麻國(guó)棟 屈 剛

海洋石油工程股份有限公司檢測(cè)公司

淺談超聲波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

麻國(guó)棟 屈 剛

海洋石油工程股份有限公司檢測(cè)公司

本文主要介紹一種基于高速信號(hào)處理技術(shù)的超聲波無(wú)損檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)；設(shè)計(jì)

無(wú)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(duì)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(cè)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(lái)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(lái)在熒光屏上形成脈沖波形根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。

隨著超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)字信號(hào)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(cè)設(shè)備。但早期的數(shù)字化設(shè)備僅停留在超聲波檢測(cè)頻率較低頻段的信號(hào)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(hào)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(wèn)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(kāi)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(cè)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(hào)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(hào)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(guò)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(duì)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(duì)于多通道檢測(cè)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(duì)缺陷回波信號(hào)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(hào)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(hào)的匹配。

2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路通?？煞譃榉e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(cè)試系統(tǒng)中。它有共模和差模兩種信號(hào)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(wú)損檢測(cè)對(duì)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(hào)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(duì)于薄壁材料檢測(cè)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(cè)和采樣頻率才能滿足信號(hào)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(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(guò)設(shè)置確定輸入輸出的數(shù)據(jù)寬度對(duì)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(hào)可以利用它們作為控制信號(hào)。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(duì)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(wú)須提供地址信號(hào)也簡(jiǎn)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^(guò)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(duì)數(shù)字信號(hào)的處理與分析已不再僅僅是輔助技術(shù)。因此如何開(kāi)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(cè)設(shè)備和系統(tǒng)已成為一項(xiàng)緊迫性的任務(wù)。