超声波探伤仪的设计_毕业设计说明书(论文)

1、山东科技大学学士学位论文1 摘要超 声 无 损 检 测 是 在 现 代 工 业 生 产 中 应 用 的 非 常 广 泛 的一 种 无 损 检 测 方 法 ， 它 对 于 提 高 产 品 的 质 量 和 可 靠 性 有 着重 要 的 意 义 。 尽 管 随 着 电 子 技 术 的 发 展 ， 国 内 出 现 了 一 些数 字 化 的 超 声 检 测 仪 器 ， 但 其 数 据 处 理 及 扩 展 能 力 有 限 ，缺 乏 足 够 的 灵 活 性 。 而 虚 拟 仪 器 是 近 年 来 刚 刚 发 展 起 来 的一 种 新 的 仪 器 构 成 方 式 ， 它 是 一 种 计 算 机 技 术 、 通

2、 讯 技 术和 测 量 技 术 相 结 合 的 产 物 ， 具 有 很 大 的 灵 活 性 和 扩 展 性 ，具 有 旺 盛 的 生 命 力 。 因 而 本 设 计 尝 试 将 虚 拟 仪 器 技 术 和 超声 检 测 技 术 相 结 合 ， 基 于a t 89c52单 片 机 开 发 的 超 声 探伤 仪 智 能 系 统 的 硬 件 组 成 、软 件 设 计 和 抗 干 扰 措 施 , 以 脉 冲反 射 式 超 声 探 伤 仪 为 代 表 研 制 完 成 一 个 良 好 的 数 字 化 的 超声 检 测 平 台 ，该 系 统 具 有 测 量 、数 字 显 示 、 a / d转 换 等 功能

3、,并 具 有 工 作 稳 定 、 性 能 好 等 优 点 。 为 以 后 进 一 步 的 更深 入 的 超 声 数 字 信 号 处 理 研 究 打 下 了 良 好 的 基 础 。关 键 词 ：无 损 检 测；超 声 波 探 伤；at 89c52；虚 拟 仪 器 ；l abv i ew山东科技大学学士学位论文2 abstract a s a k i nd of n dt ( non-d est ructi v e te sti ng) ， u t( ul tr asonic test ing) i s w idel y used i n moder n i ndust r y,w hi ch p

4、lays a v ery i mport ant r ol e i n i mprovi ng t he qual i ty and t he r el i abi l i ty of pr oduct. a l though al ong w it ht echni cal dev el opment i n el ect roni cs, some di gi t al u ti nstruments have been devel oped at home, i ts ex pand -abi l i t y and t he abi l i t y of pr ocessi ng da

5、ta l i mi ted. v i( vi rt ual i nstru- ment) i s a new instr ument st r uct uredev el oped recent year s and is an outcome w hi ch combinesthe comput er techni que, the comm uni cat i on techni quetoget her w it h the measur e t echni que, w hi ch has hugeex pandabil i t y, f l ex i bi l i ty a nd t

6、 he prosperous v i tal it y.so amet hod o f t ryi ng t o conjoi n t he v i and t he u t i s b rought outand a di gi t al u t d evi ce based on a ty pe ul tr asoni c f l awdetect or has been made, the har dwar e composi ti on ,sof tw are desi gn and ant i 2- i nter f er ence measur es of thei ntel l

7、i gent ul tr asoni c f l aw det ect or system based on山东科技大学学士学位论文3 a t89c52 m onol it hi c uni t are descri bed. t he system hasaccur ate measur em ent , di gi t di spl ay , a / d change , nd i thas hi gh st eady f uncti on w hi ch wi ll be help to the f urtherr esear ch on ul trasonic di gi t al s

8、i gnal pr ocessi ng i n f ut ure.k ey wor ds： nd t (n on- d estruct i ve te st i ng) ； ut ( u l tr asoni cte sti ng) at 89c52；labv i ew； v i ( vi rt ual i nst rum ent)山东科技大学学士学位论文4 目录摘要 . 1a bstra ct . 2目录 . 4第 一 章绪 论 . 6设 计 的 背 景 及 意 义 . 7第 二 章超 声 波 及 超 声 检 测 的 原 理 . 92. 1 超 声 波 的 基 本 性 质 . 92. 1.

9、1 超 声 波 的 速 度 及 波 长 . 92. 1. 2 超 声 波 的 衰 减 . 102. 2 超 声 换 能 器 . 112. 2. 1 超 声 换 能 器 的 定 义 及 分 类 . 112. 2. 2 超 声 换 能 器 的 主 要 性 能 参 数 . 122. 3 超 声 波 探 伤 的 原 理 . 132. 3. 1 超 声 波 探 伤 方 法 的 分 类 . 132. 3. 2 脉 冲 反 射 式 超 声 探 伤 仪 的 原 理 . 14第 三 章系 统 硬 件 设 计 . 183. 1 系 统 硬 件 整 体 结 构 框 图 . 183. 2 单 元 电 路 . 193.

10、 2. 1 at 89c52 单 片 机 . 193. 2. 2 发 射 电 路 . 213. 2. 3 信 号 调 理 电 路 . 233. 2. 4 600v 电 源 电 路 . 323. 2. 5. +5v 电 源 电 路 以 及 -5v 电 源电 路 . 333. 3上 位 机 处 理 设 计 . 353. 3. 1 基 于 l abv i ew 的 单 片 机 串 口 通 讯 设 计 . 353. 3. 2 基 于 l abv i ew 的 软 件 设 计 . 37第 四 章总 结 . 41山东科技大学学士学位论文5 第 五 章主 要 参 考 文 献 . 42第 六 章致 谢 词 .

11、 43山东科技大学学士学位论文6 第 一 章绪 论随 着 现 代 工 业 和 科 学 技 术 的 发 展 ， 无 损 检 测 技 术 在 设备 和 装 备 的 运 行 、 产 品 质 量 的 保 证 、 提 高 生 产 率 、 降 低 成本 等 领 域 发 挥 着 越 来 越 大 的 作 用 ， 无 损 检 测 也 已 经 发 展 成为 一 门 独 立 的 综 合 性 学 科 ， 而 超 声 波 探 伤 技 术 在 无 损 检 测领 域 内 占 有 极 其 重 要 的 地 位 ， 在 很 多 领 域 均 获 得 非 常 广 泛的 应 用 。由 于 超 声 波 无 损 探 伤 设 备 在 不 同

12、 的 应 用 场 合 ，其 对 探 头的 要 求 不 同 ， 对 接 收 的 回 波 信 号 的 处 理 算 法 也 不 同 ， 因 此某 一 类 的 无 损 探 伤 设 备 ， 通 常 只 能 适 应 于 一 种 或 几 种 应 用场 合 。 为 使 超 声 波 探 伤 设 备 具 有 更 好 的 应 用 范 围 、 更 高 的处 理 算 法 和 更 快 的 更 新 周 期 ， 可 采 用 虚 拟 式 超 声 波 无 损 探伤 设 备 。 虚 拟 超 声 探 伤 系 统 是 利 用 计 算 机 显 示 器 的 功 能 来模 拟 传 统 探 伤 仪 的 控 制 面 板 ， 以 多 种 形 式

13、输 出 检 测 结 果 ，利 用 软 件 功 能 来 实 现 数 字 信 号 的 运 算 、 分 析 和 处 理 。 利 用输 入 输 出 ( i/ o) 接 口 设 备 完 成 信 号 的 采 集 、 测 量 与 调 试 ， 从而 完 成 各 种 测 试 功 能 的 超 声 无 损 探 伤 系 统 。 该 系 统 是 虚 拟山东科技大学学士学位论文7 仪 器 技 术 与 传 统 超 声 探 伤 系 统 相 结 合 的 产 物 。 在 设 计 虚 拟数 字 超 声 系 统 时 ， 结 合 传 统 超 声 探 伤 系 统 中 模 拟 通 道 的 设计 ， 因 为 任 何 一 个 超 声 探 伤

14、系 统 都 必 须 包 括 超 声 波 的 发 射电 路 、 接 收 电 路 和 信 号 调 理 电 路 才 能 进 一 步 进 行 后 续 的 处理 工 作 ， 这 些 电 路 的 设 计 将 直 接 影 响 到 整 个 超 声 探 伤 系 统工 作 的 可 靠 性 和 测 试 精 度 。设 计 的 背 景 及 意 义在 无 损 检 测 过 程 中 不 但 要 完 成 是 否 存 在 缺 陷 的 判 断 ，而 且 要 实 现 一 些 工 艺 参 数 的 测 量 ， 进 而 对 被 检 测 的 材 料 或工 件 进 行 性 能 的 评 估 。 对 于 超 声 检 测 而 言 ， 其 应 用 中

15、 的 硬件 电 路 具 有 很 大 的 相 似 性 ， 因 而 如 何 灵 活 、 准 确 的 从 通 过介 质 的 超 声 波 中 提 取 包 含 被 检 测 物 体 特 征 的 信 号 成 为 关键 ， 它 对 系 统 的 数 字 信 号 处 理 能 力 和 灵 活 性 提 出 了 很 高 的要 求 。数 字 化 的 超 声 检 测 仪 采 用 了 单 片 机 或 者 dsp 作 为 数据 处 理 单 元 ， 可 以 实 现 一 定 的 数 据 处 理 能 力 ， 但 其 硬 件 或固 化 的 软 件 的 开 发 形 式 缺 乏 灵 活 性 ， 不 利 于 用 户 二 次 开 发升 级 ，

16、 而 从 虚 拟 仪 器 的 产 生 动 机 和 特 点 可 以 看 到 ， 虚 拟 仪器 的 产 生 正 是 顺 应 了 仪 器 发 展 的 潮 流 ， 就 如 美 国n i（ n ati onalinst rument) 公 司 所 提 出 的 “ 软 件 即 仪 器 ” 的 概 念山东科技大学学士学位论文8 那 样 ， 它 十 分 重 视 在 相 同 的 硬 件 条 件 下 ， 用 不 同 的 软 件 分析 处 理 技 术 来 实 现 不 同 仪 器 的 功 能 ， 它 提 供 的 大 量 的 分 析处 理 函 数 库 为 信 号 的 分 析 处 理 提 供 了 有 力 的 支 持 ，

17、因 而 将超 声 检 测 与 虚 拟 仪 器 相 结 合 有 着 重 要 的 意 义 ， 有 助 于 超 声检 测 的 良 性 发 展 。山东科技大学学士学位论文9 第 二 章超 声 波 及 超 声 检 测 的 原 理2.1 超 声 波 的 基 本 性 质通 常 人 耳 能 够 听 到 的 声 波 的 频 率 范 围 在20-20000h z之 间 ， 人 们 习 惯 上 把 频 率 超 过 20k hz 的 声 波 称 为 超 声 波 。超 声 波 本 质 上 是 一 种 机 械 波 ， 所 以 它 的 产 生 必 须 依 赖 于 两个 条 件 ， 一 是 有 做 机 械 振 动 的 声 源

18、 ， 二 是 有 能 够 传 播 振 动的 弹 性 介 质 。波 的 种 类 是 根 据 介 质 质 点 的 振 动 方 向 和 波 动 传 播 方 向的 关 系 来 区 分 的 。 超 声 波 在 介 质 中 传 播 的 波 形 有 许 多 种 ，用 于 探 伤 的 有 纵 波 、 横 波 、 表 面 波 、 板 波 等 ， 其 中 最 常 用的 是 纵 波 直 探 头 探 伤 和 横 波 斜 探 头 探 伤 。 纵 波 常 用 来 探 测钢 板 、 锭 材 、 大 型 锻 件 等 形 状 比 较 简 单 的 制 品 ， 而 横 波 常用 来 检 测 焊 缝 、 管 材 等 形 状 比 较

19、复 杂 的 制 品 。2. 1. 1 超 声 波 的 速 度 及 波 长声 波 在 介 质 中 向 前 传 播 的 速 度 ， 称 为 声 速 。 对 于 不 同山东科技大学学士学位论文10 种 类 的 超 声 波 ， 其 传 播 速 度 不 同 。 超 声 波 在 介 质 中 的 传 播速 度 与 介 质 的 弹 性 模 量 及 介 质 的 密 度 有 关 ， 对 一 定 的 介 质 ，弹 性 模 量 和 密 度 为 常 数 ， 故 声 速 也 是 常 数 。 不 同 的 介 质 ，有 不 同 的 声 速 。 超 声 波 波 形 不 同 时 ， 介 质 弹 性 变 形 的 方 式不 同 ，

20、速 度 也 不 一 样 。 因 此 ， 超 声 波 在 介 质 中 传 播 的 速 度是 表 征 介 质 声 学 特 性 的 一 个 重 要 参 数 。超 声 波 的 频 率 、 波 长 和 声 速 之 间 的 关 系 如 下 :fc /( 2-1)其 中为 超 声 波 的 波 长 、 c 为 超 声 波 在 介 质 中 的 的 波速 、 ?为 超 声 波 的 频 率 。 可 见 ， 在 同 一 种 介 质 中 超 声 波 的波 长 与 超 声 波 的 频 率 成 反 比 。2. 1. 2 超 声 波 的 衰 减超 声 波 在 介 质 中 传 播 时 ， 随 着 传 播 距 离 的 增 加 ，

21、 其 能量 逐 渐 减 弱 ， 这 种 现 象 叫 做 超 声 的 衰 减 。超 声 衰 减 的 三 种 主 要 原 因 :声 束 扩 散 引 起 的 超 声 波 衰 减散 射 引 起 的 超 声 波 衰 减由 介 质 吸 收 引 起 的 超 声 波 衰 减山东科技大学学士学位论文11 鉴 于 以 上 原 因 ， 为 使 接 收 信 号 不 过 度 失 真 ， 需 要 在 超声 波 接 收 单 元 中 设 计 一 高 增 益 放 大 电 路 ，即 下 文 中 的 衰减 放 大 电 路 。2.2 超 声 换 能 器2. 2. 1 超 声 换 能 器 的 定 义 及 分 类顾 名 思 义 ， 换

22、能 器 就 是 一 种 将 一 种 能 量 转 换 为 另 一 种能 量 ， 进 行 能 量 转 换 的 器 件 。 超 声 换 能 器 是 在 超 声 频 率 范围 内 将 交 变 的 电 信 号 转 换 成 声 信 号 或 各 将 外 部 的 声 信 号 转换 为 电 信 号 的 能 量 转 换 器 件 。 超 声 换 能 器 是 超 声 检 测 装 置中 非 常 重 要 的 一 个 部 分 ， 它 的 性 能 和 特 点 往 往 决 定 了 超 声检 测 的 方 法 ， 对 检 测 的 效 果 有 着 很 大 的 影 响 。超 声 换 能 器 的 种 类 很 多 ， 按 照 换 能 器

23、的 工 作 介 质 可 分为 气 体 超 声 换 能 器 、 液 体 超 声 换 能 器 以 及 固 体 超 声 换 能 器等 ， 按 照 能 量 转 换 的 机 理 和 利 用 的 换 能 器 材 料 ， 可 分 为 压电 换 能 器 、磁 致 伸 缩 换 能 器 、 静 电 换 能 器 (电 容 型 换 能 器 ) ，机 械 型 超 声 换 能 器 等 。 其 中 压 电 换 能 器 的 理 论 研 究 和 实 际应 用 最 为 广 泛 ， 目 前 最 常 用 的 压 电 材 料 是 压 电 陶 瓷 材 料 。在 无 损 检 测 领 域 ， 人 们 常 常 称 检 测 用 的 超 声 换

24、能 器 为超 声 探 头 。 在 实 际 应 用 中 ， 由 于 超 声 探 头 往 往 是 与 超 声 检山东科技大学学士学位论文12 测 的 方 法 是 紧 密 相 连 的 ， 不 同 的 检 测 方 法 需 要 不 同 的 超 声探 头 ， 因 而 超 声 探 头 的 种 类 也 是 多 种 多 样 的 。 根 据 产 生 超声 波 波 形 的 不 同 ， 探 头 可 分 为 纵 波 探 头 ( 也 叫 直 探 头 )、 横波 探 头 ( 也 叫 斜 探 头 )和 表 面 波 探 头 等 几 种 。 根 据 耦 合 方 法区 分 ， 有 直 接 接 触 式 探 头 和 水 浸 探 头 。

25、 按 工 作 方 式 分 有 单晶 探 头 、 双 晶 探 头 和 列 阵 探 头 等 。2. 2. 2 超 声 换 能 器 的 主 要 性 能 参 数衡 量 超 声 检 测 系 统 中 的 换 能 器 的 性 能 需 要 的 参 数 很多 ，主 要 有 两 个 : 一 是 换 能 器 的 灵 敏 度 ， 二 是 换 能 器 的 带 宽 。前 者 取 决 于 振 型 、 换 能 器 的 材 料 及 机 械 系 统 结 构 ， 后 者 是换 能 器 的 频 率 带 宽 特 性 ， 包 括 功 率 、 声 压 、 阻 抗 及 灵 敏 度等 随 频 率 变 化 的 带 宽 特 性 。 对 于 应 用

26、 于 脉 冲 法 检 测 的 超 声换 能 器 ， 要 求 其 频 带 宽 ， 这 就 是 所 谓 的 宽 带 换 能 器 ， 也 称高 阻 尼 探 头 ， 它 保 证 激 励 产 生 的 超 声 波 脉 冲 信 号 有 较 陡 的上 升 沿 ，余 振 也 短 ，这 种 特 性 在 超 声 检 测 系 统 中 特 别 重 要 。本 设 计 采 用 德 国 k k 公 司 ( k raut k ramer )的 b5s 单 晶 纵波 直 探 头 。 该 探 头 具 有 5 m hz 的 标 称 频 率 ， 15 6 0 00 m m的 工 作 量 程 和 11 0 mm 的 近 场 长 度 。山

27、东科技大学学士学位论文13 2. 3 超 声 波 探 伤 的 原 理超 声 波 探 伤 是 利 用 超 声 波 在 物 体 中 传 播 的 一 些 物 理 特性 来 发 现 物 体 内 部 的 不 连 续 性 ( 即 通 常 所 说 的 缺 陷 )的 一 种方 法 。 首 先 通 过 激 励 超 声 发 射 换 能 器 产 生 超 声 波 并 使 其 进入 工 件 ， 然 后 再 通 过 超 声 接 收 换 能 器 将 工 件 中 经 过 被 检 测材 料 自 身 或 缺 陷 所 反 射 、 折 射 、 衍 射 、 散 射 的 入 射 波 转 换成 接 收 信 号 ， 缺 陷 作 为 与 构

28、件 材 料 不 同 的 介 质 将 会 产 生 不同 的 特 征 信 号 ， 接 着 再 对 接 收 到 的 信 号 进 行 分 析 ， 从 而 获得 有 关 缺 陷 或 材 料 的 特 性 信 息 。2. 3. 1 超 声 波 探 伤 方 法 的 分 类超 声 波 探 伤 法 的 种 类 很 多 ， 根 据 声 耦 合 方 式 可 分 为 接触 法 和 液 浸 法 两 大 类 ， 按 声 波 传 播 方 式 可 分 为 反 射 法 和 透射 法 两 种 。 按 超 声 波 激 励 方 式 可 分 为 脉 冲 波 、 连 续 波 和 调频 波 等 探 伤 方 法 。 按 波 形 分 又 可 分

29、 为 纵 波 、 横 波 、 表 面 波和 板 波 等 。 在 目 前 的 实 际 使 用 中 ， 广 泛 使 用 的 是 接 触 式 脉冲 反 射 法 。考 虑 到 脉 冲 超 声 探 伤 仪 在 实 际 中 应 用 最 为 广 泛 ， 本 设计 将 对 基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 超 声 脉 冲 反 射 式 探 伤 仪 的 实 现技 术 进 行 讨 论 。山东科技大学学士学位论文14 2. 3. 2 脉 冲 反 射 式 超 声 探 伤 仪 的 原 理超 声 波 以 持 续 极 短 的 时 间 发 射 脉 冲 到 被 检 工 件 内 ， 利用 被 检 工 件 底 面 或 内 部 缺

30、陷 的 反 射 回 波 探 测 反 射 源 的 位 置和 大 小 的 方 法 ， 称 为 脉 冲 反 射 法 。 纵 波 脉 冲 反 射 法 工 作 原理 如 图2-1 所 示 ， 一 般 只 需 要 一 个 探 头 兼 做 发 射 和 接 收 。超 声 探 伤 主 要 是 判 断 工 件 材 料 有 无 缺 陷 ， 若 有 缺 陷 时 ， 确定 缺 陷 的 大 小 和 位 置 ， 进 而 评 价 其 有 无 使 用 价 值 和 修 复 的可 能 性 。图2. 1脉 冲 法 纵 波 探 伤 原 理山东科技大学学士学位论文15 a. 判 断 缺 陷 的 存 在换 能 器 发 射 的 超 声 波

31、在 工 件 内 部 传 播 时 ， 当 遇 到 不 同介 质 时 ， 将 发 生 反 射 。 反 射 信 号 的 强 度 与 反 射 率 r 的 大 小有 关 ， 而 反 射 率 r 只 与 入 射 介 质 和 反 射 介 质 的 材 料 有 关 。由 于 反 射 信 号 通 过 的 声 程 是 一 定 的 ， 换 能 器 获 得 的 反 射 信号 的 强 度 也 是 一 定 的 。当 工 件 无 缺 陷 时 ， 只 有 始 发 射 脉 冲 波 和 底 面 反 射波 ， 两 者 之 间 没 有 其 它 回 波 。当 工 件 中 有 面 积 小 于 声 束 截 面 的 小 缺 陷 ， 则 会 在

32、 始波 和 底 波 之 间 出 现 缺 陷 回 波 。 缺 陷 回 波 在 时 间 轴 上 的 位 置可 以 确 定 缺 陷 在 工 件 中 的 位 置 ， 缺 陷 回 波 幅 度 的 大 小 取 决于 缺 陷 在 声 束 入 射 方 向 上 的 投 影 面 积 的 大 小 ， 当 有 缺 陷 回波 出 现 时 ， 底 波 高 度 下 降 。当 工 件 中 缺 陷 大 于 声 束 截 面 时 ， 全 部 声 能 被 缺 陷 所反 射 ， 只 有 始 波 和 缺 陷 回 波 ， 不 会 出 现 底 波 。b. 缺 陷 的 定 位由 于 超 声 波 在 介 质 的 波 速 是 一 定 的 ， 则

33、在 图 2. 1 中lttxbf( 2- 2)若 知 道 工 件 长 l 的 大 小 ， 则 可 以 根 据 发 射 波 到 反 射 波山东科技大学学士学位论文16 与 发 射 波 到 底 波 的 时 间 的 比 值 ， 来 确 定 缺 陷 距 探 头 的 距 离 。若 不 知 道l的 大 小 ， 则 可 以 根 据 声 束 和 声 波 在 介 质 中传 播 至 缺 陷 所 需 时 间 和 波 速 来 定 位 缺 陷 。ftcx2( 2- 3)式 中 c 为 材 料 中 的 声 速 ，ft为 声 波 遇 到 缺 陷 时 的 来 回传 播 时 间 。c. 缺 陷 的 定 量假 如 缺 陷 尺 寸

34、 小 于 波 长 一 半 时 ， 由 于 超 声 波 的 衍 射 作用 而 将 不 会 产 生 明 显 的 反 射 回 波 ， 从 而 无 法 探 测 缺 陷 ， 因此 缺 陷 尺 寸 的 最 小 检 测 极 限 为2。工 件 或 材 料 中 的 实 际 缺 陷 是 多 种 多 样 的 ， 其 形 状 和 性质 也 各 不 相 同 ， 而 超 声 波 的 波 长 又 比 较 大 ， 要 确 定 其 真 实大 小 是 非 常 困 难 的 ， 甚 至 不 可 能 的 ， 所 以 只 能 采 用 相 对 比较 的 方 法 ， 即 用 未 知 量 (缺 陷 )与 已 知 量 ( 规 定 的 人 工 缺

35、 陷 )的 回 波 振 幅 相 比 较 的 方 法 ， 来 确 定 缺 陷 的 当 量 大 小 ， 这 就是 超 声 探 伤 中 的 缺 陷 定 量 的 基 本 原 理 。假 设 已 经 规 定 a 处 为 已 知 量 ，以 此 处 为 参 考 ，如 图 2. 2山东科技大学学士学位论文17 图 2. 2缺 陷 定 量 示 意 图则 缺 陷 率 为：tfaap（ 2- 4）其 中fa 缺 陷 波 幅 值ta始 波 幅 值山东科技大学学士学位论文18 第 三 章系 统 硬 件 设 计3.1 系 统 硬 件 整 体 结 构 框 图虚 拟 超 声 探 伤 系 统 的 总 体 结 构 如 图 3. 1

36、所 示 。 该 系 统 以at 89c52单 片 机 为 核 心 控 制 器 件 ， 主 要 由 主 机 控 制 、 发 射电 路 、 信 号 调 理 电 路 、 探 头 、 上 位 机 显 示 等 部 分 组 成 。 数据 采 集 由 at 89c82单 片 机 结 合 l abv i ew 串 口 通 讯 函 数 完 成 ,然 后 结 l abv i ew 应 用 软 件 进 行 探 伤 系 统 的 面 板 设 计 和 部分 功 能 的 设 计 ， 对 数 据 进 行 运 算 、 分 析 和 处 理 ， 对 测 试 结果 进 行 显 示 。图 3. 1超 声 探 伤 仪 总 体 框 图被测

37、工件探头信 号 调 理 电 路发射电at 89c52单 片 机计算机山东科技大学学士学位论文19 3.2 单 元 电 路3. 2. 1 at 89c52 单 片 机at 89c52 是 美 国at m el 公 司 生 产 的 低 电 压 、 高 性 能cm os 8 位 单 片 机 ， 片 内 含 8k b 的 可 反 复 檫 写 的 程 序 存 储器 和256byt es 的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 （ ra m ） ， 器 件 采 用at m el 公 司 的 高 密 度 、非 易 失 性 存 储 技 术 生 产 ，兼 容 标 准m cs-51 指 令 系 统 ， 片 内 配

38、 置 通 用 8 位 中 央 处 理 器 （ cpu ）和 fl ash 存 储 单 元 ， 功 能 强 大 的 at 89c52 单 片 机 可 灵 活 应用 于 各 种 控 制 领 域 。单 片 机 正 常 工 作 时 ， 都 需 要 有 一 个 时 钟 电 路 ， 和 一 个复 位 电 路 。 本 设 计 中 选 择 了 内 部 时 钟 方 式 和 按 键 电 平 复 位电 路 ，来 构 成 单 片 机 的 最 小 电 路 。ea 端 接 +5v 电 源 选 中 内部 存 储 器 。单 片 机 单 元 电 路 连 接 图 如 图 3. 2 所 示 ：山东科技大学学士学位论文20 图3.

39、2单 片 机 单 元 电 路时 钟 电 路计 算 机 工 作 时 ， 是 在 统 一 的 时 钟 脉 冲 控 制 下 一 拍 一拍 的 进 行 的 ， 这 个 脉 冲 是 由 单 片 机 控 制 器 中 的 时 序 电 路 发出 的 。单 片 机 的 时 序 就 是 cpu 在 执 行 指 令 时 所 需 控 制 信 号的 时 间 顺 序 。 为 了 保 证 各 部 件 间 的 同 步 工 作 。 单 片 机 内 部电 路 就 在 惟 一 的 时 钟 信 号 控 制 下 严 格 的 按 时 序 进 行 工 作 。要 给 单 片 机 提 供 时 序 要 有 相 关 的 硬 件 电 路 ， 即 振

40、 荡 器 和 时钟 电 路 。 因 此 选 择 了 内 部 时 钟 方 式 。 利 用 芯 片 内 部 的 振 荡山东科技大学学士学位论文21 器 ， 然 后 在 引 脚x ta l 1 和 x ta l 2 两 端 跨 接 晶 体 或 陶 瓷 谐振 器 ， 就 构 成 了 稳 定 的 自 激 振 荡 器 ， 其 发 出 的 脉 冲 直 接 送入 内 部 时 钟 电 路 如 图3. 2 所 示 ， 外 接 晶 振 时 ， c17 和c16值 通 常 选 择 为 30pf 左 右 。 c17， c16 对 频 率 有 微 调 作 用 。晶 体 的 频 率 范 围 可 在1. 2 12m hz 之

41、 间 选 择 。 在 实 际 连 接中 ， 为 了 减 少 寄 生 电 容 ， 更 好 地 保 证 振 荡 器 稳 定 。 可 靠 地工 作 ， 振 荡 器 和 电 容 应 尽 可 能 安 装 得 与 单 片 机 芯 片 靠 近 。复 位 电 路由 图3. 2 可 以 看 出 ， 是 按 键 电 平 复 位 电 路 ， 相 当 于 按复 位 键 后 复 位 端 通 过 电 阻 与ccv电 源 接 通 。 复 位 是 单 片 机 的初 始 化 操 作 。 单 片 机 在 启 动 运 行 时 ， 都 需 要 先 复 位 ， 其 作用 是 使cpu和 系 统 中 其 他 部 件 都 处 于 一 个

42、确 定 的 初 始 状态 ， 并 从 这 个 状 态 开 始 工 作 。 因 而 ， 复 位 是 一 个 很 重 要 的操 作 方 式 。 但 单 片 机 本 身 是 不 能 自 动 进 行 复 位 的 ， 必 须 配合 相 应 的 外 部 电 路 来 实 现 。3. 2. 2 发 射 电 路超 声 波 的 发 射 电 路 是 脉 冲 回 波 法 超 声 探 伤 仪 的 关 键 部分 ， 对 于 超 声 探 伤 系 统 的 性 能 具 有 很 大 的 影 响 。 发 射 电 路山东科技大学学士学位论文22 通 常 有 调 谐 式 和 非 调 谐 式 两 种 。 调 谐 式 电 路 中 有 调

43、谐 线 圈 ，谐 振 频 率 由 调 谐 电 路 的 电 感 、 电 容 决 定 ， 发 出 的 超 声 脉 冲频 带 较 窄 。 非 调 谐 式 电 路 发 射 一 尖 峰 脉 冲 ， 脉 冲 的 频 带 较宽 ， 可 以 适 应 不 同 频 带 范 围 的 探 头 ， 此 时 发 射 出 的 超 声 波频 率 主 要 由 压 电 晶 片 的 固 有 参 数 决 定 。 本 设 计 采 用 非 调 谐式 发 射 电 路 。发 射 电 路 在 发 射 控 制 信 号 的 作 用 下 ， 产 生 激 励 超 声 波探 头 的 高 压 脉 冲 信 号 。 图 3-2为 其 原 理 图 。 图 3.

44、 3中 输 入 端为 超 声 波 发 射 的 控 制 信 号 ，由 主 机 单 元 产 生 ，是 宽 度 为 500n s、 重 复 频 率 为 200 h z 的 脉 冲 信 号 。 经 三 极 管 q1、 q2、q3驱 动 后 送 到 q4 的 控 制 极 ， 该 设 计 选 用 双 向 晶 闸 管bt l 36 - 600， 该 晶 闸 管 具 有 600 v 的 反 向 峰 值 电 压 和 4 a 的额 定 平 均 电 流 。 q 4 漏 极 经 r6 接 高 压 vch。 在 常 用 的 超 声检 测 系 统 中 ， v ch电 压 在 数 十 伏 至 几 百 伏 的 范 围 内 ，

45、 为 充分 激 发 探 头 的 压 电 性 能 ， 本 设 计 中 采 用 600v 高 压 直 流 电 源 。当 q 4截 止 时 ,电 容 器 c4在 600v 电 源 的 作 用 下 ,经 r6充 电到 600v ；当 q4导 通 时 , c 4经 q 4， r7放 电 ,在 r8上 产 生 激 励探 头 的 高 压 。 可 变 电 阻 r8为 10k 决 定 了 电 路 的 阻 尼 情 况 ，可 以 通 过 改 变 r8的 阻 值 来 改 变 发 射 的 强 度 。电 阻 大 时 阻 尼小 ， 发 射 强 度 大 ， 仪 器 的 分 辨 力 低 ， 适 合 探 测 厚 度 大 ， 对山

46、东科技大学学士学位论文23 分 辨 率 力 要 求 不 高 的 试 件 。 电 阻 小 时 阻 尼 大 ， 分 辨 率 高 ，在 探 测 近 表 面 缺 陷 时 或 对 分 辨 力 要 求 较 高 时 予 以 采 用 。图 3. 3发 射 电 路3. 2. 3 信 号 调 理 电 路限 幅 单 元当 检 测 范 围 很 大 时 ， 深 度 缺 陷 或 底 波 的 反 射 波 信 号 很微 弱 ， 因 此 在 处 理 之 前 需 要 进 行 高 增 益 放 大 处 理 。 而 由 于探 头 是 收 发 一 体 的 ， 发 射 信 号 很 强 ， 它 同 时 作 用 于 接 收 电路 ， 而 且

47、在 实 现 的 测 试 过 程 中 ， 有 可 能 加 进 强 干 扰 ， 因 此为 保 护 放 大 电 路 不 致 损 坏 ， 使 放 大 电 路 能 处 于 线 性 的 动 态范 围 ， 需 要 在 放 大 之 前 接 收 信 号 进 行 限 幅 ， 限 幅 电 路 如 图山东科技大学学士学位论文24 3. 4所 示 。 图 中 电 阻 r9相 对 于 发 射 电 路 中 的 可 调 电 阻 r8要足 够 大 ， 选 取 阻 值 50k ， 用 以 消 除 接 收 电 路 对 发 射 电 路产 生 负 载 效 应 。 选 用 具 有 较 大 正 向 电 流 的 二 极 管 (如2k 617

48、01) d 2和 d3构 成 双 向 限 幅 电 路 ，防 止 发 射 电 路 中 的 高压 脉 冲 进 入 到 后 端 接 收 电 路 中 ， 这 样 限 幅 电 路 的 输 出 在 士0. 7 v 左 右 ， 可 以 达 到 该 电 路 的 预 期 效 果 。图 3. 4 超 声 波 限 幅 电 路衰 减 放 大 电 路限 幅 之 后 ， 便 是 放 大 电 路 ， 为 了 能 够 测 量 幅 度 的 变化 值 ， 在 回 波 信 号 进 入 放 大 器 之 前 ， 先 经 过 已 校 准 的 衰 减器 ，以 便 于 对 信 号 幅 度 定 量 调 节 ，以 适 应 不 同 的 信 号 范

49、 围 。该 设 计 选 a d( a na l og d ev i ces) 公 司 推 出 的 压 控 增 益 放大 器 a d 603进 行 程 控 增 益 放 大 电 路 模 块 的 设 计 。 a d 603具有 线 性 分 贝 、 低 噪 声 、 宽 频 带 、 高 增 益 精 度 以 及 增 益 控 制山东科技大学学士学位论文25 灵 活 等 特 点 ， 其 高 达 50 m 的 阻 抗 能 够 保 证 信 号 充 分 加 载到 后 级 电 路 中 。 a d 603程 控 增 益 原 理 图 如 图 3. 5所 示 ， 其 管脚 说 明 如 表 3-1所 示 。表3 -1a d

50、60 3 管 脚 说 明a d 603提 供 精 确 的 、 可 由 管 脚 选 择 的 增 益 ， 且 其 增益 线 性 可 变 ， 而 且 在 温 度 和 电 源 电 压 变 化 时 有 很 高 的 稳 定性 ， 增 益 变 化 范 围 40 db ， 增 益 控 制 转 换 比 例 25 mv /db，相 应 速 度 为 40 db， 变 化 范 围 所 需 时 间 小 于 1 s。 如 图 3. 5所 示 ， a d 603 内 部 包 含 一 个 七 级 r 一 2r 梯 形 网 络 组 成 0- 40db的 可 变 衰 减 器 和 一 个 固 定 增 益 放 大 器 ， 此 固 定

51、 增 益山东科技大学学士学位论文26 放 大 器 的 增 益 可 以 通 过 外 接 不 同 反 馈 网 络 的 方 式 改 变 ， 以图3. 5 a d 60 3 增 益 控 制 原 理选 择 a d603 不 同 的 增 益 变 化 范 围 。 a d 603 的 这 种 可 变 增 益功 能 是 其 他 运 算 放 大 器 所 不 能 比 拟 的 。超 声 回 波 信 号 由v i n p 进 入 衰 减 器 衰 减 后 ， 再 通 过 定增 益 放 大 器 放 大 。衰 减 器 的 增 益 控 制 由 控 制 电 压v g 完 成 ，v g 是 差 动 输 入 的 增 益 控 制 电

52、压 ， 即 gpos 与 gn eg 之 差 ，范 围 是 -0. 5 +0. 5 v 。 定 增 益 放 大 器 的 增 益 可 以 通 过 外 接 不同 反 馈 网 络 的 方 式 改 变 ，以 选 择 a d603 不 同 的 增 益 变 化 范围 。(1)当a d 603输 出 端 v ou t 与 反 馈 端 fd bk 短 接 时 ，gai n( db) =40v g+10； 此 时 增 益 范 围 为 -10 +30db ， 带 宽山东科技大学学士学位论文27 为 90 m h z。(2) 当 a d603 输 出 端 v out 与 反 馈 端 fd bk 接 上 反 馈电 阻

53、 时 ，gai n( db) =40v g+20；此 时 增 益 范 围 为 0 +40 d b ，带 宽 为 30 m hz。（ 3)当 反 馈 端 fd bk 接 地 时 ， gai n(db) =40v g+30 ； 此时 增 益 范 围 为 10 50 db ， 带 宽 为 9 m h z。由 此 可 见 ， a d 603 的 增 益 控 制 是 相 当 灵 活 的 。 在 实 际的 使 用 过 程 中 ，可 以 将 多 片 a d603 串 联 来 实 现 更 大 的 放 大和 动 态 范 围 控 制 。本 设 计 使 用 了 两 片 a d 603 串 联 使 用 作 为自 动

54、增 益 放 大 。 缓 冲 放 大 器 如 图 3. 6 所 示 ：图3. 6缓 冲 放 大 电 路 （ 两 级 串 联 ）山东科技大学学士学位论文28 如 图3. 6所 示 ， 在 设 计 中 将 输 出 端v out和 反 馈 端fd b k 之 间 用 电 位 器 r13 连 接 ，可 以 灵 活 地 选 择 增 益 范 围 。通 过 调 节 电 位 器r14， 可 以 调 整 gpos 与 gn eg 间 的 电 压在 0 0. 5 v 之 间 ， 如 果 将 电 位 器 r13 的 阻 值 调 至 0， 则 使得 放 大 器 的 增 益 变 化 范 围 是 10 30 db 。缓 冲

55、 检 波 电 路a d 810 是 低 功 耗 、 视 频 运 算 放 大 器 ,具 有 高 速 度 (转换 速 率 为 1 k v / s )、 宽 频 带 ( 80m hz, 3db, g=1)、 失 真 小(微 分 增 益 误 差 0. 02% ,微 分 相 位 误 差 0. 04 ) 、 低 噪 声 ( 输入 噪 声 2. 9nv / (21hz) )等 特 点 , 是 超 声 波 缓 冲 放 大 器 的 理 想选 择 。 美 国 t i 公 司 的 l h 033也 是 缓 冲 器 ,其 输 入 阻 抗 达1110,宽 频 带 (d c 100m h z ) ,输 出 电 阻 为 6

56、,转 换 速率 高 (1 kv /s ) ,而 且 跟 随 范 围 大 。缓 冲 检 波 电 路 如 图 3. 7所 示 。 检 波 前 的 缓 冲 由 a d 810构成 ,它 是 一 个 同 相 放 大 器 ,其 高 输 入 阻 抗 (100m ) 保 证 了a d603的 衰 减 精 度 。 检 波 后 的 缓 冲 由 l h 033和 a d810两部 分 组 成 。 a d810是 一 个 同 相 放 大 器 ,其 输 入 除 了 接 收l h 033的 输 出 外 ,还 有 一 个 由 - 5v 电 源 产 生 的 直 流 偏 移 电山东科技大学学士学位论文29 压 ,其 作 用

57、是 调 节 噪 声 对 显 示 基 线 的 影 响图 3. 7缓 冲 检 波 电 路用 a d 8036作 为 全 波 整 流 。 a d 8036 本 来 是 一 个 钳 位放 大 器 ， 具 有 卓 越 的 钳 位 性 能 ， 表 现 在 :精 度 高 (3 m v ) ,恢 复 时 间 短 (1. 5 ns)， 非 线 性 范 围 小 ， 宽 频 带 (d c240m h z)， 钳 位 输 入 范 围 宽 ( 3.9 v ) 。 a d8036作 为 增 益为 1的 反 相 放 大 器 ,输 入 送 到 反 相 输 入 端v，同 时 也 送到 低 电 平 钳 位 端 v l， 高 电

58、平 钳 位 端 悬 空 ,不 起 作 用 。 它能 工 作 到 20m hz,由 于 a d 8036不 像 二 极 管 检 波 那 样 从 正向 偏 置 迅 速 切 换 到 反 向 偏 置 ,它 的 非 线 性 失 真 比 二 极 管 检波 要 显 著 减 小 ， 尤 其 是 高 频 段 。 在 输 入 信 号 只 有 40 mv时 ,a d 8036仍 能 线 性 检 波 。山东科技大学学士学位论文30 a/ d 转 换 电 路a d c0809是 一 种 8位 逐 次 逼 近 式 的 a /d 转 换 器。 其 由 8路 模 拟 开 关 、 地 址 锁 存 与 译 码 器 、 比 较 器

59、 、 256电 阻 阶 梯 、树 状 开 关 、 逐 次 逼 近 式 寄 存 器 sa r、 控 制 电 路 和 三 态 输 出锁 存 器 等 组 成 。 模 拟 输 入 部 分 有 8路 多 路 开 关 ， 可 由 3位 地址 输 入 a d d a 、 a d d b、 a d d c的 不 同 组 合 来 选 择 ， a l e为地 址 锁 存 信 号 ， 高 电 平 有 效 ， 锁 存 这 三 条 地 址 输 入 信 号 。主 体 部 分 是 采 用 逐 次 逼 近 式 的 a / d 转 换 电 路 ， 由 cl k 控 制内 部 电 路 的 工 作 ， sta rt为 启 动 命

60、令 ， 高 电 平 有 效 ， 启 动a dc 0809内 部 的 a / d转 换 ， 当 转 换 完 成 ， 输 出 信 号 eoc有效 ， o e为 输 出 允 许 信 号 ， 高 电 平 有 效 ， 打 开 输 出 三 态 缓 冲器 ， 把 转 换 后 的 结 果 送 到 d b a t89c52与 a dc0809的 连 接如 图 3. 8所山东科技大学学士学位论文31 图3. 8a d c 0 80 9与 a t 89c 52 的 接 口 电 路 图工 作 过 程 ： 首 先 输 入 3位 地 址 ，并 使 a l e=1，将 地 址 存入 地 址 锁 存 器 中 ； 此 地 址