超聲波探傷儀的設計_畢業(yè)設計說明書(論文)

1、山東科技大學學士學位論文1 摘要超 聲 無 損 檢 測 是 在 現 代 工 業(yè) 生 產 中 應 用 的 非 常 廣 泛 的一 種 無 損 檢 測 方 法 ， 它 對 于 提 高 產 品 的 質 量 和 可 靠 性 有 著重 要 的 意 義 。 盡 管 隨 著 電 子 技 術 的 發(fā) 展 ， 國 內 出 現 了 一 些數 字 化 的 超 聲 檢 測 儀 器 ， 但 其 數 據 處 理 及 擴 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 成 方 式 ， 它 是 一 種 計 算 機 技 術 、 通

2、 訊 技 術和 測 量 技 術 相 結 合 的 產 物 ， 具 有 很 大 的 靈 活 性 和 擴 展 性 ，具 有 旺 盛 的 生 命 力 。 因 而 本 設 計 嘗 試 將 虛 擬 儀 器 技 術 和 超聲 檢 測 技 術 相 結 合 ， 基 于a t 89c52單 片 機 開 發(fā) 的 超 聲 探傷 儀 智 能 系 統(tǒng) 的 硬 件 組 成 、軟 件 設 計 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 良 好 的 數 字 化 的 超聲 檢 測 平 臺 ，該 系 統(tǒng) 具 有 測 量 、數 字 顯 示 、 a / d轉 換 等 功能

3、,并 具 有 工 作 穩(wěn) 定 、 性 能 好 等 優(yōu) 點 。 為 以 后 進 一 步 的 更深 入 的 超 聲 數 字 信 號 處 理 研 究 打 下 了 良 好 的 基 礎 。關 鍵 詞 ：無 損 檢 測；超 聲 波 探 傷；at 89c52；虛 擬 儀 器 ；l abv i ew山東科技大學學士學位論文2 abstract a s a k i nd of n dt ( non-d est ructi v e te sti ng) ， u t( ul tr asonic test ing) i s w idel y used i n moder n i ndust r y,w hi ch p

4、lays a v ery i mport ant r ol e i n i mprovi ng t he qual i ty and t he r el i abi l i ty of pr oduct. a l though al ong w it ht echni cal dev el opment i n el ect roni cs, some di gi t al u ti nstruments have been devel oped at home, i ts ex pand -abi l i t y and t he abi l i t y of pr ocessi ng da

5、ta l i mi ted. v i( vi rt ual i nstru- ment) i s a new instr ument st r uct uredev el oped recent year s and is an outcome w hi ch combinesthe comput er techni que, the comm uni cat i on techni quetoget her w it h the measur e t echni que, w hi ch has hugeex pandabil i t y, f l ex i bi l i ty a nd t

6、 he prosperous v i tal it y.so amet hod o f t ryi ng t o conjoi n t he v i and t he u t i s b rought outand a di gi t al u t d evi ce based on a ty pe ul tr asoni c f l awdetect or has been made, the har dwar e composi ti on ,sof tw are desi gn and ant i 2- i nter f er ence measur es of thei ntel l

7、i gent ul tr asoni c f l aw det ect or system based on山東科技大學學士學位論文3 a t89c52 m onol it hi c uni t are descri bed. t he system hasaccur ate measur em ent , di gi t di spl ay , a / d change , nd i thas hi gh st eady f uncti on w hi ch wi ll be help to the f urtherr esear ch on ul trasonic di gi t al s

8、i gnal pr ocessi ng i n f ut ure.k ey wor ds： nd t (n on- d estruct i ve te st i ng) ； ut ( u l tr asoni cte sti ng) at 89c52；labv i ew； v i ( vi rt ual i nst rum ent)山東科技大學學士學位論文4 目錄摘要 . 1a bstra ct . 2目錄 . 4第 一 章緒 論 . 6設 計 的 背 景 及 意 義 . 7第 二 章超 聲 波 及 超 聲 檢 測 的 原 理 . 92. 1 超 聲 波 的 基 本 性 質 . 92. 1.

9、1 超 聲 波 的 速 度 及 波 長 . 92. 1. 2 超 聲 波 的 衰 減 . 102. 2 超 聲 換 能 器 . 112. 2. 1 超 聲 換 能 器 的 定 義 及 分 類 . 112. 2. 2 超 聲 換 能 器 的 主 要 性 能 參 數 . 122. 3 超 聲 波 探 傷 的 原 理 . 132. 3. 1 超 聲 波 探 傷 方 法 的 分 類 . 132. 3. 2 脈 沖 反 射 式 超 聲 探 傷 儀 的 原 理 . 14第 三 章系 統(tǒng) 硬 件 設 計 . 183. 1 系 統(tǒng) 硬 件 整 體 結 構 框 圖 . 183. 2 單 元 電 路 . 193.

10、 2. 1 at 89c52 單 片 機 . 193. 2. 2 發(fā) 射 電 路 . 213. 2. 3 信 號 調 理 電 路 . 233. 2. 4 600v 電 源 電 路 . 323. 2. 5. +5v 電 源 電 路 以 及 -5v 電 源電 路 . 333. 3上 位 機 處 理 設 計 . 353. 3. 1 基 于 l abv i ew 的 單 片 機 串 口 通 訊 設 計 . 353. 3. 2 基 于 l abv i ew 的 軟 件 設 計 . 37第 四 章總 結 . 41山東科技大學學士學位論文5 第 五 章主 要 參 考 文 獻 . 42第 六 章致 謝 詞 .

11、 43山東科技大學學士學位論文6 第 一 章緒 論隨 著 現 代 工 業(yè) 和 科 學 技 術 的 發(fā) 展 ， 無 損 檢 測 技 術 在 設備 和 裝 備 的 運 行 、 產 品 質 量 的 保 證 、 提 高 生 產 率 、 降 低 成本 等 領 域 發(fā) 揮 著 越 來 越 大 的 作 用 ， 無 損 檢 測 也 已 經 發(fā) 展 成為 一 門 獨 立 的 綜 合 性 學 科 ， 而 超 聲 波 探 傷 技 術 在 無 損 檢 測領 域 內 占 有 極 其 重 要 的 地 位 ， 在 很 多 領 域 均 獲 得 非 常 廣 泛的 應 用 。由 于 超 聲 波 無 損 探 傷 設 備 在 不 同

12、 的 應 用 場 合 ，其 對 探 頭的 要 求 不 同 ， 對 接 收 的 回 波 信 號 的 處 理 算 法 也 不 同 ， 因 此某 一 類 的 無 損 探 傷 設 備 ， 通 常 只 能 適 應 于 一 種 或 幾 種 應 用場 合 。 為 使 超 聲 波 探 傷 設 備 具 有 更 好 的 應 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 備 。 虛 擬 超 聲 探 傷 系 統(tǒng) 是 利 用 計 算 機 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

13、輸 出 檢 測 結 果 ，利 用 軟 件 功 能 來 實 現 數 字 信 號 的 運 算 、 分 析 和 處 理 。 利 用輸 入 輸 出 ( i/ o) 接 口 設 備 完 成 信 號 的 采 集 、 測 量 與 調 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) 是 虛 擬山東科技大學學士學位論文7 儀 器 技 術 與 傳 統(tǒng) 超 聲 探 傷 系 統(tǒng) 相 結 合 的 產 物 。 在 設 計 虛 擬數 字 超 聲 系 統(tǒng) 時 ， 結 合 傳 統(tǒng) 超 聲 探 傷 系 統(tǒng) 中 模 擬 通 道 的 設計 ， 因 為 任 何 一 個 超 聲 探 傷

14、系 統(tǒng) 都 必 須 包 括 超 聲 波 的 發(fā) 射電 路 、 接 收 電 路 和 信 號 調 理 電 路 才 能 進 一 步 進 行 后 續(xù) 的 處理 工 作 ， 這 些 電 路 的 設 計 將 直 接 影 響 到 整 個 超 聲 探 傷 系 統(tǒng)工 作 的 可 靠 性 和 測 試 精 度 。設 計 的 背 景 及 意 義在 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 現 一 些 工 藝 參 數 的 測 量 ， 進 而 對 被 檢 測 的 材 料 或工 件 進 行 性 能 的 評 估 。 對 于 超 聲 檢 測 而 言 ， 其 應 用 中

15、 的 硬件 電 路 具 有 很 大 的 相 似 性 ， 因 而 如 何 靈 活 、 準 確 的 從 通 過介 質 的 超 聲 波 中 提 取 包 含 被 檢 測 物 體 特 征 的 信 號 成 為 關鍵 ， 它 對 系 統(tǒng) 的 數 字 信 號 處 理 能 力 和 靈 活 性 提 出 了 很 高 的要 求 。數 字 化 的 超 聲 檢 測 儀 采 用 了 單 片 機 或 者 dsp 作 為 數據 處 理 單 元 ， 可 以 實 現 一 定 的 數 據 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 ，

16、 而 從 虛 擬 儀 器 的 產 生 動 機 和 特 點 可 以 看 到 ， 虛 擬 儀器 的 產 生 正 是 順 應 了 儀 器 發(fā) 展 的 潮 流 ， 就 如 美 國n i（ n ati onalinst rument) 公 司 所 提 出 的 “ 軟 件 即 儀 器 ” 的 概 念山東科技大學學士學位論文8 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 來 實 現 不 同 儀 器 的 功 能 ， 它 提 供 的 大 量 的 分 析處 理 函 數 庫 為 信 號 的 分 析 處 理 提 供 了 有 力 的 支 持 ，

17、因 而 將超 聲 檢 測 與 虛 擬 儀 器 相 結 合 有 著 重 要 的 意 義 ， 有 助 于 超 聲檢 測 的 良 性 發(fā) 展 。山東科技大學學士學位論文9 第 二 章超 聲 波 及 超 聲 檢 測 的 原 理2.1 超 聲 波 的 基 本 性 質通 常 人 耳 能 夠 聽 到 的 聲 波 的 頻 率 范 圍 在20-20000h z之 間 ， 人 們 習 慣 上 把 頻 率 超 過 20k hz 的 聲 波 稱 為 超 聲 波 。超 聲 波 本 質 上 是 一 種 機 械 波 ， 所 以 它 的 產 生 必 須 依 賴 于 兩個 條 件 ， 一 是 有 做 機 械 振 動 的 聲 源

18、 ， 二 是 有 能 夠 傳 播 振 動的 彈 性 介 質 。波 的 種 類 是 根 據 介 質 質 點 的 振 動 方 向 和 波 動 傳 播 方 向的 關 系 來 區(qū) 分 的 。 超 聲 波 在 介 質 中 傳 播 的 波 形 有 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

19、復 雜 的 制 品 。2. 1. 1 超 聲 波 的 速 度 及 波 長聲 波 在 介 質 中 向 前 傳 播 的 速 度 ， 稱 為 聲 速 。 對 于 不 同山東科技大學學士學位論文10 種 類 的 超 聲 波 ， 其 傳 播 速 度 不 同 。 超 聲 波 在 介 質 中 的 傳 播速 度 與 介 質 的 彈 性 模 量 及 介 質 的 密 度 有 關 ， 對 一 定 的 介 質 ，彈 性 模 量 和 密 度 為 常 數 ， 故 聲 速 也 是 常 數 。 不 同 的 介 質 ，有 不 同 的 聲 速 。 超 聲 波 波 形 不 同 時 ， 介 質 彈 性 變 形 的 方 式不 同 ，

20、速 度 也 不 一 樣 。 因 此 ， 超 聲 波 在 介 質 中 傳 播 的 速 度是 表 征 介 質 聲 學 特 性 的 一 個 重 要 參 數 。超 聲 波 的 頻 率 、 波 長 和 聲 速 之 間 的 關 系 如 下 :fc /( 2-1)其 中為 超 聲 波 的 波 長 、 c 為 超 聲 波 在 介 質 中 的 的 波速 、 ?為 超 聲 波 的 頻 率 。 可 見 ， 在 同 一 種 介 質 中 超 聲 波 的波 長 與 超 聲 波 的 頻 率 成 反 比 。2. 1. 2 超 聲 波 的 衰 減超 聲 波 在 介 質 中 傳 播 時 ， 隨 著 傳 播 距 離 的 增 加 ，

21、 其 能量 逐 漸 減 弱 ， 這 種 現 象 叫 做 超 聲 的 衰 減 。超 聲 衰 減 的 三 種 主 要 原 因 :聲 束 擴 散 引 起 的 超 聲 波 衰 減散 射 引 起 的 超 聲 波 衰 減由 介 質 吸 收 引 起 的 超 聲 波 衰 減山東科技大學學士學位論文11 鑒 于 以 上 原 因 ， 為 使 接 收 信 號 不 過 度 失 真 ， 需 要 在 超聲 波 接 收 單 元 中 設 計 一 高 增 益 放 大 電 路 ，即 下 文 中 的 衰減 放 大 電 路 。2.2 超 聲 換 能 器2. 2. 1 超 聲 換 能 器 的 定 義 及 分 類顧 名 思 義 ， 換

22、能 器 就 是 一 種 將 一 種 能 量 轉 換 為 另 一 種能 量 ， 進 行 能 量 轉 換 的 器 件 。 超 聲 換 能 器 是 在 超 聲 頻 率 范圍 內 將 交 變 的 電 信 號 轉 換 成 聲 信 號 或 各 將 外 部 的 聲 信 號 轉換 為 電 信 號 的 能 量 轉 換 器 件 。 超 聲 換 能 器 是 超 聲 檢 測 裝 置中 非 常 重 要 的 一 個 部 分 ， 它 的 性 能 和 特 點 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 。超 聲 換 能 器 的 種 類 很 多 ， 按 照 換 能 器

23、的 工 作 介 質 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 換 的 機 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 械 型 超 聲 換 能 器 等 。 其 中 壓 電 換 能 器 的 理 論 研 究 和 實 際應 用 最 為 廣 泛 ， 目 前 最 常 用 的 壓 電 材 料 是 壓 電 陶 瓷 材 料 。在 無 損 檢 測 領 域 ， 人 們 常 常 稱 檢 測 用 的 超 聲 換

24、能 器 為超 聲 探 頭 。 在 實 際 應 用 中 ， 由 于 超 聲 探 頭 往 往 是 與 超 聲 檢山東科技大學學士學位論文12 測 的 方 法 是 緊 密 相 連 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 產 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 耦 合 方 法區(qū) 分 ， 有 直 接 接 觸 式 探 頭 和 水 浸 探 頭 。

25、 按 工 作 方 式 分 有 單晶 探 頭 、 雙 晶 探 頭 和 列 陣 探 頭 等 。2. 2. 2 超 聲 換 能 器 的 主 要 性 能 參 數衡 量 超 聲 檢 測 系 統(tǒng) 中 的 換 能 器 的 性 能 需 要 的 參 數 很多 ，主 要 有 兩 個 : 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 械 系 統(tǒng) 結 構 ， 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 用

26、 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 產 生 的 超 聲 波 脈 沖 信 號 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 。本 設 計 采 用 德 國 k k 公 司 ( k raut k ramer )的 b5s 單 晶 縱波 直 探 頭 。 該 探 頭 具 有 5 m hz 的 標 稱 頻 率 ， 15 6 0 00 m m的 工 作 量 程 和 11 0 mm 的 近 場 長 度 。山

27、東科技大學學士學位論文13 2. 3 超 聲 波 探 傷 的 原 理超 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 物 體 內 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 超 聲 發(fā) 射 換 能 器 產 生 超 聲 波 并 使 其 進入 工 件 ， 然 后 再 通 過 超 聲 接 收 換 能 器 將 工 件 中 經 過 被 檢 測材 料 自 身 或 缺 陷 所 反 射 、 折 射 、 衍 射 、 散 射 的 入 射 波 轉 換成 接 收 信 號 ， 缺 陷 作 為 與 構

28、件 材 料 不 同 的 介 質 將 會 產 生 不同 的 特 征 信 號 ， 接 著 再 對 接 收 到 的 信 號 進 行 分 析 ， 從 而 獲得 有 關 缺 陷 或 材 料 的 特 性 信 息 。2. 3. 1 超 聲 波 探 傷 方 法 的 分 類超 聲 波 探 傷 法 的 種 類 很 多 ， 根 據 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 方 式 可 分 為 脈 沖 波 、 連 續(xù) 波 和 調頻 波 等 探 傷 方 法 。 按 波 形 分 又 可 分

29、 為 縱 波 、 橫 波 、 表 面 波和 板 波 等 。 在 目 前 的 實 際 使 用 中 ， 廣 泛 使 用 的 是 接 觸 式 脈沖 反 射 法 ?？?慮 到 脈 沖 超 聲 探 傷 儀 在 實 際 中 應 用 最 為 廣 泛 ， 本 設計 將 對 基 于 虛 擬 儀 器 技 術 的 超 聲 脈 沖 反 射 式 探 傷 儀 的 實 現技 術 進 行 討 論 。山東科技大學學士學位論文14 2. 3. 2 脈 沖 反 射 式 超 聲 探 傷 儀 的 原 理超 聲 波 以 持 續(xù) 極 短 的 時 間 發(fā) 射 脈 沖 到 被 檢 工 件 內 ， 利用 被 檢 工 件 底 面 或 內 部 缺

30、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 。 縱 波 脈 沖 反 射 法 工 作 原理 如 圖2-1 所 示 ， 一 般 只 需 要 一 個 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 ， 確定 缺 陷 的 大 小 和 位 置 ， 進 而 評 價 其 有 無 使 用 價 值 和 修 復 的可 能 性 。圖2. 1脈 沖 法 縱 波 探 傷 原 理山東科技大學學士學位論文15 a. 判 斷 缺 陷 的 存 在換 能 器 發(fā) 射 的 超 聲 波

31、在 工 件 內 部 傳 播 時 ， 當 遇 到 不 同介 質 時 ， 將 發(fā) 生 反 射 。 反 射 信 號 的 強 度 與 反 射 率 r 的 大 小有 關 ， 而 反 射 率 r 只 與 入 射 介 質 和 反 射 介 質 的 材 料 有 關 。由 于 反 射 信 號 通 過 的 聲 程 是 一 定 的 ， 換 能 器 獲 得 的 反 射 信號 的 強 度 也 是 一 定 的 。當 工 件 無 缺 陷 時 ， 只 有 始 發(fā) 射 脈 沖 波 和 底 面 反 射波 ， 兩 者 之 間 沒 有 其 它 回 波 。當 工 件 中 有 面 積 小 于 聲 束 截 面 的 小 缺 陷 ， 則 會 在

32、 始波 和 底 波 之 間 出 現 缺 陷 回 波 。 缺 陷 回 波 在 時 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 有 缺 陷 回波 出 現 時 ， 底 波 高 度 下 降 。當 工 件 中 缺 陷 大 于 聲 束 截 面 時 ， 全 部 聲 能 被 缺 陷 所反 射 ， 只 有 始 波 和 缺 陷 回 波 ， 不 會 出 現 底 波 。b. 缺 陷 的 定 位由 于 超 聲 波 在 介 質 的 波 速 是 一 定 的 ， 則

33、在 圖 2. 1 中l(wèi)ttxbf( 2- 2)若 知 道 工 件 長 l 的 大 小 ， 則 可 以 根 據 發(fā) 射 波 到 反 射 波山東科技大學學士學位論文16 與 發(fā) 射 波 到 底 波 的 時 間 的 比 值 ， 來 確 定 缺 陷 距 探 頭 的 距 離 。若 不 知 道l的 大 小 ， 則 可 以 根 據 聲 束 和 聲 波 在 介 質 中傳 播 至 缺 陷 所 需 時 間 和 波 速 來 定 位 缺 陷 。ftcx2( 2- 3)式 中 c 為 材 料 中 的 聲 速 ，ft為 聲 波 遇 到 缺 陷 時 的 來 回傳 播 時 間 。c. 缺 陷 的 定 量假 如 缺 陷 尺 寸

34、 小 于 波 長 一 半 時 ， 由 于 超 聲 波 的 衍 射 作用 而 將 不 會 產 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2。工 件 或 材 料 中 的 實 際 缺 陷 是 多 種 多 樣 的 ， 其 形 狀 和 性質 也 各 不 相 同 ， 而 超 聲 波 的 波 長 又 比 較 大 ， 要 確 定 其 真 實大 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

35、 陷 )的 回 波 振 幅 相 比 較 的 方 法 ， 來 確 定 缺 陷 的 當 量 大 小 ， 這 就是 超 聲 探 傷 中 的 缺 陷 定 量 的 基 本 原 理 。假 設 已 經 規(guī) 定 a 處 為 已 知 量 ，以 此 處 為 參 考 ，如 圖 2. 2山東科技大學學士學位論文17 圖 2. 2缺 陷 定 量 示 意 圖則 缺 陷 率 為：tfaap（ 2- 4）其 中fa 缺 陷 波 幅 值ta始 波 幅 值山東科技大學學士學位論文18 第 三 章系 統(tǒng) 硬 件 設 計3.1 系 統(tǒng) 硬 件 整 體 結 構 框 圖虛 擬 超 聲 探 傷 系 統(tǒng) 的 總 體 結 構 如 圖 3. 1

36、所 示 。 該 系 統(tǒng) 以at 89c52單 片 機 為 核 心 控 制 器 件 ， 主 要 由 主 機 控 制 、 發(fā) 射電 路 、 信 號 調 理 電 路 、 探 頭 、 上 位 機 顯 示 等 部 分 組 成 。 數據 采 集 由 at 89c82單 片 機 結 合 l abv i ew 串 口 通 訊 函 數 完 成 ,然 后 結 l abv i ew 應 用 軟 件 進 行 探 傷 系 統(tǒng) 的 面 板 設 計 和 部分 功 能 的 設 計 ， 對 數 據 進 行 運 算 、 分 析 和 處 理 ， 對 測 試 結果 進 行 顯 示 。圖 3. 1超 聲 探 傷 儀 總 體 框 圖被測

37、工件探頭信 號 調 理 電 路發(fā)射電at 89c52單 片 機計算機山東科技大學學士學位論文19 3.2 單 元 電 路3. 2. 1 at 89c52 單 片 機at 89c52 是 美 國at m el 公 司 生 產 的 低 電 壓 、 高 性 能cm os 8 位 單 片 機 ， 片 內 含 8k b 的 可 反 復 檫 寫 的 程 序 存 儲器 和256byt es 的 隨 機 存 取 數 據 存 儲 器 （ ra m ） ， 器 件 采 用at m el 公 司 的 高 密 度 、非 易 失 性 存 儲 技 術 生 產 ，兼 容 標 準m cs-51 指 令 系 統(tǒng) ， 片 內 配

38、 置 通 用 8 位 中 央 處 理 器 （ cpu ）和 fl ash 存 儲 單 元 ， 功 能 強 大 的 at 89c52 單 片 機 可 靈 活 應用 于 各 種 控 制 領 域 。單 片 機 正 常 工 作 時 ， 都 需 要 有 一 個 時 鐘 電 路 ， 和 一 個復 位 電 路 。 本 設 計 中 選 擇 了 內 部 時 鐘 方 式 和 按 鍵 電 平 復 位電 路 ，來 構 成 單 片 機 的 最 小 電 路 。ea 端 接 +5v 電 源 選 中 內部 存 儲 器 。單 片 機 單 元 電 路 連 接 圖 如 圖 3. 2 所 示 ：山東科技大學學士學位論文20 圖3.

39、2單 片 機 單 元 電 路時 鐘 電 路計 算 機 工 作 時 ， 是 在 統(tǒng) 一 的 時 鐘 脈 沖 控 制 下 一 拍 一拍 的 進 行 的 ， 這 個 脈 沖 是 由 單 片 機 控 制 器 中 的 時 序 電 路 發(fā)出 的 。單 片 機 的 時 序 就 是 cpu 在 執(zhí) 行 指 令 時 所 需 控 制 信 號的 時 間 順 序 。 為 了 保 證 各 部 件 間 的 同 步 工 作 。 單 片 機 內 部電 路 就 在 惟 一 的 時 鐘 信 號 控 制 下 嚴 格 的 按 時 序 進 行 工 作 。要 給 單 片 機 提 供 時 序 要 有 相 關 的 硬 件 電 路 ， 即 振

40、 蕩 器 和 時鐘 電 路 。 因 此 選 擇 了 內 部 時 鐘 方 式 。 利 用 芯 片 內 部 的 振 蕩山東科技大學學士學位論文21 器 ， 然 后 在 引 腳x ta l 1 和 x ta l 2 兩 端 跨 接 晶 體 或 陶 瓷 諧振 器 ， 就 構 成 了 穩(wěn) 定 的 自 激 振 蕩 器 ， 其 發(fā) 出 的 脈 沖 直 接 送入 內 部 時 鐘 電 路 如 圖3. 2 所 示 ， 外 接 晶 振 時 ， c17 和c16值 通 常 選 擇 為 30pf 左 右 。 c17， c16 對 頻 率 有 微 調 作 用 。晶 體 的 頻 率 范 圍 可 在1. 2 12m hz 之

41、 間 選 擇 。 在 實 際 連 接中 ， 為 了 減 少 寄 生 電 容 ， 更 好 地 保 證 振 蕩 器 穩(wěn) 定 。 可 靠 地工 作 ， 振 蕩 器 和 電 容 應 盡 可 能 安 裝 得 與 單 片 機 芯 片 靠 近 。復 位 電 路由 圖3. 2 可 以 看 出 ， 是 按 鍵 電 平 復 位 電 路 ， 相 當 于 按復 位 鍵 后 復 位 端 通 過 電 阻 與ccv電 源 接 通 。 復 位 是 單 片 機 的初 始 化 操 作 。 單 片 機 在 啟 動 運 行 時 ， 都 需 要 先 復 位 ， 其 作用 是 使cpu和 系 統(tǒng) 中 其 他 部 件 都 處 于 一 個

42、確 定 的 初 始 狀態(tài) ， 并 從 這 個 狀 態(tài) 開 始 工 作 。 因 而 ， 復 位 是 一 個 很 重 要 的操 作 方 式 。 但 單 片 機 本 身 是 不 能 自 動 進 行 復 位 的 ， 必 須 配合 相 應 的 外 部 電 路 來 實 現 。3. 2. 2 發(fā) 射 電 路超 聲 波 的 發(fā) 射 電 路 是 脈 沖 回 波 法 超 聲 探 傷 儀 的 關 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 路山東科技大學學士學位論文22 通 常 有 調 諧 式 和 非 調 諧 式 兩 種 。 調 諧 式 電 路 中 有 調

43、諧 線 圈 ，諧 振 頻 率 由 調 諧 電 路 的 電 感 、 電 容 決 定 ， 發(fā) 出 的 超 聲 脈 沖頻 帶 較 窄 。 非 調 諧 式 電 路 發(fā) 射 一 尖 峰 脈 沖 ， 脈 沖 的 頻 帶 較寬 ， 可 以 適 應 不 同 頻 帶 范 圍 的 探 頭 ， 此 時 發(fā) 射 出 的 超 聲 波頻 率 主 要 由 壓 電 晶 片 的 固 有 參 數 決 定 。 本 設 計 采 用 非 調 諧式 發(fā) 射 電 路 。發(fā) 射 電 路 在 發(fā) 射 控 制 信 號 的 作 用 下 ， 產 生 激 勵 超 聲 波探 頭 的 高 壓 脈 沖 信 號 。 圖 3-2為 其 原 理 圖 。 圖 3.

44、 3中 輸 入 端為 超 聲 波 發(fā) 射 的 控 制 信 號 ，由 主 機 單 元 產 生 ，是 寬 度 為 500n s、 重 復 頻 率 為 200 h z 的 脈 沖 信 號 。 經 三 極 管 q1、 q2、q3驅 動 后 送 到 q4 的 控 制 極 ， 該 設 計 選 用 雙 向 晶 閘 管bt l 36 - 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 r6 接 高 壓 vch。 在 常 用 的 超 聲檢 測 系 統(tǒng) 中 ， v ch電 壓 在 數 十 伏 至 幾 百 伏 的 范 圍 內 ，

45、 為 充分 激 發(fā) 探 頭 的 壓 電 性 能 ， 本 設 計 中 采 用 600v 高 壓 直 流 電 源 。當 q 4截 止 時 ,電 容 器 c4在 600v 電 源 的 作 用 下 ,經 r6充 電到 600v ；當 q4導 通 時 , c 4經 q 4， r7放 電 ,在 r8上 產 生 激 勵探 頭 的 高 壓 。 可 變 電 阻 r8為 10k 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 度 。電 阻 大 時 阻 尼小 ， 發(fā) 射 強 度 大 ， 儀 器 的 分 辨 力 低 ， 適 合 探 測 厚 度 大 ， 對山

46、東科技大學學士學位論文23 分 辨 率 力 要 求 不 高 的 試 件 。 電 阻 小 時 阻 尼 大 ， 分 辨 率 高 ，在 探 測 近 表 面 缺 陷 時 或 對 分 辨 力 要 求 較 高 時 予 以 采 用 。圖 3. 3發(fā) 射 電 路3. 2. 3 信 號 調 理 電 路限 幅 單 元當 檢 測 范 圍 很 大 時 ， 深 度 缺 陷 或 底 波 的 反 射 波 信 號 很微 弱 ， 因 此 在 處 理 之 前 需 要 進 行 高 增 益 放 大 處 理 。 而 由 于探 頭 是 收 發(fā) 一 體 的 ， 發(fā) 射 信 號 很 強 ， 它 同 時 作 用 于 接 收 電路 ， 而 且

47、在 實 現 的 測 試 過 程 中 ， 有 可 能 加 進 強 干 擾 ， 因 此為 保 護 放 大 電 路 不 致 損 壞 ， 使 放 大 電 路 能 處 于 線 性 的 動 態(tài)范 圍 ， 需 要 在 放 大 之 前 接 收 信 號 進 行 限 幅 ， 限 幅 電 路 如 圖山東科技大學學士學位論文24 3. 4所 示 。 圖 中 電 阻 r9相 對 于 發(fā) 射 電 路 中 的 可 調 電 阻 r8要足 夠 大 ， 選 取 阻 值 50k ， 用 以 消 除 接 收 電 路 對 發(fā) 射 電 路產 生 負 載 效 應 。 選 用 具 有 較 大 正 向 電 流 的 二 極 管 (如2k 617

48、01) d 2和 d3構 成 雙 向 限 幅 電 路 ，防 止 發(fā) 射 電 路 中 的 高壓 脈 沖 進 入 到 后 端 接 收 電 路 中 ， 這 樣 限 幅 電 路 的 輸 出 在 士0. 7 v 左 右 ， 可 以 達 到 該 電 路 的 預 期 效 果 。圖 3. 4 超 聲 波 限 幅 電 路衰 減 放 大 電 路限 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 進 入 放 大 器 之 前 ， 先 經 過 已 校 準 的 衰 減器 ，以 便 于 對 信 號 幅 度 定 量 調 節(jié) ，以 適 應 不 同 的 信 號 范

49、 圍 。該 設 計 選 a d( a na l og d ev i ces) 公 司 推 出 的 壓 控 增 益 放大 器 a d 603進 行 程 控 增 益 放 大 電 路 模 塊 的 設 計 。 a d 603具有 線 性 分 貝 、 低 噪 聲 、 寬 頻 帶 、 高 增 益 精 度 以 及 增 益 控 制山東科技大學學士學位論文25 靈 活 等 特 點 ， 其 高 達 50 m 的 阻 抗 能 夠 保 證 信 號 充 分 加 載到 后 級 電 路 中 。 a d 603程 控 增 益 原 理 圖 如 圖 3. 5所 示 ， 其 管腳 說 明 如 表 3-1所 示 。表3 -1a d

50、60 3 管 腳 說 明a d 603提 供 精 確 的 、 可 由 管 腳 選 擇 的 增 益 ， 且 其 增益 線 性 可 變 ， 而 且 在 溫 度 和 電 源 電 壓 變 化 時 有 很 高 的 穩(wěn) 定性 ， 增 益 變 化 范 圍 40 db ， 增 益 控 制 轉 換 比 例 25 mv /db，相 應 速 度 為 40 db， 變 化 范 圍 所 需 時 間 小 于 1 s。 如 圖 3. 5所 示 ， a d 603 內 部 包 含 一 個 七 級 r 一 2r 梯 形 網 絡 組 成 0- 40db的 可 變 衰 減 器 和 一 個 固 定 增 益 放 大 器 ， 此 固 定

51、 增 益山東科技大學學士學位論文26 放 大 器 的 增 益 可 以 通 過 外 接 不 同 反 饋 網 絡 的 方 式 改 變 ， 以圖3. 5 a d 60 3 增 益 控 制 原 理選 擇 a d603 不 同 的 增 益 變 化 范 圍 。 a d 603 的 這 種 可 變 增 益功 能 是 其 他 運 算 放 大 器 所 不 能 比 擬 的 。超 聲 回 波 信 號 由v i n p 進 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v g 完 成 ，v g 是 差 動 輸 入 的 增 益 控 制 電

52、壓 ， 即 gpos 與 gn eg 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 絡 的 方 式 改 變 ，以 選 擇 a d603 不 同 的 增 益 變 化 范圍 。(1)當a d 603輸 出 端 v ou t 與 反 饋 端 fd bk 短 接 時 ，gai n( db) =40v g+10； 此 時 增 益 范 圍 為 -10 +30db ， 帶 寬山東科技大學學士學位論文27 為 90 m h z。(2) 當 a d603 輸 出 端 v out 與 反 饋 端 fd bk 接 上 反 饋電 阻

53、 時 ，gai n( db) =40v g+20；此 時 增 益 范 圍 為 0 +40 d b ，帶 寬 為 30 m hz。（ 3)當 反 饋 端 fd bk 接 地 時 ， gai n(db) =40v g+30 ； 此時 增 益 范 圍 為 10 50 db ， 帶 寬 為 9 m h z。由 此 可 見 ， a d 603 的 增 益 控 制 是 相 當 靈 活 的 。 在 實 際的 使 用 過 程 中 ，可 以 將 多 片 a d603 串 聯 來 實 現 更 大 的 放 大和 動 態(tài) 范 圍 控 制 。本 設 計 使 用 了 兩 片 a d 603 串 聯 使 用 作 為自 動

54、增 益 放 大 。 緩 沖 放 大 器 如 圖 3. 6 所 示 ：圖3. 6緩 沖 放 大 電 路 （ 兩 級 串 聯 ）山東科技大學學士學位論文28 如 圖3. 6所 示 ， 在 設 計 中 將 輸 出 端v out和 反 饋 端fd b k 之 間 用 電 位 器 r13 連 接 ，可 以 靈 活 地 選 擇 增 益 范 圍 。通 過 調 節(jié) 電 位 器r14， 可 以 調 整 gpos 與 gn eg 間 的 電 壓在 0 0. 5 v 之 間 ， 如 果 將 電 位 器 r13 的 阻 值 調 至 0， 則 使得 放 大 器 的 增 益 變 化 范 圍 是 10 30 db 。緩 沖

55、 檢 波 電 路a d 810 是 低 功 耗 、 視 頻 運 算 放 大 器 ,具 有 高 速 度 (轉換 速 率 為 1 k v / s )、 寬 頻 帶 ( 80m hz, 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 / (21hz) )等 特 點 , 是 超 聲 波 緩 沖 放 大 器 的 理 想選 擇 。 美 國 t i 公 司 的 l h 033也 是 緩 沖 器 ,其 輸 入 阻 抗 達1110,寬 頻 帶 (d c 100m h z ) ,輸 出 電 阻 為 6

56、,轉 換 速率 高 (1 kv /s ) ,而 且 跟 隨 范 圍 大 。緩 沖 檢 波 電 路 如 圖 3. 7所 示 。 檢 波 前 的 緩 沖 由 a d 810構成 ,它 是 一 個 同 相 放 大 器 ,其 高 輸 入 阻 抗 (100m ) 保 證 了a d603的 衰 減 精 度 。 檢 波 后 的 緩 沖 由 l h 033和 a d810兩部 分 組 成 。 a d810是 一 個 同 相 放 大 器 ,其 輸 入 除 了 接 收l h 033的 輸 出 外 ,還 有 一 個 由 - 5v 電 源 產 生 的 直 流 偏 移 電山東科技大學學士學位論文29 壓 ,其 作 用

57、是 調 節(jié) 噪 聲 對 顯 示 基 線 的 影 響圖 3. 7緩 沖 檢 波 電 路用 a d 8036作 為 全 波 整 流 。 a d 8036 本 來 是 一 個 鉗 位放 大 器 ， 具 有 卓 越 的 鉗 位 性 能 ， 表 現 在 :精 度 高 (3 m v ) ,恢 復 時 間 短 (1. 5 ns)， 非 線 性 范 圍 小 ， 寬 頻 帶 (d c240m h z)， 鉗 位 輸 入 范 圍 寬 ( 3.9 v ) 。 a d8036作 為 增 益為 1的 反 相 放 大 器 ,輸 入 送 到 反 相 輸 入 端v，同 時 也 送到 低 電 平 鉗 位 端 v l， 高 電

58、平 鉗 位 端 懸 空 ,不 起 作 用 。 它能 工 作 到 20m hz,由 于 a d 8036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 只 有 40 mv時 ,a d 8036仍 能 線 性 檢 波 。山東科技大學學士學位論文30 a/ d 轉 換 電 路a d c0809是 一 種 8位 逐 次 逼 近 式 的 a /d 轉 換 器。 其 由 8路 模 擬 開 關 、 地 址 鎖 存 與 譯 碼 器 、 比 較 器

59、 、 256電 阻 階 梯 、樹 狀 開 關 、 逐 次 逼 近 式 寄 存 器 sa r、 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 ， 可 由 3位 地址 輸 入 a d d a 、 a d d b、 a d d c的 不 同 組 合 來 選 擇 ， a l e為地 址 鎖 存 信 號 ， 高 電 平 有 效 ， 鎖 存 這 三 條 地 址 輸 入 信 號 。主 體 部 分 是 采 用 逐 次 逼 近 式 的 a / d 轉 換 電 路 ， 由 cl k 控 制內 部 電 路 的 工 作 ， sta rt為 啟 動 命

60、令 ， 高 電 平 有 效 ， 啟 動a dc 0809內 部 的 a / d轉 換 ， 當 轉 換 完 成 ， 輸 出 信 號 eoc有效 ， o e為 輸 出 允 許 信 號 ， 高 電 平 有 效 ， 打 開 輸 出 三 態(tài) 緩 沖器 ， 把 轉 換 后 的 結 果 送 到 d b a t89c52與 a dc0809的 連 接如 圖 3. 8所山東科技大學學士學位論文31 圖3. 8a d c 0 80 9與 a t 89c 52 的 接 口 電 路 圖工 作 過 程 ： 首 先 輸 入 3位 地 址 ，并 使 a l e=1，將 地 址 存入 地 址 鎖 存 器 中 ； 此 地 址