超聲波檢測(cè)是目前工業(yè)中無(wú)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(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)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(guò)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(cè)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(cè)領(lǐng)域。

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(wú)損檢測(cè)工程上意義重大。超聲波檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，由于它的穿透力強(qiáng)、檢測(cè)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(cè)中，利用模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)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(wèn)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(cè)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(shì)。一般來(lái)說(shuō)，分辨率是超聲波檢測(cè)的重要指標(biāo)，它直接影響測(cè)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(cè)的分辨率進(jìn)一步提高。超聲波檢測(cè)實(shí)質(zhì)上是測(cè)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(guò)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(cè)有較高的探測(cè)頻率，這勢(shì)必為后續(xù)的信號(hào)采樣處理部分帶來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)框圖

測(cè)量過(guò)程由計(jì)算機(jī)發(fā)起，通過(guò)USB口控制單片機(jī)C8051F340，由單片機(jī)產(chǎn)生相關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)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(mén)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(cè)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(kāi)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(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(wèn)題，此外凌華科技公司還提供了Matlab、VC++、.net的開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)和開(kāi)發(fā)包，可以讓用戶直接關(guān)注應(yīng)用。