超聲波檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì).doc

2011屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：超聲波檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 所在院系： 所學(xué)專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 導(dǎo)師姓名： 完成時(shí)間：年 月 日摘 要超聲波檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是材料與設(shè)備無(wú)損檢測(cè)的主要手段之一。本論文介紹了超聲波檢測(cè)的基本原理，設(shè)計(jì)了超聲波檢測(cè)的硬件電路系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊，方便快捷有效的獲取了被測(cè)物體內(nèi)部信息。設(shè)計(jì)了以可控高壓電源供電的超聲波發(fā)射電路，該電路可以產(chǎn)生頻率和發(fā)射功率可調(diào)的超聲波，提高了檢測(cè)靈敏度和信號(hào)的抗干擾能力，增加了檢測(cè)的有效范圍。設(shè)計(jì)了回波信號(hào)調(diào)理電路，提高了回波信號(hào)的信噪比和檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為下一步回波信號(hào)的分析處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確判斷、定位、定量提供了有利條件。關(guān)鍵詞：超聲波 檢測(cè) 發(fā)射電路 高壓電源 信號(hào)調(diào)理 Design of ultrasonic testing hardware circuitAbstractThe ultrasonic detection technology in the industry has a wide range of applications. It is one of the principal means of the nondestructive testing of materials and equipment. This paper introduces the basic principles of ultrasonic testing, the hardware circuit system of ultrasonic testing is designed, through the system transmitter module and receiver module, convenient and effective access to the information of measured object. The ultrasonic transmitter circuit which is provided by controllable high-voltage power is designed to produce adjustable ultrasonic in frequency and transmission power, it is improve the detection sensitivity and signal anti-jamming capability, increasing the effective range of testing. Echo signal conditioning circuit is designed to improve the SNR and accuracy of the detection and provides favorable conditions for the analysis of echo signal which can realize accurate judgment、location、and quantification for the defect.Key words: Ultrasonic； Testing；Transmitter Circuit；High Voltage Power Supply； Signal Conditioning19目 錄1.緒論11.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況11.2選題背景意義12.超聲無(wú)損檢測(cè)及相關(guān)理論12.1超聲無(wú)損檢測(cè)的概念、物理基礎(chǔ)12.2超聲波的波長(zhǎng)、聲速、超生場(chǎng)的特征量22.3超聲波的傳播特點(diǎn)42.4脈沖反射式超聲波探傷的基本原理及缺陷的判斷43超聲波檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)63.1超聲波檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)63.2 超聲波發(fā)射模塊73.2.1激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路73.2.2高壓電源及其控制93.2.3發(fā)射模塊仿真及分析103.3 超聲波接收模塊103.3.1回波信號(hào)調(diào)理電路113.3.1.1限幅電路113.3.1.2前置放大電路123.3.1.3帶通濾波123.3.1.4變?cè)鲆娣糯箅娐?33.3.2信號(hào)采集電路143.3.2.1差分變換電路153.3.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路153.3.2.3FIFO緩沖電路16結(jié)束語(yǔ)16致 謝16參考文獻(xiàn)171.緒論1.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況利用超聲波來(lái)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)始于20世紀(jì)30年代。但得以廣泛應(yīng)用，是在20世紀(jì)40年代，美國(guó)的Firestone首次介紹了脈沖回波式超聲檢測(cè)儀，利用該技術(shù)，超聲波從物體的一面發(fā)射并接收，能檢測(cè)小缺陷，較準(zhǔn)確地確定其位置及深度，評(píng)定其尺寸，用于鍛鋼和厚鋼板的探傷。20世紀(jì)60年代，超聲檢測(cè)儀在靈敏度、分辨力和放大器線性等性能上取得了突破性進(jìn)展，超聲檢測(cè)發(fā)展為一個(gè)有效而可靠地?zé)o損檢測(cè)手段，并得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲檢測(cè)設(shè)備不斷向數(shù)字化、小型化、智能化方向改進(jìn)，形成了適應(yīng)不同用途的多種超聲檢測(cè)儀器。這種儀器以高精度的運(yùn)算、控制和邏輯判斷功能來(lái)替代大量人的體力和腦力勞動(dòng)，減少了人為因素造成的誤差，提高了檢測(cè)的可靠性，較好的解決了記錄存檔等問(wèn)題，具有良好的發(fā)展前景。1.2選題背景意義 超聲波檢測(cè)在無(wú)損檢測(cè)中占據(jù)著主要地位，廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬材料以及醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域。近年來(lái)以微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展，超生無(wú)損檢測(cè)儀器也得到了前所未有的發(fā)展動(dòng)力【1】，為了提高檢測(cè)的可靠性和提高檢測(cè)效率，研制數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。 傳統(tǒng)的模擬超聲檢測(cè)系統(tǒng)雖然也能基本滿(mǎn)足人們進(jìn)行超聲檢測(cè)的要求，但它存在許多不足之處，例如：需要手動(dòng)保存記錄，不能生成圖像，判斷存在一定偏差等，顯然無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在工業(yè)及其他的一些科研領(lǐng)域的智能化，自動(dòng)化，數(shù)字化等要求。不利于無(wú)損檢測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)在市場(chǎng)上雖然也出現(xiàn)了一些數(shù)字式的超聲檢測(cè)儀器，但廠家不會(huì)向用戶(hù)提供產(chǎn)品的核心技術(shù)，并進(jìn)行了封閉化處理，對(duì)科研人員的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)造成了諸多限制【2】。本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用的超聲波檢測(cè)電路，能夠激勵(lì)不同探頭產(chǎn)生頻率和發(fā)射功率可調(diào)的超聲波，可應(yīng)用于對(duì)厚度在4mm-120mm的鑄鐵工件進(jìn)行裂紋、砂眼、未焊透或未融合的焊縫等多種缺陷的探傷中。它吸取了多種超聲波檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、攜帶方便的特點(diǎn)，而且在改善檢測(cè)裝置的靈敏度和抗干擾能力方面，也取得了良好的效果。2.超聲無(wú)損檢測(cè)及相關(guān)理論2.1超聲無(wú)損檢測(cè)的概念、物理基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)是在不損傷原材料和工件受檢對(duì)象的前提下，測(cè)定和評(píng)價(jià)物質(zhì)內(nèi)部或外表的物理和力學(xué)性能，并包括各類(lèi)缺陷和其他技術(shù)參數(shù)的綜合性應(yīng)用技術(shù)，對(duì)于控制和改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量，保證材料、零件和產(chǎn)品的可靠性，提高生產(chǎn)率起著關(guān)鍵的作用，是發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)必不可少的重要技術(shù)措施之一23。隨著現(xiàn)代物理學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也隨之迅猛發(fā)展起來(lái)。各種無(wú)損檢測(cè)方法的基本原理幾乎涉及現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支。按照不同的原理和不同的探測(cè)及信息處理方式，詳細(xì)地統(tǒng)計(jì)了已經(jīng)應(yīng)用和正在研究的各種無(wú)損檢測(cè)方法，總共達(dá)70余種。主要包括射線檢測(cè)、聲和超聲檢測(cè)、電學(xué)和電磁檢測(cè)、力學(xué)和光學(xué)檢測(cè)、熱力學(xué)方法和化學(xué)分析方法等。不同的檢測(cè)方法適用的缺陷種類(lèi)、特點(diǎn)不同。本文討論的超聲無(wú)損檢測(cè)，是利用超聲波對(duì)材料中的宏觀缺陷進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)的是超聲波在材料中傳播時(shí)的一些特性，如：聲波在通過(guò)材料時(shí)能量會(huì)有損失，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射等等。超聲波檢測(cè)具有靈敏度高，指向性好、穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。它既可檢測(cè)材料或構(gòu)件的表面缺陷，又可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷，尤其對(duì)裂紋、疊層和分層等平面狀缺陷，具有很強(qiáng)的檢出能力。A型顯示超聲波探傷較難識(shí)別缺陷的類(lèi)型，B型和C型顯示可以給出缺陷的圖像，對(duì)識(shí)別缺陷的種類(lèi)可提供更多的信息。超聲波檢測(cè)適用于鋼鐵、有色金屬和非金屬，也適用于鑄件、鍛件、軋制的各種型材和焊縫等。但是，一般說(shuō)來(lái)超聲檢測(cè)只適用于檢查幾何形狀比較簡(jiǎn)單的工件。對(duì)于管材、棒材、平板、鋼軌和壓力容器焊焊縫等幾何形狀狀簡(jiǎn)單的材料或構(gòu)件，可以實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化檢測(cè)，通常采用水浸法或噴水探頭。除了探傷以外，超聲波法還可用來(lái)測(cè)量厚度、硬度、淬硬層深度，檢測(cè)材料的彈性模量和晶粒度，測(cè)量零件或構(gòu)件中的應(yīng)力，以及進(jìn)行液位和流量的測(cè)量等。聲阻檢測(cè)法適用于檢測(cè)膠接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和強(qiáng)度。超聲波是頻率范圍超過(guò)20KHz的聲波，在超聲波探傷中，最常用的頻率是0.5MHz10MHz。超聲波本質(zhì)上是一種機(jī)械波，機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程。所以它的產(chǎn)生必須依賴(lài)于做機(jī)械振動(dòng)的聲源，同時(shí)還必須依賴(lài)于彈性介質(zhì)的傳播。波的種類(lèi)是根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波動(dòng)傳播方向的關(guān)系來(lái)區(qū)分的。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形有許多種，用于探傷的有縱波、橫波、表面波、板波等，其中最常用的是縱波直探頭探傷和橫波斜探頭探傷?？v波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波形的傳播方向平行，常用來(lái)探測(cè)鋼板、錠材、大型鍛件等形狀比較簡(jiǎn)單的制品，而橫波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波形的傳播方向垂直，常用來(lái)檢測(cè)焊縫、管材等形狀比較復(fù)雜的制品。2.2超聲波的波長(zhǎng)、聲速、超生場(chǎng)的特征量聲速是聲波在介質(zhì)中向前傳播的速度。不同波型的超聲波(縱波、橫波、表面波等)，其傳播速度不同。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量及介質(zhì)的密度有關(guān)，對(duì)一定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同的介質(zhì)，有不同的聲速。超聲波波形不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形的方式不同，速度也不一樣。因此，超聲波在介質(zhì)中傳播的速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù)。超聲波是聲波，屬于機(jī)械波的范疇，因此其的頻率、波長(zhǎng)和聲速必然滿(mǎn)足如下關(guān)系：(2-1)其中為超聲波的波長(zhǎng)，為超聲波的波速，為超聲波的頻率。可見(jiàn)在同一種介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)與超聲波的頻率成反比。超聲場(chǎng)的定義為充滿(mǎn)超聲波的空間。超聲場(chǎng)特征的幾個(gè)重要物理量分別為：聲壓、聲強(qiáng)度、聲阻抗1。(1) 聲壓聲壓：超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒(méi)有超聲場(chǎng)存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)的差值表示為聲壓。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的每一點(diǎn)的聲壓隨著時(shí)間，距離而變化，其公式為：(2-2)式中為介質(zhì)的密度、為介質(zhì)的角頻率、為介質(zhì)中的波速，為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度， 為超聲波的振幅?？梢?jiàn)聲壓的絕對(duì)值與波速成正比，也與角頻率成正比，而，因而聲壓也與頻率成正比。超聲波的頻率越高，其聲壓越大。(2) 聲強(qiáng)度聲強(qiáng)度：在垂直于超聲波方向上的單位面積內(nèi)通過(guò)的聲能量，也簡(jiǎn)稱(chēng)聲強(qiáng)。(2-3)式中，為聲壓振幅，由此可見(jiàn)聲強(qiáng)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移振幅的平方成正比，與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)角頻率的平方成正比，與聲壓振幅的平方成正比。因?yàn)槌暡ǖ念l率很高，所以超聲波的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可聞聲波的強(qiáng)度，這是超聲波能夠應(yīng)用于探傷的前提。(3) 聲阻抗從聲壓的公式可知，在同一聲壓的情況下，越大，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度越小，反之亦然它反映了介質(zhì)的聲學(xué)特性故稱(chēng)為介質(zhì)的聲阻抗以符號(hào)表示。2.3超聲波的傳播特點(diǎn)聲波在無(wú)限大且各向同性的介質(zhì)中傳播時(shí)其波形是根據(jù)波陣面的形狀來(lái)區(qū)分的。在波的傳播過(guò)程中，將某一瞬間波到達(dá)各質(zhì)點(diǎn)的幾何位置所聯(lián)成的面成為波陣面。按波陣面的形狀可以把波分成平面波、球面波、柱面波、活塞波等。超聲波在傳播過(guò)程中如果遇到一個(gè)障礙物，就可能產(chǎn)生若干現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與障礙物的大小有關(guān)：如果障礙物的尺寸比超聲波的波長(zhǎng)小得多，則它們對(duì)超聲波的傳播幾乎沒(méi)有影響；如果障礙物的尺寸小于超聲波的波長(zhǎng)，則波到達(dá)障礙物后將發(fā)生反射，如果障礙物尺寸與超聲波波長(zhǎng)近似，則超聲波將發(fā)生不規(guī)則的反射、折射和投射，這些現(xiàn)象均是波的散射；如果障礙物的尺寸比超聲波波長(zhǎng)大得多，則在障礙物的表面發(fā)生反射和透射。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量會(huì)逐漸減弱，這種現(xiàn)象就是衰減。超聲衰減有三種主要的原因：聲束擴(kuò)散引起的超聲波衰減；散射引起的超聲波衰減；由介質(zhì)吸收引起的超聲波衰減。超聲波的衰減有兩種表示方法：一種是用底波多次反射的次數(shù)來(lái)表示，這種方法僅能粗略地比較超聲波在不同材料中的衰減程度；另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來(lái)表示聲波的衰減。2.4脈沖反射式超聲波探傷的基本原理及缺陷的判斷超聲探傷儀的分類(lèi)類(lèi)似于超聲探傷方法的分類(lèi)，但根據(jù)探傷結(jié)果顯示方式的不同可分為A，B，C型，其分別對(duì)應(yīng)著點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描，其中A型是B，C型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。脈沖反射法的定義是：超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，利用被檢工件底面或內(nèi)部缺陷的反射回波來(lái)探測(cè)反射源的位置和大小的方法。該方法基于的物理原理是：超聲脈沖波入射到兩種不同介質(zhì)交界面上會(huì)發(fā)生反射。交界面可以分為兩種：工件的表面和底面是工件介質(zhì)和工件外介質(zhì)的交界面；工件內(nèi)部的缺陷表面是工件介質(zhì)和缺陷的交界面。換能器發(fā)射的超聲波在工件內(nèi)部傳播時(shí)，若遇以上的兩種交界面，將發(fā)生反射，根據(jù)反射回來(lái)的超聲回波信號(hào)就可以判斷是否有缺陷，并且可以探測(cè)出缺陷的位置及其大致的大小?？v波脈沖反射法工作原理如圖2-1所示，一般只需采用收發(fā)一體的探頭進(jìn)行檢測(cè)。圖21 超聲探傷原理示意根據(jù)超聲波的指向、反射等特性，A型脈沖反射式超聲探傷可以實(shí)現(xiàn)三方面的功能：其一，利用超聲波在不同介質(zhì)分界面的反射作用來(lái)判斷工件材料有無(wú)缺陷；其二，若有缺陷，利用聲束的指向性對(duì)缺陷進(jìn)行定位，根據(jù)聲束和聲波在介質(zhì)中傳播至缺陷所需時(shí)間可測(cè)定探頭到缺陷的聲程；其三，利用超聲反射或穿透聲壓的大小來(lái)鑒別材料缺陷的大小。有了以上三個(gè)方面的判斷后，進(jìn)而評(píng)價(jià)其使用的安全性和修復(fù)的可能性。另外，還可以應(yīng)用于管道厚度探測(cè)等方面。圖2-1中所示的初始脈沖由兩部分迭加而成，一是激勵(lì)脈沖，二是表面回波。首先是激勵(lì)脈沖作用，當(dāng)激勵(lì)脈沖加在壓電晶體兩面時(shí)，因逆壓電效應(yīng)，晶體發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，同時(shí)又因正壓電效應(yīng)在壓電晶體兩面產(chǎn)生相反電荷，即發(fā)射始波電脈沖，初始脈沖通過(guò)接收電路顯示在屏幕上。同時(shí)，表面反射的回波也很快被晶片接收，從而產(chǎn)生電脈沖。兩者迭加產(chǎn)生所謂的發(fā)射初始脈沖。但晶片振動(dòng)會(huì)因阻尼作用很快停止，而后開(kāi)始接收缺陷回波或底面回波。如果工件無(wú)缺陷時(shí)，只有始發(fā)射脈沖波和底面反射回波，兩者之間沒(méi)有其他回波，它們之間的聲程等于工件的厚度；如果工件中有面積小于聲束截面的小缺陷，則會(huì)在始波和底波之間出現(xiàn)缺陷回波，底波也被相應(yīng)削弱；如果工件中缺陷大于聲束截面時(shí)，全部聲能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不會(huì)出現(xiàn)底波。根據(jù)屏幕上出現(xiàn)的電脈沖波形，就很容易判斷出被測(cè)工件是否存在缺陷，并根據(jù)始波與第一次底面回波之間的缺陷回波的數(shù)量確定出缺陷的數(shù)量。由圖2-1所示可知，探頭到缺陷的距離為(2-4)探頭到工件底面的距離為(2-5)式中為材料中的聲速，為聲波遇到缺陷時(shí)的來(lái)回傳播時(shí)間，為發(fā)射波到底波的來(lái)回傳播時(shí)間。3超聲波檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)3.1超聲波檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖 3-1 所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：超聲波發(fā)射模塊、超聲波回波信號(hào)接收模塊、ARM處理器。ARM處理器PC機(jī)激勵(lì)電路限幅電路前置放大電路探頭帶通濾波電路可變?cè)鲆娣糯箅娐繁粶y(cè)物差分放大電路A/D轉(zhuǎn)換電路FIFO圖3-1 硬件系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)以ARM微控制器為核心，通過(guò)超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生激勵(lì)脈沖電壓和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波，接收電路首先將反射回來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)放大、濾波等電路處理，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并將采集的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)緩存送入PC機(jī)中。ARM微處理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微處理器S3C2440A。其內(nèi)核頻率最高為400MHz，功率低，體積小，集成外設(shè)多，數(shù)據(jù)處理能力好，因而可廣泛用于手持設(shè)備等。3.2 超聲波發(fā)射模塊在超聲波應(yīng)用領(lǐng)域中，超聲波發(fā)射電路是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量系統(tǒng)等在性能和精度方面的要求不斷提高，檢測(cè)儀器向高集成度、高靈敏度、低功耗及模塊化方向發(fā)展。其中，超聲發(fā)射電路是影響其性能的關(guān)鍵技術(shù)。超聲發(fā)射電路的主要功能是用來(lái)產(chǎn)生不同形式的超聲波，以滿(mǎn)足實(shí)際需要。目前，超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)方法眾多，其供電直流電壓一般較高，以產(chǎn)生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發(fā)電信號(hào)。該電路的高壓電源采用一種可控高壓電源設(shè)計(jì)方案能輸出0-1000V電壓。并分析了激勵(lì)脈沖對(duì)超聲波信號(hào)的影響、電路中各個(gè)元件對(duì)超聲波激勵(lì)脈沖的影響。從理論上得出發(fā)射電路中各個(gè)電阻與激勵(lì)脈沖電壓電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，發(fā)射電路可以激勵(lì)不同探頭產(chǎn)生多種頻率和發(fā)射功率可調(diào)的超聲波。3.2.1激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)被測(cè)件的材料、厚度等不同條件，所需的相應(yīng)超聲波探頭的頻率、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵(lì)脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時(shí)間不超過(guò)100 ns。根據(jù)頻譜分析。激勵(lì)脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關(guān)系式7，當(dāng)脈沖寬度滿(mǎn)足這一關(guān)系式時(shí)，接收探頭的接收信號(hào)質(zhì)量最好。該關(guān)系式即為： （3-1）式中f0為探頭頻率，2a為脈沖寬度。本設(shè)計(jì)所選探頭頻率為2.5 MHz，由式(3-1)確定的脈沖寬度為6O0 ns，所以放電時(shí)間應(yīng)盡量控制在600 ns。超聲波探傷法的容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ 快速恢復(fù)型二極管VD1、VD2和探頭組成，設(shè)種類(lèi)很多，實(shí)際運(yùn)用中。大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式，超聲波發(fā)射電路如圖3-2所示。電路由可調(diào)高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲(chǔ)電二極管等效電阻為R3，開(kāi)關(guān)等效電阻為R4。ARM微處理器產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖，經(jīng)IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路后送人開(kāi)關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當(dāng)V1為負(fù)脈沖時(shí)，IGBT關(guān)斷，高壓電源通過(guò)R1、VD2對(duì)電容C充電，充電時(shí)間常數(shù)為1=C(R1+R3)。當(dāng)t51時(shí)，認(rèn)為電容C充滿(mǎn)。當(dāng)V1為正脈沖時(shí)，IGBT開(kāi)通，電容C通過(guò)開(kāi)關(guān)管VQ、R2和二極管VD1對(duì)探頭放電，放電時(shí)間常數(shù)為1=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負(fù)脈沖的激勵(lì)后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波。圖3-2 激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路電路中元件作用：1)電阻R1用來(lái)限制充電時(shí)高壓電源對(duì)電容C的充電電流，即起到限流作用。并減小發(fā)射單元工作時(shí)對(duì)電源的影響 ，從這點(diǎn)考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復(fù)頻率f較高，為了使電容C在觸發(fā)前能充滿(mǎn)電，就必須滿(mǎn)足CR1緩存器-處理器”就成為一種通用模式。并行傳輸速度快，能夠滿(mǎn)足高速系統(tǒng)的需要。信號(hào)采集電路組成部分包括差分變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FIFO緩沖電路。3.3.2.1差分變換電路該電路的功能就是實(shí)現(xiàn)將單端輸入變成差分輸出，這種功能在現(xiàn)代高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中是非常有用的。部分A/D轉(zhuǎn)換芯片都有兩種電壓輸入方式:單端輸入和差分輸入方式。單端輸入實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但性能相對(duì)較差。相比較，后者雖然實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，但可提供最佳的總諧波失真和無(wú)雜波失真動(dòng)態(tài)范圍。所以絕大多數(shù)的高速A/D芯片都需要模擬信號(hào)為差分輸入。如果采用單端輸入，必然會(huì)使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的二次諧波增大，降低信噪比SNR。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用差分輸入方式。與單端方式相比，差分輸入主要具有以下優(yōu)點(diǎn):輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍加倍；對(duì)共模噪聲不敏感；有效抑制偶次諧波;對(duì)輸入信號(hào)調(diào)理電路要求較低。本系統(tǒng)選用的差分轉(zhuǎn)換芯片是由AD公司生產(chǎn)的AD8138，這是一款專(zhuān)門(mén)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)器件，實(shí)現(xiàn)將單端輸入轉(zhuǎn)換成差分輸出。該器件具有較寬的模擬帶寬，增益-3dB時(shí)的帶寬可達(dá)320MHz。其輸入阻抗高達(dá)6M，完全可以直接與輸入信號(hào)相連而不需要隔離放大器。3.3.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路該電路實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為N位2進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的輸出。ADC器件是采集電路中的核心器件，它的性能對(duì)采集電路的整體性能有著非常大的影響。它的兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)是最高采樣頻率和字長(zhǎng)，最高采樣頻率決定了不發(fā)生頻率混疊的最大的輸入信號(hào)頻率，字長(zhǎng)決定了信號(hào)的最小量化誤差。根據(jù)香農(nóng)采樣定律可知，當(dāng)采樣頻率大于等于信號(hào)最高頻譜成分的兩倍即可保存信號(hào)所包含的所有信息。但對(duì)于超聲信號(hào)而言，由于一般情況下超聲信號(hào)中的最高頻率成分要比信號(hào)的中心頻率大許多，所以如果希望超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化而不會(huì)產(chǎn)生明顯的失真，則需要的采樣頻率至少為超聲中心頻率的6-8倍，而往往在實(shí)際的應(yīng)用中采用的采樣頻率會(huì)更高。本系統(tǒng)中超聲探頭的中心頻率為2.5M，所以系統(tǒng)選擇的采樣頻率25MHz。本系統(tǒng)選用流水線型ADC器件，型號(hào)為AD9283，其有以下特點(diǎn)：分辨率為8位，最高采樣速率為50MSPS，封裝模式為20腳SSOP，體積較小；差分輸入方式，單電源，低功耗，休眠狀態(tài)時(shí)功耗只有4.2mW；可以利用內(nèi)部的參考電壓，將VREFOUT與VREFIN相連時(shí)，模擬輸入的范圍在正負(fù)0.512伏之間；可以獲得很好的信噪比，對(duì)信號(hào)干擾很小，適合微弱信號(hào)的采樣。3.3.2.3FIFO緩沖電路高速緩存器有兩種選擇:雙口RAM和FIFO(先進(jìn)先出緩沖器)。雙口RAM方式速度快，但需要占用PC機(jī)大量而寶貴的存儲(chǔ)器地址資源，使用時(shí)還要注意避免地址沖突；FIFO方式速度同雙口RAM一樣，由于沒(méi)有地址總線，不會(huì)產(chǎn)生地址沖突，接口電路簡(jiǎn)潔且不占用系統(tǒng)地址資源，系統(tǒng)移植或升級(jí)換代方便。在實(shí)際應(yīng)用中，利用FIFO芯片，僅占用少量的系統(tǒng)資源就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸，而且控制簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生地址沖突，可以方便緩存大量的數(shù)據(jù)塊。IDT公司的FIFO存儲(chǔ)器IDT72V251比較適合本系統(tǒng)，其最快訪問(wèn)時(shí)間為10ns，可以滿(mǎn)足AD9283的采樣速率;容量為8K9，可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)量要求。IDT72V251是單向異步、高速、低功耗的先進(jìn)先出存儲(chǔ)緩沖器。結(jié)束語(yǔ)本課題在超聲波理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合了現(xiàn)代的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，微電子技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用的超聲波檢測(cè)電路，能夠產(chǎn)生頻率和發(fā)射功率可調(diào)的超聲波，可以對(duì)厚度在4mm-120mm的鑄鐵工件進(jìn)行裂紋、砂眼、未焊透或未融合的焊縫等多種缺陷的探傷。它吸取了多種超聲波檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、攜帶方便的特點(diǎn)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的整體性能，在檢測(cè)裝置靈敏度和抗干擾方面也取得了良好效果。主要完成了一下工作：設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射模塊，該模塊采用一種可控高壓電源設(shè)計(jì)方案，能輸出0-1000V電壓。并分析了激勵(lì)脈沖對(duì)超聲波信號(hào)的影響、電路中各個(gè)元件對(duì)超聲波激勵(lì)脈沖的影響。從理論上得出發(fā)射電路中各個(gè)電阻與激勵(lì)脈沖電壓電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)發(fā)射模塊進(jìn)行了仿真，經(jīng)驗(yàn)證該電路發(fā)射的超聲波功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào)，能滿(mǎn)足多種檢測(cè)需求。在超聲波接收模塊中，通過(guò)回波信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)采集電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)回波信號(hào)的放大、濾波、數(shù)據(jù)采集等處理，提高了回波信號(hào)的信噪比和檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為下一步回波信號(hào)的分析處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確判斷、定位、定量提供了有利條件。盡管本文在超聲檢測(cè)系統(tǒng)方面做了一些有益探索與研究，可為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提供一定的借鑒，但由于時(shí)問(wèn)和條件的限制，對(duì)一些問(wèn)題未作更深入的研究，對(duì)于后續(xù)的工作，提出以下的改進(jìn)意見(jiàn)：超聲波信號(hào)采集電路還需要