何世彪　廖　強(qiáng)　李　勇

摘 要：基于虛擬式超聲波無損探傷設(shè)備,介紹了該儀器設(shè)備的前端電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),主要包括：用于激勵(lì)超聲波探頭的脈沖發(fā)射電路,高增益的超聲波接收電路,以及隔離、濾波等相關(guān)的信號(hào)調(diào)理電路。在前端電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中,以AT89C52單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)射與接收的控制。這些電路采用模塊化的設(shè)計(jì)思想和成熟的技術(shù),電路功能強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn),并具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這些電路性能穩(wěn)定可靠,使用效果良好。

關(guān)鍵詞：超聲無損檢測(cè)；發(fā)射電路；高頻放大；帶通濾波

中圖分類號(hào)：TM930 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-116-04

Design and Implementation of Front Circuit in Virtual

Ultrasonic Nondestructive Flaw Detection System

HE Shibiao1,LIAO Qiang1,LI Yong2

(1.College of Communication Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044,China;

2.Chongqing Communication Institute,Chongqing,400035,China)

Abstract：This paper introduces the design and imlementation of front circuit in virtual ultrasonic nondestructive flaw detection system.This front circuit mainly includs pulse transmission circuit which is used to impel the ultrasonic transducer,the high gain receiving circuit of ultrasonic echo signals,the isolation circuit and the filter circuit for signal adjustment.AT89C52 microcomputer is used as its core and controlled signal trasmitter and receiver.Owing to adopt the modular design method and mature technology,the circuit is powerful in fuction and easy to realize and has extensive value in use.The tesults show that the effect is excellent and performance is stable.

Keywords：ultrasonic nondestructive testing;transmitting circuit;high frequency amplification;bandpass filter

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備和裝備的運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、提高生產(chǎn)率、降低成本等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用,無損檢測(cè)也已經(jīng)發(fā)展成為一門獨(dú)立的綜合性學(xué)科,而超聲波探傷技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位,在很多領(lǐng)域均獲得非常廣泛的應(yīng)用。

由于超聲波無損探傷設(shè)備在不同的應(yīng)用場(chǎng)合,其對(duì)探頭的要求不同,對(duì)接收的回波信號(hào)的處理算法也不同,因此某一類的無損探傷設(shè)備,通常只能適應(yīng)于一種或幾種應(yīng)用場(chǎng)合。為使超聲波探傷設(shè)備具有更好的應(yīng)用范圍、更高的處理算法和更快的更新周期,可采用虛擬式超聲波無損探傷設(shè)備。虛擬超聲探傷系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的功能來模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板,以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)果,利用軟件功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算、分析和處理。利用輸入輸出(I/O)接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)試,從而完成各種測(cè)試功能的超聲無損探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。在設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字超聲系統(tǒng)時(shí),必須結(jié)合傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)中模擬通道的設(shè)計(jì),因?yàn)槿魏我粋€(gè)超聲探傷系統(tǒng)都必須包括超聲波的發(fā)射電路、接收電路和信號(hào)調(diào)理電路才能進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)的處理工作,這些電路的設(shè)計(jì)將直接影響到整個(gè)超聲探傷系統(tǒng)工作的可靠性和測(cè)試精度。這里設(shè)計(jì)的電路就是在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前的前端電路。

1 虛擬式超聲波無損探傷設(shè)備的系統(tǒng)組成

超聲檢測(cè)一般是指使超聲波與試件相互作用,就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究,對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征,并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)［1］。用于固體材料超聲檢測(cè)的裝置按其指示的參量可分為三類：第一類指示聲的穿透能量,常用于穿透法；第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波在試件中形成駐波的情況,可用于共振測(cè)厚,但目前已很少用；第三類指示反射聲波的幅度和運(yùn)行時(shí)間,常用于脈沖反射法。鑒于脈沖反射法在目前的廣泛使用,虛擬儀器就是采用反射檢測(cè)法來設(shè)計(jì)的。

脈沖反射法的基本原理如圖1所示,一般只利用一個(gè)探頭發(fā)射兼接收［2］。當(dāng)工件完好時(shí),顯示器上只有始波T和底面回波B,如圖1(a)所示。當(dāng)工件中有小于聲束截面的小缺陷時(shí),在始波T和底波B之間還有缺陷回波F出現(xiàn),如圖1(b)所示。根據(jù)缺陷波F的高度可對(duì)缺陷的大小進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)缺陷回波F與始波T之間的時(shí)間差可以得到缺陷的埋藏深度。有缺陷回波時(shí),底面回波高度下降。當(dāng)工件中有大于聲束截面的大缺陷時(shí),超聲波束全部被缺陷反射,顯示器上只有始波T和缺陷回波F,底波B消失,如圖1(c)所示。

虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心控制器件,數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)結(jié)合專用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行完成,然后利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理,結(jié)合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)和構(gòu)建,對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。單片機(jī)控制發(fā)射電路發(fā)射400 V的高壓窄脈沖,激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波,并隨之切換開關(guān)至信號(hào)接收電路。同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。單片機(jī)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊(如脈沖重復(fù)頻率、脈沖占空比和增益調(diào)節(jié)等)采用USB接口來進(jìn)行。

2 發(fā)射電路與接收電路

2.1 超聲發(fā)射電路

超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲探傷儀的關(guān)鍵部分,對(duì)于超聲探傷系統(tǒng)的性能具有很大的影響。發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種。調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈,諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定,發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調(diào)諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖,脈沖的頻帶較寬,可以適應(yīng)不同頻帶范圍的探頭,此時(shí)發(fā)射出的超聲波頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定［3］。該系統(tǒng)采用德國(guó)K.K公司(Krautkramer)的B5S單晶縱波直探頭。該探頭具有5 MHz的標(biāo)稱頻率,15～6 000 mm的工作量程和110 mm的近場(chǎng)長(zhǎng)度。為便于系統(tǒng)的靈活調(diào)試,采用非調(diào)諧式發(fā)射電路,其脈沖控制參數(shù)可以通過核心控制器AT89C52單片機(jī)方便地進(jìn)行修改設(shè)定,發(fā)射電路如 圖3所示。

在發(fā)射電路中,高壓直流通過限流電阻R1,隔直電容C被充電到VH,在常用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)中,VH電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內(nèi)。為充分激發(fā)探頭的壓電性能,采用了400 V的高壓直流電源模塊。晶閘管Q作為一個(gè)高速開關(guān)器件在此受單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制。在低電平時(shí),晶閘管Q處于截至狀態(tài),電容C被充電到400 V,在高電平信號(hào)到達(dá)時(shí),晶閘管Q處于導(dǎo)通狀態(tài),引起電容C經(jīng)晶閘管Q和可調(diào)電阻R2放電,在R2上產(chǎn)生激勵(lì)探頭的高壓脈沖。可變電阻R2決定了電路的阻尼情況,可以通過改變R2的阻值來改變發(fā)射的強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小,發(fā)射強(qiáng)度大,儀器的分辨力低,適合探測(cè)厚度大,對(duì)分辨率力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大,分辨率高,在探測(cè)近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪σ筝^高時(shí)予以采用。該設(shè)計(jì)選用雙向晶閘管BT136-600,該晶閘管具有600 V的反向峰值電壓和 4 A的額定平均電流［4］。為充分驅(qū)動(dòng)該晶閘管工作,特意選用了雙路功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器ICL7667設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路。發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓脈沖和超聲波信號(hào)如 圖4所示。

2.2 限幅與接收放大電路

當(dāng)檢測(cè)范圍很大時(shí),深度缺陷或底波的反射波信號(hào)很微弱,因此在處理之前需要進(jìn)行高增益放大處理。而由于探頭是收發(fā)一體的,發(fā)射信號(hào)很強(qiáng),它同時(shí)作用于接收電路,而且在實(shí)現(xiàn)的測(cè)試過程中,有可能加進(jìn)強(qiáng)干擾,因此為保護(hù)放大電路不致?lián)p壞,使放大電路能處于線性的動(dòng)態(tài)范圍,需要在放大之前接收信號(hào)進(jìn)行限幅,限幅電路如圖5所示。圖中電阻R3相對(duì)于發(fā)射電路中的可調(diào)電阻R2要足夠大,用以消除接收電路對(duì)發(fā)射電路產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。選用具有較大正向電流的二極管(如2K61701)D2和D3構(gòu)成雙向限幅電路,防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進(jìn)入到后端接收電路中,這樣限幅電路的輸出在±0.7 V左右,達(dá)到了該電路的預(yù)期效果。

限幅之后,便是放大電路,為了能夠測(cè)量幅度的變化值,在回波信號(hào)進(jìn)入放大器之前,先經(jīng)過已校準(zhǔn)的衰減器,以便于對(duì)信號(hào)幅度定量調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同的信號(hào)范圍。該設(shè)計(jì)選用AD(ANALOG DEVICES)公司推出的壓控增益放大器AD603進(jìn)行程控增益放大電路模塊的設(shè)計(jì)。AD603具有線性分貝、低噪聲、寬頻帶、高增益精度以及增益控制靈活等特點(diǎn),其高達(dá)50 MΩ的阻抗能夠保證信號(hào)充分加載到后級(jí)電路中。AD603程控增益原理圖如圖6所示,其管腳說明如表1所示［6］。

AD603提供精確的、可由管腳選擇的增益,且其增益線性可變,而且在溫度和電源電壓變化時(shí)有很高的穩(wěn)定性,增益變化范圍40 dB,增益控制轉(zhuǎn)換比例 25 mV/dB,相應(yīng)速度為40 dB,變化范圍所需時(shí)間小于1 μs。如圖6所示,AD603內(nèi)部包含一個(gè)七級(jí)R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)組成的0~-42 dB的可變衰減器和一個(gè)固定增益放大器,此固定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變,以選擇AD603不同的增益變化范圍。AD603的這種可變?cè)鲆婀δ苁瞧渌\(yùn)算放大器所不能比擬的。

超聲回波信號(hào)由VINP進(jìn)入衰減器衰減后,再通過定增益放大器放大。衰減器的增益控制由控制電壓VG完成,VG是差動(dòng)輸入的增益控制電壓,即GPOS與GNEG之差,范圍是-0.5~+0.5 V。定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變,以選擇AD603不同的增益變化范圍。

(1) 當(dāng)AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK短接時(shí),Gain(dB)=40VG+10；此時(shí)增益范圍為-10~ +30 dB,帶寬為90 MHz。

(2) 當(dāng)AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK接上反饋電阻時(shí),Gain(dB)=40VG+20；此時(shí)增益范圍為0~+40 dB,帶寬為30 MHz。

(3) 當(dāng)反饋端FDBK接地時(shí),Gain(dB)=40VG+30；此時(shí)增益范圍為10~50 dB,帶寬為9 MHz。

由此可見,AD603的增益控制是相當(dāng)靈活的。在實(shí)際的使用過程中,可以將多片AD603串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)更大的放大和動(dòng)態(tài)范圍控制。本設(shè)計(jì)首先使用了單片AD603作為前置放大,之后使用了兩片AD603串聯(lián)使用作為AGC自動(dòng)增益放大。前置放大器如圖7所示。

如圖7所示,在設(shè)計(jì)中將輸出端VOUT和反饋端FDBK之間用電位器R3連接,可以靈活地選擇增益范圍。通過調(diào)節(jié)電位器R2,可以調(diào)整GPOS與GNEG間的電壓在0~0.5 V之間,如果將電位器R3的阻值調(diào)至0,則使得放大器的增益變化范圍是10~30 dB。AGC自動(dòng)增益放大電路的設(shè)計(jì)原理類同,限于篇幅,這里不再贅述。電路的輸出波波形如圖8所示。

3 帶通濾波電路

高頻放大電路在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大的過程中會(huì)引入噪聲,為了對(duì)引入噪聲進(jìn)行控制,提高系統(tǒng)整體的信噪比,需要設(shè)計(jì)帶通濾波器來對(duì)噪聲進(jìn)行濾除。該設(shè)計(jì)選用美信(MAXIM)公司生產(chǎn)的MAX4104設(shè)計(jì)了帶通濾波電路,其中心頻率為5 MHz,增益K=4,品質(zhì)因數(shù)Q=5,帶寬B=1 MHz。如圖9所示為帶通濾波電路及回波信號(hào)經(jīng)過濾波后的結(jié)果。

4 結(jié) 語

介紹了虛擬式超聲波無損探傷設(shè)備的前端電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路功能,采用JB/T4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CSK-ⅠA試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明這些電路能夠很好地完成在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前的信號(hào)調(diào)理任務(wù),電路性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

［1］Charles J.Hellier.無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)石化出版社,2006.

［2］馮諾.超聲手冊(cè)［M］.南京:南京大學(xué)出版社,1999.

［3］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測(cè)學(xué)會(huì).超聲波檢測(cè)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

［4］Theodore F Bogart Jr,Jeffrey S Beasley,Guillermo R

［5］何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990.

［6］Analog Devices Inc.AD603 Low Noise,90 MHz,Variable Gain Amplifier,Data Manual［Z］.2005.

作者簡(jiǎn)介何世彪 男,1963年出生,安徽懷寧人,博士后,重慶大學(xué)通信工程學(xué)院教授、重慶通信學(xué)院三系副主任。主要從事抗干擾通信與寬帶無線通信的研究。

廖 強(qiáng) 男,1983年出生,四川簡(jiǎn)陽人,在讀碩士研究生,重慶大學(xué)通信工程學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)。主要研究方向?yàn)殡娐废到y(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

李 勇 男,1979年出生,四川資陽人,碩士研究生,重慶通信學(xué)院講師。主要從事數(shù)字化測(cè)試技術(shù)的研究。