淺談超聲波無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

麻國棟 屈 剛

海洋石油工程股份有限公司檢測公司

淺談超聲波無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

麻國棟 屈 剛

海洋石油工程股份有限公司檢測公司

本文主要介紹一種基于高速信號處理技術(shù)的超聲波無損檢測系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方案從系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、單元電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)等方面闡述和分析了設(shè)讓原理電路和軟件的結(jié)構(gòu)與功能等系統(tǒng)方案具有較高的技術(shù)含量和實(shí)用價(jià)值。

無損檢測；設(shè)計(jì)

無損探傷技術(shù)是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下對被檢驗(yàn)部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種測試手段。超聲波探傷就是利用超聲能透入金屬材料的深處并由一截面進(jìn)入另截面時(shí)在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法。當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波來在熒光屏上形成脈沖波形根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。

隨著超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展對數(shù)字信號的處理與分析已不再僅僅是輔助技術(shù)。而是一種基本技術(shù)由此出現(xiàn)了各種全數(shù)字化的超聲波檢測設(shè)備。但早期的數(shù)字化設(shè)備僅停留在超聲波檢測頻率較低頻段的信號處理上主要是受到高速A/D和高速存儲(chǔ)技術(shù)的限制山于計(jì)算機(jī)總線技術(shù)應(yīng)用的瓶頸也不能實(shí)時(shí)多通道傳送波形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)去處理聲源定位信號分析等實(shí)時(shí)顯示分析的功能只能由硬件輸出的參數(shù)完成。

而A/D轉(zhuǎn)換器和高效率微處理器的問世克服了在高頻領(lǐng)域應(yīng)用模擬電子技術(shù)受到的各種限制。數(shù)字化全波形超聲波探傷設(shè)備就是由計(jì)算機(jī)作為主機(jī)以單片機(jī)芯片為主構(gòu)成的專用板卡統(tǒng)一控制管理超聲系統(tǒng)。這種設(shè)備綜合應(yīng)用了高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、大容量緩沖技術(shù)、多通道切換技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)和數(shù)據(jù)管理軟件技術(shù)再困難。因此如何開發(fā)和研制更具先進(jìn)性、創(chuàng)新性、科學(xué)性和實(shí)用性的全數(shù)字式超聲波檢測設(shè)備和系統(tǒng)已成為一項(xiàng)緊迫性的任務(wù)。

一、總體設(shè)計(jì)

首先由高壓脈沖發(fā)生器發(fā)射高壓脈沖其經(jīng)能量轉(zhuǎn)換電路形成超聲波信號遇到缺陷或雜質(zhì)時(shí)產(chǎn)生反射波再經(jīng)能量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號最后經(jīng)放大電路放大、A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字量寫入高速數(shù)據(jù)緩存器中然后由PCI接口電路將緩存器中的數(shù)據(jù)適時(shí)地通過PCI總線送到本系統(tǒng)的微處理器進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)與外部計(jì)算機(jī)通信、顯示、打印存儲(chǔ)和控制等功能。

本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)換速率為60MHz的8位高速A/D轉(zhuǎn)換電路以滿足數(shù)據(jù)采集的要求。為對A/D芯片輸出的高速數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖并充分利用LCI總線帶寬采用了]2KB的高速數(shù)據(jù)緩存電路對于多通道檢測的要求設(shè)計(jì)了通道選擇控制電路以實(shí)現(xiàn)通道之間的切換采用高增益的高頻寬帶放大電路對缺陷回波信號進(jìn)行整理和放大。

二、單元電路設(shè)計(jì)

1放 大電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用帶觸發(fā)的直流逆變電路產(chǎn)生高壓脈沖采用多路模擬通道選擇電路實(shí)現(xiàn)通道切換以滿足多通道探傷的要求。模擬信號經(jīng)放大、濾波后作為A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入。放大電路采用增益為80dB帶寬為15MHz、分辨率為1dB的放大器并且以數(shù)字電位器進(jìn)行放大增益的動(dòng)態(tài)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)放大器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和頻帶范圍與尖峰回波脈沖信號的匹配。

2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路通常可分為積分型和比較型。積分型A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、精度高但速率較低因此高速A/D轉(zhuǎn)換器般采用比較型。本系統(tǒng)采用ADS830該芯片信噪比高、功耗低、非線性畸變小廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)字通信和視頻測試系統(tǒng)中。它有共模和差模兩種信號輸入方式輸出的數(shù)字量可直接與5V或3.3V芯片接口。超聲波無損檢測對象基本上為鋼體材料其在鋼中傳播時(shí)縱波CL的傳播速度為5900m/s橫波CS的傳播速度為3230m/s缺陷回波信號通常寬度約10100ns因此在鋼中的傳播速度很快。超聲波在工作中的傳播時(shí)間很短尤其對于薄壁材料檢測傳播距離更短因此為了得到足夠的分辨率要有足夠的檢測和采樣頻率才能滿足信號采集的要求。ADS830的精度為8位最高采樣頻率為60MHz可滿足一般無損檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集精度和采樣頻率的要求。

由于在PCI總線控制器S5933的緩存器中只有8個(gè)3H位寄存器對于實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)可能會(huì)由于延時(shí)造成數(shù)據(jù)的丟失因此需要進(jìn)行擴(kuò)展。本系統(tǒng)采用IDT公司的IDT72V36100作為高速數(shù)據(jù)的緩存。IDT72V36100可以提供65536×36bit的存儲(chǔ)單元并且具有配置靈活的特點(diǎn)可以通過設(shè)置確定輸入輸出的數(shù)據(jù)寬度對于寬度為8bit的輸入數(shù)據(jù)為了充分利用PCI總線的性能將輸出數(shù)據(jù)的寬度設(shè)為32bit此外IDT72V36100也提供了豐富的狀態(tài)信號可以利用它們作為控制信號。IDT72V36100需要在寫操作之前進(jìn)行主復(fù)位以設(shè)置一些初始狀態(tài)所以需要電復(fù)位。本設(shè)計(jì)選用上電復(fù)位芯片MAX814T在上電時(shí)對緩存電路進(jìn)行復(fù)位。緩存電路的初始設(shè)置主要為BM、OW、IW全為“低”使輸入輸出寬度為32位FWFT/SI為“低”表示標(biāo)準(zhǔn)IDT模式只要REN和WEN使能就可以讀寫數(shù)據(jù)OE為“低”表示允許輸出端輸出IP為“低”表示不加校驗(yàn)位PFM為“高”表示同步方式即在時(shí)鐘上升沿讀寫數(shù)據(jù)。高速數(shù)據(jù)緩存電路使A/D芯片可以不必工作在PCI同步時(shí)鐘下提高了A/D芯片的利用率和數(shù)據(jù)的吞吐率。高速數(shù)據(jù)緩存電路由十具有“先進(jìn)先出”的特性數(shù)據(jù)的讀寫都無須提供地址信號也簡化了電路的設(shè)計(jì)。

3數(shù) 據(jù)緩存器設(shè)計(jì)

4時(shí) 序邏輯控制器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用廠DMA傳輸?shù)哪Ｊ綖榇诵枰ㄟ^相應(yīng)的邏輯控制將擴(kuò)展的存儲(chǔ)空間結(jié)合為一個(gè)整體。由此采用一片XC9536的CPLD器件作為邏輯控制器。

5 PCI接口電路設(shè)計(jì)

總之，隨著超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展對數(shù)字信號的處理與分析已不再僅僅是輔助技術(shù)。因此如何開發(fā)和研制更具先進(jìn)性、創(chuàng)新性、科學(xué)性和實(shí)用性的全數(shù)字式超聲波檢測設(shè)備和系統(tǒng)已成為一項(xiàng)緊迫性的任務(wù)。