超声波检测系统设计.docx
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超声波检测系统设计
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摘 要
钢管在生产和加工的过程中，其内部或者外部会产生分层、裂纹等各种缺陷。
目前比较广泛的一种无损检测方法是超声波探伤，它可以在不损伤被检测对象的内部结构的前提下进行检测。
论文以超声探伤理论为基础，利用CPLD强大的逻辑处理功能结合单片机MCU作为系统的核心开发了超声检测系统。
在论文设计的过程中，采用了模块化的设计方案，提高了系统的可靠性；在主控芯片上选择了低成本的单片机MCU和可编程逻辑控制器件CPLD,提高了系统开发的灵活性。
在设计中首先对超声波检测技术进行介绍，并对超声波检测的基本理论进行探讨。
对设计中的数字式超声波探伤仪的总体设计及各功能模块进行探讨，之后重点研究超声检测系统的硬件设计，包括超声波的激励电路，信号处理模块，MCU模块以及数据采集处理系统的设计。
最后利用LabVIEW对超声检测系统进行软件设计，并进行总体流程的设计及下位机的设计。
关键词超声波探伤虚拟仪器CPLD单片机
Abstract
Intheproductionandprocessingofironandsteelmaterials,itsinternalandexternalwillproducealayered,cracksandotherdefects.Therelativelywiderangeofanondestructivetestingmethodisultrasonicflawdetectionthatcannotdamagetheobjecttobedetectedintheinternalstructureofthepremiseoftestingwiththebasisoftheultrasonicflawdetectiontheory,theCPLDandMCUarethecoreofsystemdevelopmentofultrasonictestingsystem.Intheprocess,todesignituseamodulardesigntoimprovethereliabilityofthesystem;andselectlowcostMCUsingle-chipmicrocomputerandprogrammablelogiccontroldeviceCPLDinthemaincontrolchiptoenhancethesystemflexibility.
Inthepaper,theultrasonicdetectiontechniqueisintroduced,andthenthebasictheoryofultrasonictestingiddiscussed.Thenthedesignofthedigitalultrasonicflawdetectorinthegeneraldesignandthefunctionalmoduleisdiscussed,thenfocusesonthehardwaredesignofultrasonicdetectionsystem,includingtheultrasonictransmittingcircuit,receivingcircuit,MCUmoduleanddataacquisitionandprocessingsystemdesign.FinallyusingLabVIEWonultrasonicdetectionsystemforthesoftwaredesign,thesystemsoftwaredesignoftheoverallprocess,ultrasonicexcitationpulsesignalgenerating,dataacquisitionsystemcontrollogicinthispaper.
KeywordsUltrasonicexaminationVirtualInstrumentCPLDMCU
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摘 要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2超声波的概念和方法1
1.2.1超声波检测技术2
1.2.2超声无损检测的发展趋势2
1.2.3国内外发展状况3
1.3虚拟仪器的发展4
1.3.1虚拟仪器的概念4
1.3.2虚拟仪器的优点4
1.4本设计研究内容及研究意义5
第2章超声波及超声波检测的原理6
2.1超声波6
2.1.1超声波的分类6
2.1.2超声波的传播衰减7
2.1.3超声波的速度及波长7
2.1.4超声波探伤的原理8
2.2探头的选择及缺陷的定位10
2.2.1探头10
2.2.2探头频率的选择10
2.2.3判断缺陷的存在11
2.2.4缺陷的定位12
第3章系统硬件设计15
3.1超声波检测系统总体设计15
3.2超声激励电路16
3.3信号采集电路17
3.3.1限幅保护电路17
3.3.2放大电路18
3.3.3滤波电路18
3.3.4检波电路21
3.3.5A/D转换电路及数据存储电路21
3.4单片机及CPLD电路22
3.5其他电路的设计24
3.5.1光电耦合电路24
3.5.2电源电路25
3.5.3通讯接口电路26
第4章系统软件设计28
4.1LabVIEW的程序结构28
4.2上位机软件设计28
4.3下位机软件部分设计29
4.3.1数据采集31
4.3.2CPLD的程序设计31
4.3.3MCU的程序设计32
结论34
致谢35
参考文献36
CONTENTS
Abstract（Chinese）I
AbstractII
Chapter1Introduction1
1.1Projectbackground1
1.2Theconceptandmethodofultrasonic1
1.2.1Ultrasonictestingtechnology2
1.2.2Developmenttrendsofultrasonictesting2
1.2.3Thedomesticandforeigndevelopmentcondition3
1.3Virtualinstrumentdevelopment4
1.3.1Theconceptofvirtualinstrument4
1.3.2Theadvantagesofvirtualinstrument4
1.4Thistopicresearchsignificanceandtheresearchcontent5
Chapter2Ultrasonicandultrasonicdetectionprinciple6
2.1Ultrasonicwave6
2.1.1Ultrasonicclassification6
2.1.2Ultrasonictransmissionattenuation7
2.1.3Ultrasonicvelocityandwavelength7
2.1.4Theprincepleofultrasonicflawdetection8
2.2Probeselectionandlocationofdefects10
2.2.1Probe10
2.2.2Probefrequencyselection10
2.2.3Judgingthedefects11
2.2.4Defectlocation12
Chapter3Systemhardwaredesign15
3.1Ultrasonicdetectionsystemdesign15
3.2Ultrasonicexcitationcircuit16
3.3Signalacquisitioncircuit17
3.3.1Limitingprotectioncircuit17
3.3.2Amplifyingcircuit18
3.3.3Filtercircuit18
3.3.4Detectioncircuit21
3.3.5TheA/Dconvertingcircuitandadatastoragecircuit21
3.4SinglechipMCUandCPLDcircuit22
3.5Theothercircuitdesign24
3.5.1Aphotoelectriccouplingcircuit24
3.5.2Powersupplycircuit25
3.5.3Communicationinterfacecircuit26
Chapter4Systemsoftwaredesign28
4.1Virtualinstrumentsystemandconstructionmethod28
4.2Thefrontpanelandthesamplingprocedure28
4.3Theoverallprocessofsystemhardware29
4.3.1Dataacquisition31
4.3.2CPLDprogramdesign31
4.3.3MCUprogramdesign32
Conclusions34
Acknowledgements35
Appendix36
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绪论
1.1课题背景
随着我国现代化工业的飞速发展，高质量的材料是其重要的保障。
为确保材料的质量，必须采用不破坏其性质的有效检测方法，以确保材料的安全性和可靠性，这种技术便是无损检测技术。
在五大常用无损检测（射线检测、磁粉检测、超声波检测、渗透检测和涡流检测）技术中，超声波检测技术是使用的最为广泛的一种[1]。
超声波检测技术与其它的无损检测技术相比，具有应用范围广、对人体无害、易于使用、成本低、穿透力强、定位准确、以及便于现场操作等特点。
超声波检测技术已广泛的应用在现代工业的各个方面，在产品设计、制造、产品测试和设备服务等各个阶段发挥了重要作用。
随着计算机技术和高速设备的不断发展，使得超声波检测技术得以进一步的完善。
超声波检测已被广泛的应用，然而传统的超声波检测技术对缺陷的显示不是很直观，探伤技术难度大，容易受到其他因素的影响，它只能显示在屏幕上出现的即时回波信号，无记录和数据分析功能，检测员只能凭经验判断被检测的材料是否有缺陷，给测试结果带来了不便。
若需要记录相关信息，只能将超声波探伤仪的输出连接到记录仪上进行记录。
无纸记录仪只能记录很短的一段信息，而有纸记录仪只能将相关信息打印在纸质材料上，这都给数据的储存、携带、分析带来很多的不便。
因此将回波信号进行数字化，并将其进行储存、显示和分析有着重要意义。
在本设计中，提出了一种基于虚拟仪器的采集方案，硬件系统对模拟信号进行采集和传输，由计算机软件系统对数据进行处理。
1.2超声波的概念和方法
无损检测技术是指在不损坏被检测对象内部结构的前提下，应用了多种物理原理和化学现象，有效地检测和测试各种工程材料和零部件，进而来评估它们的连续性、完整性、安全可靠性及其物理性能。
长期以来无损检测经历了三个发展阶段，即无损探伤（NDI,Non-DestructiveInspection）阶段、无损检测（NDT,Non-DestructiveTesting）和无损评价（NDE,Non-DestructiveEvaluation）阶段，目前一般统称为（NDT）[2]。
超声波检测是无损检测的一种，下面对超声波检测进行下具体介绍。
超声波检测技术
超声波检测是利用超声波能渗透到被测工件的深处，并且从一截面进入到另一截面时可以通过在界面边缘发生反射的特点来检查被测工件缺陷的一种方法，当超声波探头由零件表面到钢管内部，遇到缺陷时就会发生反射，在荧光屏上形成脉冲波形。
根据这些脉冲波形就可以判断缺陷位置和大小。
在无损检测的领域中，应用超声波检测是最广泛的，主要因为以下几个特点。
（1）超声波有像光波一样好的方向性，尤其有相对较高的频率。
（2）超声波可以在介质中传播，遇到界面时会发生反射。
（3）超声波的衰减、声速、声抗、散射相关特性，为检测缺陷提供了全面的信息，使检测更加精确。
（4）超声波的能量较大，对各种介质的穿透能力强，在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。
超声波在介质中传播的实质是以波动形式在介质中传播的机械振动。
超声波检测常用的频率通常在0.5~10MHz，低频率的超声波用于检测衰减较大的材料，例如粗晶材料等,高频率的超声波用于高灵敏度和细晶材料检测。
超声无损检测的发展趋势
国外的研究主要集中在超声波探伤技术的高性能超声波设备和检测系统的发展上，往往是自动化智能化和多种成像技术。
另外，数字信号处理与模式识别在超声检测定性、定量化中的研究也在国外广泛使用。
近年来还兴起了超声波探伤和材料性能的评价、非接触式超声波探伤、多换能器超声检测和高频超声等。
到目前为止，工业用超声检测大多停留在了解材料与构工件内是否有缺陷，或凭经验大致判断缺陷的位置和大小。
近期的理论和试验研究表明，采用多参量的超声数字信号处理与模式识别技术可给出定量的结果，如缺陷的大小、位置、形状、性质。
超声无损检测分析的不仅仅是信号的时域，还有幅域、相域、频域等。
引入了神经网络、小波算法等对信号进行处理；与断裂力学知识相结合，现代超声检测可望进一步对构件的强度与剩余寿命进行评估，这方面成果在发达国家的电力行业中得到初步应用[3]。
总的说来，在计算机和现代信号分析技术的推动下，超声无损检测向着数字化、小型化、智能化、系统化和成像化的方向发展。
国内外发展状况
目前国内外在超声波检测技术领域都从模拟向着数字化的方向发展，即当超声波探头的回波信号经过接收部分放大以后，由A/D转换成为数字传给控制器，控制器再将随着时间和位置变化的波形信号做适当处理，就可得出超声波检测结果。
然而，被检测的材料千差万别，设计者所使用的测量标准不尽相同，因此对应的超声波探伤系统也是种类多样的。
和过去的模拟超声波探伤系统相比较，数字式超声波探伤系统不但解决了缺陷记录问题，还能减少人为误差，提高了探伤的可靠性。
在国外，1933年，德国的Muhihauser获得了用双探头超声波系统来探材料中缺陷的专利。
1936年，德国的Pohlman用不同的方法实现了缺陷的检测。
1942年，Sproule用脉冲回波法成功地检测出了钢中的缺陷。
超声波的发射和接收使用了不同的探头。
同时，美国Michigan大学的Firestone用4MHz的石英探头探测了6.4mm厚度铝板中的缺陷[4]。
1949年，德国的Krautkramer兄弟制成了基于脉冲反射法的探伤装置，用示波器和单探头检测到了人工孔槽。
Carlin于1950年获得了斜探头横波法检测的专利。
通用电机的Erwin发明了超声波共振法，可用于测厚和检测胶接质量。
Erdman发明了液浸法检测，并在论文中描述了自动探伤装置的电子门限、回波幅度记录、缺陷深度和部件厚度识读、B扫描装置以及10MHz以上的高频超声检测。
到1950年，超声波检测已用于工业中。
从1986年起，世界各主要工业国家数字化超声波探伤仪得到速发展，生产类似产品和研究的主要公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司，加拿大的R/DTECH公司，德国的K-K公司，法国SOFRATEST公司和西班牙TECNATOM公司等。
这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高[5]。
而且，国外已经把100MHz以上采样频率的高速A/D技术用于超声波信号的采集，信号的分析和成像处理己实现扫描。
虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。
国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统，如上海大学与上海市电子物理研究所合作的国家“863”基金资助项目研制了输油管道超声波探伤机器人，他们采用存储异常数据的方法对数据进行压缩，用高速数据缓存的方法提高数据处理速度，该研究现在也处于实验研究阶段。
长期以来，我国钢轨探伤完全依靠手推式探伤仪进行人工探伤[6]。
全路现在有近8000名钢轨探伤人员使用着大约3000台手推式钢轨探伤小车，负担着将近7万公里钢轨的内部伤损检查。
从1989年开始，铁道部先后从澳大利亚GEM—CO公司和美国PandrolJackson公司进了13台大型钢轨探伤车（其中12台从美国进口），但目前这13台大型探伤车还处在消化吸收阶段，使用情况不是很理想。
因此，当前我国的钢轨探伤工作仍处于以手推式探伤小车为主，大型探伤车为辅的局面。
在国外发达国家，大型钢轨探伤车得到了成功的应用。
这些国家的钢轨探伤工作主要由探伤车来承担，人工探伤小车仅作为辅助手段，与我国目前的状况刚好相反[7]。
所以，我们要加快研究的步伐，使我国以较快的速度跟上发达国家的发展水平。
1.3虚拟仪器的发展
虚拟仪器的概念
虚拟仪器是指通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过图形界面来操作这台计算机，从而完成对被检测物体的采集分析、处理、显示、存储和打印。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号的运算分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集与调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统[8]。
虚拟仪器可以通过不同的测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。
虚拟仪器的优点
1.融合了计算机的硬件资源
高性能处理器、高分辨率显示器、大容量的硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置，这就突破了传统仪器在数据处理、显示和存储方面的限制。
2.利用了计算机丰富的软件资源
实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性。
通过软件技术和相应的数值算法，直接对测试数据进行各种分析和处理。
图形用户界面技术的应用，真正做到人机交互[9]。
3.基于计算机网络技术和接口技术
虚拟仪器具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN,PROFIBUS等各种工业总线的标准。
因此，利用虚拟仪器技术可方便的构建自动测试系统，实现测量控制过程的网络化。
4.基于计算机的开放式标准体系结构
虚拟仪器的硬件、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性的特点，用户可以根据自己的需要选用不同厂家的标准接口产品，使仪器的开发更为高效，缩短仪器的组建和开发时间[10]。
5.具有很强的灵活性
虚拟仪器的功能由用户自己定义的，这意味着可自由地组合计算机的平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。
1.4本设计研究内容及研究意义
对于超声波检测系统而言，从超声波中提取包含被检测物体的特征信号成为关键。
数字化的超声波检测采用了单片机作为数据处理单元，可以实现一定的数据处理能力，但是由于其硬件的开发形式缺乏灵活性，不利于用户二次开发使用，而从虚拟仪器的优点可以看到，虚拟仪器的产生正是顺应了仪器发展的潮流，就如美国公司所提出的“软件就是仪器”的概念那样，用不同的软件分析处理技术来实现不同功能的仪器，它提供的大量的分析处理函数库为信号的分析和处理提供了有力的支持，因而将超声波检测与虚拟仪器相结合有着重要的意义。
考虑到超声波探伤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波检测的实现技术进行讨论。
论文首先介绍课题的背景、无损检测、超声检测技术及国内外发展。
接着介绍了虚拟仪器技术的概念、虚拟仪器的优点，然后阐述了课题的研究意义，最后给出论文的主要研究内容。
其次介绍了超声波及用于检测的超声换能器的原理，然后详细叙述并分析了系统的硬件电路的设计，分四大模块，并详细叙述了系统的软件的设计，包括上位机虚拟仪器的设计及下位机MCU和CPLD的设计。
超声波及超声波检测的原理
1.5超声波
超声波的分类
1.根据振动的持续时间
根据超声波振动的持续时间长短又可把超声波分为连续波和脉冲波。
（1）波源连续不断的振动所辐射的波称为连续波。
（2）波源振动持续时间短且间歇辐射的波称为脉冲波。
目前在超声探伤中脉冲波被广泛应用。
2.根据质点的振动方向分类
根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向，我们可以把超声波分为表面波、横波、纵波等。
（1）表面波
当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波叫做表面波，常用R表示。
表面波在介质表面传播时，介质表面质点会作椭圆运动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。
椭圆运动可以看作为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成[11]。
因此表面波只能在固体介质中传播而不能在液体和气体介质中传播。
（2）横波
介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波叫做横波，用S或T表示。
当介质受到交变的剪切力作用时，就会产生切变形变，从而形成横波。
只有固体才能承受剪切应力，液体和气体都不能承受剪应力。
因此横波只能在固体中传播，而不能在液体和气体介质中传播。
（3）纵波
介质中质点的振动方向与传播方向相同的波，叫做纵波。
当介质的质点受到往复压应力的作用时，质点之间就会产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。
超声波的传播衰减
超声波在介质中传播时，随着距离增加超声波能量逐渐减弱的现象称为超声波衰减。
引起超声波衰减的主要原因有吸收衰减、散射衰减和扩散衰减[12]。
吸收衰减与散射衰减是探伤领域主要考虑的衰减，通常不包括扩散衰减。
1.吸收衰减
超声波在介质中传播时，由介质中质点间磨擦和热传导引起超声波衰减。
2.散射衰减
超声波在传播的过程中，会遇到不同介质的声阻抗界面，就会产生散乱反射，使超声波的能量损耗。
散射衰减的主要原因是：
不均匀性的超声波会在具有不同密度和声速的两种材料的界面上产生散射；若晶粒尺寸和超声波波长相当时，会使斜入射的超声波分散反射，从而使声能转变为热能而损耗。
3.扩散衰减
超声波在传播的过程中，由于波束的扩散能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随距离的增加而逐渐减弱。
扩散衰减仅取决于波的几何形状，与波传播的介质性质无关。
超声波的速度及波长
超声波在介质中向前传播的速度，我们把它称为声速。
不同种类的超声波，其传播速度是不同的。
超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有着密切的关系，对于一定的介质，弹性模量和密度为常数时，故其声速也是常数。
那么对于不同的介质，会有不同的声速。
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
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