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應用領域

工業儀器自動化測試應用

挑戰

目前工業中無損探傷的主要手段是超聲波檢測，超聲波探測的主要問題是探測的分辨率低、通用性差、后續處理方法落后，從而造成以定性分析為主，缺乏定量的過程分析手段。針對這一問題，本方案設計一個超聲波探測系統，達到如下要求：1、通用性強，能夠適應多種厚度、材料工件的應用需求;2、分辨率高，可以對微小缺陷進行檢測;3、后續分析手段強，可以對工件進行后續譜變換處理、缺陷成型分析處理，從而完成缺陷預測和定位等工作。

解決方案

根據要求，采用凌華科技公司的PCI-9846數字化儀為應用核心，設計了多通道的超聲波檢測系統，系統通過計算機進行控制，使用USB接口通過單片機統一進行調度，將反射的超聲波信號經過處理后，利用數字化儀進行數據變換，并設計了軟件系統進行數據的顯示和分析。試驗結果表明，該系統具有探測精度高、分析功能強、工作穩定可靠等優點，可以廣泛地應用在工業自動化檢測領域。

摘要

超聲波檢測是目前工業中無損探傷的主要手段，利用凌華科技公司的PCI-9846數字化儀，設計了多通道的超聲波檢測系統，系統通過計算機進行控制，使用USB接口利用單片機統一進行調度，將反射的超聲波信號經過處理后，利用數字化儀進行變換，并設計了軟件系統進行數據的顯示和分析。試驗結果表明，該系統具有探測精度高、分析功能強、工作穩定可靠等優點，適合廣泛應用于工業自動化檢測領域。

關鍵字：超聲波檢測、數字化儀、數據采集

一、概述

在壓力容器安全管理中，定期檢驗是防止壓力容器發生失效事故，特別是預防重大事故發生的必要手段，由于壓力容器在制造、使用上的特點，其機械結構上不可避免的會出現裂紋、空隙氣孔和焊縫缺陷等，對壓力容器進行無損檢測工程上意義重大。超聲波檢測是一種重要的無損檢測技術，由于它的穿透力強、檢測可靠準確又極方便易行，已經廣泛應用于工業及高技術產業中。

在早期的超聲波檢測中，利用模擬信號進行檢測探傷，其結果主要依靠經驗進行分析，存在著一致性差和準確性差等一系列問題。隨著計算機技術、信號處理技術等高新技術的應用，超聲波檢測數字化的研究日趨廣泛，數字化采集和分析已經成為超聲波探傷設備的發展趨勢。一般來說，分辨率是超聲波檢測的重要指標，它直接影響測量的準確度，并且對微小缺陷的發現能力更強，由于材料工藝的提高，壓力容器外殼厚度不斷減少，這就要求超聲波檢測的分辨率進一步提高。超聲波檢測實質上是測量超聲波在材料厚度方向上兩個表面反射波的時間差，通過計算可求出材料的厚度，對微小缺陷和薄壁而言，分辨率的提高主要是要求超聲波檢測有較高的探測頻率，這勢必為后續的信號采樣處理部分帶來較高的要求。因此，根據設計要求和凌華科技公司的PCI-9846多通道高速數字化儀的特點，選用PCI-9846數字化儀為核心，配合相關硬、軟件設計的四通道超聲波檢測系統，具有精度高、分析功能強等優點。

二、系統設計與構成

超聲波檢測系統由計算機、PCI-9846數字化儀、C8051F340單片機、電源、發射電路、程控放大電路組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 超聲波檢測系統框圖

測量過程由計算機發起，通過USB口控制單片機C8051F340，由單片機產生相關的開關信號，經過發射電路產生高壓窄脈沖，激勵發射探頭產生超聲波，接收探頭完成聲電轉換，將其轉換為接收電信號，經過由計算機設定的程控放大器后由PCI-9846數字化儀進行采樣，數字化儀和計算機使用PCI接口進行數據交換，由計算機顯示、分析處理。電源電路和單片機外圍電路包括看門狗、晶體振蕩器、復位電路等。根據設計要求，要求同時有四路探頭進行工作。

2.1 數字化設備的選擇

數字化儀從本質上來說就是一個A/D設備，配備相應的接口和軟件，成為單獨的設備，廣泛應用于信號采集和分析中。對本系統來說，要求其信號采集部分具有以下特點：

同時可以接收4路輸入并進行A/D變換。在本系統中，隨著工件在流水線上的行進，各工序同時完成，需要對4個主要位置同時進行探傷，從實效性上必須要求有4個輸入的數字化設備。

要求具有較高的采樣頻率。超聲波在鋼質品中傳播速度近于空氣的10倍，超聲波脈沖發射后接收端根據兩個反彈回波進行厚度測量。如果是進行探傷，頻率越高則采集后的信號越具有處理價值。根據發射探頭的成熟水平和應用需求，選取超聲波的頻率為5MHz，理論上需要10M的采樣率，但是實踐中要求采樣率30M以上。

具有較大的緩存。A/D變換后的數據要送到計算機進行處理，兩者利用PCI總線交換數據，本系統是4路同時采集的系統，采樣后的數據量很大，大容量的存儲可以降低計算機實時處理的要求。

易于開發使用。作為與計算機通信的設備，應該在軟件上有相應的驅動和多種軟件的支持。

綜合上述因素，從價格、性能等考慮，采用了凌華科技公司的PCI-9846數字化儀，主要原因在于自行設計電路開發周期長、驅動開發困難、成本高等。PCI-9846數字化儀[5]具有四路輸入，滿足輸入端子數的要求;每路都可以達到40MS/s的采樣速率，可以滿足數字化處理的要求;板載了512MB的內存，可以有效緩解設備間接口的異步問題，此外凌華科技公司還提供了Matlab、VC++、.net的開發驅動和開發包，可以讓用戶直接關注應用。

三、關鍵電路及實現

3.1 超聲波發射電路

在超聲波檢測系統中，發射電路是系統中的關鍵部分，它決定了超聲波檢測系統能達到的最終指標。合理設計的發射電路直接影響到換能后的發射功率和波形的重復性，超聲波換能器需要的是瞬時高功率尖脈沖波形，一般要求其激勵脈沖幅度大于100V以上，脈沖寬度應該在us級別，具體的值取決于發射頭的指標。傳統的發生電路有瞬時放電法、脈沖激勵法和諧振法，其中后兩者的應用比較廣泛，這些電路都存在需要高壓電源、變壓器等缺點。鑒于此，采用電感式脈沖發生器產生激勵脈沖，其電路如圖2所示[1]。

圖2 高壓脈沖發生電路

脈沖由U1的12腳輸入，特別注意IR2110的選擇，如果直接使用脈沖驅動IRF7450，由于隔離、驅動的原因，得不到理想的高壓脈沖驅動。IRF7450是Vds=500V的MOSFET，其電流可以達到20A左右，可以滿足理想開關快速切換的要求，儲能線圈L1在開關的控制下產生高壓，其中二極管D1與D2分別起保護作用，超聲波換能器V1可以采用美國GE公司的014LJM，也可以根據應用換裝其它型號。

圖3所示為產生的高壓脈沖，測量時在示波器加一個純阻性25倍衰減頭，圖中縱軸為2V/格，橫軸為100ns/格，使用瞬態電平激發同步，可見產生的脈沖幅度在近200V左右，脈沖寬度為300ns左右。

圖3 產生的高壓脈沖信號

3.2 程控接收電路

經過超聲波接收探頭接收換能后的電信號幅度很小，基本上都是數微伏左右，滿足不了數字化的需要，必須進行放大處理。此外為了適應各種場景的探傷要求以及自動測試的需求，該電路放大倍數應該由計算機控制。

目前各種集成運算放大器很多，但是針對本應用，其主要處理中心頻率5MHz的信號，因此，選擇放大器的帶寬應該大于5MHz，這里選擇了TI公司的OPA2300，該芯片包含兩個運算放大器，并且每一路都有禁止端，其增益帶寬積達到150M，完全滿足此時信號放大的需要，噪聲系數為3nV/Hz，能夠滿足低噪聲放大的需求，其供電采用單+5V供電，不必使用雙路電源供電。

增益放大的調整可以通過選擇其增益環路的電阻進行，由于控制信號是計算機給出的數字信號，因此需要一片DAC完成數字模擬信號的轉換，DAC選擇8位D/A轉換芯片AD7524，由單片機給AD7524輸入8位數據，經過變換后，選通相應的二極管，控制增益電阻實現增益調整。

3.3 系統控制的選擇

整個系統由計算機發起測試，但是要同時控制四個探頭，特別是要保證四個探頭發出的探測信號保持特定的時序關系，此時必須有一個外部控制設備連接計算機和探頭設備，這里采用單片機完成這一工作。

目前計算機和單片機的連接常用的有RS-232接口。但是隨著技術的發展，USB接口逐漸成為了主流，它速率高，可擴展性好，采用總線供電方式，支持即插即用等功能。因此，這里使用Silicon公司的C8051F340單片機作為外部控制設備，與計算機使用USB進行通信。

C8051F340單片機是與8051兼容的新型單片機，具有低功耗、高性能、高速流水線結構等優點，內部包括了64K的flash，4352字節RAM，對本應用來說不需要再外接存儲設備。該單片機包含四個16位計數器，能夠滿足同時控制四個探頭采集時序的要求，支持16位中斷，可以滿足本應用中的采集控制的需要。具有40個I/O線，可直接與+5V進行連接，不需要接口電平轉換。特別是該型號單片機集成了USB控制器并提供相應的開發軟件，具有開發簡單的特點。

系統軟件主要包括控制部分、數據接收部分和信號分析部分三個部分，控制軟件決定整個系統的運行，它一方面通過USB口與總控的單片機進行通信，統一控制整個系統的發射、接收等過程，同時通知數據接收軟件進行數據接收并顯示。數據接收軟件則只負責將PCI-9846采樣的數據存儲到指定位置，信號分析軟件則完成采樣信號的顯示、分析處理等過程。整個程序框架如圖4所示。

圖4 系統實現的軟件程序框架

單片機軟件開發包括上位機部分和單片機部分，上位機使用KeilV3進行開發，主要完成對C8051F340的控制等功能，開發使用C語言進行，開發中要注意的是USBXpress設備驅動軟件，在頭文件中包含相應的固件庫，并調用相應的動態鏈接庫以使用其提供的API函數。其主要函數包括USB設備中斷、設備初始化、數據讀取/寫入、打開/關閉USB設備等。

數據接收、圖形顯示和信號分析使用.net進行開發，首先要安裝PCI-9846提供的驅動，特別是DAQPilot驅動。ADLINK(凌華科技公司)專門提供了針對.net開發所使用的例程，在此基礎上直接對應用進行調用就能完成數據讀入的過程。信號分析則主要包括幅度波形分析、FFT分析、門限設定以及缺陷成型、缺陷位置等，主要目的是對信號回放進行整理記錄，并對工件的狀態進行評估。

圖5所示是利用超聲波探測系統得到的信號顯示的界面，顯示的是四個探頭對同一測試工件進行探傷的結果。采用液體介質，此時使用1號發射探頭發射，接收則由四個探頭進行接收，可見接收到的信號除了時間上略有差異外，幅度和波形基本相同。探頭2整體、探頭3在后半段的噪聲略微大一些，這主要是由于探頭2和探頭3處于工件的后半端，接近于加工設備。對此信號進行分析，可以將裂縫所在的詳細位置計算顯示。此外利用該數字化平臺，還可以對探傷信號進行后續的譜分析、缺陷預測等，有效實現缺陷成因、缺陷預測等理論分析。

圖5 探頭接收的信號

結論

根據本系統設計，其應用于某型檢測系統中，具有電路實現簡單、性能穩定、操作方便和高精度測量等特點。借助于PCI-9846數字化儀的高采樣率、高精度的特點，該系統能夠準確地對內部的裂紋和缺陷進行探測，特別是配合后續的數據處理軟件，能夠根據被測件的形狀，在計算機上準確給出裂紋在工件中的位置，其信號分析的方法也為定量預測工件中的微小缺陷提供了手段。