浅谈超声波无损检测系统的设计

2017-03-09麻国栋

环球市场 2017年31期

关键词：电路设计超声波芯片

麻国栋屈刚

海洋石油工程股份有限公司检测公司

浅谈超声波无损检测系统的设计

麻国栋屈刚

海洋石油工程股份有限公司检测公司

本文主要介绍一种基于高速信号处理技术的超声波无损检测系统的典型设计方案从系统的总体设计、单元电路设计和程序设计等方面阐述和分析了设让原理电路和软件的结构与功能等系统方案具有较高的技术含量和实用价值。

无损检测；设计

无损探伤技术是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。超声波探伤就是利用超声能透入金属材料的深处并由一截面进入另截面时在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。当超声波束自零件表面由探头通至金属内部遇到缺陷与零件底面时就分別发生反射波来在荧光屏上形成脉冲波形根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

随着超声波探伤技术的发展对数字信号的处理与分析已不再仅仅是辅助技术。而是一种基本技术由此出现了各种全数字化的超声波检测设备。但早期的数字化设备仅停留在超声波检测频率较低频段的信号处理上主要是受到高速A/D和高速存储技术的限制山于计算机总线技术应用的瓶颈也不能实时多通道传送波形数据到计算机去处理声源定位信号分析等实时显示分析的功能只能由硬件输出的参数完成。

而A/D转换器和高效率微处理器的问世克服了在高频领域应用模拟电子技术受到的各种限制。数字化全波形超声波探伤设备就是由计算机作为主机以单片机芯片为主构成的专用板卡统一控制管理超声系统。这种设备综合应用了高速数据采集技术、A/D转换技术、大容量缓冲技术、多通道切换技术、数据存储技术和数据管理软件技术再困难。因此如何开发和研制更具先进性、创新性、科学性和实用性的全数字式超声波检测设备和系统已成为一项紧迫性的任务。

一、总体设计

首先由高压脉冲发生器发射高压脉冲其经能量转換电路形成超声波信号遇到缺陷或杂质时产生反射波再经能量转换电路转換为电压信号最后经放大电路放大、A/D转换后形成数字量写入高速数据缓存器中然后由PCI接口电路将缓存器中的数据适时地通过PCI总线送到本系统的微处理器进行处理实现与外部计算机通信、显示、打印存储和控制等功能。

本系统采用转换速率为60MHz的8位高速A/D转换电路以满足数据采集的要求。为对A/D芯片输出的高速数据进行缓冲并充分利用LCI总线带宽采用了]2KB的高速数据缓存电路对于多通道检测的要求设计了通道选择控制电路以实现通道之间的切換采用高增益的高频宽带放大电路对缺陷回波信号进行整理和放大。

二、单元电路设计

1放大电路设计

本系统采用带触发的直流逆变电路产生高压脉冲采用多路模拟通道选择电路实现通道切换以满足多通道探伤的要求。模拟信号经放大、滤波后作为A/D转換电路的输入。放大电路采用增益为80dB带宽为15MHz、分辨率为1dB的放大器并且以数字电位器进行放大增益的动态调整可实现放大器的动态响应和频带范围与尖峰回波脉冲信号的匹配。

2 A/D转换电路设计

A/D转换电路通常可分为积分型和比较型。积分型A/D转換器的特点是抗干扰能力强、精度高但速率较低因此高速A/D转换器般采用比较型。本系统采用ADS830该芯片信噪比高、功耗低、非线性畸变小广泛应用于图像处理、数字通信和视频测试系统中。它有共模和差模两种信号输入方式输出的数字量可直接与5V或3.3V芯片接口。超声波无损检测对象基本上为钢体材料其在钢中传播时纵波CL的传播速度为5900m/s横波CS的传播速度为3230m/s缺陷回波信号通常宽度约10100ns因此在钢中的传播速度很快。超声波在工作中的传播时间很短尤其对于薄壁材料检测传播距离更短因此为了得到足够的分辨率要有足够的检测和采样频率才能满足信号采集的要求。ADS830的精度为8位最高采样频率为60MHz可满足一般无损检测系统对数据采集精度和采样频率的要求。

由于在PCI总线控制器S5933的缓存器中只有8个3H位寄存器对于实时高速数据可能会由于延时造成数据的丢失因此需要进行扩展。本系统采用IDT公司的IDT72V36100作为高速数据的缓存。IDT72V36100可以提供65536×36bit的存储单元并且具有配置灵活的特点可以通过设置确定输入输出的数据宽度对于宽度为8bit的输入数据为了充分利用PCI总线的性能将输出数据的宽度设为32bit此外IDT72V36100也提供了丰富的状态信号可以利用它们作为控制信号。IDT72V36100需要在写操作之前进行主复位以设置一些初始状态所以需要电复位。本设计选用上电复位芯片MAX814T在上电时对缓存电路进行复位。缓存电路的初始设置主要为BM、OW、IW全为“低”使输入输出宽度为32位FWFT/SI为“低”表示标准IDT模式只要REN和WEN使能就可以读写数据OE为“低”表示允许输出端输出IP为“低”表示不加校验位PFM为“高”表示同步方式即在时钟上升沿读写数据。高速数据缓存电路使A/D芯片可以不必工作在PCI同步时钟下提高了A/D芯片的利用率和数据的吞吐率。高速数据缓存电路由十具有“先进先出”的特性数据的读写都无须提供地址信号也简化了电路的设计。