一種數(shù)字式超聲無損檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宮曉琴 邢榮峰

1.太原理工大學(xué)輕紡工程與美術(shù)學(xué)院 030600 2.太原航空儀表有限公司 030006

在無損檢測(cè)技術(shù)中超聲檢測(cè)使用最為廣泛，它是使用頻率最高的一種。在所有工業(yè)企業(yè)中都應(yīng)用了該技術(shù)，比如說機(jī)械制造企業(yè)、鐵路運(yùn)輸企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、電子工業(yè)等。這些工業(yè)企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品基本上都跟我們生活有著緊密聯(lián)系，對(duì)其產(chǎn)品的質(zhì)量要求就更加嚴(yán)格。在實(shí)際生活中應(yīng)用有著細(xì)微缺陷的產(chǎn)品，將會(huì)導(dǎo)致不良的后果，而且不良的后果也許會(huì)被放大無限倍，最終有可能產(chǎn)生巨大的損失。傳統(tǒng)的模擬檢測(cè)裝置技術(shù)指標(biāo)低、體積龐大，而且在數(shù)據(jù)處理功能和存儲(chǔ)等功能上也有比較大的欠缺，舊式的超聲檢測(cè)裝置就采用這種傳統(tǒng)的模擬檢測(cè)裝置。但是，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的大力發(fā)展，超聲檢測(cè)裝置也得到了快速發(fā)展。綜合我們國(guó)家超聲檢測(cè)裝置的發(fā)展趨勢(shì)，我們認(rèn)為：只有加快發(fā)展數(shù)字式超聲檢測(cè)裝置才能趕超國(guó)外的發(fā)展水平。

1 A型脈沖反射式超聲波探傷儀的基本原理

目前使用最廣泛的探傷儀器是A型脈沖反射式超聲波探傷儀，它把持續(xù)時(shí)間較短的超聲波脈沖放射到需要被檢測(cè)的產(chǎn)品中，我們利用被檢測(cè)產(chǎn)品底面所發(fā)射的回波信號(hào)來判定其所在的位置和大小。

當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，如果超聲波碰到另一種不同阻抗的介質(zhì)，那么在這兩種介質(zhì)中會(huì)發(fā)生反射或者折射現(xiàn)象。在被檢測(cè)產(chǎn)品中傳播由超聲波探頭所發(fā)射出的超聲波脈沖，超聲波脈沖會(huì)碰到兩類接觸面，第一類是產(chǎn)品與產(chǎn)品底間的接觸面，第二類是產(chǎn)品與產(chǎn)品中缺陷的接觸面，這兩類接觸面都能夠反射超聲波信號(hào)。當(dāng)產(chǎn)品沒有缺陷時(shí)，也就只有產(chǎn)品底面能反射波，而回波信號(hào)只有兩種：底波信號(hào)和發(fā)射波信號(hào)；當(dāng)產(chǎn)品中有缺陷時(shí)，回波信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)缺陷波。我們根據(jù)回波信號(hào)就能夠判定產(chǎn)品是否有缺陷以及缺陷的具體大小和位置。

對(duì)于缺陷的定位，A型脈沖反射式超聲波探傷儀更加精確，根據(jù)缺陷回波在顯示屏上顯示的時(shí)間，我們就能得知缺陷的聲程。如果在產(chǎn)品中超聲波的速度是C，超聲波的回波時(shí)間是T，那么缺陷的聲程是h=。

使用超聲波探頭所發(fā)射出的超聲波傳到被檢測(cè)產(chǎn)品，然后根據(jù)所接收到的反向波來檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部所存在的缺陷的方法，我們稱之為脈沖反射法。它是根據(jù)儀器顯波屏上所顯示出來的波形來判斷的，是反射法中的基本方法。波信號(hào)射到被檢測(cè)產(chǎn)品中后，假如產(chǎn)品中沒有缺陷，波在底部反射出來，當(dāng)?shù)撞抗饣⑶矣峙c檢測(cè)面平行的時(shí)候，回波當(dāng)中只有兩個(gè)信號(hào)波：發(fā)射波T和底波B，圖1（a）所示。如果檢測(cè)產(chǎn)品中有缺陷，那么回波中會(huì)存在回波F(代表缺陷的波)，如圖 1（b）所示。

圖1 脈沖反射檢測(cè)法

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片選擇

本論文所采用的數(shù)字式超聲波探傷儀的核心設(shè)計(jì)是DSP和CPLD，它們分別是由TI公司生產(chǎn)的TMS320C6000T系列C6713和XILINX公司生產(chǎn)的XC95288XL。

DSP 芯片（Digital Signal Processor），也稱數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種用數(shù)字信號(hào)處理的微型處理器。數(shù)字信號(hào)處理器有著巨大的信息處理能力、奇特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和極快的速度，因此我們系統(tǒng)的核心選用DSP。TMS320C6713是TI公司所生產(chǎn)，它是32位高速浮點(diǎn)型DSP，處理器的工作主頻最高可以達(dá)300MHz，處理器速度可以達(dá)2400MIPS。C6713的Cache結(jié)構(gòu)采用了2級(jí)，片上的存儲(chǔ)器共擁有264K×8位，其中L1P Cache有4K×8位、L1D Cache有4K×8位和L2 RAM/Cache有256K×8位。

CPLD（Complex Programmable Logic Device），也稱復(fù)雜可編程邏輯器件，它是由PAL器件和GAL器件發(fā)展過來的。相對(duì)來說，CPLD的規(guī)模更加龐大，結(jié)構(gòu)也更加繁雜，其范圍歸屬于大規(guī)模集成電路。它是一種數(shù)字集成電路，但可以讓用戶依據(jù)自己的需求來自構(gòu)邏輯功能。由可編程I/O單元陣列、可編程邏輯門陣列和布線資源等構(gòu)成的CPLD有著靈活的結(jié)構(gòu)，用戶可以在I/O單元、邏輯單元、可編程內(nèi)部連線上來編程，同時(shí)，CPLD能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)配置以及任何邏輯功能，非常適合用在高復(fù)雜性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。XILINX公司生產(chǎn)的XC95288XL具有高性能的CPLD，工作頻率最高可達(dá)208MHz,該設(shè)計(jì)采用了208個(gè)引腳PQFP封裝和用戶可編程的168個(gè)I/O引腳。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超聲波發(fā)射電路用于發(fā)射超聲波信號(hào)。超聲波探頭在收到脈沖激勵(lì)信號(hào)以后，其內(nèi)的晶體立刻產(chǎn)生逆壓電反應(yīng)，所生成的超聲波信號(hào)發(fā)射到被檢測(cè)產(chǎn)品中。超聲波接收電路用于接收超聲波反射回來的信號(hào)，并且能夠?yàn)V波和放大。超聲波信號(hào)在被檢測(cè)產(chǎn)品中如果碰到底面或缺陷便會(huì)反射，反射回來的波信號(hào)能夠讓超聲波探頭里的晶體產(chǎn)生正壓電反應(yīng)，因而能夠收到超聲回波信號(hào)。一般來說，超聲回波信號(hào)是很弱的信號(hào)，并且夾帶著許多的噪聲。超聲波接收電路里的濾波電路和程控增益放大器可以對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大或者濾波。

A/D轉(zhuǎn)換電路：將濾波或者放大后的模擬超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，方便DSP處理和分析。

D/A轉(zhuǎn)換電路：通過程控增益放大器來控制電壓，以方便改變超聲回波信號(hào)的倍數(shù)。

FIFO電路：FIFO是DSP與A/D轉(zhuǎn)換器兩者間的緩沖器，A/D采樣后的信號(hào)先放入FIFO，再讓DSP讀取并且處理。

存儲(chǔ)器模塊由兩部分組成：1、SDRAM存儲(chǔ)器。2、FLASH存儲(chǔ)器，在DSP過程中，SDRAM存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)；而FLASH存儲(chǔ)器則存儲(chǔ)DSP自啟程序和停電后要存儲(chǔ)下來的數(shù)據(jù)。如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

超聲波探傷系統(tǒng)是擁有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等特點(diǎn)的典型系統(tǒng)，我們依據(jù)超聲波探傷系統(tǒng)的基本功能和基本工作原理，設(shè)計(jì)出了該系統(tǒng)整體的軟件流程圖。如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程圖

根據(jù)上述的流程圖，我們將系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分成五個(gè)部分：

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包括DSP上電后自啟動(dòng)和DSP外部寄存器配置兩個(gè)方面。

3.2 超聲回波數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)

超聲回波數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)主要是DSP激勵(lì)超聲波探頭發(fā)射出超聲波脈沖，并且能夠同步采樣和存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)等。

3.3 超聲波數(shù)據(jù)處理的軟件設(shè)計(jì)

超聲波數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)包括探傷儀器基本功能的實(shí)現(xiàn)、回波數(shù)據(jù)的處理顯示和人機(jī)界面的制作等。

3.4 顯示數(shù)據(jù)發(fā)送的軟件設(shè)計(jì)

顯示數(shù)據(jù)發(fā)送的軟件設(shè)計(jì)包括CPLD接收數(shù)據(jù)和匹配LCD讀取時(shí)序的軟件設(shè)計(jì)以及DSP向CPLD傳輸數(shù)據(jù)的軟件設(shè)計(jì)。

3.5 鍵盤數(shù)據(jù)讀取的軟件設(shè)計(jì)

鍵盤數(shù)據(jù)讀取的軟件設(shè)計(jì)主要包括I/O讀取健值和CPLD鍵盤掃描程序。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)后，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的功能進(jìn)行一一調(diào)試，調(diào)試的內(nèi)容主要有：超聲波發(fā)射和接收、A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換電路、FIFO電路、DSP和CPLD兩者間顯示數(shù)據(jù)傳輸、DSP同上位機(jī)通信接口、CPLD監(jiān)控LCD顯示、鍵盤讀取健值的電路。只有各個(gè)部分調(diào)試成功后，才能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，如圖4所示的數(shù)字式超聲波探傷儀器。

圖4 本次設(shè)計(jì)的數(shù)字式超聲波探傷儀

數(shù)字式超聲波探傷儀器的基本功能包含了一般的數(shù)字式超聲波探傷儀器的功能，比如超聲波速度的計(jì)算和調(diào)節(jié)、缺陷定位、K值及零點(diǎn)的計(jì)算和調(diào)整、制作AVG曲線、超聲波探傷數(shù)據(jù)存取等。

圖5是在實(shí)測(cè)缺陷下數(shù)字式超聲波探傷儀器的波形圖。

圖5 實(shí)測(cè)波形曲線

如上圖所示，左圖的圖形是在沒有缺陷的情況下產(chǎn)生的，界面只存在始波和底波；右圖的圖形則是在有缺陷的情況下，通過界面可得知在試塊中存在3個(gè)缺陷，分別處于41.8mm、81.2mm和120.3mm處。而這三個(gè)缺陷的精確位置是41mm、81mm和121mm，所產(chǎn)生的誤差都在±1mm左右。

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