超声波探伤仪的设计 毕业设计说明书论文Word格式.docx
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由于超声波无损探伤设备在不同的应用场合，其对探头的要求不同，对接收的回波信号的处理算法也不同，因此某一类的无损探伤设备，通常只能适应于一种或几种应用场合。
为使超声波探伤设备具有更好的应用范围、更高的处理算法和更快的更新周期，可采用虚拟式超声波无损探伤设备。
虚拟超声探伤系统是利用计算机显示器的功能来模拟传统探伤仪的控制面板，以多种形式输出检测结果，利用软件功能来实现数字信号的运算、分析和处理。
利用输入输出（I/O）接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的超声无损探伤系统。
该系统是虚拟仪器技术与传统超声探伤系统相结合的产物。
在设计虚拟数字超声系统时，结合传统超声探伤系统中模拟通道的设计，因为任何一个超声探伤系统都必须包括超声波的发射电路、接收电路和信号调理电路才能进一步进行后续的处理工作，这些电路的设计将直接影响到整个超声探伤系统工作的可靠性和测试精度。
设计的背景及意义
在无损检测过程中不但要完成是否存在缺陷的判断，而且要实现一些工艺参数的测量，进而对被检测的材料或工件进行性能的评估。
对于超声检测而言，其应用中的硬件电路具有很大的相似性，因而如何灵活、准确的从通过介质的超声波中提取包含被检测物体特征的信号成为关键，它对系统的数字信号处理能力和灵活性提出了很高的要求。
数字化的超声检测仪采用了单片机或者DSP作为数据处理单元，可以实现一定的数据处理能力，但其硬件或固化的软件的开发形式缺乏灵活性，不利于用户二次开发升级，而从虚拟仪器的产生动机和特点可以看到，虚拟仪器的产生正是顺应了仪器发展的潮流，就如美国NI（NationalInstrument）公司所提出的“软件即仪器”的概念那样，它十分重视在相同的硬件条件下，用不同的软件分析处理技术来实现不同仪器的功能，它提供的大量的分析处理函数库为信号的分析处理提供了有力的支持，因而将超声检测与虚拟仪器相结合有着重要的意义，有助于超声检测的良性发展。
第二章超声波及超声检测的原理
2.1超声波的基本性质
通常人耳能够听到的声波的频率范围在20-20000Hz之间，人们习惯上把频率超过20KHz的声波称为超声波。
超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两个条件，一是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。
波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的。
超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。
纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。
2.1.1超声波的速度及波长
声波在介质中向前传播的速度，称为声速。
对于不同种类的超声波，其传播速度不同。
超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。
不同的介质，有不同的声速。
超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。
因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。
超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:
（2-1）
其中
为超声波的波长、c为超声波在介质中的的波速、ƒ为超声波的频率。
可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。
2.1.2超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫做超声的衰减。
超声衰减的三种主要原因:
●声束扩散引起的超声波衰减
●散射引起的超声波衰减
●由介质吸收引起的超声波衰减
鉴于以上原因，为使接收信号不过度失真，需要在超声波接收单元中设计一高增益放大电路，即下文中的衰减放大电路。
2.2超声换能器
2.2.1超声换能器的定义及分类
顾名思义，换能器就是一种将一种能量转换为另一种能量，进行能量转换的器件。
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或各将外部的声信号转换为电信号的能量转换器件。
超声换能器是超声检测装置中非常重要的一个部分，它的性能和特点往往决定了超声检测的方法，对检测的效果有着很大的影响。
超声换能器的种类很多，按照换能器的工作介质可分为气体超声换能器、液体超声换能器以及固体超声换能器等，按照能量转换的机理和利用的换能器材料，可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器（电容型换能器），机械型超声换能器等。
其中压电换能器的理论研究和实际应用最为广泛，目前最常用的压电材料是压电陶瓷材料。
在无损检测领域，人们常常称检测用的超声换能器为超声探头。
在实际应用中，由于超声探头往往是与超声检测的方法是紧密相连的，不同的检测方法需要不同的超声探头，因而超声探头的种类也是多种多样的。
根据产生超声波波形的不同，探头可分为纵波探头（也叫直探头）、横波探头（也叫斜探头）和表面波探头等几种。
根据耦合方法区分，有直接接触式探头和水浸探头。
按工作方式分有单晶探头、双晶探头和列阵探头等。
2.2.2超声换能器的主要性能参数
衡量超声检测系统中的换能器的性能需要的参数很多，主要有两个:
一是换能器的灵敏度，二是换能器的带宽。
前者取决于振型、换能器的材料及机械系统结构，后者是换能器的频率带宽特性，包括功率、声压、阻抗及灵敏度等随频率变化的带宽特性。
对于应用于脉冲法检测的超声换能器，要求其频带宽，这就是所谓的宽带换能器，也称高阻尼探头，它保证激励产生的超声波脉冲信号有较陡的上升沿，余振也短，这种特性在超声检测系统中特别重要。
本设计采用德国K．K公司（Krautkramer）的B5S单晶纵波直探头。
该探头具有5MHz的标称频率，15～6000mm的工作量程和110mm的近场长度。
2.3超声波探伤的原理
超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性（即通常所说的缺陷）的一种方法。
首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。
2.3.1超声波探伤方法的分类
超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。
按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。
按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。
在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。
考虑到脉冲超声探伤仪在实际中应用最为广泛，本设计将对基于虚拟仪器技术的超声脉冲反射式探伤仪的实现技术进行讨论。
2.3.2脉冲反射式超声探伤仪的原理
超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。
纵波脉冲反射法工作原理如图2-1所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。
超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。
图2.1脉冲法纵波探伤原理
a.判断缺陷的存在
换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。
反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关。
由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。
●当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射
波，两者之间没有其它回波。
●当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始
波和底波之间出现缺陷回波。
缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。
●当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所
反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。
b.缺陷的定位
由于超声波在介质的波速是一定的，则在图2.1中
（2-2）
若知道工件长L的大小，则可以根据发射波到反射波与发射波到底波的时间的比值，来确定缺陷距探头的距离。
若不知道L的大小，则可以根据声束和声波在介质中传播至缺陷所需时间和波速来定位缺陷。
（2-3）
式中C为材料中的声速，
为声波遇到缺陷时的来回传播时间。
c.缺陷的定量
假如缺陷尺寸小于波长一半时，由于超声波的衍射作用而将不会产生明显的反射回波，从而无法探测缺陷，因此缺陷尺寸的最小检测极限为
。
工件或材料中的实际缺陷是多种多样的，其形状和性质也各不相同，而超声波的波长又比较大，要确定其真实大小是非常困难的，甚至不可能的，所以只能采用相对比较的方法，即用未知量（缺陷）与已知量（规定的人工缺陷）的回波振幅相比较的方法，来确定缺陷的当量大小，这就是超声探伤中的缺陷定量的基本原理。
假设已经规定A处为已知量，以此处为参考，如图2.2
图2.2缺陷定量示意图
则缺陷率为：
（2-4）
其中
—缺陷波幅值
—始波幅值
第三章系统硬件设计
3.1系统硬件整体结构框图
虚拟超声探伤系统的总体结构如图3.1所示。
该系统以AT89C52单片机为核心控制器件，主要由主机控制、发射电路、信号调理电路、探头、上位机显示等部分组成。
数据采集由AT89C82单片机结合LabVIEW串口通讯函数完成,然后结LabVIEW应用软件进行探伤系统的面板设计和部分功能的设计，对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。
图3.1超声探伤仪总体框图
3.2单元电路
3.2.1AT89C52单片机
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。
本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。
EA端接+5v电源选中内部存储器。
单片机单元电路连接图如图3.2所示：
图3.2单片机单元电路
时钟电路
计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。
单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。
为了保证各部件间的同步工作。
单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。
要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。
因此选择了内部时钟方式。
利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图3.2所示，外接晶振时，C17和C16值通常选择为30PF左右。
C17，C16对频率有微调作用。
晶体的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。
在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。
可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
复位电路
由图3.2可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与
电源接通。
复位是单片机的初始化操作。
单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。
3.2.2发射电路
超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分，对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。
发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。
调谐式电路中有调谐线圈，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。
非调谐式电路发射一尖峰脉冲，脉冲的频带较宽，可以适应不同频带范围的探头，此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。
本设计采用非调谐式发射电路。
发射电路在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高压脉冲信号。
图3-2为其原理图。
图3.3中输入端为超声波发射的控制信号，由主机单元产生，是宽度为500ns、重复频率为200Hz的脉冲信号。
经三极管Q1、Q2、Q3驱动后送到Q4的控制极，该设计选用双向晶闸管BTl36-600，该晶闸管具有600V的反向峰值电压和4A的额定平均电流。
Q4漏极经R6接高压
在常用的超声检测系统中，Vch电压在数十伏至几百伏的范围内，为充分激发探头的压电性能，本设计中采用600v高压直流电源。
当Q4截止时,电容器C4在600V电源的作用下,经R6充电到600V；
当Q4导通时,C4经Q4，R7放电,在R8上产生激励探头的高压。
可变电阻R8为10kΩ决定了电路的阻尼情况，可以通过改变R8的阻值来改变发射的强度。
电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器的分辨力低，适合探测厚度大，对分辨率力要求不高的试件。
电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。
图3.3发射电路
3.2.3信号调理电路
限幅单元
当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。
而由于探头是收发一体的，发射信号很强，它同时作用于接收电路，而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅，限幅电路如图3.4所示。
图中电阻R9相对于发射电路中的可调电阻R8要足够大，选取阻值50KΩ，用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。
选用具有较大正向电流的二极管（如2K61701）D2和D3构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在士0.7V左右，可以达到该电路的预期效果。
图3.4超声波限幅电路
衰减放大电路
限幅之后，便是放大电路，为了能够测量幅度的变化值，在回波信号进入放大器之前，先经过已校准的衰减器，以便于对信号幅度定量调节，以适应不同的信号范围。
该设计选AD（ANALOGDEVICES）公司推出的压控增益放大器AD603进行程控增益放大电路模块的设计。
AD603具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点，其高达50MΩ的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。
AD603程控增益原理图如图3.5所示，其管脚说明如表3-1所示。
表3-1AD603管脚说明
AD603提供精确的、可由管脚选择的增益，且其增益线性可变，而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，增益变化范围40dB，增益控制转换比例25mV/dB，相应速度为40dB，变化范围所需时间小于1μs。
如图3.5所示，AD603内部包含一个七级R一2R梯形网络组成0~-40dB的可变衰减器和一个固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以
图3.5AD603增益控制原理
选择AD603不同的增益变化范围。
AD603的这种可变增益功能是其他运算放大器所不能比拟的。
超声回波信号由VINP进入衰减器衰减后，再通过定增益放大器放大。
衰减器的增益控制由控制电压VG完成，VG是差动输入的增益控制电压，即GPOS与GNEG之差，范围是-0.5～+0.5V。
定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。
（1）当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK短接时，Gain（dB）=40VG+10；
此时增益范围为-10～+30dB，带宽为90MHz。
（2）当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK接上反馈电阻时，Gain（dB）=40VG+20；
此时增益范围为0～+40dB，带宽为30MHz。
（3）当反馈端FDBK接地时，Gain（dB）=40VG+30；
此时增益范围为10～50dB，带宽为9MHz。
由此可见，AD603的增益控制是相当灵活的。
在实际的使用过程中，可以将多片AD603串联来实现更大的放大和动态范围控制。
本设计使用了两片AD603串联使用作为自动增益放大。
缓冲放大器如图3.6所示：
图3.6缓冲放大电路（两级串联）
如图3.6所示，在设计中将输出端VOUT和反馈端FDBK之间用电位器R13连接，可以灵活地选择增益范围。
通过调节电位器R14，可以调整GPOS与GNEG间的电压在0～0.5V之间，如果将电位器R13的阻值调至0，则使得放大器的增益变化范围是10～30dB。
缓冲检波电路
AD810是低功耗、视频运算放大器,具有高速度（转换速率为1kV/µ
s）、宽频带（80MHz,3dB,G=1）、失真小（微分增益误差0.02%,微分相位误差0.04°
）、低噪声（输入噪声2.9nV/（
））等特点,是超声波缓冲放大器的理想选择。
美国TI公司的LH033也是缓冲器,其输入阻抗达
宽频带（DC～100MHz）,输出电阻为6Ω,转换速率高（1kV/µ
s）,而且跟随范围大。
缓冲检波电路如图3.7所示。
检波前的缓冲由AD810构成,它是一个同相放大器,其高输入阻抗（100MΩ）保证了AD603的衰减精度。
检波后的缓冲由LH033和AD810两部分组成。
AD810是一个同相放大器,其输入除了接收LH033的输出外,还有一个由-5V电源产生的直流偏移电压,其作用是调节噪声对显示基线的影响
图3.7缓冲检波电路
用AD8036作为全波整流。
AD8036本来是一个钳位放大器，具有卓越的钳位性能，表现在:
精度高（3mV）,恢复时间短（1.5ns），非线性范围小，宽频带（DC～240MHz），钳位输入范围宽（±
3.9V）。
AD8036作为增益为1的反相放大器,输入送到反相输入端
，同时也送到低电平钳位端VL，高电平钳位端悬空,不起作用。
它能工作到20MHz,由于AD8036不像二极管检波那样从正向偏置迅速切换到反向偏置,它的非线性失真比二极管检波要显著减小，尤其是高频段。
在输入信号只有40mV时,AD8036仍能线性检波。
A/D转换电路
ADC0809是一种8位逐次逼近式的A/D转换器。
其由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。
主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作，START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器，把转换后的结果送到DB．AT89C52与ADC0809的连接如图3.8所
图3.8ADC0809与AT89C52的接口电路图
工作过程：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中；
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器；
START上升沿将逐次逼近寄存器复位；
下降沿启动A/D转换，之
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