超聲探傷儀檢定裝置數字化研究

賀 濤,唐薇薇,劉夏茹

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

超聲探傷儀檢定裝置數字化研究

賀 濤,唐薇薇,劉夏茹

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

針對ZJ-2A型超聲探傷儀檢定裝置的數字化研究，通過探討在檢定裝置內部采用數據采集、編碼和傳輸等方法，外部采用虛擬儀器和數據處理等方法，設計一種對檢定裝置進行實時狀態監測、數據傳輸、計算機波形顯示以及數據處理的檢測系統。研究表明，該系統設計合理，狀態穩定可靠，達到預期效果。

超聲探傷儀；裝置；數字化；檢測系統

0 引 言

超聲探傷儀計量的可靠性和準確性涉及到產品質量和安全生產。目前國內外普遍采用多臺儀器設備及適配器組合對超聲探傷儀技術參數進行測量，這將帶來諸如儀器的適配系統誤差增加、計量系統構架繁復、人為因素較多、在線計量困難等問題。

ZJ-2A型超聲探傷儀檢定裝置由中國測試技術研究院輻射研究所自主研發，實現了該類計量標準器具的猝發音信號發生器、標準衰減器一體化設計。能夠對超聲探傷儀的電性能指標進行校準測試，完全滿足JJG 746-2004《超聲探傷儀》計量檢定規程各項電性能指標的技術要求。

但是，由于技術手段的不足，利用該裝置計量時，人為因素的影響依然存在，而且數字化超聲探傷儀現已占據了絕大的市場份額，必然需要相應的測試手段。在這種大環境下，有必要對ZJ-2A型超聲探傷儀檢定裝置進行數字化研究。

1 系統組成、工作原理及要求

（1）組成、工作原理。包括機電一體化系統、脈沖信號的采集、數據處理、數據通信和實時處理的研制、測量系統的研發等。

裝置選擇規程要求的工作頻率，連接超聲探傷儀輸出端口，將發射脈沖輸入到裝置，經過裝置的數

據采集、觸發系統、脈沖信號采集系統的采集、觸發后，輸入到控制單元，再到信號發生器單元，然后輸出猝發音信號，最后經過標準衰減器輸出，將該信號輸出到計算機，并在顯示屏上顯示該猝發音信號列（組成和原理見圖1）。

（2）要求。對檢定裝置進行實時狀態監測、數據傳輸、計算機波形顯示以及數據處理等。數據更新率＞50Hz，波形幅度準確度優于0.5%。

2 系統設計

硬件電路設計都是基于復雜可編程邏輯器件（complex programable logic device，CPLD）進行設計開發[1]。CPLD是一種復雜的、整合性較高的邏輯元件，許多個邏輯方塊（logic blocks）組合而成，邏輯方塊間的相互關系則由可變的連線架構，合成整個邏輯電路。其基本設計方法是借助集成開發軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統[2-3]。

2.1 數據采集

2.1.1 衰減量采集

精密可調衰減器是該超聲探傷儀檢定裝置的重要部件，它采用精密電阻網絡串聯的方式，實現回波信號的衰減以及利用該信號對被測超聲探傷儀的部分指標進行測試。衰減[4]器分4擋（×20 dB、×10 dB、×1 dB、×0.1dB），總衰減值達81dB。

為了同步獲取衰減器的衰減值，并確保采集電路不對衰減值產生影響，在原衰減器的波段開關旋軸上加裝同軸取樣開關，并通過并行編碼方法，實現對衰減量波段開關簧片位置的檢測，從而同步獲取衰減值，并對3擋衰減值分別采用16線轉4位BCD碼的方式進行編碼[3，5]。實現框圖見圖2。

2.1.2 頻率采樣

檢定裝置輸出的信號頻率從200 kHz～16MHz，波形為脈沖組方式，脈內波數為5～40個。如果用脈沖調制后的輸出信號測頻，不僅會造成測頻不連續，而且測量值不準確，因此需要從超聲波信號產生電路中取樣。

測頻采用計數器方法[6-8]，由80MHz高穩定晶振產生計數的閘門時間（0.1s），超聲波信號經過整形、分頻，送進計數器，最后將計數器產生的20bit數字信息送入寄存器，供后續接口電路使用。頻率采樣的硬件實現框圖見圖3。

根據計數式頻率計的原理分析，頻率計的誤差來自于晶振誤差和量化誤差兩個方面。通常晶振的誤差可以通過選用穩定性高的晶振來減小，而量化誤差則是由于不確定計數信號的上升沿何時來而引起的，量化誤差總是存在的，且等于±1。被測信號頻率記為f，脈沖個數為N，計數基準周期為T，因為晶振一般比較穩定，所以忽略晶振誤差，則由量化引起的誤差為±1/N。為減小量化誤差可以選用倍頻單元，將時基信號擴大后，這樣測得脈沖數N變大，以此減小量化誤差。

這里將計數器的位數增加至24bit，輸入信號的分頻比減小10倍，取數據時取前20bit數據，這樣相當于將量化誤差減小了10倍。檢定裝置輸出的信號頻率從200kHz～16MHz，要求的精度為kHz級，采用上述方法處理后，頻率計的最大頻率偏差為

完全滿足規程技術指標的要求。

2.1.3 脈沖寬度采樣

檢定裝置的脈沖寬度為0.3～200μs，通過信號變

換，形成計數器的閥門信號、鎖存信號和清零信號，采用80MHz晶振作為計數器的時鐘，計數誤差為12.5ns，計數輸出[8]最大值達16 000，因此采用16 bit數字信號輸出，可以滿足測量要求。脈沖寬度采樣硬件實現框圖見圖4。

2.1.4 脈內波數

檢定裝置采用脈沖調制的正弦波，其脈內波數可由裝置面板的3×3鍵盤輸入，輸入值包括5～10以及20，30，40。脈內波數測量[9]的硬件實現框圖見圖5，其方法是將鍵盤按鍵的10根離散線進行BCD編碼，并通過鎖存信號將數據存入鎖存器內。

2.2 數據接口

為實現檢定裝置與計算機的數據傳輸，采用標準RS-232串口通信的方式[10]，其硬件實現框圖見圖6。由80MHz晶振分頻產生38.4kHz的數據時鐘信號，數據端口將上述電路搜集的衰減量、工作頻率、脈沖寬度和脈內波數的數字信息進行編碼、驅動，可以將數據傳到監控計算機進行數字化處理。

檢定裝置與計算機之間RS-232串口通信傳輸遵循低位先發送、波特率為38.4kb/s、數據有效位為10位（含1位起始位，8位數據位，1位停止位）的原則，TS-232通信協議如表1所示。

2.3 軟件設計

本研究利用計算機軟件平臺，通過采用“虛擬儀器技術”，實現數據處理、存儲、轉換、顯示等功能。軟件設計接口協議如表2所示。通過圖形化的操作界面，可形成類同“示波器”的操作功能，包括信號幅度放大、減小，掃描時間增長、減小，以及脈沖信號幅度顯示等。

在軟件設計中，利用C語言良好的可移植性和強大的數據處理能力[11]，編寫“檢定裝置波形監控程序”，用于對檢定裝置超聲信號波形的虛擬顯示，其軟件流程見圖7，波形顯示見圖8。圖8是典型的猝發音信號，其測試框圖見圖9。在軟件設計中，充分考慮了裝置運行狀態，對猝發音的幅度、時間實時可調。

2.4 數據處理

利用該檢定裝置對被測設備進行檢測，利用Excel表格，人工輸入檢測數據，并根據JJG 746-2004《超聲探傷儀》計量檢定規程的計算方法，在表格中置入公式編輯，對測試數據進行計算，最后通過Excel-Word數據“超鏈接”轉換，完成檢定證書的自動生成。

3 結束語

對該裝置的數字化研究，實現了該裝置的實時狀態監控、數據傳輸，裝置猝發音個數的測試及原始記錄、證書的自動生成，為實現超聲探傷儀的自動化檢測做了有益的探討和嘗試，可以促進該領域測試技術手段的發展。

對超聲探傷儀的測試，最終能實現數字化自動測試，有賴于超聲探傷儀技術的進步、測試手段和方法的不斷完善和提高，這也是以后研究的方向和最終目的。

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Digital research on equipment of ultrasonic inspection detectors

HE Tao，TANG Wei-wei，LIU Xia-ru
（Nation Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

This paper is about a digital research on equipment of ultrasonic inspection detectors（Type ZJ-2A）.It is an exploration to design a detection system for monitoring the status in real time，transmitting status data，displaying computer waveform in real-time and processing data of the inspection detector equipment.The design of this detection system is by means of data collecting， coding， and transmission inside the inspection detector equipment， and virtual instrumentation and data processing outside of the inspection detector equipment.The research shows that this system is of rational design as well as stable and reliable running status.It thus achieves expected effect.

ultrasonic flaw detector；device；digitalization；detection system

TB559；TG115.289；TN911.7；TM930.113

：A

：1674-5124（2014）04-0111-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.028

2014-03-11；

：2014-05-08

賀 濤（1964-），男，四川成都市人，高級工程師，主要從事工業超聲無損檢測及其量值溯源研究。