應(yīng)用領(lǐng)域
工業(yè)儀器自動(dòng)化測試應(yīng)用
挑戰(zhàn)
目前工業(yè)中無損探傷的主要手段是超聲波檢測，超聲波探測的主要問題是探測的分辨率低、通用性差、后續(xù)處理方法落后，從而造成以定性分析為主，缺乏定量的過程分析手段。針對(duì)這一問題，本方案設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波探測系統(tǒng)，達(dá)到如下要求：1、通用性強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種厚度、材料工件的應(yīng)用需求;2、分辨率高，可以對(duì)微小缺陷進(jìn)行檢測;3、后續(xù)分析手段強(qiáng)，可以對(duì)工件進(jìn)行后續(xù)譜變換處理、缺陷成型分析處理，從而完成缺陷預(yù)測和定位等工作。
解決方案
根據(jù)要求，采用凌華科技公司的PCI-9846數(shù)字化儀為應(yīng)用核心，設(shè)計(jì)了多通道的超聲波檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，使用USB接口通過單片機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，將反射的超聲波信號(hào)經(jīng)過處理后，利用數(shù)字化儀進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，并設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有探測精度高、分析功能強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化檢測領(lǐng)域。
摘要
超聲波檢測是目前工業(yè)中無損探傷的主要手段，利用凌華科技公司的PCI-9846數(shù)字化儀，設(shè)計(jì)了多通道的超聲波檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，使用USB接口利用單片機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，將反射的超聲波信號(hào)經(jīng)過處理后，利用數(shù)字化儀進(jìn)行變換，并設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有探測精度高、分析功能強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化檢測領(lǐng)域。
關(guān)鍵字：超聲波檢測、數(shù)字化儀、數(shù)據(jù)采集
一、概述
在壓力容器安全管理中，定期檢驗(yàn)是防止壓力容器發(fā)生失效事故，特別是預(yù)防重大事故發(fā)生的必要手段，由于壓力容器在制造、使用上的特點(diǎn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)上不可避免的會(huì)出現(xiàn)裂紋、空隙氣孔和焊縫缺陷等，對(duì)壓力容器進(jìn)行無損檢測工程上意義重大。超聲波檢測是一種重要的無損檢測技術(shù)，由于它的穿透力強(qiáng)、檢測可靠準(zhǔn)確又極方便易行，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)及高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中。
在早期的超聲波檢測中，利用模擬信號(hào)進(jìn)行檢測探傷，其結(jié)果主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，存在著一致性差和準(zhǔn)確性差等一系列問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等高新技術(shù)的應(yīng)用，超聲波檢測數(shù)字化的研究日趨廣泛，數(shù)字化采集和分析已經(jīng)成為超聲波探傷設(shè)備的發(fā)展趨勢。一般來說，分辨率是超聲波檢測的重要指標(biāo)，它直接影響測量的準(zhǔn)確度，并且對(duì)微小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力更強(qiáng)，由于材料工藝的提高，壓力容器外殼厚度不斷減少，這就要求超聲波檢測的分辨率進(jìn)一步提高。超聲波檢測實(shí)質(zhì)上是測量超聲波在材料厚度方向上兩個(gè)表面反射波的時(shí)間差，通過計(jì)算可求出材料的厚度，對(duì)微小缺陷和薄壁而言，分辨率的提高主要是要求超聲波檢測有較高的探測頻率，這勢必為后續(xù)的信號(hào)采樣處理部分帶來較高的要求。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和凌華科技公司的PCI-9846多通道高速數(shù)字化儀的特點(diǎn)，選用PCI-9846數(shù)字化儀為核心，配合相關(guān)硬、軟件設(shè)計(jì)的四通道超聲波檢測系統(tǒng)，具有精度高、分析功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)成
超聲波檢測系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PCI-9846數(shù)字化儀、C8051F340單片機(jī)、電源、發(fā)射電路、程控放大電路組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 超聲波檢測系統(tǒng)框圖
測量過程由計(jì)算機(jī)發(fā)起，通過USB口控制單片機(jī)C8051F340，由單片機(jī)產(chǎn)生相關(guān)的開關(guān)信號(hào)，經(jīng)過發(fā)射電路產(chǎn)生高壓窄脈沖，激勵(lì)發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，接收探頭完成聲電轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為接收電信號(hào)，經(jīng)過由計(jì)算機(jī)設(shè)定的程控放大器后由PCI-9846數(shù)字化儀進(jìn)行采樣，數(shù)字化儀和計(jì)算機(jī)使用PCI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由計(jì)算機(jī)顯示、分析處理。電源電路和單片機(jī)外圍電路包括看門狗、晶體振蕩器、復(fù)位電路等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求同時(shí)有四路探頭進(jìn)行工作。
2.1 數(shù)字化設(shè)備的選擇
數(shù)字化儀從本質(zhì)上來說就是一個(gè)A/D設(shè)備，配備相應(yīng)的接口和軟件，成為單獨(dú)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集和分析中。對(duì)本系統(tǒng)來說，要求其信號(hào)采集部分具有以下特點(diǎn)：
同時(shí)可以接收4路輸入并進(jìn)行A/D變換。在本系統(tǒng)中，隨著工件在流水線上的行進(jìn)，各工序同時(shí)完成，需要對(duì)4個(gè)主要位置同時(shí)進(jìn)行探傷，從實(shí)效性上必須要求有4個(gè)輸入的數(shù)字化設(shè)備。
要求具有較高的采樣頻率。超聲波在鋼質(zhì)品中傳播速度近于空氣的10倍，超聲波脈沖發(fā)射后接收端根據(jù)兩個(gè)反彈回波進(jìn)行厚度測量。如果是進(jìn)行探傷，頻率越高則采集后的信號(hào)越具有處理價(jià)值。根據(jù)發(fā)射探頭的成熟水平和應(yīng)用需求，選取超聲波的頻率為5MHz，理論上需要10M的采樣率，但是實(shí)踐中要求采樣率30M以上。
具有較大的緩存。A/D變換后的數(shù)據(jù)要送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，兩者利用PCI總線交換數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)是4路同時(shí)采集的系統(tǒng)，采樣后的數(shù)據(jù)量很大，大容量的存儲(chǔ)可以降低計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理的要求。
易于開發(fā)使用。作為與計(jì)算機(jī)通信的設(shè)備，應(yīng)該在軟件上有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和多種軟件的支持。
綜合上述因素，從價(jià)格、性能等考慮，采用了凌華科技公司的PCI-9846數(shù)字化儀，主要原因在于自行設(shè)計(jì)電路開發(fā)周期長、驅(qū)動(dòng)開發(fā)困難、成本高等。PCI-9846數(shù)字化儀[5]具有四路輸入，滿足輸入端子數(shù)的要求;每路都可以達(dá)到40MS/s的采樣速率，可以滿足數(shù)字化處理的要求;板載了512MB的內(nèi)存，可以有效緩解設(shè)備間接口的異步問題，此外凌華科技公司還提供了Matlab、VC++、.net的開發(fā)驅(qū)動(dòng)和開發(fā)包，可以讓用戶直接關(guān)注應(yīng)用。
三、關(guān)鍵電路及實(shí)現(xiàn)
3.1 超聲波發(fā)射電路
在超聲波檢測系統(tǒng)中，發(fā)射電路是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它決定了超聲波檢測系統(tǒng)能達(dá)到的最終指標(biāo)。合理設(shè)計(jì)的發(fā)射電路直接影響到換能后的發(fā)射功率和波形的重復(fù)性，超聲波換能器需要的是瞬時(shí)高功率尖脈沖波形，一般要求其激勵(lì)脈沖幅度大于100V以上，脈沖寬度應(yīng)該在us級(jí)別，具體的值取決于發(fā)射頭的指標(biāo)。傳統(tǒng)的發(fā)生電路有瞬時(shí)放電法、脈沖激勵(lì)法和諧振法，其中后兩者的應(yīng)用比較廣泛，這些電路都存在需要高壓電源、變壓器等缺點(diǎn)。鑒于此，采用電感式脈沖發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，其電路如圖2所示[1]。
圖2 高壓脈沖發(fā)生電路
脈沖由U1的12腳輸入，特別注意IR2110的選擇，如果直接使用脈沖驅(qū)動(dòng)IRF7450，由于隔離、驅(qū)動(dòng)的原因，得不到理想的高壓脈沖驅(qū)動(dòng)。IRF7450是Vds=500V的MOSFET，其電流可以達(dá)到20A左右，可以滿足理想開關(guān)快速切換的要求，儲(chǔ)能線圈L1在開關(guān)的控制下產(chǎn)生高壓，其中二極管D1與D2分別起保護(hù)作用，超聲波換能器V1可以采用美國GE公司的014LJM，也可以根據(jù)應(yīng)用換裝其它型號(hào)。
圖3所示為產(chǎn)生的高壓脈沖，測量時(shí)在示波器加一個(gè)純阻性25倍衰減頭，圖中縱軸為2V/格，橫軸為100ns/格，使用瞬態(tài)電平激發(fā)同步，可見產(chǎn)生的脈沖幅度在近200V左右，脈沖寬度為300ns左右。
圖3 產(chǎn)生的高壓脈沖信號(hào)
3.2 程控接收電路
經(jīng)過超聲波接收探頭接收換能后的電信號(hào)幅度很小，基本上都是數(shù)微伏左右，滿足不了數(shù)字化的需要，必須進(jìn)行放大處理。此外為了適應(yīng)各種場景的探傷要求以及自動(dòng)測試的需求，該電路放大倍數(shù)應(yīng)該由計(jì)算機(jī)控制。
目前各種集成運(yùn)算放大器很多，但是針對(duì)本應(yīng)用，其主要處理中心頻率5MHz的信號(hào)，因此，選擇放大器的帶寬應(yīng)該大于5MHz，這里選擇了TI公司的OPA2300，該芯片包含兩個(gè)運(yùn)算放大器，并且每一路都有禁止端，其增益帶寬積達(dá)到150M，完全滿足此時(shí)信號(hào)放大的需要，噪聲系數(shù)為3nV/Hz，能夠滿足低噪聲放大的需求，其供電采用單+5V供電，不必使用雙路電源供電。
增益放大的調(diào)整可以通過選擇其增益環(huán)路的電阻進(jìn)行，由于控制信號(hào)是計(jì)算機(jī)給出的數(shù)字信號(hào)，因此需要一片DAC完成數(shù)字模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，DAC選擇8位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7524，由單片機(jī)給AD7524輸入8位數(shù)據(jù)，經(jīng)過變換后，選通相應(yīng)的二極管，控制增益電阻實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整。
3.3 系統(tǒng)控制的選擇
整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)發(fā)起測試，但是要同時(shí)控制四個(gè)探頭，特別是要保證四個(gè)探頭發(fā)出的探測信號(hào)保持特定的時(shí)序關(guān)系，此時(shí)必須有一個(gè)外部控制設(shè)備連接計(jì)算機(jī)和探頭設(shè)備，這里采用單片機(jī)完成這一工作。
目前計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的連接常用的有RS-232接口。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，USB接口逐漸成為了主流，它速率高，可擴(kuò)展性好，采用總線供電方式，支持即插即用等功能。因此，這里使用Silicon公司的C8051F340單片機(jī)作為外部控制設(shè)備，與計(jì)算機(jī)使用USB進(jìn)行通信。
C8051F340單片機(jī)是與8051兼容的新型單片機(jī)，具有低功耗、高性能、高速流水線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部包括了64K的flash，4352字節(jié)RAM，對(duì)本應(yīng)用來說不需要再外接存儲(chǔ)設(shè)備。該單片機(jī)包含四個(gè)16位計(jì)數(shù)器，能夠滿足同時(shí)控制四個(gè)探頭采集時(shí)序的要求，支持16位中斷，可以滿足本應(yīng)用中的采集控制的需要。具有40個(gè)I/O線，可直接與+5V進(jìn)行連接，不需要接口電平轉(zhuǎn)換。特別是該型號(hào)單片機(jī)集成了USB控制器并提供相應(yīng)的開發(fā)軟件，具有開發(fā)簡單的特點(diǎn)。
系統(tǒng)軟件主要包括控制部分、數(shù)據(jù)接收部分和信號(hào)分析部分三個(gè)部分，控制軟件決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，它一方面通過USB口與總控的單片機(jī)進(jìn)行通信，統(tǒng)一控制整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射、接收等過程，同時(shí)通知數(shù)據(jù)接收軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并顯示。數(shù)據(jù)接收軟件則只負(fù)責(zé)將PCI-9846采樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定位置，信號(hào)分析軟件則完成采樣信號(hào)的顯示、分析處理等過程。整個(gè)程序框架如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件程序框架
單片機(jī)軟件開發(fā)包括上位機(jī)部分和單片機(jī)部分，上位機(jī)使用KeilV3進(jìn)行開發(fā)，主要完成對(duì)C8051F340的控制等功能，開發(fā)使用C語言進(jìn)行，開發(fā)中要注意的是USBXpress設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，在頭文件中包含相應(yīng)的固件庫，并調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫以使用其提供的API函數(shù)。其主要函數(shù)包括USB設(shè)備中斷、設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)讀取/寫入、打開/關(guān)閉USB設(shè)備等。
數(shù)據(jù)接收、圖形顯示和信號(hào)分析使用.net進(jìn)行開發(fā)，首先要安裝PCI-9846提供的驅(qū)動(dòng)，特別是DAQPilot驅(qū)動(dòng)。ADLINK(凌華科技公司)專門提供了針對(duì).net開發(fā)所使用的例程，在此基礎(chǔ)上直接對(duì)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)用就能完成數(shù)據(jù)讀入的過程。信號(hào)分析則主要包括幅度波形分析、FFT分析、門限設(shè)定以及缺陷成型、缺陷位置等，主要目的是對(duì)信號(hào)回放進(jìn)行整理記錄，并對(duì)工件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
圖5所示是利用超聲波探測系統(tǒng)得到的信號(hào)顯示的界面，顯示的是四個(gè)探頭對(duì)同一測試工件進(jìn)行探傷的結(jié)果。采用液體介質(zhì)，此時(shí)使用1號(hào)發(fā)射探頭發(fā)射，接收則由四個(gè)探頭進(jìn)行接收，可見接收到的信號(hào)除了時(shí)間上略有差異外，幅度和波形基本相同。探頭2整體、探頭3在后半段的噪聲略微大一些，這主要是由于探頭2和探頭3處于工件的后半端，接近于加工設(shè)備。對(duì)此信號(hào)進(jìn)行分析，可以將裂縫所在的詳細(xì)位置計(jì)算顯示。此外利用該數(shù)字化平臺(tái)，還可以對(duì)探傷信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的譜分析、缺陷預(yù)測等，有效實(shí)現(xiàn)缺陷成因、缺陷預(yù)測等理論分析。
圖5 探頭接收的信號(hào)
結(jié)論
根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其應(yīng)用于某型檢測系統(tǒng)中，具有電路實(shí)現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定、操作方便和高精度測量等特點(diǎn)。借助于PCI-9846數(shù)字化儀的高采樣率、高精度的特點(diǎn)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)內(nèi)部的裂紋和缺陷進(jìn)行探測，特別是配合后續(xù)的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠根據(jù)被測件的形狀，在計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確給出裂紋在工件中的位置，其信號(hào)分析的方法也為定量預(yù)測工件中的微小缺陷提供了手段。
