引言

　　無損檢測在工程領域應用越來越廣，超聲波檢測是無損檢測的主要方法之一，主要應用在測距、探傷、測厚等領域。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點，可產(chǎn)生較大能量，并且在不同的媒質介面，超聲波的大部分能量會反射。利用該特性，可以實現(xiàn)超聲測距和超聲探傷。超聲波檢測具有靈敏度高、穿透力強、檢驗速度快、方便、對人體無損害和易于做到實時控制等優(yōu)點。

　　圖1　系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)框圖及電路分析

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　超聲波發(fā)射電路

　　信號發(fā)射部分包括發(fā)射電路和探頭。探頭由超聲波換能器組成，可以是收發(fā)同體的換能器，也可以是發(fā)射和接收分開的。本電路采用的是收發(fā)分開的探頭，這樣可以減少發(fā)射余震信號的影響，即可減小盲區(qū)。針對測距和探傷對超聲波頻率要求不同，探頭可以更換。

　　發(fā)射電路產(chǎn)生激勵探頭發(fā)射超聲波所需的高壓窄脈沖，不同探頭要求的諧振頻率不同，所以要求激勵脈沖寬度可調。發(fā)射電路如圖2所示，先由DSP提供寬度可調的低壓脈沖，再由發(fā)射電路轉換成高壓脈沖加到換能器上。發(fā)射電路的阻尼情況由R0決定。R0小，阻尼大，發(fā)射脈沖強度低；R0大，阻尼就小，發(fā)射強度高。

　　信號接收電路

　　超聲回波信號非常微弱，一般是毫伏級，所以必須放大，為了與超聲波換能器的高阻抗匹配，前置放大器也設計成高阻抗輸入。在探頭和前置放大器之間加一級衰減器是為了防止由于某些原因，回波電壓過大，容易對儀器造成損害。濾波電路設計成帶通濾波，由于探頭的頻率范圍比較寬，不同探頭發(fā)射頻率不同，所以要求帶通濾波的中心頻率可調，由DSP來控制。這一級要求高信噪比和高品質因數(shù)，經(jīng)過帶通濾波器后，回波信號得到放大，而其它噪聲被削弱，同時，為下一級的程控放大提供了具有更高信噪比的輸入信號。程控放大器主要是針對測距的遠近兩檔來設計的，由于換能器發(fā)射能量一定，當測量近距離時，回波信號能量大，這時接收器放大倍數(shù)應該小些，而測量遠距離時，回波信號能量小，接收放大倍數(shù)就應該大些。程控放大器由DSP來控制放大倍數(shù)，使得測距時遠近兩檔放大后的信號幅值保持在一個數(shù)量級。另外，在探傷時，不同的介質對超聲波能量的衰減也不同，可通過手動或自動方式來調整放大器的放大倍數(shù)，以達到回波信號的正確接收和顯示。

　　信號采樣和顯示電路

　　顯示探傷回波信號時有兩種顯示方式，一種是直接顯示回波聲壓波形的射頻顯示（即不檢波顯示），另一種是經(jīng)過檢波的回波聲壓波形的視頻顯示（即檢波顯示）。

　　射頻顯示信號直接由程控放大器進入A/D采樣電路，射頻顯示能比較真實地反映出超聲波脈沖在介質中的傳播情況，有利于分析回波的波形特征，并且為進一步的數(shù)字信號處理以判別缺陷的性質及材質的變化奠定了基礎。由于缺陷回波尖峰脈沖很窄，所以A/D轉換電路要求有較高的采樣速率。本系統(tǒng)選用的高速ADC為MAXIM公司的MAX1426，MAX1426為10位單通道輸入ADC，轉換速率為10Msps，輸入電壓范圍為-2V~+2V，供電電壓為4.75V~5.25V。

?圖2 發(fā)射電路

　　視頻顯示則顯示波形的包絡，圖形比較清晰，這有利于信號峰值采樣，能夠確定缺陷當量，同時可通過門限檢測來判斷缺陷的位置。兩路信號由模擬開關來控制。測距時，信號檢波后直接送到門限檢測。門限檢測主要是為了對信號進行峰值采樣，設置一個門檻，防止非回波信號進入DSP，這一步對測距和定位缺陷信號非常重要。

　　幅度門限主要是為回波信號設置一個幅度門檻，該門限由比較器構成，比較器一端輸入回波信號，另一端輸入由回波信號經(jīng)過衰減及加上一直流信號后得到的信號，即為門檻信號，只有高于門檻值的信號才能引起比較器的輸出。第二級脈寬門限是一時間門檻，設置該門限主要是考慮到信道中的各種干擾及電路中的噪聲經(jīng)過放大后幅度變大，有的甚至超過回波信號的幅度，這時，單有幅度門限是不夠的。脈寬門限由一觸發(fā)器構成，通過幅度門限的信號只有脈寬達到設定的寬度才能通過第二門限進入DSP。

　　顯示模塊采用EL場致顯示屏來顯示儀器的功能菜單以及各個測量結果，包括距離、面積、體積、缺陷位置、回波波形和回波頻譜圖等。該模塊要求實時顯示測量結果，并且針對便攜式儀器的特點，該部分應滿足低功耗要求。

　　數(shù)據(jù)存儲電路

　　數(shù)據(jù)存儲器用來存儲回波信號數(shù)據(jù)，為64K×16bit的Flash存儲器，最大可擴展為128K×16bit。數(shù)據(jù)存儲的目的是為了保存測量結果，以便日后查看，可以用波形顯示。同時可以將存儲的回波數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送到上位機，由PC來保存和處理，發(fā)送過程由鍵盤控制。

　　人機接口電路

　　智能化儀器設計中，人機交互是必不可少的。通過按鍵，操作人員可以輸入測量過程需要的一些參數(shù)，可以控制儀器開關和運行、數(shù)據(jù)的保存發(fā)送、顯示和處理等。考慮到DSP56F805的I/O口資源有限，本系統(tǒng)采用了串行鍵盤接口控制器來控制鍵盤的操作。

　　DSP控制接口電路

　　DSP是整個系統(tǒng)的核心部分，控制整個電路的運行，并能夠進行比較復雜的數(shù)據(jù)運算。DSP56F805集成了Motorola 的16位定點DSP微控制器內(nèi)核DSP56800。DSP56F805具有32K×16bit的程序Flash，4K×16bit的數(shù)據(jù)Flash，有512×16bit的程序RAM和2K×16bit的數(shù)據(jù)RAM，可外部擴展64K×16bit的數(shù)據(jù)存儲器和64K×16bit的程序存儲器。該系列處理器具有豐富的I/O口，有14個專用的I/O引腳和18個復用引腳，每個引腳可獨立地被配置位輸入、輸出或中斷觸發(fā)。DSP56F805支持7優(yōu)先級共64個中斷源。另外該芯片還集成了異步串行通信模塊、同步串行通信模塊、控制局域網(wǎng)模塊、2個脈沖調制模塊、4個定時器和8路12位ADC等多種外設模塊。

　　測距時，回波信號經(jīng)過接收電路的處理，經(jīng)門限檢測后輸出為一脈沖信號，該信號觸發(fā)DSP中斷，利用DSP內(nèi)部定時器，計算出超聲波所經(jīng)過時間和待測距離。

　　探傷時，DSP觸發(fā)發(fā)射電路的同時，允許A/D采樣，并將采樣數(shù)據(jù)保存，同時，通過顯示屏將波形實時地顯示出來。另外回波信號通過門限檢測后送入DSP中斷輸入引腳，如在界面回波到達之前有回波信號，則表明物體有缺陷，通過觸發(fā)中斷，計算出缺陷位置，并且在顯示屏上顯示缺陷位置值。由于根據(jù)回波的頻譜圖能進一步判明缺陷的性質，所以DSP還增加了FFT功能，將采集的回波時域數(shù)據(jù)變換到頻域，并保存和顯示，這部分由鍵盤來控制。

　　在超聲波檢測技術中，超聲波在介質中的傳播速度是一個重要參數(shù)，它的準確度直接關系到測量精度。超聲波傳播速度與傳播介質有關，測距時，傳播介質是空氣，聲速利用公式331.4+0.607 T（m/s）得到，T由溫度傳感器可得。探傷時，聲速則隨被測工件的材質不同而不同，這就需要在每次檢測不同的工件時，先測量超聲波在該工件中的傳播速度。測量方法是先制作一已知厚度的相同材質的試塊，根據(jù)試塊兩底面反射回波的時間差計算出聲速，并保存在Flash中，這一步由系統(tǒng)自動完成，如果不改變被測工件，則不需再次測量。

　　電源模塊

　　電源模塊為整個系統(tǒng)供電。基于便攜式檢測儀器的要求，系統(tǒng)采用電池供電，能夠輸出幾組正負電源，同時，該模塊還帶有充電功能。

　　軟件流程

　　上電開始，首先對顯示屏進行初始化，然后等待按鍵輸入，系統(tǒng)設置了3分鐘的待機時間，如果在設定的時間內(nèi)沒有操作系統(tǒng)自動轉入睡眠 狀態(tài)，關閉顯示，進入低功耗模式。如有按鍵，則進入相應的功能模塊，完成相應的操作。系統(tǒng)共分五個功能模塊：測距、探傷、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)發(fā)送和介質聲速測定。所有功能模塊都可以由用戶通過鍵盤按鍵來控制運行與結束，系統(tǒng)狀態(tài)和測量結果實時地在顯示屏上顯示出來。

　　結語

　　該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動測距、自動判傷和實時顯示功能，并且利用測距原理，系統(tǒng)還增加了對規(guī)則物體的體積和面積的測量功能。