超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的研制

薛 峰 丁 杰

(1.上海材料研究所, 上海 200437;2.上海市工程材料應(yīng)用與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置主要用于對手持式超聲檢測儀或在線多通道超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量檢定，以確保超聲檢測系統(tǒng)性能符合相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程的規(guī)定，能夠有效開展檢測工作。對于超聲檢測儀的檢定，國內(nèi)主要依據(jù)的檢定規(guī)程為JJG 746-2004 《超聲探傷儀檢定規(guī)程》，同時(shí)還可依據(jù)GB/T 27664.1-2011 《無損檢測 超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗(yàn) 第1部分：儀器》和GB/T 28880-2012 《無損檢測 不用電子測量儀器對脈沖反射式超聲檢測系統(tǒng)性能特性的評定》等對超聲儀器性能進(jìn)行校驗(yàn)和評定。常用的校準(zhǔn)儀器為ZJ-2A型[1]和DF8010型超聲探傷儀校準(zhǔn)裝置。國外主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為EN 12668-1:2010Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicExaminationEquipmentPart1:Instruments和ASTM E317-2016StandardPracticeforEvaluatingPerformanceCharacterisiticsofUltrasonicPulse-EchoTestingInstrumentsandSystemswithouttheUseofElectronicMeasurementInstruments，使用儀器主要為示波器、脈沖信號發(fā)生器和衰減器或其組合設(shè)備等。國內(nèi)現(xiàn)有超聲儀器校準(zhǔn)裝置由于體積較大，主要適用于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境；同時(shí)裝置內(nèi)部元器件多采用傳統(tǒng)物理連接方式，在需進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)的運(yùn)輸過程中，易出現(xiàn)導(dǎo)線松動失效導(dǎo)致校準(zhǔn)出現(xiàn)偏差甚至無法校準(zhǔn)的情形；此外，新型高性能水浸超聲系統(tǒng)頻率范圍為20 MHz30 MHz[2]；而現(xiàn)有校準(zhǔn)裝置頻率范圍多為0.5 MHz15 MHz[3-4]，已無法滿足新設(shè)備校準(zhǔn)的要求。筆者采用現(xiàn)場可編程門電路(FPGA)，利用DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)形成正弦信號發(fā)生器，并通過集成數(shù)字衰減器，研制出了頻率范圍更廣、頻率精度更高、體積更小、質(zhì)量更輕、集成度更高的超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置。

1 方法論述

1.1 基本原理

超聲檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)是指基于校準(zhǔn)規(guī)程或性能測試標(biāo)準(zhǔn)提供的方法，綜合評定反映被校設(shè)備電性能和聲學(xué)性能等參數(shù)的示值誤差，以確保被校設(shè)備量值符合相關(guān)要求的操作過程。校準(zhǔn)裝置將來自于超聲波檢測系統(tǒng)的高壓負(fù)脈沖轉(zhuǎn)換為TTL電平的內(nèi)部觸發(fā)脈沖后，根據(jù)接收到的外部輸入指令調(diào)節(jié)信號的幅值、延時(shí)、數(shù)量等，經(jīng)基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成電路生成猝發(fā)正弦波脈沖串，即標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)信號，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)衰減器，對超聲檢測系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 系統(tǒng)組成

如圖1所示，超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置主要由電源管理模塊、面板控制模塊、脈沖調(diào)制高頻猝發(fā)信號發(fā)生模塊、標(biāo)準(zhǔn)衰減器模塊、輸入/輸出保護(hù)模塊、顯示和通訊模塊等組成。

裝置中的電源管理模塊包含AC220V電源轉(zhuǎn)換模塊、鋰電池模塊和5 V電源管理模塊，主要功能是電壓轉(zhuǎn)換及電源/電池供電模式轉(zhuǎn)換。面板控制模塊包含按鍵/旋鈕開關(guān)，集成頻率、增益和延時(shí)旋鈕等，采用旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)；按鈕則采用4X4矩陣按鍵,用于輸入需要的控制指令。脈沖調(diào)制高頻猝發(fā)信號發(fā)生模塊采用可編程邏輯控制器FPGA，利用DDS技術(shù)形成校準(zhǔn)所需要的一定頻率范圍內(nèi)的猝發(fā)正弦波脈沖信號。標(biāo)準(zhǔn)衰減器模塊包括數(shù)字衰減電路和20 dB衰減模塊，用于調(diào)節(jié)信號幅值，標(biāo)準(zhǔn)衰減器包含檔位10,1,0.1 dB，總衰減量為100 dB，衰減精度為0.1 dB。輸入/輸出保護(hù)模塊包括連接被檢儀器和FPGA的觸發(fā)通道、高壓脈沖轉(zhuǎn)換電路以及輸出通道和反向電壓保護(hù)電路，高壓脈沖轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將50400 V脈沖電壓轉(zhuǎn)換成35 V正脈沖，反向高壓保護(hù)電路是為防止誤將高壓脈沖接入到設(shè)備輸出端而造成設(shè)備損壞而設(shè)置的。在顯示方面利用STM32F103微處理器控制2.4 in.(1 in.=25.4 mm)的液晶顯示器，利用串口和FPGA主處理器通訊，可以同時(shí)顯示輸出信號頻率、猝發(fā)數(shù)量、延時(shí)時(shí)間、幅度等參數(shù)值。

圖1 超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置硬件框圖

1.3 猝發(fā)正弦脈沖信號的產(chǎn)生

超聲檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)是指由被校設(shè)備產(chǎn)生觸發(fā)脈沖輸入到校準(zhǔn)裝置中，校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生猝發(fā)信號后再輸入到被校裝置中，利用猝發(fā)信號對設(shè)備進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。因此，猝發(fā)正弦脈沖信號的產(chǎn)生是校準(zhǔn)裝置輸出的關(guān)鍵部分。如圖2所示，超聲波檢測系統(tǒng)發(fā)出50400 V的高壓負(fù)脈沖，通過脈沖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成5 V的觸發(fā)脈沖輸送給FPGA主處理器，主處理器根據(jù)用戶設(shè)定的頻率、幅度、延遲、猝發(fā)脈沖數(shù)量等參數(shù)，利用DDS技術(shù)生成數(shù)字波形信號，并緩存在W25Q16DV串行數(shù)據(jù)存儲器上，經(jīng)過12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MCP4822轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)高速線性放大器AD8009放大后輸出。DDS是一種把一系列數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號的數(shù)字頻率合成技術(shù)[5]，其本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字分頻器的功能。DDS技術(shù)可以產(chǎn)生任意波形信號，超聲校準(zhǔn)裝置只需產(chǎn)生猝發(fā)正弦波信號。DDS的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要由相位累加器、波形存儲器、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等組成，相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器構(gòu)成[6]。在時(shí)鐘源參考頻率驅(qū)動下，累加器每次累加一個(gè)頻率控制字，調(diào)節(jié)頻率控制字的數(shù)值，可以改變累加器的累加速度，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)從ROM(只讀存儲器)查找表中讀取波形數(shù)據(jù)的速度。相位控制字可以用來調(diào)節(jié)初始相位，即ROM地址自加的初始值。DDS的輸出頻率fout是系統(tǒng)工作頻率fclk、相位累加器比特?cái)?shù)N以及頻率控制字K三者的函數(shù)，如式(1)所示[7]。

(1)

DDS的頻率分辨率，即頻率變化間隔，可用式(2)表示[7]。

Δ=fclk/2N

(2)

根據(jù)式(1)，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率和相位累加器比特?cái)?shù)確定后，頻率控制字越大，DDS輸出頻率就越高。但根據(jù)奈奎斯特采樣定理，輸出頻率不能高于工作頻率的一半[8]；同時(shí)受到輸出濾波器的影響，最終的輸出頻率約為工作頻率的30%40%。實(shí)際設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)最高工作頻率為200 MHz，最高輸出頻率達(dá)60 MHz，可以滿足對高頻系統(tǒng)校準(zhǔn)的要求。同時(shí)根據(jù)式(2)，通過選擇不同的累加器比特?cái)?shù)和系統(tǒng)工作頻率可以控制系統(tǒng)能夠達(dá)到的頻率精度。

圖2 猝發(fā)正弦脈沖信號發(fā)生框圖

圖3 DDS基本結(jié)構(gòu)框圖

1.4 校準(zhǔn)裝置主要特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

1.4.1 主要特點(diǎn)

研制的SRIMNDT GX-1型超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置主要特點(diǎn)如下所述。

(1) 采用集成化設(shè)計(jì)，所有電子元器件均集成到高速電路板上，表面貼裝工藝大大提高了設(shè)備的抗干擾能力和使用壽命;小型化設(shè)計(jì)也提高了裝置的便攜性，以及長途運(yùn)輸后的設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性，從而保證了校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠。

(2) 基于優(yōu)越的FPGA性能和先進(jìn)的DDS技術(shù)，提高了校準(zhǔn)裝置可校準(zhǔn)的頻率范圍，以及頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。

(3) 豐富的用戶界面(UI)設(shè)計(jì)使操作更簡便、更智能，如當(dāng)前設(shè)置的參數(shù)可以自動保存，在重新開始校準(zhǔn)同類設(shè)備時(shí)無須再次調(diào)節(jié)參數(shù)等。

1.4.2 技術(shù)指標(biāo)

圖4 ZJ-2A型校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖片

表1給出了SRIMNDT GX-1型校準(zhǔn)裝置的主要性能指標(biāo)，同時(shí)與國內(nèi)主要的ZJ-2A、DF8010型超聲儀器校準(zhǔn)和檢定裝置的性能參數(shù)進(jìn)行了比較，各校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖片如圖46所示。由表1可見，SRIMNDT GX-1型超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置在頻率范圍、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度以及操作便攜性等方面均優(yōu)于國內(nèi)同類設(shè)備。

表1 國內(nèi)同類超聲儀器校準(zhǔn)裝置的性能參數(shù)

圖5 DF8010型校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖片

圖6 SRIMNDT GX-1型校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖片

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 校準(zhǔn)裝置可以校準(zhǔn)的參數(shù)

表2給出了所研制的校準(zhǔn)裝置基于JJG-746-2004和EN 12668-1:2010能夠校準(zhǔn)的參數(shù)，可見其能滿足超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 校準(zhǔn)裝置可以校準(zhǔn)的參數(shù)

2.2 校準(zhǔn)結(jié)果的比較

同時(shí)采用ZJ-2A型和SRIMNDT GX-1型超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，基于EN 12668-1:2010，對某型雙通道超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)。由于垂直顯示線性是較為有代表性的校準(zhǔn)參數(shù)，故以該參數(shù)為例進(jìn)行對比，校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示(表中的%表示全屏幅度的百分比)。

表3 垂直顯示線性校準(zhǔn)結(jié)果

由表3可知，SRIMNDT GX-1型校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并與國內(nèi)同類設(shè)備的校準(zhǔn)水平相當(dāng)。

2.3 不確定度評定

鑒于垂直線性誤差引入的不確定度分量基本涵蓋了超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)，所以以其為例進(jìn)行誤差分析，以檢驗(yàn)校準(zhǔn)裝置是否符合相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)程的要求。

垂直線性誤差不確定度分量如表4所示(表中ci為第i個(gè)不確定度分量的靈敏參數(shù)，ui為第i個(gè)不確定度分量)。

表4 垂直線性誤差不確定分量

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定如式(3)所示。

(3)

取包含因子K=2，垂直線性誤差校準(zhǔn)結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度如式(4)所示。

Urel=K×u(Δc)=2×0.4%=0.8%

(4)

垂直線性誤差擴(kuò)展不確定度報(bào)告為：

Urel=0.8%，K=2

(5)

根據(jù)JJG 746-2004標(biāo)準(zhǔn)，超聲檢測系統(tǒng)垂直線性誤差不大于6%，Urel應(yīng)小于要求的三分之一，故該校準(zhǔn)裝置滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

結(jié)合大型工業(yè)生產(chǎn)在線超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)研制了SRIMNDT GX-1新型超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置。經(jīng)與國內(nèi)現(xiàn)有同類校準(zhǔn)裝置的性能比較及校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析，該校準(zhǔn)裝置基于優(yōu)越的FPGA性能和先進(jìn)的DDS技術(shù)，將可校準(zhǔn)的頻率范圍提高至60 MHz，頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度也比現(xiàn)有裝置提升12個(gè)量級。高度集成設(shè)計(jì)使得所研制的校準(zhǔn)裝置體積更小、質(zhì)量更輕、便攜性更好，基本解決了現(xiàn)有超聲探傷儀校準(zhǔn)裝置頻帶窄、體積大、現(xiàn)場校準(zhǔn)不便等問題。該裝置在技術(shù)上完全滿足JJG 746-2004和EN 12668-1:2010等國內(nèi)外相關(guān)超聲探傷儀計(jì)量檢定規(guī)程、超聲檢測系統(tǒng)性能驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)參數(shù)的檢定和校準(zhǔn)要求，更適用于工業(yè)現(xiàn)場超聲檢測系統(tǒng)的在線校準(zhǔn)，為大型在線超聲檢測系統(tǒng)正?？煽康墓ぷ魈峁┝吮Ｕ稀?/p>