运用范畴
工业仪器自动化测验运用
应战
现在工业中无损探伤的首要手法是超声波检测，超声波勘探的首要问题是勘探的分辨率低、通用性差、后续处理办法落后，然后形成以定性剖析为主，缺少定量的进程剖析手法。针对这一问题，本方案规划一个超声波勘探体系，到达如下要求：1、通用性强，可以习惯多种厚度、资料工件的运用需求;2、分辨率高，可以对细小缺点进行检测;3、后续剖析手法强，可以对工件进行后续谱改换处理、缺点成型剖析处理，然后完结缺点猜测和定位等作业。
解决方案
依据要求，选用凌华科技公司的PCI-9846数字化仪为运用中心，规划了多通道的超声波检测体系，体系经过核算机进行操控，运用USB接口经过单片机一致进行调度，将反射的超声波信号经过处理后，运用数字化仪进行数据改换，并规划了软件体系进行数据的显现和剖析。实验成果表明，该体系具有勘探精度高、剖析功用强、作业安稳牢靠等长处，可以广泛地运用在工业自动化检测范畴。
摘要
超声波检测是现在工业中无损探伤的首要手法，运用凌华科技公司的PCI-9846数字化仪，规划了多通道的超声波检测体系，体系经过核算机进行操控，运用USB接口运用单片机一致进行调度，将反射的超声波信号经过处理后，运用数字化仪进行改换，并规划了软件体系进行数据的显现和剖析。实验成果表明，该体系具有勘探精度高、剖析功用强、作业安稳牢靠等长处，合适广泛运用于工业自动化检测范畴。
要害字：超声波检测、数字化仪、数据收集
一、概述
在压力容器安全办理中，定期检验是避免压力容器发生失效事端，特别是防备严重事端发生的必要手法，因为压力容器在制作、运用上的特色，其机械结构上不可避免的会呈现裂纹、空地气孔和焊缝缺点等，对压力容器进行无损检测工程上含义严重。超声波检测是一种重要的无损检测技能，因为它的穿透力强、检测牢靠精确又极便利易行，现已广泛运用于工业及高技能产业中。
在前期的超声波检测中，运用模拟信号进行检测探伤，其成果首要依托经历进行剖析，存在着一致性差和精确性差等一系列问题。跟着核算机技能、信号处理技能等高新技能的运用，超声波检测数字化的研讨日趋广泛，数字化收集和剖析现已成为超声波探伤设备的开展趋势。一般来说，分辨率是超声波检测的重要目标，它直接影响丈量的精确度，而且对细小缺点的发现才能更强，因为资料工艺的进步，压力容器外壳厚度不断削减，这就要求超声波检测的分辨率进一步进步。超声波检测实质上是丈量超声波在资料厚度方向上两个外表反射波的时刻差，经过核算可求出资料的厚度，对细小缺点和薄壁而言，分辨率的进步首要是要求超声波检测有较高的勘探频率，这必然为后续的信号采样处理部分带来较高的要求。因而，依据规划要求和凌华科技公司的PCI-9846多通道高速数字化仪的特色，选用PCI-9846数字化仪为中心，合作相关硬、软件规划的四通道超声波检测体系，具有精度高、剖析功用强等长处。
二、体系规划与构成
超声波检测体系由核算机、PCI-9846数字化仪、C8051F340单片机、电源、发射电路、程控扩大电路组成，其全体结构如图1所示。
图1 超声波检测体系框图
丈量进程由核算机建议，经过USB口操控单片机C8051F340，由单片机发生相关的开关信号，经过发射电路发生高压窄脉冲，鼓励发射探头发生超声波，接纳探头完结声电转化，将其转化为接纳电信号，经过由核算机设定的程控扩大器后由PCI-9846数字化仪进行采样，数字化仪和核算机运用PCI接口进行数据交流，由核算机显现、剖析处理。电源电路和单片机外围电路包含看门狗、晶体振荡器、复位电路等。依据规划要求，要求一起有四路探头进行作业。
2.1 数字化设备的挑选
数字化仪从本质上来说便是一个A/D设备，装备相应的接口和软件，成为独自的设备，广泛运用于信号收集和剖析中。对本体系来说，要求其信号收集部分具有以下特色：
一起可以接纳4路输入并进行A/D改换。在本体系中，跟着工件在流水线上的跋涉，各工序一起完结，需求对4个首要方位一起进行探伤，从实效性上有必要要求有4个输入的数字化设备。
要求具有较高的采样频率。超声波在钢质品中传播速度近于空气的10倍，超声波脉冲发射后接纳端依据两个反弹回波进行厚度丈量。假如是进行探伤，频率越高则收集后的信号越具有处理价值。依据发射探头的老练水平缓运用需求，选取超声波的频率为5MHz，理论上需求10M的采样率，可是实践中要求采样率30M以上。
具有较大的缓存。A/D改换后的数据要送到核算机进行处理，两者运用PCI总线交流数据，本体系是4路一起收集的体系，采样后的数据量很大，大容量的存储可以下降核算机实时处理的要求。
易于开发运用。作为与核算机通讯的设备，应该在软件上有相应的驱动和多种软件的支撑。
归纳上述要素，从价格、功能等考虑，选用了凌华科技公司的PCI-9846数字化仪，首要原因在于自行规划电路开发周期长、驱动开发困难、本钱高级。PCI-9846数字化仪[5]具有四路输入，满意输入端子数的要求;每路都可以到达40MS/s的采样速率，可以满意数字化处理的要求;板载了512MB的内存，可以有用缓解设备间接口的异步问题，此外凌华科技公司还供给了Matlab、VC++、.net的开发驱动和开发包，可以让用户直接重视运用。
三、要害电路及完结
3.1 超声波发射电路
在超声波检测体系中，发射电路是体系中的要害部分，它决议了超声波检测体系能到达的终究目标。合理规划的发射电路直接影响到换能后的发射功率和波形的重复性，超声波换能器需求的是瞬时高功率尖脉冲波形，一般要求其鼓励脉冲起伏大于100V以上，脉冲宽度应该在us等级，具体的值取决于发射头的目标。传统的发生电路有瞬时放电法、脉冲鼓励法和谐振法，其间后两者的运用比较广泛，这些电路都存在需求高压电源、变压器等缺点。鉴于此，选用电感式脉冲发生器发生鼓励脉冲，其电路如图2所示[1]。
图2 高压脉冲发生电路
脉冲由U1的12脚输入，特别注意IR2110的挑选，假如直接运用脉冲驱动IRF7450，因为阻隔、驱动的原因，得不到抱负的高压脉冲驱动。IRF7450是Vds=500V的MOSFET，其电流可以到达20A左右，可以满意抱负开关快速切换的要求，储能线圈L1在开关的操控下发生高压，其间二极管D1与D2分别起维护效果，超声波换能器V1可以选用美国GE公司的014LJM，也可以依据运用换装其它类型。
图3所示为发生的高压脉冲，丈量时在示波器加一个纯阻性25倍衰减头，图中纵轴为2V/格，横轴为100ns/格，运用瞬态电平激起同步，可见发生的脉冲起伏在近200V左右，脉冲宽度为300ns左右。
图3 发生的高压脉冲信号
3.2 程控接纳电路
经过超声波接纳探头接纳换能后的电信号起伏很小，根本上都是数微伏左右，满意不了数字化的需求，有必要进行扩大处理。此外为了习惯各种场景的探伤要求以及自动测验的需求，该电路扩大倍数应该由核算机操控。
现在各种集成运算扩大器许多，可是针对本运用，其首要处理中心频率5MHz的信号，因而，挑选扩大器的带宽应该大于5MHz，这儿挑选了TI公司的OPA2300，该芯片包含两个运算扩大器，而且每一路都有制止端，其增益带宽积到达150M，彻底满意此刻信号扩大的需求，噪声系数为3nV/Hz，可以满意低噪声扩大的需求，其供电选用单+5V供电，不用运用双路电源供电。
增益扩大的调整可以经过挑选其增益环路的电阻进行，因为操控信号是核算机给出的数字信号，因而需求一片DAC完结数字模拟信号的转化，DAC挑选8位D/A转化芯片AD7524，由单片机给AD7524输入8位数据，经过改换后，选通相应的二极管，操控增益电阻完结增益调整。
3.3 体系操控的挑选
整个体系由核算机建议测验，可是要一起操控四个探头，特别是要确保四个探头宣布的勘探信号坚持特定的时序联系，此刻有必要有一个外部操控设备衔接核算机和探头设备，这儿选用单片机完结这一作业。
现在核算机和单片机的衔接常用的有RS-232接口。可是跟着技能的开展，USB接口逐步成为了干流，它速率高，可扩展性好，选用总线供电办法，支撑即插即用等功用。因而，这儿运用Silicon公司的C8051F340单片机作为外部操控设备，与核算机运用USB进行通讯。
C8051F340单片机是与8051兼容的新式单片机，具有低功耗、高功能、高速流水线结构等长处，内部包含了64K的flash，4352字节RAM，对本运用来说不需求再外接存储设备。该单片机包含四个16位计数器，可以满意一起操控四个探头收集时序的要求，支撑16位中止，可以满意本运用中的收集操控的需求。具有40个I/O线，可直接与+5V进行衔接，不需求接口电平转化。特别是该类型单片机集成了USB操控器并供给相应的开发软件，具有开发简略的特色。
软件规划
体系软件首要包含操控部分、数据接纳部分和信号剖析部分三个部分，操控软件决议整个体系的运转，它一方面经过USB口与总控的单片机进行通讯，一致操控整个体系的发射、接纳等进程，一起告诉数据接纳软件进行数据接纳并显现。数据接纳软件则只担任将PCI-9846采样的数据存储到指定方位，信号剖析软件则完结采样信号的显现、剖析处理等进程。整个程序结构如图4所示。
图4 体系完结的软件程序结构
单片机软件开发包含上位机部分和单片机部分，上位机运用KeilV3进行开发，首要完结对C8051F340的操控等功用，开发运用C言语进行，开发中要注意的是USBXpress设备驱动软件，在头文件中包含相应的固件库，并调用相应的动态链接库以运用其供给的API函数。其首要函数包含USB设备中止、设备初始化、数据读取/写入、翻开/封闭USB设备等。
数据接纳、图形显现和信号剖析运用.net进行开发，首先要装置PCI-9846供给的驱动，特别是DAQPilot驱动。ADlink(凌华科技公司)专门供给了针对.net开发所运用的例程，在此基础上直接对运用进行调用就能完结数据读入的进程。信号剖析则首要包含起伏波形剖析、FFT剖析、门限设定以及缺点成型、缺点方位等，首要意图是对信号回放进行收拾记载，并对工件的状况进行评价。
图5所示是运用超声波勘探体系得到的信号显现的界面，显现的是四个探头对同一测验工件进行探伤的成果。选用液体介质，此刻运用1号发射探头发射，接纳则由四个探头进行接纳，可见接纳到的信号除了时刻上略有差异外，起伏和波形根本相同。探头2全体、探头3在后半段的噪声稍微大一些，这首要是因为探头2和探头3处于工件的后半端，接近于加工设备。对此信号进行剖析，可以将裂缝地点的具体方位核算显现。此外运用该数字化渠道，还可以对探伤信号进行后续的谱剖析、缺点猜测等，有用完结缺点成因、缺点猜测等理论剖析。
图5 探头接纳的信
定论
依据本体系规划，其运用于某型检测体系中，具有电路完结简略、功能安稳、操作便利和高精度丈量等特色。借助于PCI-9846数字化仪的高采样率、高精度的特色，该体系可以精确地对内部的裂纹和缺点进行勘探，特别是合作后续的数据处理软件，可以依据被测件的形状，在核算机上精确给出裂纹在工件中的方位，其信号剖析的办法也为定量猜测工件中的细小缺点供给了手法。
