畢業(yè)論文---超聲波芯片探傷儀的設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p><b>　　編號： 　　　</b></p><p>　　?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　題 目： 超聲波芯片探傷儀的設(shè)計與實現(xiàn) </p><p>　　學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機電一體化技術(shù)

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　班 級： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>&l

3、t;p>　　職 稱： 講師 </p><p>　　完成日期： 2012年6月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲探傷技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域中的重要的方法，在冶金、勘探、生產(chǎn)控制，質(zhì)量管理、和安全監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在半導(dǎo)體生

4、產(chǎn)工程中，超聲波探傷起到了在低成本的基礎(chǔ)上快速，準(zhǔn)確的檢測出缺陷的不可替代的作用。借助單片機體積小、成本低、可靠性高、運用靈活等特點，利用可擦除可編程邏輯器件(EPLD)的實時邏輯處理功能，并通過UO端口和高速處理能力，開發(fā)了一個數(shù)字化超聲波脈沖反射式探傷儀。該儀器實現(xiàn)了檢測過程中的信號發(fā)射、接收、放大、噪聲處理、數(shù)據(jù)采集、回波圖形顯示、缺陷判定、以及檢測結(jié)果存儲、回放和輸出功能，解決了傳統(tǒng)超聲檢測無記錄等問題，減少了人為因素的影響。利

5、用數(shù)字信號處理技術(shù)，提高了信噪比，提高了檢測的可靠性。在超聲波脈沖反射探傷儀開發(fā)中，采用了模塊化的設(shè)計方案，提高了系統(tǒng)的易維護性；選用了低噪聲、低漂移、高精度、高可靠性的集成電路芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用大屏幕的液晶顯示器、中文菜單化的操作界面等，實現(xiàn)了良好的人機界面。該儀器具有檢測精度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，成本低廉、體積小、重量輕等特點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波脈沖反射芯片探傷儀無損檢測<

6、;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Ultrasonic testing is one of important method of NDT(Non-destructive Testing)．</p><p>　　It has been widely used in metallurgy,reconnoiter

7、，production quality control andsafety supervising．It is non·substituted in the semiconductor field because of highspeed and high accuracy．</p><p>　　By using MCU(Microcomputer Control Units)and EPLD(Eras

8、able</p><p>　　Programmable Logic Device)，a digitized ultrasonic wave pulse reflection cracketection system is developed．MCU has small volume，low price，high dependability,and EPLD has easily operating I／O por

9、ts，high speed operation ability,which canrealize most of functions such as signal emitting，incepting，magnifying，datacollecting and processing，displaying graphics，determinant defects．The storageproblem of traditional ultr

10、asonic testing system is solved，and some infection factorsof handlers are reduced．In vi</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言</b></p><p><b>　　1　緒論</b&

11、gt;</p><p>　　1.1課題研究背景和意義1</p><p>　　1.2超聲波檢測技術(shù)的研究進展4</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容10</p><p>　　2　超聲波檢測儀器的總體設(shè)計</p><p>　　2.1脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)的基本原理13</p><p&g

12、t;　　2.2 超聲波檢測儀器設(shè)計19</p><p>　　2.3儀器抗干擾措施29</p><p>　　2.4本章小結(jié) ..............................................31</p><p>　　3　聲波檢測模塊設(shè)計</p><p>　　3.1電源電路設(shè)計32</p><p

13、>　　3.2超聲波發(fā)射控制電路設(shè)計35</p><p>　　3.3阻尼限幅電路設(shè)計39</p><p>　　3.4程控放大電路設(shè)計41</p><p>　　3.5濾波電路設(shè)計51</p><p>　　3.6檢波電路設(shè)計56</p><p><b>　　4 結(jié)論與展望</b>&l

14、t;/p><p><b>　　4. 1結(jié)論61</b></p><p>　　4. 2進一步的完善63</p><p><b>　　參考文獻64</b></p><p><b>　　致謝67</b></p><p><b>　　前言</

15、b></p><p>　　無損檢測診斷技術(shù)是在不損壞材料工件或產(chǎn)品的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度異?；蛉毕莸拇嬖谒鸬膶β暋⒋?、光、電、熱場等反應(yīng)的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷，并對缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價llJ。無損檢測診斷的目的在于定量掌握缺陷與強度的關(guān)系，評價構(gòu)件的允許載荷、壽命或剩余壽命；檢測產(chǎn)品在制造或使用過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不

16、完整性，以及缺陷的情況。從而改進制造工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)故障，保證設(shè)備安全、高效、可靠地運行【2J。無損檢測診斷技術(shù)己在機械制造、石油勘探、船舶構(gòu)造、汽車、鐵道、建筑、冶金、航空航天和半導(dǎo)體等工業(yè)中被普遍采用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量提出了越來越高的要求，特別是產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的質(zhì)量問題所造成的事故以及巨大的經(jīng)濟損失，使人們更加認識到了無損檢測診斷技術(shù)的重要性。在工業(yè)發(fā)達國家中，無損檢測診斷技術(shù)已成為必不可少的重要工具和手段

17、。美國總統(tǒng)里根曾說過“如果沒有先進的無損檢測技術(shù)，美國就不可能享有眾多領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。</p><p>　　由此可見無損檢測診斷技術(shù)在現(xiàn)代國民經(jīng)濟中的重要地位。</p><p>　　超聲波檢測技術(shù)是當(dāng)今工程和生產(chǎn)中無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種非常重要的</p><p>　　手段和方法。己被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的質(zhì)量監(jiān)控和安全保障，尤其是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。超聲波是機械波的一種，

18、即是機械振動在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播p兒4|。超聲波在液體、固體中衰減很小，因而穿透能力強，尤其是在對光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質(zhì)或界面就會有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征。</p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p>　　1．1

19、課題研究背景和意義</p><p>　　模擬超聲波檢測儀器在我國已經(jīng)存在20多年，其電路主要由分離元器件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散，體積較大，技術(shù)性能指標(biāo)不高，尤其是在信號顯示、存貯、后處理方面功能潰乏，限制了測試方法的改進和工作效率的提高。以我國目前無損檢測儀器的研發(fā)、設(shè)計和制造水平來講，在傳統(tǒng)的模擬式檢測儀器方面，與發(fā)達國家的差距還不是很大；但在數(shù)字化、智能化及與計算機有機結(jié)合方面的差距則有拉大的趨勢。就超聲波檢測儀器領(lǐng)

20、域來說，目前我國大多數(shù)科研單位、廠礦企業(yè)還是普遍采用傳統(tǒng)的A掃描脈沖反射式超聲波探傷儀。方式單一，存在不直觀、判傷難、無記錄、對人員素質(zhì)要求高、人為因素影響大等許多缺點，嚴重影響著超聲波檢測的可靠性，以及該領(lǐng)域技術(shù)和儀器設(shè)備的推廣和應(yīng)用。而目前國外的超聲波檢測儀器在充分利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，己經(jīng)可以最大限度地從被測對象中挖掘出有用的信息。利用人工智能、模式識別、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面

21、的知識，不僅可以探測被測對象內(nèi)部或表面的各種宏觀缺陷，判斷其位置、大小和性質(zhì)，可以利用回波法對工件進行掃查，將回波數(shù)據(jù)存于計算機內(nèi)，對被測對象的固有屬性、功能、狀態(tài)和缺陷發(fā)展趨勢等進行</p><p>　　1．2超聲波檢測技術(shù)的研究進展</p><p>　　1．2．1國內(nèi)外超聲波檢測技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　近年來，超聲無損檢測領(lǐng)域的學(xué)術(shù)氣氛十分活躍。進入90

22、年代后，在世界無損檢測會議上發(fā)表的論文中有關(guān)超聲檢測方面的所占比例最高。隨著數(shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代超聲波檢測技術(shù)已經(jīng)進入到以計算機控制為主的時代其表現(xiàn)為：生產(chǎn)過程的實時檢測控制；合并軟硬件提高檢測的信噪比和抗干擾能；整合了模式識別和仿真技術(shù)的智能掃描、自動定位與跟蹤檢測；對所測信號波的實時處理和后處理，可對信號進行時域分析、頻域分析和圖像分析處理，以提高檢測的可靠性。</p><p>　　就當(dāng)前國內(nèi)的超

23、聲波檢測技術(shù)應(yīng)用情況來看，超聲波無損檢測診斷技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域和場所，但是，其主要的應(yīng)用發(fā)展方向還是在不斷擴展的。而且它的重要作用還有賴于無損檢測技術(shù)方法選擇的正確和檢測結(jié)果是否可靠。檢測結(jié)果對檢測人員的依賴性都還很強，并且都還存在著一些難以克服的困難和缺陷，比如：</p><p>　　(1，通常要有熟練的技術(shù)技能，對結(jié)果做出說明及解釋。因此，在相互關(guān)系</p><p>　

24、　未經(jīng)證明的情況下，可能存在不同人員對結(jié)果看法不統(tǒng)一。</p><p>　　(2)外界環(huán)境的溫度、濕度、粉塵、振動、噪音以及磁、電場和儀器本身內(nèi)</p><p>　　部的各種干擾都會對檢測結(jié)果造成難以估計的后果。</p><p>　　(3)性能可以直接測試、而檢測結(jié)果卻只是定性或相對的。</p><p>　　(4)檢測人員的技術(shù)水平、操作技能

25、、知識水準(zhǔn)等，檢測人員對工作的責(zé)任</p><p>　　心，檢測人員在操作期間的心理和生理狀況都會對檢測結(jié)果造成很大的影響。</p><p>　　(5)我國的超聲無損檢測還大部分是采用常規(guī)的A型脈沖反射法技術(shù)，存在</p><p>　　不直觀、判傷難、無記錄、人為因素影響大等缺點，嚴重影響著超聲檢測結(jié)果的可靠性。</p><p>　　1．2．

26、2超聲波檢測儀器的發(fā)展趨勢</p><p>　　當(dāng)然，伴隨著以計算機技術(shù)為具體體現(xiàn)的信息技術(shù)的突飛猛進，現(xiàn)代超聲無</p><p>　　損檢測技術(shù)主要還是向著數(shù)字信號處理和檢測成像方面發(fā)展。</p><p>　　己經(jīng)應(yīng)用或正在采用的數(shù)字信號處理技術(shù)主要有：時間渡越衍射技術(shù)、合成</p><p>　　孔徑聚焦技術(shù)、裂譜技術(shù)、倒譜技術(shù)、模式識別和

27、分析、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。采用數(shù)字動態(tài)濾波技術(shù)提高檢測信噪比，通過頻譜分析進行超聲參量檢測和提取，數(shù)字信號處理壓縮波形有效提高檢測分辨率。在現(xiàn)代超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展中，超聲成像技術(shù)是一種根據(jù)聲波的特點，以掃描技術(shù)為主流的超聲成像方法。它是在電視技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是計算機技術(shù)、信息采集技術(shù)和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。超聲圖像可以提供直觀和大量的信息，直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，有著自動化和智能化的特點，在醫(yī)療診

28、斷、地震遙感、地質(zhì)勘探、海洋研究、材料科學(xué)等領(lǐng)域正日益開辟新的用途，具有非常廣闊的發(fā)展前景。目前正在使用和開發(fā)的</p><p>　　超聲成像技術(shù)包括：超聲B掃描成像，超聲C掃描成像，超聲D掃描成像，SAFT(合成孔徑聚焦)．成像，P掃描成像，超聲全息成像，衍射CT成像、相控陣成像等門J。結(jié)合精密掃查機構(gòu)的超聲成像系統(tǒng)和工業(yè)超聲相控陣成像系統(tǒng)等已在實際應(yīng)用上取得了很大的成果。</p><p&g

29、t;　　當(dāng)前，超聲波檢測儀器的研制也已開始進入到數(shù)字化階段。該技術(shù)是采用超</p><p>　　聲波檢測儀器采集超聲波回波信號，經(jīng)接收部分放大后，由模／數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號傳給微處理器。微處理器再把隨時間和位置變化的超聲波形進行適當(dāng)處理，得出進一步控制檢測系統(tǒng)的結(jié)論。一方面它承襲了常規(guī)超聲波檢測探傷儀器的基本模式和基本功能，又具有數(shù)據(jù)存儲和運算功能，實現(xiàn)了檢測過程中自動判傷、自動讀出和顯示缺陷的位置與當(dāng)前量值、存

30、儲并打印輸出檢測報告。不僅解決了超聲波檢測可記錄的問題，而且減少了人為誤差，提高了檢測結(jié)果的可信性。</p><p>　　伴隨著各種新材料、復(fù)合材料的出現(xiàn)和使用，以及對現(xiàn)代檢測技術(shù)的要求不</p><p>　　斷提高，研制和開發(fā)數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的超聲波檢測儀器已成為發(fā)展的必然。未來的超聲波檢測儀器應(yīng)當(dāng)具有以下特征：</p><p>　　(1)模塊化和插

31、卡化各種超聲波檢測卡(含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理以及接口的</p><p>　　插卡)將大量問世，借助于高速度、高容量的計算機，超聲波檢測儀器的研制將變得比較容易。</p><p>　　(2)高數(shù)字化、高智能化和圖像顯示功能。未來的超聲波檢測儀器應(yīng)當(dāng)是高</p><p>　　度數(shù)字化、高度智能化的，其檢測結(jié)果應(yīng)可用圖像顯示出來：具有友好的用戶界面；開機后具有自檢功能；可用

32、菜單選擇儀器測試參數(shù)；可調(diào)用或可存儲儀器的設(shè)定參數(shù)，以及與其它計算機進行通訊或傳輸數(shù)據(jù)。</p><p>　　(3)數(shù)據(jù)庫及自動識別功能。未來超聲波檢測儀器的一個最重要的進步是具</p><p>　　有對被檢對象的缺陷類型進行自動識別，以及對被檢測對象的狀態(tài)進行自動評價的功能。因此，它應(yīng)當(dāng)具有比較完備的數(shù)據(jù)庫和專家識別系統(tǒng)。</p><p>　　(4)專門的超聲檢測

33、專家系統(tǒng)。專門的專家系統(tǒng)是保證數(shù)字化、智能化超聲</p><p>　　波檢測儀器的有力手段和技術(shù)支持，系統(tǒng)內(nèi)建有模式識別和自適應(yīng)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，它也是協(xié)調(diào)檢測儀器軟、硬件以及儀器與人的友好互動的關(guān)鍵所在。</p><p>　　目前，雖然世界上各種超聲波檢測技術(shù)和超聲波檢測儀器的發(fā)展相當(dāng)快，但</p><p>　　綜合以上的分析和調(diào)查、研究之后，不難發(fā)現(xiàn)：超聲波檢測的未來主

34、要趨勢還是應(yīng)該朝著研制一種智能化的診斷裝置方向發(fā)展。這種智能化的診斷裝置應(yīng)該能靠增加所獲得的被檢工件的信息量、提高信息質(zhì)量以及經(jīng)專門的數(shù)學(xué)后續(xù)處理等手段來提高評價工件質(zhì)量的能力。因此，把握這方面的發(fā)展動態(tài)，緊隨時代發(fā)展潮流的脈搏，是我國超聲波無損檢測人員進行研制、開發(fā)以及應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)責(zé)無旁貸的義務(wù)，亦是我們不斷前進的方向和動力。</p><p>　　1．3課題研究的主要內(nèi)容</p><p

35、>　　課題研究的主要目標(biāo)是在結(jié)合傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)和微型計算機處理、控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，以半導(dǎo)體芯片中的金屬材料和非金屬材料為檢測對象，研究、開發(fā)一套數(shù)字化超聲波脈沖反射探傷儀器。具體研究內(nèi)容如下：1．開發(fā)以單片機CPU為主的高速數(shù)據(jù)采集、處理模塊。該數(shù)據(jù)采集模塊(卡)可控制超聲波檢測模塊中的電源、不同探頭的頻段選擇、高頻放大、檢波方式選擇等電路，將被檢測對象內(nèi)部的回波信息掃描并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進一步處理、存儲后，可送液晶顯示屏顯

36、示，并配有標(biāo)準(zhǔn)視頻接口RS一232。根據(jù)需要或?qū)⒋鎯?shù)據(jù)信息外傳PC機存儲保管；或由計算機對接收的回波數(shù)據(jù)信息進行進一步的處理。還可以與其它傳統(tǒng)超聲波檢測儀器相結(jié)合，形成模擬、數(shù)字結(jié)合式數(shù)字化超聲波脈沖反射探傷儀。</p><p>　　2．開發(fā)超聲波探傷模塊(脈沖反射式)，實現(xiàn)電源模塊的最優(yōu)化管理，節(jié)約</p><p>　　能源、減少功耗、提高工作效力；實現(xiàn)超聲波的發(fā)射、接收功能，接收電路

37、阻尼限幅，超聲波回波電壓信號的高頻放大、濾波、檢波等功能。該探傷模塊接受數(shù)據(jù)采集卡上CPU的控制，實現(xiàn)整機數(shù)字化。</p><p>　　3．設(shè)計專用液晶顯示模塊(LCM)，可顯示經(jīng)微處理器處理后的數(shù)字信息的回波圖形，人機對話操作界面，以及可視化的必要的功能參數(shù)修正和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示等。</p><p>　　4．編制系統(tǒng)專用軟件。該軟件除了對數(shù)據(jù)采集卡、液晶顯示屏、功能鍵盤、</p&g

38、t;<p>　　超聲波檢測模塊的功能進行監(jiān)控和運行外，還可完成調(diào)用缺陷回波圖形顯示，存儲信息外送上位計算機，聲、光缺陷報警提示等功能。第二章超聲波檢測儀器的總體設(shè)計脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)是本儀器設(shè)計的重要基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)或國外的智能型自動化超聲波檢測儀器也是以脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)原理進行設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用的。脈沖反射式超聲波檢測儀器與其它超聲波檢測儀器相比具有如下一些突出的優(yōu)點：</p><p>

39、;　　(1)在被檢工件的一個探傷面上，用單探頭脈沖反射法即可進行探傷。這對</p><p>　　那些諸如容器、管道等一些很難在雙面上放置探頭進行探傷的場合，更顯示出明顯的優(yōu)越性。</p><p>　　(2)用脈沖反射法可以準(zhǔn)確地確定缺陷的深度；靈敏度遠比其它方法高；可</p><p>　　以同時探測到不同深度的多個缺陷，能夠分別對它們進行定位、定量和定性。</

40、p><p>　　(3)適用范圍廣。用同一臺探傷儀可進行縱波、橫波、表面波等不同形式的</p><p>　　探傷，而且適用于探測很多種工件。</p><p>　　2．1脈沖反射式超聲波檢測技術(shù)的基本原理</p><p>　　2．1．1超聲波的特性</p><p>　　作為無損檢測技術(shù)中一種非常重要的方法。超聲波用于無損檢測領(lǐng)

41、域是由其特性決定的：</p><p>　　1．超聲波是指頻率大于20KHz，并且能在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性機械波。</p><p>　　2．超聲波的方向性好。超聲波具有像光波一樣的方向性，經(jīng)過專門的設(shè)計</p><p>　　可以定向發(fā)射，利用超聲波可在被檢測對象中進行有效的探測。</p><p>　　3．超聲波的穿透能力強。對大多數(shù)介質(zhì)而言，它

42、具有較強的穿透能力。特</p><p>　　別在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。4．超聲波的能量高。超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，具有很高的</p><p>　　能量。被檢材料的聲速、聲衰減、聲阻抗等特性攜帶有豐富的能量轉(zhuǎn)換信息，成為廣泛應(yīng)用超聲波檢測的基礎(chǔ)。</p><p>　　5．遇有界面時，超聲波將發(fā)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換。利用超聲波在介</

43、p><p>　　質(zhì)中傳播時的這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計，使得超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高，這也是超聲檢測得以迅速發(fā)展的原因。</p><p>　　6．對人體無害、適應(yīng)性強、檢測靈敏度高、設(shè)備輕巧、使用靈活、檢驗速度快。</p><p>　　2．1．2脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及檢測信號流程</p><p>　　傳統(tǒng)脈沖反

44、射式超聲波檢測儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及檢測信號流程如圖2—1所圖2-1脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及檢測信號流程圖</p><p>　　硬件結(jié)構(gòu)主要由時標(biāo)電路、同步電路、掃描電路、發(fā)射電路、接收電路、檢</p><p>　　波電路、視頻放大電路、探頭和示波器(CRT)電路、電源電路等部分組成。</p><p>　　儀器的啟動起源于同步電路(主控機構(gòu))。電源一經(jīng)接通

45、，同步電路立即發(fā)</p><p>　　出三路同步觸發(fā)信號，以控制發(fā)射電路、掃描電路、時標(biāo)電路同步工作。當(dāng)稍加延遲后的同步信號反饋至發(fā)射電路時，發(fā)射電路立刻產(chǎn)生一個上升時間很短、脈沖很窄、幅度很大的高頻電脈沖(發(fā)射脈沖，激勵信號)。發(fā)射脈沖經(jīng)電纜作用到探頭上，激勵探頭產(chǎn)生高頻率的脈沖超聲波，超聲波透過禍合劑射入工件，完成了超聲波的發(fā)射工作。</p><p>　　探頭與被檢測工件表面相接觸(需

46、要一定的禍合劑，防止空氣進入，在芯片</p><p>　　檢測中我們一般用水)。探頭發(fā)出的超聲波通過工件表面進入其內(nèi)部時，由于超聲波的反射特性，會有反射回波傳入探頭，反射的超聲波經(jīng)探頭中壓電晶片的壓電效應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成為電信號(回波信號)，經(jīng)接收電路阻尼限幅、高頻放大、濾波、檢波等電路的處理和作用后，得到檢波信號，再送入視頻放大電路進行脈沖放大，最后輸入到電子示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上。這一信號的輸入，引起垂直偏轉(zhuǎn)板電壓

47、瞬時改變，電子束則在垂直方向發(fā)生跳躍，因而在示波管上形成脈沖波型(始發(fā)反射信號，用符號T表示)；在超聲波進入工件內(nèi)部后，若在其前進傳遞路線上遇到缺陷，則也會有聲波反射回去，被探頭接收，同樣經(jīng)過阻尼限幅、高頻放大、濾波、檢波等電路的處理和作用之后，在示波管上形成缺陷反射信號，用符號F表示；同樣地，當(dāng)超聲波到達工件的相對底面時，也會有聲波反射回去在電子示波管上形成脈沖波型(底部反射信號，用符號B表示)。據(jù)此就可以判斷工件中是否有缺陷的存在。

48、發(fā)射波T、缺陷回波F、底面回波B的關(guān)系如圖2-2</p><p><b>　　所示。</b></p><p>　　在同步電路觸發(fā)發(fā)射電路產(chǎn)生高頻電脈沖的同時，掃描電路也開始同步工</p><p>　　作。此時，掃描電路發(fā)生與時間成正比的鋸齒形的掃描電壓加到電子射線管的水平偏轉(zhuǎn)板上，從而使電子束所形成的光點在熒光屏上自左向右以一定的速度均勻移動。

49、移動的軌跡就形成了水平掃描線。光點移動的距離，正比于超聲波在工件中的傳播距離。</p><p>　　為了確定工件內(nèi)部缺陷的具體位置，探傷儀器中還裝有時標(biāo)電路，由于它與</p><p>　　發(fā)射電路、掃描電路在同步電路的控制下一起同步工作，發(fā)生等間隔的脈沖電壓，從而在電子射線管的屏幕上形成一個等間隔的電子刻度，每個間隔均代表電子掃移該間隔距離所需的時間(通常用微秒計)。根據(jù)此間隔值以及超聲波

50、在被檢工件中的傳播速度，就可得到熒光屏上的缺陷波形的具體缺陷位置。脈沖反射式超聲波檢測儀器的優(yōu)點是應(yīng)用范圍廣，設(shè)備輕便、價格便宜，顯示的圖形比較簡單、清晰、容易判斷。但是，在示波器(CRT)熒光屏上顯示的波形，僅僅是探頭所在探傷面上那一點的探傷結(jié)果。整個探傷面上的探傷結(jié)果是在最后靠探傷人員的記憶來完成的。因此，該方法使得整個探傷結(jié)果不直觀，不能存儲、不便于記錄，檢測結(jié)果的可靠性不高。而且，其對設(shè)備的質(zhì)量以及探傷人員的技術(shù)水平都有很高的要

51、求，造成該無損檢測手段不能的得到大面積的推廣。</p><p>　　2．2超聲波檢測儀器設(shè)計</p><p><b>　　2．2．1總體設(shè)計</b></p><p>　　檢測儀器的總體構(gòu)成方案如圖2．3所示。</p><p>　　在設(shè)計中，硬件、軟件均采取了模塊化的設(shè)計方案。硬件主要分為超聲波檢</p>&

52、lt;p>　　測模塊、數(shù)據(jù)采樣與處理模塊三部分；軟件根據(jù)控制單元的不同，主要包括單片機MCU的匯編語言和邏輯器件EPLD的VHDL語言兩部分，并按操作功能的需要，設(shè)計為子程序式的各功能菜單塊。</p><p>　　在常用的脈沖反射式的檢測中，探頭是兼作發(fā)射和接收換能器使用的，一般</p><p>　　均采用測量來自給定反射體的脈沖反射信號幅度與各頻率分量之間的關(guān)系來表征頻率響應(yīng)。頻率

53、響應(yīng)是指在恒定聲壓和指定入射角的超聲波作用下，探頭輸出電動勢隨頻率變化的特性。</p><p>　　超聲波檢測模塊負責(zé)儀器超聲波激勵脈沖的發(fā)射和回波電壓信號的接收、模</p><p>　　擬信號處理；數(shù)據(jù)采集、處理模塊負責(zé)對模擬回波信號的采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信息存儲、數(shù)字處理，以及對超聲波檢測模塊進行功能監(jiān)控管理，控制人機對話模塊功能實現(xiàn)等；而人機對話模塊則負責(zé)完成儀器的人機交互功能。<

54、/p><p>　　2．2．2儀器硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成</p><p>　　設(shè)計的超聲波檢測儀器中，超聲波的發(fā)射電路、接收電路、高頻放大電路、</p><p>　　檢波電路以及電源電路、探頭等基本采用原有的成熟技術(shù)。而在此基礎(chǔ)上，用數(shù)據(jù)采集、處理模塊采樣模擬回波電壓信號，并進行模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換后，由單片機的CPU進行一定的處理，再送人機對話模塊的液晶顯示屏(LCD)顯示

55、，或外送計算機進行存儲、或進一步的數(shù)字化處理。并且還由單片機MCU對電源模塊、發(fā)射電路、高頻放大電路、帶通濾波(去除工件材料引起的聲學(xué)噪聲和電路元器件工作引起的電路熱噪聲)電路、檢波電路實行全數(shù)字化的控制。取消了原來的同步電路、掃描電路、時標(biāo)電路、示波器CRT，減少了硬件電路復(fù)雜設(shè)計和電路規(guī)劃，降低了信號干擾和信號失真。</p><p>　　設(shè)計儀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2．4所示。</p><p&g

56、t;　　1． 儀器探頭的選擇</p><p>　　超聲波的發(fā)射與接收都是通過探頭實現(xiàn)的，必須根據(jù)檢測對象，合理選擇探</p><p>　　頭。探頭的選擇主要考慮：探頭形式、晶片尺寸、角度、頻率等幾個方面因素。</p><p>　　(1)探頭形式的選擇要視具體情況認定，選擇直探頭或者斜探頭主要取決于欲發(fā)現(xiàn)缺陷的部位和方位。</p><p>　　

57、(2)探頭晶片尺寸的大小決定近場的覆蓋范圍。探頭晶片尺寸小則近場的覆</p><p>　　蓋率小，即近場范圍內(nèi)聲束窄。對缺陷的定位和定量，選擇探頭的原則是聲束應(yīng)盡可能地狹窄，聲束相對于缺陷要垂直入射。</p><p>　　(3)超聲波頻率很大程度上決定了超聲波對缺陷的探測能力。頻率高時，波</p><p>　　長短、聲束窄、擴張角小、能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強、

58、分辨力好、缺陷定位準(zhǔn)確，但是掃查空間小，僅能發(fā)現(xiàn)聲束軸線附近的缺陷，對于裂紋等面狀缺陷，因其有顯著的反射指向性，如果超聲波不是近于垂直射到裂面上，在檢測方向上就不會產(chǎn)生足夠大的回波，頻率越高這種現(xiàn)象越顯著，而且被檢測面粗糙時，高頻聲波散射大，不易入射。因此，頻率上限一般應(yīng)由衰減(底波出現(xiàn)狀況)和草狀回波信號的大小來決定：而下限由檢測靈敏度、脈沖寬度及指向性決定。寬帶窄脈沖探頭具有靈敏度高、分辨力好、缺陷定位準(zhǔn)確的特點。因此，結(jié)合上面的分

59、析，對于芯片檢測，我們選用德國SONIX公司的SONIXl230型超聲波探傷儀所配的系列探頭作為此儀器的超聲檢測探頭【11】【12】。頻率范圍是0．5MHz～10MHZ。另一個原因是，我公司現(xiàn)有的設(shè)備基本上都在使用這一系列的探頭，這樣更有利于管理和成本控制。</p><p><b>　　2． 電源模塊</b></p><p>　　為了用于現(xiàn)場檢測作業(yè)，電源模塊采用直流

60、電源(充電電池)供電方式，提</p><p>　　供超聲波檢測模塊、數(shù)據(jù)采集、處理模塊、人機對話模塊等工作所需的電源，并由單片機MCU控制EPLD產(chǎn)生的電源控制信號(DY)作用，分時響應(yīng)待機工</p><p>　　作狀態(tài)或短暫的檢測工作狀態(tài)：</p><p>　　(1)當(dāng)檢測儀器在待機工作狀態(tài)時，單片機控制電源模塊，使其僅產(chǎn)生數(shù)字</p><p&

61、gt;　　電路和液晶顯示部分正常工作所需的電源，這樣可以大大降低儀器的功耗，延長電池的使用時間和使用壽命。</p><p>　　(2)當(dāng)需要工作在檢測狀態(tài)時，電源模塊受控制信號(DY)作用，為超聲波</p><p>　　檢測模塊的電路提供電源，儀器進行檢測的工作。</p><p>　　3． 超聲波檢測模塊</p><p>　　該模塊主要由高頻

62、放大子模塊、帶通濾波子模塊和超聲波檢測子模塊(檢波</p><p><b>　　電路)組成。</b></p><p>　　(1)高頻放大子模塊</p><p>　　該子模塊基本由8位數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，高速寬帶集成運算放大器</p><p>　　LM318，低噪聲寬帶集成運算放大器AD600AR等設(shè)計組成。根據(jù)

63、檢測工件材料、</p><p>　　厚度，超聲波檢測頻段的需要，將接收到的微弱回波電壓信號由毫伏級放大到O～2．0V。滿足模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9058JD的工作條件。放大范圍O～100dB。(2)帶通濾波子模塊</p><p>　　帶通濾波模塊基本由三片高速寬帶集成運算放大器LM318配合其它電子元</p><p>　　器件設(shè)計組成。針對探頭頻段的需要選擇5MHz和1

64、0MHz。最大限度地去除系</p><p>　　統(tǒng)聲學(xué)噪聲和電路噪聲的干擾，實現(xiàn)不同頻率超聲波檢測時的最佳效果。</p><p>　　(3)超聲波檢測子模塊</p><p>　　超聲波檢測模塊中的檢波電路，是由一片達到120MHz的寬帶集成運算放大</p><p>　　器LM733CN設(shè)計完成，滿足了解決針對視頻顯示(檢波顯示，有利于峰值采集

65、，方便確定缺陷當(dāng)量)和射頻顯示(不檢波顯示，可保持波形狀態(tài)，有助于缺陷性質(zhì)的識別)的不同需要。</p><p>　　4． 數(shù)據(jù)采集、處理模塊</p><p>　　該模塊主要是靠A／D轉(zhuǎn)換子模塊和EPLD芯片實現(xiàn)的。下面主要介紹一下</p><p>　　A／D轉(zhuǎn)換子模塊，EPLD芯片的功能與使用將在后面的設(shè)計中詳細介紹。</p><p>　　采

66、樣回波信息由A／D轉(zhuǎn)換芯片AD9058AJD進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。為了滿足A／D</p><p>　　轉(zhuǎn)換后數(shù)字信息的高速度存儲要求，這里選用EPLD(Erasable Programmable</p><p>　　Logic Device)可編程邏輯芯片，Altera公司的EPM7128SLC84．6進行功能控制操作，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進行實時緩存于靜態(tài)存儲芯片SRAMC</p>

67、<p>　　(CY7C199．15)，再由單片機MCU從緩存區(qū)讀取數(shù)字信息進行下一步的分析、</p><p>　　處理(多次采樣信號的平均處理)。處理后的數(shù)字信息再送固定存儲器(FLASH</p><p>　　PROM芯片AT29C512)存儲，并可送液晶顯示屏進行波形圖顯示，或通過外接</p><p>　　端口中的RS．232接口送計算機進行概率統(tǒng)計、

68、頻域分析、數(shù)字濾波、聲成像或模式識別等更進一步的處理操作。</p><p><b>　　5． 人機對話模塊</b></p><p>　　人機對話模塊中的液晶顯示器(LCM)，可由大屏幕顯示屏顯示缺陷回波圖</p><p>　　形、文字說明，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。菜單操作界面顯示檢測參數(shù)選擇、修改界面，顯示儀器一些常規(guī)設(shè)置的參數(shù)選擇、修改界面等。根

69、據(jù)探傷人員的需要，回波圖形可以實時顯示并存儲，也可對存儲的缺陷回波圖形進行回放顯示。</p><p>　　6． 監(jiān)控超聲波檢測模塊</p><p>　　由于系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，需要一個統(tǒng)一的“大腦”來控制與協(xié)調(diào)各個模塊的動</p><p>　　作，所以選擇Intel公司的AT89S52芯片作為MCU來實現(xiàn)對電源模塊、超聲波發(fā)射電路、探傷方式、頻段選擇功能的管理，同時實現(xiàn)

70、程控放大(增益)功能的管理。7． 通訊模塊</p><p>　　另外，為了和其上位PC機進行通訊互聯(lián)，將現(xiàn)有的探傷結(jié)果數(shù)據(jù)信息上傳</p><p>　　給PC機進行進一步的分析和處理，同時也是為了解決儀器固有存儲容量不夠的問題，所以儀器設(shè)計了RS．232雙工的串口通訊模式。</p><p>　　2．2．3儀器軟件系統(tǒng)的基本構(gòu)成在前述硬件電路構(gòu)成的基礎(chǔ)上，采用模塊化的

71、設(shè)計方案設(shè)計了相應(yīng)的配套軟</p><p>　　件。在設(shè)計上，把儀器要用到的所有功能定義為一個個的模塊化、菜單式的子程序，并能在其它功能子程序中進行調(diào)用，結(jié)構(gòu)嚴謹、明了。整個軟件設(shè)計采用樹狀結(jié)構(gòu)，每個功能按鍵對應(yīng)一個相關(guān)功能子程序，配合液晶顯示屏進行人機對話，實現(xiàn)功能菜單的分選操作。在每個功能菜單項的基礎(chǔ)上又分為多個子功能菜單，力求操作簡單。圖2．5為軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的樹狀圖，具體的功能定義將在第五章人機對話模

72、塊設(shè)計中介紹。</p><p>　　2．3儀器抗干擾措施</p><p>　　由于本儀器的高頻工作特性，而且需要將幾十微伏級的微弱電壓信號放大到0,--2．OV，并且要從許多高頻信號中采樣出來。其現(xiàn)場作業(yè)的使用環(huán)境亦比較惡劣，故對各種干擾信號的處理和排除一些聲學(xué)噪聲和電路熱噪聲影響的要求也就相對比較高，對此，采取了以下的抗干擾措施，效果良好。</p><p>　　1

73、．盡量采用低噪聲，抗干擾能力強的芯片、器件。IC器件盡量直接焊在電</p><p>　　路板上，盡量不使用IC插座。</p><p>　　2．集成數(shù)字電路使用的電源、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用了抗干擾元件</p><p>　　(串聯(lián)磁珠)去禍、并聯(lián)0．01肛瓷片電容作高頻旁路和l心鈕電容作低頻旁路，盡量減少噪聲的干擾。</p><p>　　3

74、．優(yōu)化電路設(shè)計，盡量減少信號線布線長度、不用90度折線減少高頻噪聲</p><p>　　的發(fā)射，用地線隔離繼電器、變壓器等大功率器件，并將其盡量分布在線路板邊緣，減少電磁干擾。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地。采用地平面技術(shù)，以使所有數(shù)字地、模擬地均直接連到完全包圍高速部件的地平面上。地平面應(yīng)盡可能覆蓋整個PCB，連到地平面的每條線盡可能短，以減少分布電感。</p>

75、<p>　　4。在晶體振蕩器的電路布線安排上，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線</p><p><b>　　把時鐘區(qū)隔離起來。</b></p><p>　　5．繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾，在</p><p>　　繼電器接點兩端并接火花抑制電路(RC串聯(lián)電路)，減小電火花的影響。</p>

76、<p>　　6．對單片機MCU使用了電源監(jiān)控及看門狗電路，在速度能滿足要求的前</p><p>　　提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。</p><p>　　7．軟件設(shè)計上，盡量優(yōu)化、簡單的模塊化設(shè)計方案，減少了煩瑣的操作過</p><p>　　程和復(fù)雜的邏輯處理。在采樣過程中，采用了多次采樣平均處理的方法。</p><p&

77、gt;<b>　　2．4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了脈沖反射式超聲波探傷儀器的基本原理，提出了利用EPLD強大的邏輯處理功能、易于應(yīng)用的I／O端口，借助單片機MCU體積小、成本低、易控制、可靠性高、運用靈活等特點，開發(fā)一套數(shù)字化脈沖反射式超聲波探傷儀器。該儀器不僅具有超聲回波信號的自動采集、存儲、顯示、分析和處理功能，而且具有輸出接口，為數(shù)據(jù)的進一步二次開發(fā)處理，實現(xiàn)超聲

78、檢測的圖像化、智能化、自動化奠定了良好的基礎(chǔ)。第三章超聲波檢測模塊設(shè)計</p><p>　　超聲波檢測模塊的主要任務(wù)是將微弱的超聲回波電壓信號不失真地放大，然</p><p>　　后送給高速數(shù)據(jù)采集、處理模塊。因此，它是本課題設(shè)計的基礎(chǔ)部分，是實現(xiàn)將檢測信息娩出，得到良好超聲波回波信息的關(guān)鍵所在。本章在繼續(xù)分析超聲波檢測原理的基礎(chǔ)上，詳細介紹了電源電路，超聲波發(fā)射電路，接收、阻尼限幅電路，

79、程控放大電路，濾波電路，檢波電路等各部分的設(shè)計。</p><p><b>　　3．1電源電路設(shè)計</b></p><p>　　超聲波檢測儀器要適合于現(xiàn)場檢測，必須體積小、重量輕、工作時間長，還要分時響應(yīng)待機工作狀態(tài)或短暫的檢測工作狀態(tài)。</p><p>　　考慮到儀器雖然大部分時間都工作在待機工作狀態(tài)，功耗不是很大。但一旦</p>

80、<p>　　工作在檢測狀態(tài)時，其要提供的高壓直流電源是脈沖式超聲波檢測儀器超聲波發(fā)射電路必不可少的部分，電源性能的好壞直接關(guān)系到探頭激發(fā)的聲源質(zhì)量。高質(zhì)量的電源電壓紋波系數(shù)要小，此時貯能電容的充電電壓一致性才好，因此超聲源的發(fā)射強度就會很穩(wěn)定。另外，高壓直流電源還必須要具有一定的功率，能提高貯能電容的充電速度，從而提高超聲波發(fā)射重復(fù)頻率的上限。儀器設(shè)計選用高頻開關(guān)電源。</p><p>　　圖3．1是

81、電源模塊的部分電路圖，其中PWM為脈寬調(diào)制型的控制電源轉(zhuǎn)換</p><p>　　的IC芯片，受邏輯器件EPLD的控制，需要時響應(yīng)儀器的檢測工作狀態(tài)。</p><p>　　常用的超聲波檢測電壓超過l 00V，多數(shù)在+400V,--+600V左右，本設(shè)計電源</p><p>　　取+600V。采用高頻DC．DC變換器將恒定的12V直流變?yōu)?600V直流和_5V、<

82、/p><p>　　一12V的直流電源。由于使用高頻變壓器，使電源的體積小、重量輕，</p><p>　　3．2超聲波發(fā)射控制電路設(shè)計</p><p>　　發(fā)射電路接收由單片機MCU控制EPLD提供的低壓可調(diào)脈寬的高頻脈沖電</p><p>　　壓信號(FJ)后，產(chǎn)生高壓的窄脈沖激勵信號。激勵脈沖電壓加在探頭的壓電晶體兩端，由于逆壓電效應(yīng)，壓電晶體

83、受激振動而產(chǎn)生形變，從而發(fā)出超聲波，其輻射能量與脈沖電壓直接相關(guān)，只要在線性范圍內(nèi)，脈沖電壓越高，其輻射能量越強，檢測儀器靈敏度越高。但是以提高脈沖電壓來增強輻射能量是有限的，因為當(dāng)脈沖電壓達到一定值時，其輸出能量會飽和，這時提高脈沖電壓不僅沒有好處，反而因脈沖寬度加大而增大檢測盲區(qū)。另外，過高的發(fā)射電壓也可能會損壞高頻探頭。發(fā)射電路最常用的有諧振式及非諧振式兩類，其中諧振式發(fā)射電路的發(fā)射頻率由電路的諧振頻率決定，而非諧振式發(fā)射電路的發(fā)

84、射頻率由探頭本身的自然頻率決定。超聲發(fā)射脈沖通常是用預(yù)先充電到高壓的電容突然放電來產(chǎn)生，得到的超聲信號波形是一種單頻載波脈沖信號。儀器設(shè)計采用非諧振式發(fā)射電路，其電</p><p>　　路原理圖如圖3．2所示。</p><p><b>　　工作過程：</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，功率MOS管M1關(guān)斷，高壓直流電源+600V通過電阻剛給高

85、壓貯</p><p>　　能電容C1充電；動態(tài)時，正觸發(fā)脈沖(FJ)加在P1三極管上，三極管P1、功</p><p>　　率MOS管M2導(dǎo)通，高壓貯能電容Cl就通過功率MOS管MI、電阻R6和探頭</p><p>　　放電，探頭受到貯能電容所放電高壓脈沖的激勵，按照本身的自然諧振頻率發(fā)射脈沖超聲波。激勵脈沖(FJ)寬度是影響檢測縱向分辨率的主要因素。激勵脈沖越寬，發(fā)

86、射強度越大，儀器分辨率就越低，這時適合探測范圍大，對分辨率要求不高的場合；反之，激勵脈沖越窄，發(fā)射強度越小，分辨率就越高，適合探測近表面缺陷或?qū)Ψ直媛室蟾叩膱龊?。脈沖寬度與檢測時縱向分辨率的關(guān)系如圖3．3所示。當(dāng)反射回波WA和WB剛好不重疊時，界面A與界面B就剛好能分辨開來。</p><p>　　為了保證反射回波WA和WB不重疊，激勵脈沖寬度t必須滿足t_<2d／e，因此：</p><

87、p><b>　　d晌=△皿=÷ Z</b></p><p>　　式中單位：c，為聲速，單位mm／s；</p><p>　　t，為激勵脈沖寬度，單位S；</p><p>　　d，為界面間距，單位mm；</p><p>　　dmin，為最小界面間距，單位mm；</p><p>　　這樣

88、，對于不同的探傷材料、不同的探傷厚度等需要配合不同諧振頻率的探</p><p>　　頭、不同寬度的激勵脈沖、不同重復(fù)頻率等要求時，儀器均可利用MCU中存儲的程序調(diào)用及一些簡單的參數(shù)修改來完成，操作靈活、方便。</p><p>　　3．3阻尼限幅電路設(shè)計</p><p>　　在單探頭工作方式中，因接收探頭和發(fā)射探頭為同一探頭，因此激勵脈沖高電壓將輸入到接收通道，造成在

89、其接收通道輸入端輸入的信號不僅有幾十微伏到1．0伏的回波信號，而且還有100～600伏的發(fā)射脈沖高壓信號，如果不能對此信號進行限幅，將損壞接收通道電路元件，并使接收通道在激勵脈沖之后一段時間不能正常接收缺陷回波信號，很可能造成工件近表面探傷的誤判。本超聲波檢測儀器的接收通道采用并聯(lián)限幅的保護電路，其電路如圖3．4所示。</p><p>　　其中二極管D1、D2、D3和D4、D5、D6分別對正向和負向大脈沖高壓信&

90、lt;/p><p>　　號進行限幅，保護了接收通道免受瞬時的脈沖高壓沖擊，提高了接收通道后續(xù)電路的抗阻塞特性和檢測時的反應(yīng)靈敏度。</p><p>　　3．4程控放大電路設(shè)計</p><p>　　在超聲波檢測接收電路中，程控高頻放大電路是本檢測儀器能夠取得完整</p><p>　　的，而且波形不失真的超聲回波信息的關(guān)鍵所在。主要涉及到的幾個重要設(shè)

91、計參數(shù)是：增益、動態(tài)范圍、帶寬和放大噪聲。設(shè)計中選擇了兩片壓控放大芯AD600AR構(gòu)成程控高頻放大電路，其結(jié)構(gòu)原理如圖3—5所示。</p><p>　　壓控放大器芯片AD600AR的控制電壓由兩片D／A芯片DAC0832給出。其</p><p>　　增益量由程序控制在0～l 00db范圍內(nèi)變化，能滿足常用自動化探傷的要求。增益控制電路適應(yīng)不同測試對象對回波信號的強弱影響，可通過MCU的軟件

92、實現(xiàn)動態(tài)自動控制增益值。選擇AD600AR作為放大電路的主要器件，是因為該器件具有線性分貝、噪聲低、頻帶寬、增益精度高、增益控制靈活等特點。線性分貝，是指控制電壓與放大器增益的分貝數(shù)呈線性關(guān)系，這對探傷儀軟件的設(shè)計是很有利的，而且提供一種系統(tǒng)自動校正垂直線性的手段。放大電路中，增益精度主要取決于AD600AR的衰減誤差。單片AD600AR在40dB(0dB,--,+40dB)范圍內(nèi)的衰減誤差最大僅為士0．3dB，增益精度高。另外，它的最

93、大功耗僅為125mW。</p><p><b>　　3．4．1增益</b></p><p>　　增益是超聲波檢測儀器程控放大電路設(shè)計的主要參數(shù)之一。它表征放大微弱</p><p>　　超聲回波電壓信號的能力，直接表現(xiàn)了檢測儀器的綜合靈敏度，所以是必須著重考慮的主要指標(biāo)。</p><p>　　超聲波檢測儀器的放大器不同于一

94、般放大器。超聲回波電信號為微弱的電壓</p><p>　　信號，一般為毫伏級，部分信號為幾十微伏，經(jīng)常見到的超聲探傷儀器的增益數(shù)值是l 10dB左右。在模擬超聲探傷儀器中，超聲脈沖信號最終要送到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板去顯示。驅(qū)動示波管垂直偏轉(zhuǎn)板到滿屏的信號幅度要數(shù)十伏。超聲回波信號如果低于數(shù)十微伏，要把數(shù)十微伏的信號放大到數(shù)十伏所要求的探傷儀器的。增益就是120dB，故在傳統(tǒng)模擬式探傷儀器中，110～120dB的增益是

95、必要的。而在放大器的輸入端，各種電子噪聲通常達109V左右。如果超聲回波信號低于數(shù)十微伏，此時的信噪比將會很低。所以，小于109V的信號通常已沒有任何實際意義。程控放大電路也就沒有必要考慮小于1 0uV的信號進行任何增益放大。而在數(shù)字化探傷儀器中，放大器的輸出信號要送給模／數(shù)轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)代模／數(shù)轉(zhuǎn)換器需要的輸入電壓只要+2．0V甚至更小。因此，從數(shù)十微伏放大到+2．0V，數(shù)字式超聲波檢測儀器的放大接收電路必須要有足夠的增益(約80dB左右

96、的增益也就足夠了)。本課題設(shè)計是O～1 00dB的增益可調(diào)范圍，將回波電壓信號放大到合適的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍(+O．2V~+2．0V)。</p><p><b>　　3．4．2動態(tài)范圍</b></p><p>　　動態(tài)范圍(線性范圍)也是一個需要著重考慮的設(shè)計參數(shù)。制約超聲波檢測</p><p>　　儀器設(shè)計中動態(tài)范圍的主要因素有：程控放大

97、后，到A／D轉(zhuǎn)換前的最大不失真信號電平、噪聲電平、檢波電路能不失真檢波的最低信號幅度等。在儀器系統(tǒng)增益高端受噪聲電平影響，而在儀器系統(tǒng)增益低端，檢波電路的分辨力影響動態(tài)范圍。理論上，所有放大電路都只有在它的線性放大范圍內(nèi)時，也就是滿足V輸入在VI～V2之間范圍時，才會有一個比較恒定的放大倍數(shù)K。如圖3-6所示因此，從設(shè)計理論上來講，當(dāng)然是希望動態(tài)(線性)范圍越大越好。這樣，</p><p>　　既減少了小信號的缺

98、失真，又避免了一些大信號的飽和失真。但對動態(tài)范圍的要求也應(yīng)適可而止，過大的動態(tài)范圍既增加了電路設(shè)計的難度，也沒有太大的實際意義。在熒光屏上，最大幅度是100％，最小通常是10％或5％。大家知道，能用眼睛分辨的幅度差別不大于1％。如果最小定在10％，則l％的絕對誤差，在0％幅度時，相對誤差是10％，即近1dB；在讀出5％幅度時，1％相對5％是20％，即近2dB，所以都盡量在80％或50％等較大幅度處讀數(shù)。在儀器中，讀數(shù)的功能是由模／數(shù)轉(zhuǎn)換

99、器AD9058AJD來完成的。當(dāng)然希望模／數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠最好讀取放大電路線性范圍內(nèi)輸出的不失真的信息。其讀數(shù)原理與眼睛相似。不同的是，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器可有較高的分辨力。系統(tǒng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器是8位的，其分辨力大約為1％。由此可見，如果把讀數(shù)限制在lO％或5％幅度處，根據(jù)數(shù)字式超聲波檢測儀器的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，則26dB的動態(tài)(線性)范圍足夠了。儀器設(shè)計采用的壓控放大器AD600AR在35MHz帶寬下的動態(tài)范圍是40dB。</p><

100、p><b>　　3．4．3帶寬</b></p><p>　　接收通道的帶寬(頻率特性)也是一個非常重要的參數(shù)，它表示的是接收通</p><p>　　道的幅度特性，即增益G與頻率f的關(guān)系，是指接收通道輸出信號與輸入信號相比，增益G在幅度和相位方面隨超聲波頻率f的變化規(guī)律。具體定義的帶寬為增益下3dB(或下降到70．7％)的頻率范圍。</p><

101、p>　　現(xiàn)在通用的超聲波檢測儀器大多使用的是寬帶放大器，為的是使其在工作頻</p><p>　　率范圍內(nèi)有很好的幅度和相位特性，可以適應(yīng)相應(yīng)范圍內(nèi)不同頻率探頭的需要，輸出高保真的波形。系統(tǒng)帶寬直接影響整個儀器的分辨率、靈敏度和信噪比。頻帶寬度越大，接收到的信號頻譜豐富、波形失真小、脈沖前后陡峭、展寬小、分辨力好。但是因為噪聲的頻帶較寬，所以隨著頻帶的加寬，將會相應(yīng)的增大噪聲而降低信噪比。過寬的頻率范圍也會帶

102、來增益下降的犧牲。</p><p>　　超聲波檢測儀器放大電路的典型頻率特性如圖3．7所示，在相當(dāng)寬的頻率范</p><p>　　圍內(nèi)，增益保持不變。通常就以它來歸一化，即以它為l，不管它的絕對值是loo或10000。在低頻率端fL處增益下降；而在高頻率端fH處是先略有上升，然后下降。由圖3-7所示，設(shè)計儀器放大電路的頻帶寬度應(yīng)該為：低頻帶fL=100KHz，高頻帶fH=35MHz。由于f

103、L比fH小得多，近似用</p><p>　　AF=fH=35MHz來表示儀器放大電路的頻帶。聲波回波信號的最大特點就是具有極寬的頻帶，因此，接收通道必須具有足夠高的頻帶寬度才能不失真地放大超聲回波信號。通常設(shè)計接收通道的帶寬是回波信號中心頻率的5～8倍，設(shè)計中，AF=35MHz。其在接收回波信號時，失真己經(jīng)很小，已基本滿足探頭(0．5MHz～10MHz，常用頻率10MHz以下)對通頻帶的要求。</p>

104、<p><b>　　3．4．4</b></p><p>　　放大噪聲放大噪聲(或稱作放大電路的熱噪聲)也是設(shè)計考慮的重要參數(shù)之一。它是在輸入端短路條件下把增益開到最大，測量輸出端的噪聲，再除以增益，從而換算到輸入端的噪聲電壓VN來計算的。例如，一個放大器噪聲為1009V，增益為80dB則在放大器“開足馬力"(增益設(shè)為80dB)時，輸出端噪聲將達100I．tVg1000

105、0=IV，顯示器上將全是噪聲，放大器的80dB增益毫無意義。如果希望聲控制在5％以下，則噪聲必須小于5pV。在實際使用條件下，放大器輸入端還有電纜和探頭，它們像天線一樣，還要把周圍環(huán)境噪聲接收進來，這些噪聲通?？蛇_數(shù)十微伏。熱噪聲引起的熱噪聲電壓VN本身就是一個非周期變化的時間函數(shù)，</p><p>　　它的頻率范圍很寬廣，VN將隨頻帶的增加而增加。因而，受到噪聲放大后干擾程度的影響，我們實際上也就很難能把增益設(shè)

106、計到很大。設(shè)計壓控放大芯片礦AD600AR的熱噪聲電壓密度華： 一B</p><p>　　1≯7一 ．一 半=一4KTR=1．4NV／0H N</p><p><b>　　V稱為熱噪聲電壓，</b></p><p>　　B為頻帶寬度(35MHz)，</p><p>　　k為玻耳茲曼常數(shù)，其值為1．37×10之3

107、J／K，</p><p>　　T是絕對溫度(K)，</p><p>　　R是放大電路的內(nèi)阻(Q)。</p><p>　　在程控放大電路后面，設(shè)計了一段信號調(diào)理抑制電路，如圖3—8所示。電路</p><p>　　對來自電力供電系統(tǒng)頻率在50Hz或60Hz的噪聲或者信號放大后所有小于</p><p>　　+0．2V，以及大

108、于+2．0V的電壓信號都進行抑制，使得信號調(diào)理抑制電路的輸出范圍達N+o．2V---+2．0V。為A／D轉(zhuǎn)換芯片AD9058AJD提供良好的模擬轉(zhuǎn)換信號，提高整個儀器的數(shù)據(jù)采樣質(zhì)量。</p><p><b>　　3．5濾波電路設(shè)計</b></p><p>　　3．5．1超聲回波信號的噪聲</p><p>　　聲回波信號的噪聲一般分為兩種：非聲學(xué)

109、噪聲和聲學(xué)噪聲。</p><p><b>　　1． 聲學(xué)噪聲：</b></p><p>　　主要是材料噪聲，一般是指由材料中的粗晶粒晶界散射引起的微結(jié)構(gòu)噪聲，</p><p>　　它的幅度和到達時間是隨機的。往往對缺陷信號造成干擾，甚至將目標(biāo)信號完全湮沒。晶界回波不同于電噪聲，它是靜止的、相關(guān)的。在掃描檢測過程中，若換能器(探頭)不動，則不同次

110、采樣中的材料噪聲應(yīng)近似相同。</p><p><b>　　2． 非聲學(xué)噪聲</b></p><p>　　主要包括電子電路噪聲、振鈴噪聲和脈沖噪聲等。這里主要涉及到電子電路</p><p>　　噪聲(簡稱電噪聲)。電噪聲源于儀器電路中的隨機擾動，比如電路中元器件的電子熱運動及半導(dǎo)體器件中載流子的不規(guī)則運動等。電噪聲是一種連續(xù)性隨機變量，即在某一時