)而移動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)被檢彈殼一次水鋼界面波與一次傷波之間有2 μs時(shí)間間隔，在彈殼旋轉(zhuǎn)過程中一次傷波在10μs時(shí)間間隔內(nèi)移動(dòng)，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)由上位機(jī)和一次水鋼界面波觸發(fā)的閘門電路，當(dāng)上位機(jī)控制硬件產(chǎn)生的MK1信號(hào)和一次水鋼界面波先后到來2μs后，產(chǎn)生一個(gè)脈寬為10μs的閘門選通信號(hào)。

3.1 信號(hào)初期調(diào)理整形

上位機(jī)控制FPGA產(chǎn)生的MK1信號(hào)其高電平為3.3 V，為了與自適應(yīng)門電路電平匹配，圖5用三極管整形電路對(duì)MK1信號(hào)進(jìn)行整形，當(dāng)MK1為高電平時(shí)，三極管Q1工作在飽和區(qū)呈導(dǎo)通狀態(tài)，R12端被拉低ACF輸出為低電平；當(dāng)MK1為低電平時(shí)三極管Q1工作在截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)R12被鉗制在高電平，ACF輸出為5 V高電平。

圖5 三極管電平整形模塊

由于水鋼波檢波信號(hào)上升和下降時(shí)間比較緩慢，為了避免探傷閘門誤觸發(fā)[8]，圖6采用高速比較器AD790對(duì)其進(jìn)行整形，其響應(yīng)延時(shí)為45ns，通過調(diào)節(jié)電阻R2和R6比例系數(shù)可以設(shè)定比較器的閾值，設(shè)定R2為4 kΩ、R6為1kΩ，則比較器的閾值為1 V。當(dāng)檢波信號(hào)幅值大于1 V時(shí)，比較器輸出為高電平，當(dāng)檢波信號(hào)幅值小于1 V時(shí)，比較器輸出為低電平。

圖6 檢波信號(hào)整形模塊

3.2 具有復(fù)位和鎖存功能的D觸發(fā)電路

自動(dòng)跟蹤功能主要是由D觸發(fā)器和二極管構(gòu)成的與或鎖存觸發(fā)單元實(shí)現(xiàn)，如圖7所示，電路引入負(fù)反饋，工作穩(wěn)定可靠。

圖7 與或鎖存觸發(fā)單元

圖8 探傷閘門信號(hào)生成電路

圖中二極管D2、D3和電阻R7組合實(shí)現(xiàn)與門功能，二極管D4、D5和電阻R14組合實(shí)現(xiàn)或門功能。初始工作時(shí)，假設(shè)D觸發(fā)器Q端輸出為低電平，二極管D2導(dǎo)通，二極管D3、D4、D5截止，當(dāng)ACF信號(hào)為高時(shí)，二極管D5導(dǎo)通，D觸發(fā)器被觸發(fā)，Q端輸出高電平，二極管D2截止；ACF信號(hào)為低電平時(shí)，二極管D5截止，整形的檢波信號(hào)JB為高電平時(shí)，二極管D3截止，D觸發(fā)器會(huì)再次被觸發(fā)，Q端輸出反向變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)D觸發(fā)器被鎖存不會(huì)再被觸發(fā)，直到下一個(gè)周期重復(fù)上述過程。整個(gè)電路通過D觸發(fā)器的輸出作為負(fù)反饋引入到輸入端，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)跟蹤功能。

3.3 探傷閘門產(chǎn)生電路

自動(dòng)跟蹤電路是跟蹤界面波的位置調(diào)整探傷閘門信號(hào)的位置，閘門信號(hào)通過圖8所示的單穩(wěn)態(tài)電路生成。為了防止脈沖重復(fù)觸發(fā)或者誤觸發(fā)，電路在設(shè)計(jì)上采用兩級(jí)單穩(wěn)態(tài)電路[10]級(jí)聯(lián)，充分消除毛刺引起的誤觸發(fā)。

SN74LSC221N是一款雙路不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器芯片，該芯片同時(shí)支持電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)兩種工作方式，本電路利用其下降沿觸發(fā)功能產(chǎn)生一個(gè)具有一定寬度的脈沖作為閘門信號(hào)，輸出脈寬計(jì)算公式如下：

其中，CEXT為外部時(shí)間電容，REXT為外部時(shí)間電阻。

選擇R8為2.7kΩ、R9為15kΩ、C6和C7都為1000pF，由公式可知，第1級(jí)震蕩器產(chǎn)生寬度為2μs的脈沖，第2級(jí)震蕩器產(chǎn)生寬度為10μs的脈沖，當(dāng)D觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖MK2下降沿到來觸發(fā)第1級(jí)震蕩器產(chǎn)生寬度為2μs的脈沖，此脈沖的下降沿繼續(xù)觸發(fā)第2級(jí)震蕩器產(chǎn)生10μs的脈沖，由此可知第2級(jí)震蕩器反向輸出端產(chǎn)生一個(gè)10μs寬的探傷閘門。

3.4 探傷閘門自適應(yīng)跟蹤傷波時(shí)序邏輯圖

為了檢驗(yàn)前面所述電路的邏輯功能，在Modelsim軟件中對(duì)電路進(jìn)行邏輯功能仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 時(shí)序邏輯圖

首先，電路在CLR為低電平時(shí)復(fù)位D觸發(fā)器，輸出信號(hào)置為低電平，上位機(jī)控制產(chǎn)生的MK1信號(hào)經(jīng)三極管整形電路轉(zhuǎn)變?yōu)锳CF信號(hào)，ACF信號(hào)通過或門產(chǎn)生上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，D觸發(fā)器輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑c門一個(gè)輸入信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過整形的檢波信號(hào)JB上升沿再次觸發(fā)D觸發(fā)器，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，之后無論JB信號(hào)怎么變化，與門輸出都為低電平，D觸發(fā)器被鎖存不會(huì)再被觸發(fā)，直到下一次MK1信號(hào)到來為止。D觸發(fā)器產(chǎn)生的MK2信號(hào)下降沿觸發(fā)74HC221第1級(jí)震蕩器產(chǎn)生寬度為2 μs的脈沖，此脈沖的下降沿會(huì)繼續(xù)觸發(fā)第2級(jí)震蕩器產(chǎn)生寬度為10 μs的脈沖，第2級(jí)震蕩器反向輸出端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以第1次水鋼波為基準(zhǔn)2μs后門寬為10μs的探傷閘門。閘門直接由水鋼波控制，保證實(shí)時(shí)跟蹤傷波位置，消除系統(tǒng)由于選通閘門位置與傷波不匹配而產(chǎn)生的漏檢或誤判，提高了系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別在檢測(cè)系統(tǒng)中使用由上位機(jī)控制的普通常規(guī)閘門和自適應(yīng)探傷閘門，對(duì)深為0.05mm長為10mm的彈殼標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)。

開始時(shí)兩種閘門系統(tǒng)對(duì)樣件檢測(cè)效果很好，當(dāng)檢測(cè)一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)閘門檢測(cè)系統(tǒng)采集到的門選信號(hào)中既有一次傷波又有水鋼波[11]，系統(tǒng)的誤檢率很高；而使用自適應(yīng)探傷閘門的系統(tǒng)采集到的信號(hào)中只有傷波，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，兩者工作過程中通過閘門分選出的缺陷波波形分別如圖10～圖12所示。

從圖10可以看出傷波信號(hào)混在草狀波當(dāng)中，這是由于常規(guī)閘門截取信號(hào)中混有幅值比較高的水鋼波造成的；而圖11中傷波信號(hào)疊加到滾輪上，主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)門截取信號(hào)中有幅值較低的水鋼波；從圖12中可以看出傷波信號(hào)非常明顯，信號(hào)的信噪比很高。用兩種探傷門系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有傷樣件、合格樣件進(jìn)行批量測(cè)試，結(jié)果對(duì)比列于表1中。

圖10 常規(guī)閘門檢出的草狀傷波

圖11 常規(guī)閘門檢出的滾輪傷波

圖12 自適應(yīng)閘門檢出的傷波

表1 兩種門檢測(cè)效果對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)伺服跟蹤傷波閘門在系統(tǒng)中的應(yīng)用要優(yōu)于常規(guī)閘門，常規(guī)閘門在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)由上位機(jī)直接控制產(chǎn)生，在系統(tǒng)檢測(cè)中被檢工件螺旋上升會(huì)產(chǎn)生不可避免的甩動(dòng)，導(dǎo)致工件位置浮動(dòng)，回波信號(hào)發(fā)生微小偏移，由于水鋼波的影響，系統(tǒng)檢測(cè)誤檢率高。而自適應(yīng)閘門在系統(tǒng)檢測(cè)過程中隨一次水鋼界面波位置的變化而改變，有效避免水鋼波在檢測(cè)過程中的干擾，尤其在批量檢測(cè)的過程中，即使探頭到被檢彈殼的位置發(fā)生微小變化，也能夠自適應(yīng)調(diào)整閘門位置，防止水鋼波進(jìn)入閘門影響檢測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹超聲探傷中閘門自動(dòng)跟蹤電路的分析與設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)常規(guī)電路相比，它能夠自適應(yīng)跟蹤傷波位置，不會(huì)因探頭與彈殼位置微小變化而截取到水鋼波，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，與傳統(tǒng)上位機(jī)直接控制閘門截取回波信號(hào)相比，系統(tǒng)的誤檢率、漏檢率明顯減小。相比國外的技術(shù)方案，本電路具有成本低、體積小、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)勢(shì)，為中低端以及小型測(cè)試場(chǎng)合提供可靠廉價(jià)的解決方案。

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（編輯：李剛）

The design of water ultrasonic flaw detection gate automatic tracking

WU Gang，YANG Lu，ZHANG Yanhua
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，College of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:In the applications of conventional ultrasonic flaw detection，fault signal strobe gates are set via hardware or program beforehand. But this makes the system fail to examine flaws or misjudge it when the fault signal changes relative to the gate position. A highly reliable automatic gate tracking circuit was designed accordingly. The circuit has the function of automatically tracking water and steel wave interface positions and adjusting the open positions of strobe gates in real time to select corresponding flaw wave. The comparison test with conventional gate circuits reveals that this circuit is more stable and more reliable and can be used to automatically track the interface wave of ultrasonic testing and automatically regulate the gate position to detect flaw wave. As indicated in practical test，this circuit can reduce a magnitude order of missing probability or error probability in detection system caused by relative floating of workpiece positions，thus providing a guarantee for accurate flaw detection.

Keywords:ultrasonic testing；defect signal；automatic tracking；gate circuit

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）04-0081-05

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.04.017

收稿日期：2015-09-21；收到修改稿日期：2015-11-17

作者簡(jiǎn)介：武剛（1987-），男，山西忻州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槌暉o損檢測(cè)及其信號(hào)與信息處理。