摘  要: 简略介绍了超声探伤的基本原理,并在此基础上提出了一种基于FPGA的A型数字式超声系统的构成方式,着重介绍了系统的硬件构成。其中,基于FPGA的数字信号处理" title="数字信号处理">数字信号处理模块从根本上解决了传统A型探伤仪的采样速度低、处理速度慢的问题。

　　关键词: MCS196kc单片机  无损检测   超声波探伤   FPGA   数字信号处理  DAC曲线

　　超声波是一种机械波,机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波在媒介中传播,有波的叠加、反射、折射、透射、衍射、散射及吸收衰减等特性,一般遵循几何光学的原则。A超探伤仪采用幅度调制(Amplitude Modulation)显示,在显示屏幕上以横坐标代表被测物的深度,纵坐标代表回放脉冲的幅度。

　　超声波探伤的方法很多,按其原理分类可分为脉冲反射法" title="脉冲反射法">脉冲反射法、穿透法和共振法。本系统采用脉冲反射法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内,根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等,这里只介绍缺陷回波法。图1是缺陷回波法示意图。当试件完好时,超声波可顺利传播到达底面,探伤图形中只有表面发射脉冲T及底面回波B两个信号,如图1(a)所示;若试件中存在缺陷,在探伤图形中,底面回波前有表示缺陷的回波F,如图1(b)所示。

　　整个系统的硬件原理结构如图2所示,主要包括模拟和数字两部分,以下分别介绍。

1 模拟部分

　　该系统的模拟部分主要由发射电路" title="发射电路">发射电路、限幅机构、高频放大、带通滤波、检波等几部分组成。

　　发射电路主要用来产生高压窄脉冲信号" title="脉冲信号">脉冲信号(400V),以激励超声波探头发射超声波。由于不同探头的谐振频率不同,所以要求脉冲激励信号" title="激励信号">激励信号的宽度可调。在发射电路的设计中,由FPGA提供给发射电路低压可调脉宽的激励信号,再由发射电路将其转换为高压的窄脉冲激励信号,其脉冲宽度可变。

　　限幅机构是对某些过大的回波电信号进行电压幅值的限制,以免电压过大影响后继高频放大器的正常工作,甚至烧毁电路器件。限幅电路的限幅幅值为±3V左右。

　　高频放大电路用来对回波电信号进行放大,放大范围可从-10dB到110dB。由于测试对象钢板的厚度不一,故回波信号的强弱也不定。所以,要把高频放大电路设计成可以动态控制增益值的程控放大电路,可通过MCU来实现。

　　带通滤波电路对信号放大过程中引入的噪声进行控制。由于超声探头的发射频率范围较宽(400kHz～10MHz),如果使放大器通带范围固定为400kHz～10MHz,势必影响滤波效果。在本文中,设计了可程控的两组带通滤波电路,其带宽范围分别为400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz。

　　超声波探伤系统回波波形的显示方式通常有两种:射频显示(不检波显示)和视频显示(检波显示),如图3所示。射频显示可以保持波形状态,有助于缺陷性质的识别;而视频显示则有利于峰值采集,以便确定缺陷当量。为了分别满足这两种显示的要求,在设计中加入了检波与非检波的切换电路,电路的切换受MCU控制。

2 数字部分

2.1 微控制单元

    该系统的数字部分以微控制单元(MCU)作为整个超声检测系统的控制核心。在此选用了Intel公司的16位单片机MCS196kc,该MCU不但具有16位的数据运算功能,而且提供了强大的控制能力。其实现的功能主要有:(1)控制显示模块和键盘接口模块,实现人机界面的交互;(2)完成检测结果的存储、打印;(3)提供与微机之间可靠的数据传输;(4)实现对电源模块的管理;(5)调节模拟部分中运放的放大增益倍数。

2.2  基于FPGA的实时数字信号处理单元

　　FPGA在整个检测系统中是数字信号处理的核心部件,借助其用户可编程特性及很高的内部时钟频率,设计了专用于超声检测的数据处理芯片,如图4所示。该芯片主要由以下几个功能模块构成:(1)数据处理所需的参数寄存器堆;(2)窄脉冲发生模块;(3)采样延迟控制模块;(4)数据采集、存储、压缩模块;(5)进波门、DAC缺陷自动判断模块;(6)失波门缺陷自动判断模块。现结合图5简述图4所示的信号处理过程:MCU以一定的频率不断向FPGA传送方波脉冲信号,每一个脉冲信号将触动一次检测过程。脉冲信号的上升沿使窄脉冲发生电路开始工作,产生窄脉冲激励信号。激励信号产生以后,由于超声波需要一段延时时间才能经过耦合剂到达探测工件,所以在窄脉冲信号产生以后,延时电路将起作用,用以控制采样开始的时间。经过(t2-t1)的延时,超声波到达工件表面,采样开始。处理单元首先根据所检测到的钢板厚度选择相应的数据处理模块。如果钢板为薄型板材,数据采集、存储模块将工作;如果钢板为中厚板材,数据采集、压缩、存储模块将运行。采样过程结束后,在(t4-t3)的时间段内,处理单元自动对该次采样中的回波信号进行缺陷判断。如果发现有缺陷或失波存在,探伤系统会给出报警信号,通知MCU,并结束这一次的检测过程,等待下一个由MCU传来的脉冲信号,从而开始新一轮的检测过程。

3 超声探伤系统的软件

　　在整个数字式超声探伤系统中,软件的设计占有重要的地位。为此采用了汇编语言和VB高级语言分别对MCU和PC机进行编程。整个软件系统包括工作主界面和参数设置界面。其中,工作界面主要包括:增益/补偿、声程/标度设计抑制/声速、闸门设计DAC曲线拟合、回波波形显示缺陷记录、缺陷回放、缺陷报告打印、与PC机间的数据通讯。参数设置界面主要包括:探头设置、仪器设置、频道设置、密码设置和时钟校准。

　　当超声探头的发射频率在10MHz以上时,以现有的采样速度(40MHz)进行采样就很有可能造成回波信号波峰值的丢失。在现有的设计方案中,制约速度的瓶颈主要集中在将采样得到的回波信号值转存到外部的RAM中上,受RAM速度的制约,整个系统的工作频率难以进一步提高。

参考文献

1 中国无损检测学会编译.超声波探伤.北京:机械工业出版社,1987

2 李广军,孟宪元.可编程ASIC设计及应用.成都:电子科技大学出版社,2000.10

3 李东昕.原理图输入设计FPGA.CAD与电子战(创刊号),1994:22