宮曉琴 邢榮峰

1.太原理工大學輕紡工程與美術學院 030600 2.太原航空儀表有限公司 030006

在無損檢測技術中超聲檢測使用最為廣泛，它是使用頻率最高的一種。在所有工業(yè)企業(yè)中都應用了該技術，比如說機械制造企業(yè)、鐵路運輸企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、電子工業(yè)等。這些工業(yè)企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品基本上都跟我們生活有著緊密聯(lián)系，對其產(chǎn)品的質(zhì)量要求就更加嚴格。在實際生活中應用有著細微缺陷的產(chǎn)品，將會導致不良的后果，而且不良的后果也許會被放大無限倍，最終有可能產(chǎn)生巨大的損失。傳統(tǒng)的模擬檢測裝置技術指標低、體積龐大，而且在數(shù)據(jù)處理功能和存儲等功能上也有比較大的欠缺，舊式的超聲檢測裝置就采用這種傳統(tǒng)的模擬檢測裝置。但是，隨著現(xiàn)代計算機技術和數(shù)字處理技術的大力發(fā)展，超聲檢測裝置也得到了快速發(fā)展。綜合我們國家超聲檢測裝置的發(fā)展趨勢，我們認為：只有加快發(fā)展數(shù)字式超聲檢測裝置才能趕超國外的發(fā)展水平。

1 A型脈沖反射式超聲波探傷儀的基本原理

目前使用最廣泛的探傷儀器是A型脈沖反射式超聲波探傷儀，它把持續(xù)時間較短的超聲波脈沖放射到需要被檢測的產(chǎn)品中，我們利用被檢測產(chǎn)品底面所發(fā)射的回波信號來判定其所在的位置和大小。

當超聲波在介質(zhì)中傳播時，如果超聲波碰到另一種不同阻抗的介質(zhì)，那么在這兩種介質(zhì)中會發(fā)生反射或者折射現(xiàn)象。在被檢測產(chǎn)品中傳播由超聲波探頭所發(fā)射出的超聲波脈沖，超聲波脈沖會碰到兩類接觸面，第一類是產(chǎn)品與產(chǎn)品底間的接觸面，第二類是產(chǎn)品與產(chǎn)品中缺陷的接觸面，這兩類接觸面都能夠反射超聲波信號。當產(chǎn)品沒有缺陷時，也就只有產(chǎn)品底面能反射波，而回波信號只有兩種：底波信號和發(fā)射波信號；當產(chǎn)品中有缺陷時，回波信號就會出現(xiàn)缺陷波。我們根據(jù)回波信號就能夠判定產(chǎn)品是否有缺陷以及缺陷的具體大小和位置。

對于缺陷的定位，A型脈沖反射式超聲波探傷儀更加精確，根據(jù)缺陷回波在顯示屏上顯示的時間，我們就能得知缺陷的聲程。如果在產(chǎn)品中超聲波的速度是C，超聲波的回波時間是T，那么缺陷的聲程是h=。

使用超聲波探頭所發(fā)射出的超聲波傳到被檢測產(chǎn)品，然后根據(jù)所接收到的反向波來檢測產(chǎn)品內(nèi)部所存在的缺陷的方法，我們稱之為脈沖反射法。它是根據(jù)儀器顯波屏上所顯示出來的波形來判斷的，是反射法中的基本方法。波信號射到被檢測產(chǎn)品中后，假如產(chǎn)品中沒有缺陷，波在底部反射出來，當?shù)撞抗饣⑶矣峙c檢測面平行的時候，回波當中只有兩個信號波：發(fā)射波T和底波B，圖1（a）所示。如果檢測產(chǎn)品中有缺陷，那么回波中會存在回波F(代表缺陷的波)，如圖 1（b）所示。

圖1 脈沖反射檢測法

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 芯片選擇

本論文所采用的數(shù)字式超聲波探傷儀的核心設計是DSP和CPLD，它們分別是由TI公司生產(chǎn)的TMS320C6000T系列C6713和XILINX公司生產(chǎn)的XC95288XL。

DSP 芯片（Digital Signal Processor），也稱數(shù)字信號處理器，它是一種用數(shù)字信號處理的微型處理器。數(shù)字信號處理器有著巨大的信息處理能力、奇特的內(nèi)部結(jié)構和極快的速度，因此我們系統(tǒng)的核心選用DSP。TMS320C6713是TI公司所生產(chǎn)，它是32位高速浮點型DSP，處理器的工作主頻最高可以達300MHz，處理器速度可以達2400MIPS。C6713的Cache結(jié)構采用了2級，片上的存儲器共擁有264K×8位，其中L1P Cache有4K×8位、L1D Cache有4K×8位和L2 RAM/Cache有256K×8位。

CPLD（Complex Programmable Logic Device），也稱復雜可編程邏輯器件，它是由PAL器件和GAL器件發(fā)展過來的。相對來說，CPLD的規(guī)模更加龐大，結(jié)構也更加繁雜，其范圍歸屬于大規(guī)模集成電路。它是一種數(shù)字集成電路，但可以讓用戶依據(jù)自己的需求來自構邏輯功能。由可編程I/O單元陣列、可編程邏輯門陣列和布線資源等構成的CPLD有著靈活的結(jié)構，用戶可以在I/O單元、邏輯單元、可編程內(nèi)部連線上來編程，同時，CPLD能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)配置以及任何邏輯功能，非常適合用在高復雜性的系統(tǒng)設計中。XILINX公司生產(chǎn)的XC95288XL具有高性能的CPLD，工作頻率最高可達208MHz,該設計采用了208個引腳PQFP封裝和用戶可編程的168個I/O引腳。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構框圖

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構圖

超聲波發(fā)射電路用于發(fā)射超聲波信號。超聲波探頭在收到脈沖激勵信號以后，其內(nèi)的晶體立刻產(chǎn)生逆壓電反應，所生成的超聲波信號發(fā)射到被檢測產(chǎn)品中。超聲波接收電路用于接收超聲波反射回來的信號，并且能夠濾波和放大。超聲波信號在被檢測產(chǎn)品中如果碰到底面或缺陷便會反射，反射回來的波信號能夠讓超聲波探頭里的晶體產(chǎn)生正壓電反應，因而能夠收到超聲回波信號。一般來說，超聲回波信號是很弱的信號，并且夾帶著許多的噪聲。超聲波接收電路里的濾波電路和程控增益放大器可以對回波信號進行放大或者濾波。

A/D轉(zhuǎn)換電路：將濾波或者放大后的模擬超聲回波信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，方便DSP處理和分析。

D/A轉(zhuǎn)換電路：通過程控增益放大器來控制電壓，以方便改變超聲回波信號的倍數(shù)。

FIFO電路：FIFO是DSP與A/D轉(zhuǎn)換器兩者間的緩沖器，A/D采樣后的信號先放入FIFO，再讓DSP讀取并且處理。

存儲器模塊由兩部分組成：1、SDRAM存儲器。2、FLASH存儲器，在DSP過程中，SDRAM存儲器用來存儲中間數(shù)據(jù)；而FLASH存儲器則存儲DSP自啟程序和停電后要存儲下來的數(shù)據(jù)。如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

超聲波探傷系統(tǒng)是擁有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等特點的典型系統(tǒng)，我們依據(jù)超聲波探傷系統(tǒng)的基本功能和基本工作原理，設計出了該系統(tǒng)整體的軟件流程圖。如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程圖

根據(jù)上述的流程圖，我們將系統(tǒng)的軟件設計分成五個部分：

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包括DSP上電后自啟動和DSP外部寄存器配置兩個方面。

3.2 超聲回波數(shù)據(jù)采集的軟件設計

超聲回波數(shù)據(jù)采集的軟件設計主要是DSP激勵超聲波探頭發(fā)射出超聲波脈沖，并且能夠同步采樣和存儲采集的數(shù)據(jù)等。

3.3 超聲波數(shù)據(jù)處理的軟件設計

超聲波數(shù)據(jù)處理軟件設計包括探傷儀器基本功能的實現(xiàn)、回波數(shù)據(jù)的處理顯示和人機界面的制作等。

3.4 顯示數(shù)據(jù)發(fā)送的軟件設計

顯示數(shù)據(jù)發(fā)送的軟件設計包括CPLD接收數(shù)據(jù)和匹配LCD讀取時序的軟件設計以及DSP向CPLD傳輸數(shù)據(jù)的軟件設計。

3.5 鍵盤數(shù)據(jù)讀取的軟件設計

鍵盤數(shù)據(jù)讀取的軟件設計主要包括I/O讀取健值和CPLD鍵盤掃描程序。

4 仿真與實驗

在完成系統(tǒng)軟硬件設計后，應該對系統(tǒng)各個部分的功能進行一一調(diào)試，調(diào)試的內(nèi)容主要有：超聲波發(fā)射和接收、A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換電路、FIFO電路、DSP和CPLD兩者間顯示數(shù)據(jù)傳輸、DSP同上位機通信接口、CPLD監(jiān)控LCD顯示、鍵盤讀取健值的電路。只有各個部分調(diào)試成功后，才能對整個系統(tǒng)進行調(diào)試，如圖4所示的數(shù)字式超聲波探傷儀器。

圖4 本次設計的數(shù)字式超聲波探傷儀

數(shù)字式超聲波探傷儀器的基本功能包含了一般的數(shù)字式超聲波探傷儀器的功能，比如超聲波速度的計算和調(diào)節(jié)、缺陷定位、K值及零點的計算和調(diào)整、制作AVG曲線、超聲波探傷數(shù)據(jù)存取等。

圖5是在實測缺陷下數(shù)字式超聲波探傷儀器的波形圖。

圖5 實測波形曲線

如上圖所示，左圖的圖形是在沒有缺陷的情況下產(chǎn)生的，界面只存在始波和底波；右圖的圖形則是在有缺陷的情況下，通過界面可得知在試塊中存在3個缺陷，分別處于41.8mm、81.2mm和120.3mm處。而這三個缺陷的精確位置是41mm、81mm和121mm，所產(chǎn)生的誤差都在±1mm左右。

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