20通道超聲無損檢測總控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高　瑜，張艷花，楊　錄

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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20通道超聲無損檢測總控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高瑜，張艷花，楊錄

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要：本設(shè)備在04版5檢臺10通道藥筒超聲自動檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶要求和使用建議結(jié)合最新技術(shù)重新研制而成。20通道數(shù)字超聲總控系統(tǒng)基于USB2.0和FPGA技術(shù)，專用于藥筒超聲自動檢測系統(tǒng)。只需要一條USB數(shù)據(jù)線即可和工控機(jī)建立通信連接，所有參數(shù)控制均由上位機(jī)軟件界面設(shè)置，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。系統(tǒng)由中北大學(xué)和北京恒信陸峰科技發(fā)展有限公司聯(lián)合研制，可檢測最小當(dāng)量為0.05 mm深度的劃槽缺陷。利用該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快速地提取藥筒缺陷的特征參數(shù)，通過信號算法處理，實(shí)現(xiàn)缺陷的自動識別和藥筒分揀。

關(guān)鍵詞：無損檢測；藥筒；缺陷識別

無損檢測在現(xiàn)代化生產(chǎn)中具有重要的意義，它是利用物體表面跟內(nèi)部缺陷對超聲波傳播路徑的影響來實(shí)現(xiàn)對缺陷的識別，具有靈敏度高、使用方便、適用范圍廣、設(shè)備輕便、成本低及對人體和環(huán)境無影響等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地使用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域[1，2]。而超聲總控系統(tǒng)在超聲檢測中對于提高檢測的精度具有至關(guān)重要的作用[3]，本文針對這一問題在之前設(shè)計(jì)的10通道總控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需要并結(jié)合最新的技術(shù)對之前的系統(tǒng)進(jìn)行升級，設(shè)計(jì)了基于USB2.0和FPGA的20通道超聲總控系統(tǒng)，從而大大提高了檢測的效率跟準(zhǔn)確率，很好地滿足了藥筒構(gòu)件在線生產(chǎn)的需要。

120通道數(shù)字超聲總控系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

20通道數(shù)字超聲總控系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　20通道數(shù)字超聲總控系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

主要包括：20通道超聲處理板，精密線性穩(wěn)壓電源模塊，600 V高壓電源模塊，20通道系統(tǒng)轉(zhuǎn)接與控制主板，USB2.0通信、FPGA時序控制、高速AD采集系統(tǒng)，散熱風(fēng)扇及狀態(tài)指示燈。超聲處理板功能為超聲產(chǎn)生、接收，增益控制，閘門選擇，峰值特征提?。痪芫€性穩(wěn)壓電源模塊和600 V高壓電源模塊為超聲處理板提供工作電源。

20通道系統(tǒng)轉(zhuǎn)接與控制主板實(shí)現(xiàn)各通道電源接入、控制信號接入、通道切換、信號輸出。20通道系統(tǒng)轉(zhuǎn)接與控制主板接口布局如圖2所示。

圖2　20通道系統(tǒng)轉(zhuǎn)接與控制主板接口布局

系統(tǒng)采集板實(shí)現(xiàn)USB通信、控制時序產(chǎn)生、高速AD采集，接口布局如圖3所示。

圖3　接口布局

連接方法：從最下層開始依次將600 V高壓和電源指示燈接入，分別接入B1～B10超聲板及其對應(yīng)的探頭線和峰值狀態(tài)指示燈，分別接入A1～A10超聲板及其對應(yīng)的探頭線和峰值狀態(tài)指示燈，接入最上層的電源，接入采集板連接扁平電纜(注意對應(yīng)，內(nèi)外交叉)，接入采集板電源，接入采集板USB數(shù)據(jù)線(方口)并將其線纜從后面板凹口引出。檢查連接關(guān)系，上電檢查電源指示燈是否全亮，將超聲系統(tǒng)USB數(shù)據(jù)線和工控機(jī)相連，開啟工控機(jī)及超聲檢測軟件，用標(biāo)準(zhǔn)超聲探頭分別接入各通道，在檢測軟件環(huán)境下利用調(diào)試界面觀察各通道回波，修改通道參數(shù)(增益、閘門)觀察波形是否隨參數(shù)變化，全部正確，合上設(shè)備頂蓋，緊固螺絲，裝入機(jī)柜，連接超聲探頭，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)—樣件調(diào)試。

2超聲總控系統(tǒng)面板功能

如圖4所示：前面板上部為內(nèi)部超聲發(fā)射接收板電源狀態(tài)指示燈，下部為超聲探頭接入端口，右上部為內(nèi)部20通道超聲峰值指示燈，右下部為電源總控開關(guān)。連接方式為：接入探頭、連接USB數(shù)據(jù)線、連接電源線。開啟超聲總控系統(tǒng)電源，開啟工控機(jī)并啟動桌面超聲檢測軟件，此時上位機(jī)軟件設(shè)備欄中即可檢測到該設(shè)備，通過軟件界面中的控制設(shè)置可設(shè)定各通道探傷增益、閘門及工作模式；其中檢波模式可用于探頭檢查、通道狀態(tài)檢查、缺陷波形顯示和探傷參數(shù)的確定，峰保模式可用于連續(xù)監(jiān)測回波峰值分布狀態(tài)。

圖4　超聲總控系統(tǒng)前面板

3關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

探傷頻率：0.5 MHz～20 MHz。

通道數(shù)：相互獨(dú)立20通道。

重復(fù)頻率：≥2 kHz。

采樣頻率：20 MHz。

總衰減量：≥60 dB。

衰減器誤差：0.1 dB/2 dB。

動態(tài)范圍：≥30 dB。

分辨率：≥36 dB。

垂直線性誤差：≤3%。

水平線性誤差：≤0.1%。

4系統(tǒng)升級內(nèi)容

1) 檢臺數(shù)量擴(kuò)展為8檢臺，提升生產(chǎn)能力50%以上，30藥筒每小時960件，海37藥筒每小時750件。

2) 每個檢臺配置2組探頭從缺陷的兩個方向掃描檢測，極大地提高了缺陷的檢出能力。

3) 采用能量平均綜合算法在滿足實(shí)時檢測要求的前提下極大地提高了判傷準(zhǔn)確性。

4) 采用多傳感互鎖技術(shù)，提高了運(yùn)行定位精度和系統(tǒng)連續(xù)工作的可靠性。

5) 采用機(jī)械手下料分選技術(shù)，降低了噪音避免了檢測造傷，提升了設(shè)備使用壽命。

6) 采用框架結(jié)構(gòu)便于品種更換和設(shè)備維護(hù)。

7) 采用USB和FPGA技術(shù)，即插即用，便于安裝維護(hù)。

5常見問題及解決方法

在使用過程中發(fā)現(xiàn)缺陷波很低，而此時的增益參數(shù)已調(diào)到了45 dB以上，則定位故障原因?yàn)橄鄳?yīng)通道的模擬板有問題，如果改變增益參數(shù)波形高度能夠相應(yīng)變化，則可將該通道板拆下，更換發(fā)射電路中的帶散熱塊的8N80(最好選用金屬封裝，可用7N80代換)。如果改變增益參數(shù)波形高度不變，則有可能是系統(tǒng)轉(zhuǎn)接板上的增益控制芯片TLC5620或與之相連的光電隔離器HCPL0630發(fā)生故障，此時請更換備用轉(zhuǎn)接板并聯(lián)系廠家修理。

如果在調(diào)試界面中看不到波形，而且基線也不對，請重新啟動超聲系統(tǒng)和軟件，如果還看不到波形有可能是采集板故障，請更換備用采集板并聯(lián)系廠家修理。

6總結(jié)

通過多次試驗(yàn)測試，該系統(tǒng)的檢測速度：30藥筒3.8秒/件，海37藥筒小于5秒/件；標(biāo)準(zhǔn)傷樣件檢出率：100%；標(biāo)準(zhǔn)傷樣件漏檢率：0；誤判率：1.8%。能夠很好地達(dá)到在線生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李家偉，陳積懋.無損檢測手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004:155-221.

[2]劉貴民.無損檢測技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006:55-99.

[3]江山，霍立興，樊立國.表面及進(jìn)表面裂紋的爬波無損檢測[J].無損檢測，2005,29(3):7-11.

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：高瑜(1989- )，男，山西呂梁人，碩士，研究方向：無損檢測。

文章編號：1674- 4578(2016)02- 0013- 02

中圖分類號：TP274.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design of 20 Channel Ultrasonic Nondestructive Testing Central Control System

Gao Yu, Zhang Yanhua, Yang Lu

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:According to the user's requirements and recommendations for their use and combined with the latest technology, The equipment is redeveloped based on the 04 version, 5 inspection station and 10 channel cartridge ultrasonic automatic detection system. Based on the USB 2.0 and FPGA technology, this 20 channel digital ultrasonic control system is especially used for cartridge automatic ultrasonic testing system. Only an USB data line is required to establish a communication connection with the industrial computer, and all parameters are controlled by the upper computer software interface, which improves the stability and operability of the system. The minimal equivalent of detection is 0.05mm depth for slotting defects. With the using of system, it can accurately and quickly extract the characteristic parameters of the cartridge defects, realize the automatic defect recognition and cartridge sorting through signal algorithm processing.

Key words:nondestructive testing; cartridge; defect identification