畢業(yè)設(shè)計(jì)---超聲波探傷儀的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲無損檢測是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的非常廣泛的一種無損檢測方法，它對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有著重要的意義。盡管隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了一些數(shù)字化的超聲檢測儀器，但其數(shù)據(jù)處理及擴(kuò)展能力有限，缺乏足夠的靈活性。而虛擬儀器是近年來剛剛發(fā)展起來的一種新的儀器構(gòu)成方式，它是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有

2、很大的靈活性和擴(kuò)展性，具有旺盛的生命力。因而本設(shè)計(jì)嘗試將虛擬儀器技術(shù)和超聲檢測技術(shù)相結(jié)合，基于AT89C52 單片機(jī)開發(fā)的超聲探傷儀智能系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和抗干擾措施,以脈沖反射式超聲探傷儀為代表研制完成一個(gè)良好的數(shù)字化的超聲檢測平臺(tái)，該系統(tǒng)具有測量、數(shù)字顯示、A/ D 轉(zhuǎn)換等功能, 并具有工作穩(wěn)定、性能好等優(yōu)點(diǎn)。為以后進(jìn)一步的更深入的超聲數(shù)字信號(hào)處理研究打下了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無損

3、檢測 ；超聲波探傷 ；AT89C52 ；虛擬儀器； LabVIEW</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As a kind of NDT(Non-Destructive Testing)，UT (Ultrasonic Testing) is widely used in modern industry, which plays

4、a very important role in improving the quality and the reliability of product. Although along with technical development in electronics, some digital UT instruments have been developed at home, its expand- ability and th

5、e ability of processing data limited. VI (Virtual Instru- ment) is a new Instrument structure developed recent years and is an outcome which combines the computer tec</p><p>　　Keywords：NDT(Non-Destructive Te

6、sting)；UT (Ultrasonic Testing) AT89C52； LabVIEW ；VI (Virtual Instrument)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p&g

7、t;<b>　　目 錄4</b></p><p><b>　　第一章 緒論6</b></p><p>　　設(shè)計(jì)的背景及意義7</p><p>　　第二章 超聲波及超聲檢測的原理9</p><p>　　2.1超聲波的基本性質(zhì)9</p><p>　　2.1.1超聲波

8、的速度及波長9</p><p>　　2.1.2超聲波的衰減10</p><p>　　2.2超聲換能器11</p><p>　　2. 2.1超聲換能器的定義及分類11</p><p>　　2.2.2超聲換能器的主要性能參數(shù)12</p><p>　　2. 3超聲波探傷的原理13</p><p

9、>　　2.3.1超聲波探傷方法的分類13</p><p>　　2.3.2脈沖反射式超聲探傷儀的原理14</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖18</p><p>　　3.2單元電路19</p><p>　　3.2.1 AT89C52單片機(jī)19&l

10、t;/p><p>　　3.2.2發(fā)射電路21</p><p>　　3.2.3信號(hào)調(diào)理電路23</p><p>　　3.2.4 600v電源電路32</p><p>　　3.2.5. +5v電源電路以及-5v電源 電路33</p><p>　　3.3 上位機(jī)處理設(shè)計(jì)35</p><p>　　

11、3.3.1基于LabVIEW的單片機(jī)串口通訊設(shè)計(jì)35</p><p>　　3.3.2 基于LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)37</p><p><b>　　第四章 總結(jié)41</b></p><p>　　第五章 主要參考文獻(xiàn)42</p><p>　　第六章 致謝詞43</p><p><b&

12、gt;　　第一章 緒論</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)在設(shè)備和裝備的運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、提高生產(chǎn)率、降低成本等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，無損檢測也已經(jīng)發(fā)展成為一門獨(dú)立的綜合性學(xué)科，而超聲波探傷技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位，在很多領(lǐng)域均獲得非常廣泛的應(yīng)用。    由于超聲波無損探傷設(shè)備在不同的應(yīng)用場合，其對探頭的要求不同

13、，對接收的回波信號(hào)的處理算法也不同，因此某一類的無損探傷設(shè)備，通常只能適應(yīng)于一種或幾種應(yīng)用場合。為使超聲波探傷設(shè)備具有更好的應(yīng)用范圍、更高的處理算法和更快的更新周期，可采用虛擬式超聲波無損探傷設(shè)備。虛擬超聲探傷系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的功能來模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板，以多種形式輸出檢測結(jié)果，利用軟件功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算、分析和處理。利用輸入輸出(I/O)接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測量與調(diào)試，從而完成各種測試功能的超聲無損探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)

14、是虛擬儀器技術(shù)與傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。在設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字超聲系統(tǒng)時(shí)，結(jié)合傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)中模擬通道的設(shè)計(jì)，因?yàn)槿魏我粋€(gè)超聲探傷系統(tǒng)都必須包括超聲波的發(fā)射電路、接收電路和信號(hào)調(diào)理電路才能進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)的處理工作，這些電路的設(shè)計(jì)將直接影響</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的背景及意義</b></p><p>　　在無損檢測過程中不但要完成是否存在缺陷的判斷，而且要實(shí)現(xiàn)

15、一些工藝參數(shù)的測量，進(jìn)而對被檢測的材料或工件進(jìn)行性能的評估。對于超聲檢測而言，其應(yīng)用中的硬件電路具有很大的相似性，因而如何靈活、準(zhǔn)確的從通過介質(zhì)的超聲波中提取包含被檢測物體特征的信號(hào)成為關(guān)鍵，它對系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理能力和靈活性提出了很高的要求。數(shù)字化的超聲檢測儀采用了單片機(jī)或者DSP作為數(shù)據(jù)處理單元，可以實(shí)現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)處理能力，但其硬件或固化的軟件的開發(fā)形式缺乏靈活性，不利于用戶二次開發(fā)升級(jí)，而從虛擬儀器的產(chǎn)生動(dòng)機(jī)和特點(diǎn)可以看到，虛擬儀

16、器的產(chǎn)生正是順應(yīng)了儀器發(fā)展的潮流，就如美國NI（National Instrument)公司所提出的“軟件即儀器”的概念那樣，它十分重視在相同的硬件條件下，用不同的軟件分析處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同儀器的功能，它提供的大量的分析處理函數(shù)庫為信號(hào)的分析處理提供了有力的支持，因而將超聲檢測與虛擬儀器相結(jié)合有著重要的意義，有助于超聲檢測的良性發(fā)展。</p><p>　　第二章 超聲波及超聲檢測的原理</p>&l

17、t;p>　　2.1超聲波的基本性質(zhì)</p><p>　　通常人耳能夠聽到的聲波的頻率范圍在20-20000Hz之間，人們習(xí)慣上把頻率超過20KHz的聲波稱為超聲波。超聲波本質(zhì)上是一種機(jī)械波，所以它的產(chǎn)生必須依賴于兩個(gè)條件，一是有做機(jī)械振動(dòng)的聲源，二是有能夠傳播振動(dòng)的彈性介質(zhì)。</p><p>　　波的種類是根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波動(dòng)傳播方向的關(guān)系來區(qū)分的。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形有

18、許多種，用于探傷的有縱波、橫波、表面波、板波等，其中最常用的是縱波直探頭探傷和橫波斜探頭探傷。縱波常用來探測鋼板、錠材、大型鍛件等形狀比較簡單的制品，而橫波常用來檢測焊縫、管材等形狀比較復(fù)雜的制品。</p><p>　　2.1.1超聲波的速度及波長</p><p>　　聲波在介質(zhì)中向前傳播的速度，稱為聲速。對于不同種類的超聲波，其傳播速度不同。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量及介質(zhì)

19、的密度有關(guān)，對一定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質(zhì)，有不同的聲速。超聲波波形不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形的方式不同，速度也不一樣。因此，超聲波在介質(zhì)中傳播的速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù)。</p><p>　　超聲波的頻率、波長和聲速之間的關(guān)系如下:</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中

20、為超聲波的波長、c為超聲波在介質(zhì)中的的波速、?為超聲波的頻率。可見，在同一種介質(zhì)中超聲波的波長與超聲波的頻率成反比。</p><p>　　2.1.2超聲波的衰減</p><p>　　超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做超聲的衰減。</p><p>　　超聲衰減的三種主要原因:</p><p>　　聲束擴(kuò)散引起

21、的超聲波衰減</p><p>　　散射引起的超聲波衰減</p><p>　　由介質(zhì)吸收引起的超聲波衰減</p><p>　　鑒于以上原因，為使接收信號(hào)不過度失真，需要在超聲波接收單元中設(shè)計(jì)一高增益放大電路，即下文中的衰減放大電路。</p><p><b>　　2.2超聲換能器</b></p><p&g

22、t;　　2. 2.1超聲換能器的定義及分類</p><p>　　顧名思義，換能器就是一種將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件。超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或各將外部的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲換能器是超聲檢測裝置中非常重要的一個(gè)部分，它的性能和特點(diǎn)往往決定了超聲檢測的方法，對檢測的效果有著很大的影響。</p><p>　　超聲換能器的種類很多

23、，按照換能器的工作介質(zhì)可分為氣體超聲換能器、液體超聲換能器以及固體超聲換能器等，按照能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理和利用的換能器材料，可分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、靜電換能器(電容型換能器)，機(jī)械型超聲換能器等。其中壓電換能器的理論研究和實(shí)際應(yīng)用最為廣泛，目前最常用的壓電材料是壓電陶瓷材料。</p><p>　　在無損檢測領(lǐng)域，人們常常稱檢測用的超聲換能器為超聲探頭。在實(shí)際應(yīng)用中，由于超聲探頭往往是與超聲檢測的方法是緊密相連

24、的，不同的檢測方法需要不同的超聲探頭，因而超聲探頭的種類也是多種多樣的。根據(jù)產(chǎn)生超聲波波形的不同，探頭可分為縱波探頭(也叫直探頭)、橫波探頭(也叫斜探頭)和表面波探頭等幾種。根據(jù)耦合方法區(qū)分，有直接接觸式探頭和水浸探頭。按工作方式分有單晶探頭、雙晶探頭和列陣探頭等。</p><p>　　2.2.2超聲換能器的主要性能參數(shù)</p><p>　　衡量超聲檢測系統(tǒng)中的換能器的性能需要的參數(shù)很多，

25、主要有兩個(gè):一是換能器的靈敏度，二是換能器的帶寬。前者取決于振型、換能器的材料及機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后者是換能器的頻率帶寬特性，包括功率、聲壓、阻抗及靈敏度等隨頻率變化的帶寬特性。對于應(yīng)用于脈沖法檢測的超聲換能器，要求其頻帶寬，這就是所謂的寬帶換能器，也稱高阻尼探頭，它保證激勵(lì)產(chǎn)生的超聲波脈沖信號(hào)有較陡的上升沿，余振也短，這種特性在超聲檢測系統(tǒng)中特別重要。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用德國K．K公司(Krautkra

26、mer)的B5S單晶縱波直探頭。該探頭具有5 MHz的標(biāo)稱頻率，15～6 000 mm的工作量程和110 mm的近場長度。</p><p>　　2. 3超聲波探傷的原理</p><p>　　超聲波探傷是利用超聲波在物體中傳播的一些物理特性來發(fā)現(xiàn)物體內(nèi)部的不連續(xù)性(即通常所說的缺陷)的一種方法。首先通過激勵(lì)超聲發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波并使其進(jìn)入工件，然后再通過超聲接收換能器將工件中經(jīng)過被檢測材料

27、自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波轉(zhuǎn)換成接收信號(hào)，缺陷作為與構(gòu)件材料不同的介質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生不同的特征信號(hào)，接著再對接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，從而獲得有關(guān)缺陷或材料的特性信息。</p><p>　　2.3.1超聲波探傷方法的分類</p><p>　　超聲波探傷法的種類很多，根據(jù)聲耦合方式可分為接觸法和液浸法兩大類，按聲波傳播方式可分為反射法和透射法兩種。按超聲波激勵(lì)方式可分為脈沖波、連續(xù)波和

28、調(diào)頻波等探傷方法。按波形分又可分為縱波、橫波、表面波和板波等。在目前的實(shí)際使用中，廣泛使用的是接觸式脈沖反射法。</p><p>　　考慮到脈沖超聲探傷儀在實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛，本設(shè)計(jì)將對基于虛擬儀器技術(shù)的超聲脈沖反射式探傷儀的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行討論。</p><p>　　2.3.2脈沖反射式超聲探傷儀的原理</p><p>　　超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，

29、利用被檢工件底面或內(nèi)部缺陷的反射回波探測反射源的位置和大小的方法，稱為脈沖反射法?？v波脈沖反射法工作原理如圖2-1所示，一般只需要一個(gè)探頭兼做發(fā)射和接收。超聲探傷主要是判斷工件材料有無缺陷，若有缺陷時(shí)，確定缺陷的大小和位置，進(jìn)而評價(jià)其有無使用價(jià)值和修復(fù)的可能性。</p><p>　　圖2.1 脈沖法縱波探傷原理</p><p><b>　　a.判斷缺陷的存在</b>

30、</p><p>　　換能器發(fā)射的超聲波在工件內(nèi)部傳播時(shí)，當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生反射。反射信號(hào)的強(qiáng)度與反射率R的大小有關(guān)，而反射率R只與入射介質(zhì)和反射介質(zhì)的材料有關(guān)。由于反射信號(hào)通過的聲程是一定的，換能器獲得的反射信號(hào)的強(qiáng)度也是一定的。</p><p>　　當(dāng)工件無缺陷時(shí)，只有始發(fā)射脈沖波和底面反射</p><p>　　波，兩者之間沒有其它回波。</p>

31、;<p>　　當(dāng)工件中有面積小于聲束截面的小缺陷，則會(huì)在始</p><p>　　波和底波之間出現(xiàn)缺陷回波。缺陷回波在時(shí)間軸上的位置可以確定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取決于缺陷在聲束入射方向上的投影面積的大小，當(dāng)有缺陷回波出現(xiàn)時(shí)，底波高度下降。</p><p>　　當(dāng)工件中缺陷大于聲束截面時(shí)，全部聲能被缺陷所</p><p>　　反射，只有始

32、波和缺陷回波，不會(huì)出現(xiàn)底波。</p><p><b>　　b.缺陷的定位 </b></p><p>　　由于超聲波在介質(zhì)的波速是一定的，則在圖2.1中</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　若知道工件長L的大小，則可以根據(jù)發(fā)射波到反射波與發(fā)射波到底波的時(shí)間的比值，來確定

33、缺陷距探頭的距離。</p><p>　　若不知道L的大小，則可以根據(jù)聲束和聲波在介質(zhì)中傳播至缺陷所需時(shí)間和波速來定位缺陷。</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式中C為材料中的聲速，為聲波遇到缺陷時(shí)的來回傳播時(shí)間。</p><p><b>　　c.缺陷的定量</b>&

34、lt;/p><p>　　假如缺陷尺寸小于波長一半時(shí)，由于超聲波的衍射作用而將不會(huì)產(chǎn)生明顯的反射回波，從而無法探測缺陷，因此缺陷尺寸的最小檢測極限為。</p><p>　　工件或材料中的實(shí)際缺陷是多種多樣的，其形狀和性質(zhì)也各不相同，而超聲波的波長又比較大，要確定其真實(shí)大小是非常困難的，甚至不可能的，所以只能采用相對比較的方法，即用未知量(缺陷)與已知量(規(guī)定的人工缺陷)的回波振幅相比較的方法，來

35、確定缺陷的當(dāng)量大小，這就是超聲探傷中的缺陷定量的基本原理。</p><p>　　假設(shè)已經(jīng)規(guī)定A處為已知量，以此處為參考，如圖2.2</p><p>　　圖2.2 缺陷定量示意圖</p><p><b>　　則缺陷率為 ：</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p>

36、<p>　　其中 —缺陷波幅值</p><p>　　— 始波幅值 </p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖 </p><p>　　虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心控制器件，主要由主機(jī)控制、發(fā)射電路、信號(hào)調(diào)理電路

37、、探頭、上位機(jī)顯示等部分組成。數(shù)據(jù)采集由AT89C82單片機(jī)結(jié)合LabVIEW串口通訊函數(shù)完成,然后結(jié)LabVIEW應(yīng)用軟件進(jìn)行探傷系統(tǒng)的面板設(shè)計(jì)和部分功能的設(shè)計(jì)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理，對測試結(jié)果進(jìn)行顯示。</p><p>　　圖3.1 超聲探傷儀總體框圖</p><p><b>　　3.2單元電路</b></p><p>　　3.2

38、.1 AT89C52單片機(jī)</p><p>　　AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。<

39、/p><p>　　單片機(jī)正常工作時(shí)，都需要有一個(gè)時(shí)鐘電路，和一個(gè)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機(jī)的最小電路。EA端接+5v電源選中內(nèi)部存儲(chǔ)器。</p><p>　　單片機(jī)單元電路連接圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)單元電路</p><p><b>　　時(shí)鐘電路</b&g

40、t;</p><p>　　計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍的進(jìn)行的，這個(gè)脈沖是由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了保證各部件間的同步工作。單片機(jī)內(nèi)部電路就在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。要給單片機(jī)提供時(shí)序要有相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。因此選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式。利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接

41、晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路如圖3.2所示，外接晶振時(shí)，C17和C16值通常選擇為30PF左右。C17，C16對頻率有微調(diào)作用。晶體的頻率范圍可在1.2～12MHZ之間選擇。在實(shí)際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定?？煽康毓ぷ鳎袷幤骱碗娙輵?yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p&g

42、t;<p>　　由圖3.2可以看出，是按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過電阻與電源接通。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3.2.2發(fā)射電路<

43、/b></p><p>　　超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲探傷儀的關(guān)鍵部分，對于超聲探傷系統(tǒng)的性能具有很大的影響。發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種。調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調(diào)諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖，脈沖的頻帶較寬，可以適應(yīng)不同頻帶范圍的探頭，此時(shí)發(fā)射出的超聲波頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定。本設(shè)計(jì)采用非調(diào)諧式發(fā)射電路。 </p

44、><p>　　發(fā)射電路在發(fā)射控制信號(hào)的作用下，產(chǎn)生激勵(lì)超聲波探頭的高壓脈沖信號(hào)。圖3-2為其原理圖。圖3.3中輸入端為超聲波發(fā)射的控制信號(hào)，由主機(jī)單元產(chǎn)生，是寬度為500 n s、重復(fù)頻率為200 Hz 的脈沖信號(hào)。經(jīng)三極管Q1、Q2、Q3 驅(qū)動(dòng)后送到Q4 的控制極，該設(shè)計(jì)選用雙向晶閘管BTl36 -600，該晶閘管具有600 V的反向峰值電壓和4 A的額定平均電流。Q 4 漏極經(jīng)R6 接高壓。在常用的超聲檢測系統(tǒng)中

45、，Vch電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內(nèi)，為充分激發(fā)探頭的壓電性能，本設(shè)計(jì)中采用600v高壓直流電源。當(dāng)Q 4 截止時(shí), 電容器C4在600V電源的作用下, 經(jīng)R6充電到600V；當(dāng)Q4導(dǎo)通時(shí), C4經(jīng)Q4，R7放電, 在R8上產(chǎn)生激勵(lì)探頭的高壓?？勺冸娮鑂8為10kΩ決定了電路的阻尼情況，可以通過改變R8的阻值來改變發(fā)射的強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器的分辨力低，適合探測厚度大，對分辨率力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，

46、在探測近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪σ筝^高時(shí)予以采用。</p><p>　　圖3.3 發(fā)射電路</p><p>　　3.2.3信號(hào)調(diào)理電路 </p><p><b>　　限幅單元</b></p><p>　　當(dāng)檢測范圍很大時(shí)，深度缺陷或底波的反射波信號(hào)很微弱，因此在處理之前需要進(jìn)行高增益放大處理。而由于探頭是收發(fā)一體的，發(fā)射

47、信號(hào)很強(qiáng)，它同時(shí)作用于接收電路，而且在實(shí)現(xiàn)的測試過程中，有可能加進(jìn)強(qiáng)干擾，因此為保護(hù)放大電路不致?lián)p壞，使放大電路能處于線性的動(dòng)態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號(hào)進(jìn)行限幅，限幅電路如圖3.4所示。圖中電阻R9相對于發(fā)射電路中的可調(diào)電阻R8要足夠大，選取阻值50KΩ，用以消除接收電路對發(fā)射電路產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。選用具有較大正向電流的二極管(如2K61701)D2和D3構(gòu)成雙向限幅電路，防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進(jìn)入到后端接收電路中，這樣限幅電路的輸出

48、在士0.7 V左右，可以達(dá)到該電路的預(yù)期效果。 </p><p>　　圖3.4 超聲波限幅電路</p><p><b>　　衰減放大電路</b></p><p>　　限幅之后，便是放大電路，為了能夠測量幅度的變化值，在回波信號(hào)進(jìn)入放大器之前，先經(jīng)過已校準(zhǔn)的衰減器，以便于對信號(hào)幅度定量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的信號(hào)范圍。該設(shè)計(jì)選AD(ANALOG DEV

49、ICES)公司推出的壓控增益放大器AD603進(jìn)行程控增益放大電路模塊的設(shè)計(jì)。AD603具有線性分貝、低噪聲、寬頻帶、高增益精度以及增益控制靈活等特點(diǎn)，其高達(dá)50 MΩ的阻抗能夠保證信號(hào)充分加載到后級(jí)電路中。AD603程控增益原理圖如圖3.5所示，其管腳說明如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 AD603管腳說明</p><p>　　AD603提供精確的、可由管腳選擇的增益，且其

50、增益線性可變，而且在溫度和電源電壓變化時(shí)有很高的穩(wěn)定性，增益變化范圍40 dB，增益控制轉(zhuǎn)換比例25 mV/dB，相應(yīng)速度為40 dB，變化范圍所需時(shí)間小于1μs。如圖3.5所示，AD603內(nèi)部包含一個(gè)七級(jí)R一2R梯形網(wǎng)絡(luò)組成0~ -40dB的可變衰減器和一個(gè)固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變，以</p><p>　　圖3.5 AD603增益控制原理</p>&

51、lt;p>　　選擇AD603不同的增益變化范圍。AD603的這種可變增益功能是其他運(yùn)算放大器所不能比擬的。</p><p>　　超聲回波信號(hào)由VINP進(jìn)入衰減器衰減后，再通過定增益放大器放大。衰減器的增益控制由控制電壓VG完成，VG是差動(dòng)輸入的增益控制電壓，即GPOS與GNEG之差，范圍是-0.5～+0.5 V。定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變，以選擇AD603不同的增益變化范圍。<

52、;/p><p>　　(1)當(dāng) AD603 輸出端VOUT與反饋端FDBK短接時(shí)，Gain(dB)=40VG+10；此時(shí)增益范圍為-10～+30 dB，帶寬為90 MHz。</p><p>　　(2)當(dāng)AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK接上反饋電阻時(shí)，Gain(dB)=40VG+20；此時(shí)增益范圍為0～+40 dB，帶寬為30 MHz。</p><p>　?。?)當(dāng)

53、反饋端FDBK接地時(shí)，Gain(dB)=40VG+30；此時(shí)增益范圍為10～50 dB，帶寬為9 MHz。  由此可見，AD603的增益控制是相當(dāng)靈活的。在實(shí)際的使用過程中，可以將多片AD603串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)更大的放大和動(dòng)態(tài)范圍控制。本設(shè)計(jì)使用了兩片AD603串聯(lián)使用作為自動(dòng)增益放大。緩沖放大器如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 緩沖放大電路（兩級(jí)串聯(lián)）</p><p&

54、gt;　　如圖3.6所示，在設(shè)計(jì)中將輸出端VOUT和反饋端FDBK之間用電位器R13連接，可以靈活地選擇增益范圍。通過調(diào)節(jié)電位器R14，可以調(diào)整GPOS與GNEG間的電壓在0～0.5 V之間，如果將電位器R13的阻值調(diào)至0，則使得放大器的增益變化范圍是10～30 dB。</p><p><b>　　緩沖檢波電路</b></p><p>　　AD810 是低功耗、視頻運(yùn)

55、算放大器, 具有高速度( 轉(zhuǎn)換速率為1 kV/µs)、寬頻帶(80MHz, 3dB, G=1) 、失真小( 微分增益誤差0.02% , 微分相位誤差0.04°)、低噪聲(輸入噪聲2.9nV/()) 等特點(diǎn), 是超聲波緩沖放大器的理想選擇。美國TI公司的LH033也是緩沖器, 其輸入阻抗達(dá) , 寬頻帶(DC～100MHz ) , 輸出電阻為6Ω, 轉(zhuǎn)換速率高(1 kV/µs) , 而且跟隨范圍大。</p

56、><p>　　緩沖檢波電路如圖3.7所示。檢波前的緩沖由AD810構(gòu)成,它是一個(gè)同相放大器, 其高輸入阻抗(100MΩ)保證了AD603 的衰減精度。檢波后的緩沖由LH033 和AD810 兩部分組成。AD810是一個(gè)同相放大器,其輸入除了接收LH033 的輸出外, 還有一個(gè)由-5V電源產(chǎn)生的直流偏移電壓, 其作用是調(diào)節(jié)噪聲對顯示基線的影響</p><p>　　圖3.7 緩沖檢波電路<

57、/p><p>　　用AD8036 作為全波整流。AD8036 本來是一個(gè)鉗位放大器， 具有卓越的鉗位性能， 表現(xiàn)在: 精度高(3 mV ) , 恢復(fù)時(shí)間短(1.5 ns) ，非線性范圍小，寬頻帶(DC～ 240MHz) ，鉗位輸入范圍寬(±3.9 V)。AD8036 作為增益為1 的反相放大器, 輸入送到反相輸入端 ， 同時(shí)也送到低電平鉗位端VL ，高電平鉗位端懸空, 不起作用。它能工作到20MHz, 由于

58、AD8036不像二極管檢波那樣從正向偏置迅速切換到反向偏置, 它的非線性失真比二極管檢波要顯著減小，尤其是高頻段。在輸入信號(hào)只有40 mV 時(shí),AD8036仍能線性檢波。</p><p><b>　　A/D轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　　ADC0809是一種8位逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換器 。其由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關(guān)、逐次

59、逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。模擬輸入部分有8路多路開關(guān)，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇，ALE為地址鎖存信號(hào)，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號(hào)。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK控制內(nèi)部電路的工作，START為啟動(dòng)命令，高電平有效，啟動(dòng)ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號(hào)EOC有效，OE為輸出允許信號(hào)，高電平有效，打開輸出三態(tài)緩沖器，把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送

60、到DB．AT89C52與ADC0809的連接如圖3.8所</p><p>　　圖 3.8 ADC0809與AT89C52的接口電路圖</p><p>　　工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中；此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器；START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位；下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EO

61、C變?yōu)楦唠娖?，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。</p><p>　　ADC0809的時(shí)鐘由單片機(jī)提供，經(jīng)由ALE取得，如果信號(hào)頻率過高，可采用分頻電路進(jìn)行分頻。同時(shí)，ADC0809有3種工作方式：查詢方式、中斷方式和等待方式。不同的工作方式采用的硬件電路也有所區(qū)別，這里采用最簡單的等待方式來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。</p><p><

62、;b>　　串行傳輸電路 </b></p><p>　　測量儀采用了常用的RS232以及MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)串行傳輸，其與單片機(jī)的接口電路如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 串口傳輸電路 </p><p>　　3.2.4 600v電源電路</p><p>　　此600v電源加在發(fā)射電路中的Vch端。</

63、p><p>　　在常用的超聲檢測系統(tǒng)中，VH電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內(nèi)。為充分激發(fā)探頭的壓電性能，采用了600 V的高壓直流電源模塊。</p><p>　　高電壓升壓電源電路:交流220V轉(zhuǎn)直流600V電源電路如圖3-10 所示：</p><p>　　圖3.10 交流220v轉(zhuǎn)600v直流電源</p><p><b>　　規(guī)格：&l

64、t;/b></p><p>　　輸入電壓= 220V±10% 50/60Hz</p><p>　　輸出電壓= 0~600Vdc 0.25A</p><p>　　開關(guān)頻率：70~100kHz</p><p>　　電壓檢測電壓等級(jí)限制FAN7554數(shù)據(jù)是1.5V。</p><p>　　3.2.5. +5v

65、電源電路以及-5v電源 電路</p><p><b>　　+5v電源產(chǎn)生電路</b></p><p>　　此+5v電源為硬件電路圖中的各種器件提供電源電壓。</p><p>　　如圖3-11所示，為+5v電源產(chǎn)生電路：</p><p>　　圖3.11 5v電源產(chǎn)生電路</p><p><b

66、>　　規(guī)格：</b></p><p>　　輸入電壓= 220V±10% 50/60Hz</p><p>　　輸出電壓= 0~+5600Vdc 0.25A</p><p>　　開關(guān)頻率：70~100kHz</p><p><b>　　-5v電源產(chǎn)生電路</b></p><

67、p>　　此-5v電源產(chǎn)生的直流偏移電壓加在緩沖檢波電路中， 其作用是調(diào)節(jié)噪聲對顯示基線的影響。</p><p>　　如圖3-12所示，為-5v電源產(chǎn)生電路：</p><p>　　圖3.12 -5v電源產(chǎn)生電路</p><p>　　3.3 上位機(jī)處理設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1基于LabVIEW的單片機(jī)串口通訊設(shè)計(jì)</p&

68、gt;<p>　　利用LabVIEW設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．可模擬采集各種實(shí)際信號(hào)．并對其進(jìn)行分析得出有用信息，然后將測量結(jié)果和應(yīng)用程序進(jìn)行分享。通過開放的LabVIEW環(huán)境和與之無縫集成的硬件．能夠方便地將設(shè)計(jì)從理論階段帶入實(shí)現(xiàn)階段．完成系統(tǒng)辨識(shí)、控制設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真以及實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA．Virtual Instrument Software Ar

69、chitecture．采用通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，具有與儀器硬件接口和具體計(jì)算機(jī)無關(guān)的特性，即VISA是面向器件功能．而不是而向接口總線的，在控制VXI，GPIB．RS232等儀器時(shí)．不必考慮接口總線類型。</p><p>　　本文用到的主要串口通訊調(diào)用函數(shù)為：Functions Instrument I/O VISA Advanced Interface Specific Serial，如圖3.13所示：</p&

70、gt;<p>　　圖3.13 串口通訊函數(shù)</p><p>　　該函數(shù)主要用于串口的初始化。其主要參數(shù)意義如下：</p><p>　　VISA resource name：VISA資源名稱，本設(shè)計(jì)指串口號(hào)：</p><p>　　baud rate：波特率．默認(rèn)為9600；</p><p>　　data bits：一幀信息中的位數(shù)

71、．LabVIEW中允許5—8位數(shù)據(jù)。默認(rèn)值為8位；</p><p>　　stop bits：一幀信息中的停止位的位數(shù)，可為1位、l位半或2位；</p><p>　　Parity：奇偶校驗(yàn)設(shè)置?？蔀闊o校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)：</p><p>　　flow control：該參數(shù)數(shù)據(jù)類型為簇，用于串行通訊中的握手方式。</p><p>　　VISA

72、 Write模塊把Write buffer中的字符串寫入指定的設(shè)備．返回實(shí)際傳送的字節(jié)數(shù)。</p><p>　　VISA Read根據(jù)指定讀取的字節(jié)數(shù)讀入設(shè)備中的數(shù)據(jù)，返回實(shí)際傳送的字節(jié)數(shù)。VISA Close關(guān)閉與指定設(shè)備的通訊過程．釋放系統(tǒng)資源。</p><p>　　本文在實(shí)現(xiàn)LbVIEW與AT89C52單片機(jī)串口通信的串口通訊設(shè)置上．采用波特率為9600，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位

73、停止位，禁止軟、硬件握手。</p><p>　　3.3.2 基于LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波探傷儀軟件主要包括前面板和流程代碼圖兩部分,其設(shè)計(jì)流程框圖如圖3.14所示。</p><p>　　超聲探傷儀前面板的設(shè)計(jì)</p><p>　　(1) 選擇Controls＞＞Numeric＞＞ Digital Control重復(fù)

74、八次,并將名稱修改為首波位置、首波幅值、缺陷波位置、缺陷波幅值、濾波類型、濾波頻率、濾波階次、波速。</p><p>　　(2) 選擇Controls＞＞ Numeric＞＞ Digital Indicator重復(fù)兩次,將名稱修改為缺陷位置、缺陷率。</p><p>　　(3)選擇Controls＞＞Boolean＞＞Stop Button,將名稱修改為停止。</p><

75、;p>　　(4)選擇Controls＞＞Graph＞＞ XY Graph。 XY Graph可以繪制出非均勻采樣的數(shù)據(jù)和某些平面曲線。鑒于此優(yōu)點(diǎn),本設(shè)計(jì)中采用XY Graph作為缺陷曲線顯示屏。</p><p>　　(5) 在Graph 上彈出菜單Visible Items＞＞Cursor Legend,顯示游標(biāo)圖例板。默認(rèn)的游標(biāo)圖例板有兩個(gè)游標(biāo)，可以用定位工具拖動(dòng)它的任意一角使它擴(kuò)大或縮小,以顯示需的游標(biāo)

76、數(shù)目。在本設(shè)計(jì)中只需要一個(gè)游標(biāo)測算出波峰的位置。超聲探傷儀的前面板如圖3-15所示：</p><p>　　圖3-15 超聲探傷儀前面板</p><p>　　與前面板對應(yīng)的流程圖窗口的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的流程圖主要由四部分組成:波形采集部分、濾波器模塊、波峰檢測函數(shù)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。波形采集部分由AI Con- fig VI、AI StartVI以及

77、AI ReadVI構(gòu)成,濾波器選Butterworth FilterVI,波峰檢測函數(shù)模塊選擇Peak Detector VI,數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)計(jì)算公式選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算器即可。</p><p>　　缺陷位置= ct/2, t =缺陷波時(shí)間-發(fā)射波時(shí)間。依次將控制件發(fā)射波位置、缺陷波位置對應(yīng)的代碼與減法運(yùn)算器相連,輸出結(jié)果、0. 5與乘法運(yùn)算器相連,該運(yùn)算結(jié)果、波速代碼再與另一個(gè)乘法運(yùn)算器相連,最后將運(yùn)算輸出與顯示件

78、缺陷位置的代碼相連,即可計(jì)算出缺陷位置并顯示在界面上。</p><p>　　根據(jù)缺陷率=缺陷波幅值/首波幅值;將顯示件缺陷波幅值、首波幅值對應(yīng)的代碼和除法運(yùn)算器相連,就可以將缺陷率計(jì)算出來并顯示在界面上。流程圖窗口如圖3-16所示</p><p>　　圖3-16 LabVIEW前面板程序框圖</p><p><b>　　第四章 總結(jié)</b>&

79、lt;/p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我在xx老師的指導(dǎo)下，通過自身的不斷努力，無論是思想上，還是學(xué)習(xí)上，都取得了長足的發(fā)展和巨大的收獲，現(xiàn)將設(shè)計(jì)總結(jié)如下。</p><p>　　思想上，學(xué)會(huì)了用科學(xué)的精神去解決問題。很多事情看起來是很簡單的問題，但實(shí)際做起來去會(huì)發(fā)現(xiàn)有許多奧妙！這是因?yàn)槠渲刑N(yùn)含著許多科學(xué)的問題。運(yùn)用科學(xué)的方法去解決問題，這是我這次設(shè)計(jì)給我?guī)淼乃枷肷系母淖儭?lt;/p>

80、<p>　　學(xué)習(xí)上，自從開始畢業(yè)設(shè)計(jì)以來，我從沒有放棄學(xué)習(xí)理論知識(shí)。畢業(yè)設(shè)計(jì)之前覺得這二個(gè)月太長，覺得自己一定可以輕松的完成。但當(dāng)我真正著手處理時(shí)，就發(fā)現(xiàn)自己不能有絲毫小瞧的意思了。一切的一切都需要我們用心去領(lǐng)悟并結(jié)合所學(xué)知識(shí)去操作。</p><p>　　實(shí)踐，是一面很亮的鏡子，能夠通過它看出我們自身的缺點(diǎn)，能夠通過它查找出自身缺乏的知識(shí)。通過這次設(shè)計(jì)，我明顯感覺到“書到用時(shí)方恨少”。在以后的生活中

81、我會(huì)不斷地學(xué)習(xí)充實(shí)自己。</p><p>　　第五章 主要參考文獻(xiàn)</p><p>　　【1】 陳汝全,林水生,夏利.實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù)[M].成都: 電子科技大學(xué)出版社, 1998。</p><p>　　【2】 謝建.超聲液位測量儀的研究.自動(dòng)化儀 [J ] ,2002.23 (2) : 12-15。</p><p>　　【3】丁義元

82、等.高精度測距雷達(dá)研究.電子測量與儀器學(xué)報(bào)2000.10。</p><p>　　【4】沈小豐等.電子技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社2005.09 130-141。</p><p>　　【5】劉福順，湯明.無損檢測基礎(chǔ).北京北京航空航天大學(xué)出版社2002</p><p>　　【6】應(yīng)崇福。超聲學(xué)。北京科學(xué)出版社，1990</p><p>　　【7

83、】蔣危平.超聲波探傷儀發(fā)展簡史。無損測.1997:24—25</p><p>　　【8】張旭輝，馬宏偉。超聲無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢?，F(xiàn)狀·趨勢·戰(zhàn)略，2002:24—26</p><p>　　【9】張易知，肖嘯等.虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002</p><p>　　【10】HaroldGoldberg，What

84、 is virtual Instrumentation? IEEE Instrumentation&MeasurementMagazine.2000:10—13.</p><p>　　【11】]Kang Jitao, Gan Yadong. The Method of Developing VirtualInstrument Platform. IEEE. 2000:64—67.</p>

85、<p><b>　　第六章 致謝詞</b></p><p>　　經(jīng)過一個(gè)學(xué)期緊張而又忙碌的學(xué)習(xí)和工作，終于完成了此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。感謝xx老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間對我的教導(dǎo)和幫助，xx老師豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、寬厚待人的作風(fēng)和對同學(xué)的嚴(yán)格要求都給我留下了深刻的印象。xx老師自始至終關(guān)心我的課題進(jìn)展情況，為我的設(shè)計(jì)提出了許多合理的建議，保證了論文撰寫的順利完成進(jìn)行。她嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、細(xì)心負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和