超声水浸探伤检测闸门自动跟踪电路研究

武　刚,杨　录,张艳花（中北大学信息与通信工程学院　电子测试技术国家重点实验室，山西　太原030051）



超声水浸探伤检测闸门自动跟踪电路研究

武刚,杨录,张艳花
（中北大学信息与通信工程学院电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051）

摘要：针对传统超声探伤应用中缺陷信号选通闸门通过硬件或程序预先设置，当缺陷信号相对闸门位置发生变化而引起系统漏检或误判的问题，设计一种高可靠性的闸门自动跟踪电路。该电路具有自动跟踪水钢界面波位置，实时调整选通闸门开启位置选择对应缺陷波的功能。通过和常规闸门电路进行对比测试，该跟踪电路性能稳定、可靠，能够自动跟踪超声检测的界面波并自动调整闸门位置对缺陷波进行探伤。经过实际检测测试：该电路能有效将检测系统中由于工件位置相对浮动而产生的漏检或误判概率降低一个数量级，为精确判伤提供可靠保障。

关键词：超声探伤；缺陷信号；自动跟踪；闸门电路

0 引　言

在超声无损检测中，选通闸门截取回波信号的质量直接决定系统的检测准确度，考虑超声的衰减，通常选一次回波作为缺陷的判定。在水浸超声薄壁检测应用中，界面波和缺陷波相距很近，若闸门和回波位置不合适，界面波会进入闸门造成误判。目前，信号选通闸门是由上位机直接控制[1-4]，在批量检测过程中探伤闸门位置固定不变，但是在实际检测过程中由于机械振动、探头夹具松动、工件位置浮动等非电子技术方面的原因，造成探头与被检工件位置相对变化，回波信号相对闸门位置整体产生偏移，从而导致系统不能进行正常、正确的检测。

针对上述问题，国外的一些无损检测厂商如InnerSpec、RITEC公司提供高准确度智能化的解决方案，但是系统成本高，体积大，难以适应中低端场合。国内厂商则没有深入研究解决方案，仍然采用传统的控制方式。本文详细介绍一种低成本全自动闸门信号跟踪电路的设计，使其能够在检测过程中实时动态跟踪一次水钢界面波，这样，即使回波信号有细微移动，闸门也能自动跟踪界面波，提高系统检测的准确度和可信度。

1 超声检测原理

本文以多通道一次成型弹壳超声探伤为背景，弹壳检测装置具体结构如图1所示。探头和弹壳之间用水填充作为耦合剂，在检测过程中被检弹壳360°旋转螺旋上升，两个收发一体探头对弹壳同时进行检测，理想情况探头和弹壳之间的距离是确定的，各回波信号的位置也即确定，系统调校时由上位机调整探伤闸门位置，使其能够从回波信号中截取出一次伤波信号，批量检测过程中采集存储弹壳螺旋上升闸门截取伤波数据，根据信号幅值大小及回波分布规律[5]对弹壳是否有伤做出准确的判定。

图1 弹壳检测装置示意图

弹壳超声无损检测系统总体结构[6-8]框图如图2所示。系统主要由探头、信号调理电路、采样电路、增益控制电路、FPGA核心控制电路、USB通信电路等构成。

图3是上述超声检测系统工作过程中的典型波形以及选通闸门位置示意图[9-10]。传统检测系统中，其位置在初期调校时由上位机控制硬件确定，在批量检测过程中探伤闸门位置确定，不会发生变化，检测过程中发现被检弹壳螺旋上升时有不可避免的甩动，导致被检工件发生位置浮动，回波信号发生飘移使水钢波进入选通闸门，系统检测正确率明显下降，弹壳的漏检率和误检率上升。

图2 弹壳超声检测系统框图

图3 典型工作波形和探伤闸门示意图

所要设计的自动跟踪电路就是用于图3探伤闸门中，电路需具备跟踪一次界面波，锁定脉冲下降沿的功能，保证经过闸门之后，得到有效的一次缺陷波，实现准确的缺陷检测。

2 探伤闸门自适应跟踪伤波原理

所谓闸门自适应跟踪，即闸门在系统检测过程中随一次水钢界面波位置的变化而改变，它有效避免由于被检工件位置浮动导致水钢波进入闸门造成系统误判。探伤闸门自适应跟踪伤波的实现原理如图4所示，由多级反馈网络构成。开始工作时D触发器未被触发输出低电平，与门输出为低电平，或门输出由ACF信号直接控制；ACF信号上升沿到来时，D触发器被触发输出反向，与门输出由JB信号控制，ACF信号为低时或门输出也由JB信号控制；JB信号上升沿到来时，D触发器再次被触发输出信号由高变低，此后JB信号任意高低电平变化与门输出都为低电平，D触发器被锁存不会再被触发，D触发器下降沿会触发第一路单稳态震荡器产生一个具有一定脉宽的脉冲，该脉冲下降沿会继续触发第二路单稳态震荡器输出一个合适宽度的探伤闸门。

图4 探伤闸门自适应跟踪伤波原理

3 探伤闸门自适应跟踪伤波电路设计

探伤闸门自适应跟踪伤波的实质是闸门随一次水钢界面波的移动而移动，在实验过程中发现被检弹壳一次水钢界面波与一次伤波之间有2 μs时间间隔，在弹壳旋转过程中一次伤波在10μs时间间隔内移动，因此设计了一个由上位机和一次水钢界面波触发的闸门电路，当上位机控制硬件产生的MK1信号和一次水钢界面波先后到来2μs后，产生一个脉宽为10μs的闸门选通信号。

3.1 信号初期调理整形

上位机控制FPGA产生的MK1信号其高电平为3.3 V，为了与自适应门电路电平匹配，图5用三极管整形电路对MK1信号进行整形，当MK1为高电平时，三极管Q1工作在饱和区呈导通状态，R12端被拉低ACF输出为低电平；当MK1为低电平时三极管Q1工作在截止状态，此时R12被钳制在高电平，ACF输出为5 V高电平。

图5 三极管电平整形模块

由于水钢波检波信号上升和下降时间比较缓慢，为了避免探伤闸门误触发[8]，图6采用高速比较器AD790对其进行整形，其响应延时为45ns，通过调节电阻R2和R6比例系数可以设定比较器的阈值，设定R2为4 kΩ、R6为1kΩ，则比较器的阈值为1 V。当检波信号幅值大于1 V时，比较器输出为高电平，当检波信号幅值小于1 V时，比较器输出为低电平。

图6 检波信号整形模块

3.2 具有复位和锁存功能的D触发电路

自动跟踪功能主要是由D触发器和二极管构成的与或锁存触发单元实现，如图7所示，电路引入负反馈，工作稳定可靠。

图7 与或锁存触发单元

图8 探伤闸门信号生成电路

图中二极管D2、D3和电阻R7组合实现与门功能，二极管D4、D5和电阻R14组合实现或门功能。初始工作时，假设D触发器Q端输出为低电平，二极管D2导通，二极管D3、D4、D5截止，当ACF信号为高时，二极管D5导通，D触发器被触发，Q端输出高电平，二极管D2截止；ACF信号为低电平时，二极管D5截止，整形的检波信号JB为高电平时，二极管D3截止，D触发器会再次被触发，Q端输出反向变为低电平，此时D触发器被锁存不会再被触发，直到下一个周期重复上述过程。整个电路通过D触发器的输出作为负反馈引入到输入端，实现闭环自动跟踪功能。

3.3 探伤闸门产生电路

自动跟踪电路是跟踪界面波的位置调整探伤闸门信号的位置，闸门信号通过图8所示的单稳态电路生成。为了防止脉冲重复触发或者误触发，电路在设计上采用两级单稳态电路[10]级联，充分消除毛刺引起的误触发。

SN74LSC221N是一款双路不可重复触发单稳态多谐震荡器芯片，该芯片同时支持电平触发和边沿触发两种工作方式，本电路利用其下降沿触发功能产生一个具有一定宽度的脉冲作为闸门信号，输出脉宽计算公式如下：

其中，CEXT为外部时间电容，REXT为外部时间电阻。

选择R8为2.7kΩ、R9为15kΩ、C6和C7都为1000pF，由公式可知，第1级震荡器产生宽度为2μs的脉冲，第2级震荡器产生宽度为10μs的脉冲，当D触发器产生的脉冲MK2下降沿到来触发第1级震荡器产生宽度为2μs的脉冲，此脉冲的下降沿继续触发第2级震荡器产生10μs的脉冲，由此可知第2级震荡器反向输出端产生一个10μs宽的探伤闸门。

3.4 探伤闸门自适应跟踪伤波时序逻辑图

为了检验前面所述电路的逻辑功能，在Modelsim软件中对电路进行逻辑功能仿真，仿真结果如图9所示。

图9 时序逻辑图

首先，电路在CLR为低电平时复位D触发器，输出信号置为低电平，上位机控制产生的MK1信号经三极管整形电路转变为ACF信号，ACF信号通过或门产生上升沿触发D触发器，D触发器输出由低电平变为高电平，与门一个输入信号变为高电平，经过整形的检波信号JB上升沿再次触发D触发器，输出由高电平变为低电平，之后无论JB信号怎么变化，与门输出都为低电平，D触发器被锁存不会再被触发，直到下一次MK1信号到来为止。D触发器产生的MK2信号下降沿触发74HC221第1级震荡器产生宽度为2 μs的脉冲，此脉冲的下降沿会继续触发第2级震荡器产生宽度为10 μs的脉冲，第2级震荡器反向输出端就会产生一个以第1次水钢波为基准2μs后门宽为10μs的探伤闸门。闸门直接由水钢波控制，保证实时跟踪伤波位置，消除系统由于选通闸门位置与伤波不匹配而产生的漏检或误判，提高了系统检测的准确率。

4 实验结果分析

分别在检测系统中使用由上位机控制的普通常规闸门和自适应探伤闸门，对深为0.05mm长为10mm的弹壳标准样件进行重复检测。

开始时两种闸门系统对样件检测效果很好，当检测一段时间后发现，使用常规闸门检测系统采集到的门选信号中既有一次伤波又有水钢波[11]，系统的误检率很高；而使用自适应探伤闸门的系统采集到的信号中只有伤波，系统的稳定性很好，两者工作过程中通过闸门分选出的缺陷波波形分别如图10～图12所示。

从图10可以看出伤波信号混在草状波当中，这是由于常规闸门截取信号中混有幅值比较高的水钢波造成的；而图11中伤波信号叠加到滚轮上，主要是因为常规门截取信号中有幅值较低的水钢波；从图12中可以看出伤波信号非常明显，信号的信噪比很高。用两种探伤门系统对标准有伤样件、合格样件进行批量测试，结果对比列于表1中。

图10 常规闸门检出的草状伤波

图11 常规闸门检出的滚轮伤波

图12 自适应闸门检出的伤波

表1 两种门检测效果对比

通过实验对比发现，自适应伺服跟踪伤波闸门在系统中的应用要优于常规闸门，常规闸门在系统调试时由上位机直接控制产生，在系统检测中被检工件螺旋上升会产生不可避免的甩动，导致工件位置浮动，回波信号发生微小偏移，由于水钢波的影响，系统检测误检率高。而自适应闸门在系统检测过程中随一次水钢界面波位置的变化而改变，有效避免水钢波在检测过程中的干扰，尤其在批量检测的过程中，即使探头到被检弹壳的位置发生微小变化，也能够自适应调整闸门位置，防止水钢波进入闸门影响检测结果。

5 结束语

本文详细介绍超声探伤中闸门自动跟踪电路的分析与设计，与传统常规电路相比，它能够自适应跟踪伤波位置，不会因探头与弹壳位置微小变化而截取到水钢波，提高了系统的检测精度，与传统上位机直接控制闸门截取回波信号相比，系统的误检率、漏检率明显减小。相比国外的技术方案，本电路具有成本低、体积小、易于系统集成等优势，为中低端以及小型测试场合提供可靠廉价的解决方案。

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（编辑：李刚）

The design of water ultrasonic flaw detection gate automatic tracking

WU Gang，YANG Lu，ZHANG Yanhua
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，College of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:In the applications of conventional ultrasonic flaw detection，fault signal strobe gates are set via hardware or program beforehand. But this makes the system fail to examine flaws or misjudge it when the fault signal changes relative to the gate position. A highly reliable automatic gate tracking circuit was designed accordingly. The circuit has the function of automatically tracking water and steel wave interface positions and adjusting the open positions of strobe gates in real time to select corresponding flaw wave. The comparison test with conventional gate circuits reveals that this circuit is more stable and more reliable and can be used to automatically track the interface wave of ultrasonic testing and automatically regulate the gate position to detect flaw wave. As indicated in practical test，this circuit can reduce a magnitude order of missing probability or error probability in detection system caused by relative floating of workpiece positions，thus providing a guarantee for accurate flaw detection.

Keywords:ultrasonic testing；defect signal；automatic tracking；gate circuit

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）04-0081-05

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.04.017

收稿日期：2015-09-21；收到修改稿日期：2015-11-17

作者简介：武刚（1987-），男，山西忻州市人，硕士研究生，专业方向为超声无损检测及其信号与信息处理。