一种数字式超声无损检测装置的设计与实现

宫晓琴 邢荣峰

1.太原理工大学轻纺工程与美术学院 030600 2.太原航空仪表有限公司 030006

在无损检测技术中超声检测使用最为广泛，它是使用频率最高的一种。在所有工业企业中都应用了该技术，比如说机械制造企业、铁路运输企业、钢铁企业、电子工业等。这些工业企业所生产的产品基本上都跟我们生活有着紧密联系，对其产品的质量要求就更加严格。在实际生活中应用有着细微缺陷的产品，将会导致不良的后果，而且不良的后果也许会被放大无限倍，最终有可能产生巨大的损失。传统的模拟检测装置技术指标低、体积庞大，而且在数据处理功能和存储等功能上也有比较大的欠缺，旧式的超声检测装置就采用这种传统的模拟检测装置。但是，随着现代计算机技术和数字处理技术的大力发展，超声检测装置也得到了快速发展。综合我们国家超声检测装置的发展趋势，我们认为：只有加快发展数字式超声检测装置才能赶超国外的发展水平。

1 A型脉冲反射式超声波探伤仪的基本原理

目前使用最广泛的探伤仪器是A型脉冲反射式超声波探伤仪，它把持续时间较短的超声波脉冲放射到需要被检测的产品中，我们利用被检测产品底面所发射的回波信号来判定其所在的位置和大小。

当超声波在介质中传播时，如果超声波碰到另一种不同阻抗的介质，那么在这两种介质中会发生反射或者折射现象。在被检测产品中传播由超声波探头所发射出的超声波脉冲，超声波脉冲会碰到两类接触面，第一类是产品与产品底间的接触面，第二类是产品与产品中缺陷的接触面，这两类接触面都能够反射超声波信号。当产品没有缺陷时，也就只有产品底面能反射波，而回波信号只有两种：底波信号和发射波信号；当产品中有缺陷时，回波信号就会出现缺陷波。我们根据回波信号就能够判定产品是否有缺陷以及缺陷的具体大小和位置。

对于缺陷的定位，A型脉冲反射式超声波探伤仪更加精确，根据缺陷回波在显示屏上显示的时间，我们就能得知缺陷的声程。如果在产品中超声波的速度是C，超声波的回波时间是T，那么缺陷的声程是h=。

使用超声波探头所发射出的超声波传到被检测产品，然后根据所接收到的反向波来检测产品内部所存在的缺陷的方法，我们称之为脉冲反射法。它是根据仪器显波屏上所显示出来的波形来判断的，是反射法中的基本方法。波信号射到被检测产品中后，假如产品中没有缺陷，波在底部反射出来，当底部光滑并且又与检测面平行的时候，回波当中只有两个信号波：发射波T和底波B，图1（a）所示。如果检测产品中有缺陷，那么回波中会存在回波F(代表缺陷的波)，如图 1（b）所示。

图1 脉冲反射检测法

2 系统的硬件设计

2.1 芯片选择

本论文所采用的数字式超声波探伤仪的核心设计是DSP和CPLD，它们分别是由TI公司生产的TMS320C6000T系列C6713和XILINX公司生产的XC95288XL。

DSP 芯片（Digital Signal Processor），也称数字信号处理器，它是一种用数字信号处理的微型处理器。数字信号处理器有着巨大的信息处理能力、奇特的内部结构和极快的速度，因此我们系统的核心选用DSP。TMS320C6713是TI公司所生产，它是32位高速浮点型DSP，处理器的工作主频最高可以达300MHz，处理器速度可以达2400MIPS。C6713的Cache结构采用了2级，片上的存储器共拥有264K×8位，其中L1P Cache有4K×8位、L1D Cache有4K×8位和L2 RAM/Cache有256K×8位。

CPLD（Complex Programmable Logic Device），也称复杂可编程逻辑器件，它是由PAL器件和GAL器件发展过来的。相对来说，CPLD的规模更加庞大，结构也更加繁杂，其范围归属于大规模集成电路。它是一种数字集成电路，但可以让用户依据自己的需求来自构逻辑功能。由可编程I/O单元阵列、可编程逻辑门阵列和布线资源等构成的CPLD有着灵活的结构，用户可以在I/O单元、逻辑单元、可编程内部连线上来编程，同时，CPLD能够实现动态配置以及任何逻辑功能，非常适合用在高复杂性的系统设计中。XILINX公司生产的XC95288XL具有高性能的CPLD，工作频率最高可达208MHz,该设计采用了208个引脚PQFP封装和用户可编程的168个I/O引脚。

2.2 系统总体结构框图

图2 硬件系统结构图

超声波发射电路用于发射超声波信号。超声波探头在收到脉冲激励信号以后，其内的晶体立刻产生逆压电反应，所生成的超声波信号发射到被检测产品中。超声波接收电路用于接收超声波反射回来的信号，并且能够滤波和放大。超声波信号在被检测产品中如果碰到底面或缺陷便会反射，反射回来的波信号能够让超声波探头里的晶体产生正压电反应，因而能够收到超声回波信号。一般来说，超声回波信号是很弱的信号，并且夹带着许多的噪声。超声波接收电路里的滤波电路和程控增益放大器可以对回波信号进行放大或者滤波。

A/D转换电路：将滤波或者放大后的模拟超声回波信号转变成数字信号，方便DSP处理和分析。

D/A转换电路：通过程控增益放大器来控制电压，以方便改变超声回波信号的倍数。

FIFO电路：FIFO是DSP与A/D转换器两者间的缓冲器，A/D采样后的信号先放入FIFO，再让DSP读取并且处理。

存储器模块由两部分组成：1、SDRAM存储器。2、FLASH存储器，在DSP过程中，SDRAM存储器用来存储中间数据；而FLASH存储器则存储DSP自启程序和停电后要存储下来的数据。如图2所示。

3 系统的软件设计

超声波探伤系统是拥有数据采集、数据处理以及数据显示等特点的典型系统，我们依据超声波探伤系统的基本功能和基本工作原理，设计出了该系统整体的软件流程图。如图3所示。

图3 软件系统流程图

根据上述的流程图，我们将系统的软件设计分成五个部分：

3.1 系统初始化

系统初始化包括DSP上电后自启动和DSP外部寄存器配置两个方面。

3.2 超声回波数据采集的软件设计

超声回波数据采集的软件设计主要是DSP激励超声波探头发射出超声波脉冲，并且能够同步采样和存储采集的数据等。

3.3 超声波数据处理的软件设计

超声波数据处理软件设计包括探伤仪器基本功能的实现、回波数据的处理显示和人机界面的制作等。

3.4 显示数据发送的软件设计

显示数据发送的软件设计包括CPLD接收数据和匹配LCD读取时序的软件设计以及DSP向CPLD传输数据的软件设计。

3.5 键盘数据读取的软件设计

键盘数据读取的软件设计主要包括I/O读取健值和CPLD键盘扫描程序。

4 仿真与实验

在完成系统软硬件设计后，应该对系统各个部分的功能进行一一调试，调试的内容主要有：超声波发射和接收、A/D转换与D/A转换电路、FIFO电路、DSP和CPLD两者间显示数据传输、DSP同上位机通信接口、CPLD监控LCD显示、键盘读取健值的电路。只有各个部分调试成功后，才能对整个系统进行调试，如图4所示的数字式超声波探伤仪器。

图4 本次设计的数字式超声波探伤仪

数字式超声波探伤仪器的基本功能包含了一般的数字式超声波探伤仪器的功能，比如超声波速度的计算和调节、缺陷定位、K值及零点的计算和调整、制作AVG曲线、超声波探伤数据存取等。

图5是在实测缺陷下数字式超声波探伤仪器的波形图。

图5 实测波形曲线

如上图所示，左图的图形是在没有缺陷的情况下产生的，界面只存在始波和底波；右图的图形则是在有缺陷的情况下，通过界面可得知在试块中存在3个缺陷，分别处于41.8mm、81.2mm和120.3mm处。而这三个缺陷的精确位置是41mm、81mm和121mm，所产生的误差都在±1mm左右。

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