超聲波探傷儀)(共13頁)

1、 成績(chngj)評(píng)定： 傳感器技術(shù)(jsh)課程設(shè)計(jì) 題 目 超聲波探傷儀 摘要(zhiyo)人們在使用各種材料，尤其是金屬材料的長期實(shí)踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象(xinxing)，它曾給人類帶來許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛機(jī)、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。因此人們迫切的想尋找一種能無損檢測(jin c)材料內(nèi)部情況(qngkung)的方法。超聲探傷技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域中的重要的方法，在冶金、勘探、生產(chǎn)控制，質(zhì)量管理、和安全監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在半導(dǎo)體生產(chǎn)工程中，超聲波探傷起到了在低成本的基礎(chǔ)上快速，準(zhǔn)確的檢測出缺陷的不可替代的作用。關(guān)鍵詞：無損檢測 超聲波探傷 AT89C52 虛擬儀

2、器 LabVIEW目 錄TOC o 1-2 u 一 、設(shè)計(jì)(shj)目的1二、設(shè)計(jì)任務(wù)(rn wu)與要求12.1設(shè)計(jì)(shj)任務(wù)12.2設(shè)計(jì)要求1三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析23.1設(shè)計(jì)方法23.2設(shè)計(jì)步驟43.3設(shè)計(jì)原理分析17四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)21五、參考文獻(xiàn)22傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)PAGE 16 PAGE 12設(shè)計(jì)(shj)目的用超聲波檢測金屬材料和部分非金屬材料的內(nèi)部缺陷(quxin),我們可以從其波形(b xn)中一眼看出物體的內(nèi)部是否有裂縫。設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)出一種可以檢測零件內(nèi)部缺陷的裝置。在檢測零件的時(shí)候我們可以從示波器中看到其波形，從而一眼就

3、能看出檢測的零件是否有缺陷的。2.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的超聲波探傷儀，要求如下：(1).不能對(duì)零件有損壞(2).工業(yè)探傷上常用的超聲波范圍是：0.520MHz；其中金屬探傷最常用的頻率是：15MHz；探水泥構(gòu)建用的頻率是： 0.5 MHz；探測玻璃陶瓷中m級(jí)。小缺陷用的頻率是100MHz200MHz,甚至更高(3). 超聲波在工件中傳播的3個(gè)物理量：頻率、聲速和波長，三個(gè)因素必須全部具備(4). 波長聲速/頻率。波長的大小影響到可以探測的最小缺陷(5).探傷的5個(gè)組成要素必須全部都有：儀器：電子設(shè)備，提供發(fā)射脈沖去激勵(lì)探頭，接收/放大/顯示信號(hào)探頭：核心為壓電晶片，發(fā)射/接收超聲波試塊：探傷

4、(tn shng)的基本原理是將試塊上的人工傷與實(shí)際被檢測的工件，對(duì)比。工藝(gngy)/標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范(gufn)探傷的方法/步驟等檢測人員三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1設(shè)計(jì)方法超聲波在被檢材料（金屬、非金屬）中傳播時(shí)，利用材料本身或內(nèi)部缺陷所示的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內(nèi)部缺陷的方法，稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實(shí)驗(yàn)方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測其內(nèi)部各種缺陷（如裂紋、氣泡、夾雜物等）的大小，形狀和分布狀況以及測定材料性質(zhì)。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器制造、冶金、化工設(shè)備、國防建設(shè)等部門，已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保安全的

5、一種重要手段。超聲波探傷儀的分類(1)按超聲波的連續(xù)性可將探傷儀分為脈沖波、連續(xù)波和調(diào)頻波探傷儀三種。 (2) 按缺陷顯示方式，可將探傷儀分為A型顯示（缺陷波幅顯示）、B型顯示（缺陷俯視圖像顯示）、C型顯示（缺陷側(cè)視圖像顯示）和D型顯示（缺陷三維圖像顯示）超聲波探傷儀等。 (3)按超聲波的通道(tngdo)數(shù)目又可將探傷儀分為單通道和多通道超聲波探傷儀兩種。前者是由一個(gè)或一對(duì)探頭單獨(dú)工作；后者是由多個(gè)或多對(duì)探頭交替工作，而每一通道相當(dāng)于一臺(tái)單通道探傷儀，適用于自動(dòng)化探傷(tn shng)。在目前的實(shí)際使用中，廣泛使用的是接觸式脈沖反射法?？紤]到脈沖超聲探傷儀在實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛，本設(shè)計(jì)將對(duì)基于

6、虛擬儀器技術(shù)(jsh)的超聲脈沖反射式探傷儀的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行討論。3.2 設(shè)計(jì)步驟3.2.1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心控制器件，主要由主機(jī)控制、發(fā)射電路、信號(hào)調(diào)理電路、探頭、上位機(jī)顯示等部分組成。數(shù)據(jù)采集由AT89C82單片機(jī)結(jié)合LabVIEW串口通訊函數(shù)完成,然后結(jié)LabVIEW應(yīng)用軟件進(jìn)行探傷系統(tǒng)的面板設(shè)計(jì)和部分功能的設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行顯示。被測工件探頭信號(hào)調(diào)理電路發(fā)射電路AT89C52單片機(jī)計(jì)算機(jī)圖3.1 超聲探傷儀總體(zngt)框圖3.2.2 AT89C52單片機(jī)單元(dnyun)電路

7、AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容(jin rn)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。單片機(jī)正常工作時(shí)，都需要有一個(gè)時(shí)鐘電路，和一個(gè)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機(jī)的最小電路。EA端接+5v電源選中內(nèi)部存儲(chǔ)器。單片機(jī)單元電路連接圖如圖3.2所示：圖3.2 單片機(jī)單元(dny

8、un)電路時(shí)鐘(shzhng)電路 計(jì)算機(jī)工作(gngzu)時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍的進(jìn)行的，這個(gè)脈沖是由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了保證各部件間的同步工作。單片機(jī)內(nèi)部電路就在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。要給單片機(jī)提供時(shí)序要有相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。因此選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式。利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路如圖3.2所示，外接晶振時(shí)，C17和C16值通常選擇為30PF左右。C17，C16對(duì)

9、頻率有微調(diào)作用。晶體的頻率范圍可在1.212MHZ之間選擇。在實(shí)際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定。可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。復(fù)位電路由圖3.2可以看出，是按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過電阻與電源接通。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來實(shí)現(xiàn)。3.3 設(shè)計(jì)(shj)原理分析脈沖(michng)反射式超聲探傷儀的原理 超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈

10、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(fnsh)回波探測反射源的位置和大小的方法，稱為脈沖反射法?？v波脈沖反射法工作原理如圖3.13所示，一般只需要一個(gè)探頭兼做發(fā)射和接收。超聲探傷主要是判斷工件材料有無缺陷，若有缺陷時(shí)，確定缺陷的大小和位置，進(jìn)而評(píng)價(jià)其有無使用價(jià)值和修復(fù)的可能性。圖3.13 脈沖法縱波探傷原理 a.判斷(pndun)缺陷的存在換能器發(fā)射(fsh)的超聲波在工件內(nèi)部傳播時(shí)，當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生反射。反射信號(hào)的強(qiáng)度與反射率R的大小有關(guān)，而反射率R只與入射介質(zhì)和反射介質(zhì)的材料有關(guān)。由于反射信號(hào)通過的聲程是一定的，換能器獲得的反射信號(hào)的強(qiáng)度也是一定的。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，只

11、有始發(fā)射(fsh)脈沖波和底面反射波，兩者之間沒有其它回波。當(dāng)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。缺陷回波在時(shí)間軸上的位置可以確定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取決于缺陷在聲束入射方向上的投影面積的大小，當(dāng)有缺陷回波出現(xiàn)時(shí)，底波高度下降。當(dāng)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。 b.缺陷的定位 由于超聲波在介質(zhì)的波速是一定的，則在圖3.13中 (1)若知道工件長L的大小，則可以根據(jù)發(fā)射波到反射波與發(fā)射波到底波的時(shí)間的比值，來確定缺陷距探頭的距離。若不知道L的大小，則可以根據(jù)聲束和聲波在介質(zhì)中傳播至缺陷所需時(shí)間和

12、波速來定位缺陷。 (2)式中C為材料(cilio)中的聲速，為聲波遇到缺陷時(shí)的來回傳播(chunb)時(shí)間。 c.缺陷(quxin)的定量 假如缺陷尺寸小于波長一半時(shí)，由于超聲波的衍射作用而將不會(huì)產(chǎn)生明顯的反射回波，從而無法探測缺陷，因此缺陷尺寸的最小檢測極限為。工件或材料中的實(shí)際缺陷是多種多樣的，其形狀和性質(zhì)也各不相同，而超聲波的波長又比較大，要確定其真實(shí)大小是非常困難的，甚至不可能的，所以只能采用相對(duì)比較的方法，即用未知量(缺陷)與已知量(規(guī)定的人工缺陷)的回波振幅相比較的方法，來確定缺陷的當(dāng)量大小，這就是超聲探傷中的缺陷定量的基本原理。假設(shè)已經(jīng)規(guī)定A處為已知量，以此處為參考，如圖3.14圖

13、3.14 缺陷(quxin)定量示意圖則缺陷率為 ： （3）其中(qzhng) 缺陷(quxin)波幅值 始波幅值 四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)通過為期一周的課程設(shè)計(jì)，我深刻體會(huì)到了自己知識(shí)的匱乏。我深深的感覺到自己知識(shí)的不足，自己原來所學(xué)的東西只是一個(gè)表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現(xiàn)實(shí)中還存在有很多問題。真正的能將自己的所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際所用才是最大的收獲，也就是說真正的能夠做到學(xué)為所用才是更主要的。設(shè)計(jì)一個(gè)很簡單的電路，所要考慮的問題，要比考試的時(shí)候考慮的多的多。所以說實(shí)踐，是一面鏡子，能夠通過它看出(kn ch)我們自身的缺點(diǎn)，能夠通過它查找出自身缺乏的知識(shí)。通過這次設(shè)計(jì)，我明顯感覺到“書到用時(shí)方(sh fn)恨少”。在以后(yhu)的生活中我會(huì)不斷地學(xué)習(xí)充實(shí)自己。五、參考文獻(xiàn)1. 梁森、歐陽三泰. 自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20112. 童詩白、華成英. 模擬電子技術(shù). 北京：高等教育出版社，20063. 閻石. 數(shù)字電子技術(shù). 北京：高等教育出版社，20064. 于海生. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20135. 蔣危平. 超聲波探傷儀發(fā)展簡史. 無損測. 1997:24256.