超声无损检测系统的设计

余云飞

(芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241006)



超声无损检测系统的设计

余云飞

(芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241006)

[摘要]针对ARM在数字信号处理能力和DSP在系统控制方面能力相互补充的前提下，论文采用基于ARM和DSP的双CPU来研究超声波探伤检测系统关键技术，并开发了针对钢结构的超声无损检测系统。文中给出了超声探伤系统框图、并给出了每个模块的具体硬件电路及软件的总体流程图。测试结果表明，系统稳定性高，能够保证数据采集的安全可靠等优点，具有广泛的应用前景。

[关键词]超声；检测；RAM；DSP

超声波作为一种频率超过 20kHz 的特殊声波，具有声波的传输基本物理特性同时还具有方向性集中，振幅小等特点。超声在工业上的应用主要是超声探伤和超声测距，利用超声波进行检测可做到实时控制，精度高，实现无损检测的目的。目前无损检测在铁道机车无损探伤领域中得到广泛应用。

应用超声波进行检测，首先要解决如何发射和接收超声波的问题。当前通用的方法是使用超声波换能器来产生超声波。应用最多的是声电和电声转换，也就是通常所说的超声探头，当一个电脉冲加到探头上时，探头就发射出超声脉冲，反之，当一个超声脉冲加到探头上时，探头就输出一个电脉冲[1]。本系统选用双晶探头，探头内含两个晶片，探头中间为隔音层，两边的晶片，分别起到发射超声波和起到接收超声波的作用。

超声探伤系统框图如图1所示。

本文设计了以SAMSUNG公司的S3C44B0X的处理器与美国TI公司的浮点型DSP芯片TMS320C6713为核心的高速数据采集系统。系统由系统控制、信号采集和信号处理3个主要单元组成。

系统工作的原理是：由ARM定时产生一定频率的脉冲触发信号，发射电路受触发产生高频脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波，超声波在工件中传播，遇缺陷产生反射，返回探头时，又被压电晶片转换为电信号进入接收电路，通过增益调节电路转换为适合A/D转换器采样的电压信号，被A/D 转换器采样变为数字信号，通过FIFO 缓存之后由处理器处理后，显示在液晶屏上[2]。

1系统硬件设计

1.1超声波电源主电路

超声波电源主要采用逆变器形式，用来提高超声波电源的输出功率，图2所示为超声波电源主电路，它包括整流电路、滤波电路和逆变电路三大部分。逆变器的超前臂由Q1和Q3组成，滞后臂由Q2和Q4组成。通过调节移相角δ的大小可实现输出功率的连续调节，使电路工作在弱感性状态，该控制方法结合软开关技术，使功率开关器件工作在零电压零电流工作状态，大大降低了开关损耗，提高了电源效率[3]。

图1　超声探伤系统框图

图2　超声波电源主电路

图3　超声波传感器发射和接受电路

1.2超声波传感器发射和接受电路

图3为超声波传感器发射和接受电路。电路选用的双通道高速MOSFET驱动芯片TPL2812。TPL2812采用12V低压方式来激励换能器，还可对后端的发射电路的12V电压起到隔离作用。由FPGA提供的同步控制信号间接控制MOS管IRF622的导通和截止。当TPS2812的第7脚输出为高电平时，+12V电源、电阻R3、电感L1和导通的 M1管形成回路，电源为L1和C6充电。如果MOS管栅极上的电平由高变为低，IRF622工作在截止状态，由于电感上产生的自感电动势阻碍电流变小，电源经电感L1、C6和D2构成通路，对电容C6继续充电,能量从电感转移到电容中，当电容C6充满时，电流降为零，此时可变电位器RP、D3、C6、L1和12V电源构成了放电回路。电位器RP上输出负值电压脉冲。可通过改变电位器RP的阻值来激励脉冲的强度与宽度，以产生不同频率的超声波信号。

超声波由接收探头接收后变成电信号，信号微弱，因此需要放大有用信号，滤除噪声干扰，得到适合A/D采样的模拟回波信号。接收信号调理电路包括限幅电路、放大电路、滤波电路。

1.3超声回波信号放大电路设计

系统设计中采用前置发大电路和可控增益放大电路两级放大的方案，有效地解决了系统回波信号接受的阻抗匹配和高频放大问题。

前置放大电路如图4所示。

由于设计中的超声信号中心频率是5MHz，为了满足对带宽的要求选用低噪声的MAX4304运算放大器，其在-3dB的带宽可达到740MHz，0.1dB的带宽有100MHz，前置放大电路中具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，可解决前置电路阻抗变换的问题，调节RP1的阻值可改变放大倍数。

图4　前置放大电路

图5为可控增益放大电路，为了获得更高的增益，可采用两个级联AD603来构成可控增益放大电路，为了防止每个放大器的输出直流偏压超出后级放大器的动态范围，两级之间采用交流耦合方式。增益控制电压GPOS1、GPOS2和GNEG可由MCU通过D/A输出来控制，AD603的5脚与7脚之间接有反馈电阻RP2，改变RP2的阻值，实现运放的增益与带宽设置。

图5　可控增益放大电路

1.4带通滤波器电路

在接收的回波信号中，不可避免地存在了多种不同频率的杂波信号，对信号进行模数转换之前，需利用滤波器对信号中的杂波进行滤除。本设计中选择了有源滤波器来对回波信号进行处理。

图6为带通滤波器电路。采用由MAX4107构成的二阶压控电压源带通滤波电路，图中R1、C1组成低通网络，R3、C2组成高通网络，两者构成了带通滤波电路。可对放大过程引入的多种不同频率的回波信号进行处理，滤除杂波，提取有效信号。

图6　带通滤波器电路设计

1.5数据采集处理模块设计

由于本课题设计的数字化超声波检测系统，主要是针对锻件、焊缝等金属材料的缺陷检测，本系统选用双晶探头，具体的参数为直径Φ8mm，探头工作频率为2.5～5MHz。

根据Nyquist采样定理，采样频率大于等于信号最高频谱成分的两倍即可保存信号所包涵的信息。由于超声脉冲的最高频谱成分远高于其中心频率，且很难准确界定。为了更好表征缺陷信号的细节，减少测量误差，实际工程应用上，对于超声脉冲的最高频谱成分一般要保证采样频率为信号频率的6-8倍左右才能保证信号不失真[4]。由此可得系统中设计的AD最小采样率为2.5*6=15MHz。图7为AD8138驱动差分A/D采样电路图。为了减小共模电噪声引起的干扰，采用单端到差分的转换器件AD8138，来驱动差分A/D采样电路；A/D采样采用MAXIM公司的器件MAX1183来实现。MAX1183是一款只需3.3V单电源供电、双10位的模数转换器。其A/D转换通过9级差分流水线实现。每半个时钟周期完成一级转换, 包括输出锁存器的延迟, 整个转换过程共延迟5个时钟周期, 即125ns[5]。

图7　AD8138驱动差分A/D采样电路图

FIFO存储器作为AD与DSP之间的桥梁，FIFO的满标志信号可以触发DSP的中断处理，

1.6控制与信号处理

控制与信号处理部分采用ARM+DSP方案。

A/D采样后的数据经过ARM的预处理后(可以进行数字滤波和数据压缩等处理)，进入数据缓冲FIFO，等待DSP的读取和处理。FIFO的满标志信号可以触发DSP的中断处理，FIFO的读时序由DSP控制。数据处理模块主要包括FPGA的逻辑控制、DSP的数据处理、FIFO的数据缓存[6]。

DSP采用美国TI公司的浮点型数字信号处理器TMS320C6713。AD8138的输出数据率高达40MHZ，为了解决DSP处理速度和A/D转换速度不匹配的问题，数据需要经过缓存处理。为此选择了TI公司的SN74ACT7802作为数据缓存。如图8为MAX1183与TMS320C6713的接口电路图。MAX1183的10位采样信号输出D[0～9] 与两个FIFO的数据输入D[0～9]相连， FIFO的D[11～D17]悬空，AD转换后的数据在ARM控制下写入FIFO[7]。

SN74ACT7802是512*18bit的FIFO器件，其存取速度最高可达50MHZ。数据在LDCK上升沿时写入，在UNCK上升沿读出到DSP中，FIFO的存储状态可通过状态位来获得。

图8　MAX1183与TMS320C6713的接口电路图

EMIF是外部存储器与TMS320C6713 DSP片内其他单元的接口，DSP访问外部存储器和外设都必须通过EMIF控制[8]。读使能信号ARE、输出使能信号AOE、外部空间选择信号CE1这三个控制信号经过两个或门后成为两路信号，分别连入FIFO的OE和UNCK管脚。当OE有效，FIFO正常工作。当CE1和ARE为低电平时，UNCK为低电平，数据初始化；当ARE跳变为高电平时，UNCK产生上升沿，FIFO中数据被读出。接口电路如图7所示。

采用HF信号作为触发中断的信号，HF管脚和DSP的外部中断引脚EXT_INT6连接，当FIFO的HF位为有效电平时，则触发DSP的外部中断EXT_INT6，然后DSP启动DMA来读取FIFO的数据[9]。

设计方案中的ARM与DSP的硬件接口方块电路如图9所示。ARM选用SAMSUNG公司的S3C44B0X的处理器。S3C44BOX没有HR/W信号，可使用地址线A1代替来连接。A2、A3接HCNTL[0-1]，用作接口功能选择。nOE和nWBE分别接TMS320C6713的HDS1和HDS2作为HPI的读/写控制信号输入[10]。TMS320C6713作为从机使用时，通过HPI接口与主机ARM S3C44B0X相连可实现高速数据传输。ARM和DSP之间可以互相发送中断请求， DSP通过HINT向主机处理器发送中断信号，低电平有效。

图9　硬件接口方块电路图

2系统软件设计

根据系统软件的总体流程图10，可分析出检测系统的工作流程。系统开机后，完成系统各模块的初始化工作，然后DSP按照预定的程序产生具有一定重复频率的触发脉冲，控制超声波产生电路发射超声波，超声波信号产生后，控制超声波接收电路对回波信号进行放大，同时模数转换器在ARM控制下进行数据的转换，转换结果送入FIFO进行数据缓存；DSP调用中断服务程序读入FIFO中的数据；中断程序结束，主程序分析、存储数据，在液晶显示器上显示检测结果，也可通过USB传送到上位机中进行波形显示[11]。

图10　系统软件的总体流程图

在实际检测中，根据超声波在钢中的传播速度(大约6 km/s)和系统采样频率，可以估算出单位探伤距离的采样点数[12]。其有效点数可通过式(1)计算得出：

(1)

式中 L ——待测工件尺寸；

FS——采样频率；

v ——超声波传播速度。

3实验结果

根据系统设计的方案，完成了硬件电路设计与软件调试。具体实验内容如下：

试块：某磨具厂生产的GT型标准试块(300 mm ×150 mm ×30 mm , 共有6 个Ф1 mm 的圆孔, 孔深分别为:30 mm、60 mm、100mm、、130mm、80 mm、120 mm)。

探头:双晶直探头(5MHz ，Ф8mm)，实验数据见表1。

表1　实验数据(双晶直探头)

实验数据表明，标准试块测量的相对误差都在1%以内，满足工程需要，达到设计要求。

4结论

系统的软硬件均采用了模块化的设计方案。模拟、数字信号系统的分离设计，减少了相互之间的信号干扰，确保了系统的稳定性和可靠性。本文设计的超声无损检测系统能发现试块中直径1 mm左右的缺陷，相对误差控制在1%以内，说明系统的测量结果是准确、可靠的，基本达到了设计的预期目标。

采用以ARM和DSP为核心的超声无损探伤系统，充分发挥了ARM的控制能力和DSP的数据处理能力。在超声波检测技术的发展过程中，利用数字信号处理算法提取缺陷信息,提高超声波探伤的精度是超声探伤技术的重要的发展方向。

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The Design of Ultrasonic Nondestructive Testing System

YU Yunfei

(DepartmentofElectricEngineering,WuhuVocationalandTechnologicalCollege,Wuhu241006,China)

Abstract：For ARM in digital signal processing and DSP under the premise of the system control ability to complement each other, the paper uses ARM-based DSP Dual CPU to study key technologies of ultrasonic flaw detection system, and develops steel structure of ultrasonic nondestructive testing system. In this paper, the block diagram of ultrasonic flaw detection system is given, and the overall flow chart of the hardware circuit and software of each module is given. Test results show that the system has high stability, and can guarantee the safety of data acquisition, and has a broad application prospect.

Key words：ultrasonic；detection；ARM；DSP

[中图分类号]TP399

[文献标识码]A

[文章编号]1674-2273(2015)06-0019-05

[作者简介]余云飞(1973-)，男，芜湖职业技术学院实验师，硕士，研究方向：电气工程。

[基金项目]芜湖职业技术学院2014年度校级科研立项项目(Wzyzr201401)

[收稿日期]2015-07-10