摘 要：簡略介紹了超聲探傷的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于FPGA" title="FPGA">FPGA的A型數(shù)字式超聲系統(tǒng)的構(gòu)成方式,，著重介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。其中,，基于FPCA的數(shù)字信號處理" title="數(shù)字信號處理">數(shù)字信號處理模塊從根本上解決了傳統(tǒng)A型探傷儀的采樣速度低,、處理速度慢的問題。
關(guān)鍵詞：MCSl96kc單片機(jī)" title="MCSl96kc單片機(jī)">MCSl96kc單片機(jī) 無損檢測" title="無損檢測">無損檢測 超聲波探傷" title="超聲波探傷">超聲波探傷 FPGA 數(shù)字信號處理 DAC曲線
超聲波是一種機(jī)械波,，機(jī)械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎(chǔ),。超聲波在媒介中傳播，有波的疊加,、反射,、折射、透射,、衍射,、散射及吸收衰減等特性，一般遵循幾何光學(xué)的原則,。A超探傷儀采用幅度調(diào)制(Amplitude Modulation)顯示,，在顯示屏幕上以橫坐標(biāo)代表被測物的深度，縱坐標(biāo)代表回放脈沖的幅度,。
超聲波探傷的方法很多,，按其原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法,。本系統(tǒng)采用脈沖反射法,。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢測試塊內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法,。脈沖反射法又包括缺陷回波法,、底波高度法和多次底波法等，這里只介紹缺陷回波法,。圖1是缺陷回波法示意圖,。當(dāng)試件完好時，超聲波可順利傳播到達(dá)底面,，探傷圖形中只有表面發(fā)射脈沖T及底面回波B兩個信號,，如圖1(a)所示；若試件中存在缺陷,，在探傷圖形中,，底面回波前有表示缺陷的回波F，如圖1(b)所示,。
整個系統(tǒng)的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示,，主要包括模擬和數(shù)字兩部分,，以下分別介紹。
1模擬部分
該系統(tǒng)的模擬部分主要由發(fā)射電路,、限幅機(jī)構(gòu),、高頻放大、帶通濾波,、檢波等幾部分組成,。
發(fā)射電路主要用來產(chǎn)生高壓窄脈沖信號(400V)，以激勵超聲波探頭發(fā)射超聲波,。由于不同探頭的諧振頻率不同,，所以要求脈沖激勵信號的寬度可調(diào)。在發(fā)射電路的設(shè)計(jì)中,，由FPGA提供給發(fā)射電路低壓可調(diào)脈寬的激勵信號,，再由發(fā)射電路將其轉(zhuǎn)換為高壓的窄脈沖激勵信號，其脈沖寬度可變,。
限幅機(jī)構(gòu)是對某些過大的回波電信號進(jìn)行電壓幅值的限制,，以免電壓過大影響后繼高頻放大器的正常工作，甚至燒毀電路器件,。限幅電路的限幅幅值為±3V左右,。
高頻放大電路用來對回波電信號進(jìn)行放大，放大范圍可從—10dB到110dB,。由于測試對象鋼板的厚度不一,，故回波信號的強(qiáng)弱也不定。所以,，要把高頻放大電路設(shè)計(jì)成可以動態(tài)控制增益值的程控放大電路,，可通過MCU來實(shí)現(xiàn)。
帶通濾波電路對信號放大過程中引入的噪聲進(jìn)行控制,。由于超聲探頭的發(fā)射頻率范圍較寬(400kHz～10MHz),，如果使放大器通帶范圍固定為400kHz～10MHz，勢必影響濾波效果,。在本文中,，設(shè)計(jì)了可程控的兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2．5MHz和2．5MHz～10MHz,。
超聲波探傷系統(tǒng)回波波形的顯示方式通常有兩種：射頻顯示(不檢波顯示)和視頻顯示(檢波顯示),，如圖3所示。射頻顯示可以保持波形狀態(tài),，有助于缺陷性質(zhì)的識別,；而視頻顯示則有利于峰值采集，以便確定缺陷當(dāng)量,。為了分別滿足這兩種顯示的要求,，在設(shè)計(jì)中加入了檢波與非檢波的切換電路,，電路的切換受MCU控制。
2數(shù)字部分
2.1微控制單元
該系統(tǒng)的數(shù)字部分以微控制單元(MCU)作為整個超聲檢測系統(tǒng)的控制核心,。在此選用了Intel公司的16位單片機(jī)MCSl96kc,，該MCU不但具有16位的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，而且提供了強(qiáng)大的控制能力,。其實(shí)現(xiàn)的功能主要有：(1)控制顯示模塊和鍵盤接口模塊,，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互；(2)完成檢測結(jié)果的存儲,、打印,；(3)提供與微機(jī)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸,；(4)實(shí)現(xiàn)對電源模塊的管理；(5)調(diào)節(jié)模擬部分中運(yùn)放的放大增益倍數(shù),。
2.2 基于FPGA的實(shí)時數(shù)字信號處理單元
FPGA在整個檢測系統(tǒng)中是數(shù)字信號處理的核心部件,，借助其用戶可編程特性及很高的內(nèi)部時鐘頻率，設(shè)計(jì)了專用于超聲檢測的數(shù)據(jù)處理芯片,，如圖4所示,。該芯片主要由以下幾個功能模塊構(gòu)成：(1)數(shù)據(jù)處理所需的參數(shù)寄存器堆；(2)窄脈沖發(fā)生模塊,；(3)采樣延遲控制模塊,；(4)數(shù)據(jù)采集、存儲,、壓縮模塊,；(5)進(jìn)波門、DAC缺陷自動判斷模塊,；(6)失波門缺陷自動判斷模塊?，F(xiàn)結(jié)合圖5簡述圖4所示的信號處理過程：MCU以一定的頻率不斷向FPGA傳送方波脈沖信號，每一個脈沖信號將觸動一次檢測過程,。脈沖信號的上升沿使窄脈沖發(fā)生電路開始工作,，產(chǎn)生窄脈沖激勵信號。激勵信號產(chǎn)生以后,，由于超聲波需要一段延時時間才能經(jīng)過耦合劑到達(dá)探測工件,，所以在窄脈沖信號產(chǎn)生以后，延時電路將起作用,，用以控制采樣開始的時間,。經(jīng)過(t2-t1)的延時，超聲波到達(dá)工件表面,，采樣開始,。處理單元首先根據(jù)所檢測到的鋼板厚度選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊,。如果鋼板為薄型板材，數(shù)據(jù)采集,、存儲模塊將工作,；如果鋼板為中厚板材，數(shù)據(jù)采集,、壓縮,、存儲模塊將運(yùn)行。采樣過程結(jié)束后,，在(t4-t3)的時間段內(nèi),，處理單元自動對該次采樣中的回波信號進(jìn)行缺陷判斷。如果發(fā)現(xiàn)有缺陷或失波存在,，探傷系統(tǒng)會給出報(bào)警信號,，通知MCU，并結(jié)束這一次的檢測過程,，等待下一個由MCU傳來的脈沖信號,，從而開始新一輪的檢測過程。
3超聲探傷系統(tǒng)的軟件
在整個數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)中,，軟件的設(shè)計(jì)占有重要的地位,。為此采用了匯編語言和VB高級語言分別對MCU和PC機(jī)進(jìn)行編程。整個軟件系統(tǒng)包括工作主界面和參數(shù)設(shè)置界面,。其中,，工作界面主要包括：增益/補(bǔ)償、聲程／標(biāo)度設(shè)計(jì)抑制／聲速,、閘門設(shè)計(jì)DAC曲線" title="DAC曲線">DAC曲線擬合,、回波波形顯示缺陷記錄、缺陷回放,、缺陷報(bào)告打印,、與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊。參數(shù)設(shè)置界面主要包括：探頭設(shè)置,、儀器設(shè)置,、頻道設(shè)置、密碼設(shè)置和時鐘校準(zhǔn),。
當(dāng)超聲探頭的發(fā)射頻率在10MHz以上時,，以現(xiàn)有的采樣速度(40MHz)進(jìn)行采樣就很有可能造成回波信號波峰值的丟失。在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案中,，制約速度的瓶頸主要集中在將采樣得到的回波信號值轉(zhuǎn)存到外部的RAM中時,，受RAM速度的制約，整個系統(tǒng)的工作頻率難以進(jìn)一步提高,。
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