多通道數(shù)字化儀PCI-9846在超聲波檢測系統(tǒng)中的應用

應用領域

工業(yè)儀器自動化測試應用

挑戰(zhàn)

目前工業(yè)中無損探傷的主要手段是超聲波檢測，超聲波探測的主要問題是探測的分辨率低、通用性差、后續(xù)處理方法落后，從而造成以定性分析為主，缺乏定量的過程分析手段。針對這一問題，本方案設計一個超聲波探測系統(tǒng)，達到如下要求：1、通用性強，能夠適應多種厚度、材料工件的應用需求;2、分辨率高，可以對微小缺陷進行檢測;3、后續(xù)分析手段強，可以對工件進行后續(xù)譜變換處理、缺陷成型分析處理，從而完成缺陷預測和定位等工作。

解決方案

根據(jù)要求，采用凌華科技公司的PCI-9846數(shù)字化儀為應用核心，設計了多通道的超聲波檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算機進行控制，使用USB接口通過單片機統(tǒng)一進行調(diào)度，將反射的超聲波信號經(jīng)過處理后，利用數(shù)字化儀進行數(shù)據(jù)變換，并設計了軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的顯示和分析。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有探測精度高、分析功能強、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可以廣泛地應用在工業(yè)自動化檢測領域。

摘要

超聲波檢測是目前工業(yè)中無損探傷的主要手段，利用凌華科技公司的PCI-9846數(shù)字化儀，設計了多通道的超聲波檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算機進行控制，使用USB接口利用單片機統(tǒng)一進行調(diào)度，將反射的超聲波信號經(jīng)過處理后，利用數(shù)字化儀進行變換，并設計了軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的顯示和分析。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有探測精度高、分析功能強、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，適合廣泛應用于工業(yè)自動化檢測領域。

關鍵字：超聲波檢測、數(shù)字化儀、數(shù)據(jù)采集

一、概述

在壓力容器安全管理中，定期檢驗是防止壓力容器發(fā)生失效事故，特別是預防重大事故發(fā)生的必要手段，由于壓力容器在制造、使用上的特點，其機械結構上不可避免的會出現(xiàn)裂紋、空隙氣孔和焊縫缺陷等，對壓力容器進行無損檢測工程上意義重大。超聲波檢測是一種重要的無損檢測技術，由于它的穿透力強、檢測可靠準確又極方便易行，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)及高技術產(chǎn)業(yè)中。

在早期的超聲波檢測中，利用模擬信號進行檢測探傷，其結果主要依靠經(jīng)驗進行分析，存在著一致性差和準確性差等一系列問題。隨著計算機技術、信號處理技術等高新技術的應用，超聲波檢測數(shù)字化的研究日趨廣泛，數(shù)字化采集和分析已經(jīng)成為超聲波探傷設備的發(fā)展趨勢。一般來說，分辨率是超聲波檢測的重要指標，它直接影響測量的準確度，并且對微小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力更強，由于材料工藝的提高，壓力容器外殼厚度不斷減少，這就要求超聲波檢測的分辨率進一步提高。超聲波檢測實質(zhì)上是測量超聲波在材料厚度方向上兩個表面反射波的時間差，通過計算可求出材料的厚度，對微小缺陷和薄壁而言，分辨率的提高主要是要求超聲波檢測有較高的探測頻率，這勢必為后續(xù)的信號采樣處理部分帶來較高的要求。因此，根據(jù)設計要求和凌華科技公司的PCI-9846多通道高速數(shù)字化儀的特點，選用PCI-9846數(shù)字化儀為核心，配合相關硬、軟件設計的四通道超聲波檢測系統(tǒng)，具有精度高、分析功能強等優(yōu)點。

二、系統(tǒng)設計與構成

超聲波檢測系統(tǒng)由計算機、PCI-9846數(shù)字化儀、C8051F340單片機、電源、發(fā)射電路、程控放大電路組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 超聲波檢測系統(tǒng)框圖

測量過程由計算機發(fā)起，通過USB口控制單片機C8051F340，由單片機產(chǎn)生相關的開關信號，經(jīng)過發(fā)射電路產(chǎn)生高壓窄脈沖，激勵發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，接收探頭完成聲電轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為接收電信號，經(jīng)過由計算機設定的程控放大器后由PCI-9846數(shù)字化儀進行采樣，數(shù)字化儀和計算機使用PCI接口進行數(shù)據(jù)交換，由計算機顯示、分析處理。電源電路和單片機外圍電路包括看門狗、晶體振蕩器、復位電路等。根據(jù)設計要求，要求同時有四路探頭進行工作。

2.1 數(shù)字化設備的選擇

數(shù)字化儀從本質(zhì)上來說就是一個A/D設備，配備相應的接口和軟件，成為單獨的設備，廣泛應用于信號采集和分析中。對本系統(tǒng)來說，要求其信號采集部分具有以下特點：

同時可以接收4路輸入并進行A/D變換。在本系統(tǒng)中，隨著工件在流水線上的行進，各工序同時完成，需要對4個主要位置同時進行探傷，從實效性上必須要求有4個輸入的數(shù)字化設備。

要求具有較高的采樣頻率。超聲波在鋼質(zhì)品中傳播速度近于空氣的10倍，超聲波脈沖發(fā)射后接收端根據(jù)兩個反彈回波進行厚度測量。如果是進行探傷，頻率越高則采集后的信號越具有處理價值。根據(jù)發(fā)射探頭的成熟水平和應用需求，選取超聲波的頻率為5MHz，理論上需要10M的采樣率，但是實踐中要求采樣率30M以上。

具有較大的緩存。A/D變換后的數(shù)據(jù)要送到計算機進行處理，兩者利用PCI總線交換數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)是4路同時采集的系統(tǒng)，采樣后的數(shù)據(jù)量很大，大容量的存儲可以降低計算機實時處理的要求。

易于開發(fā)使用。作為與計算機通信的設備，應該在軟件上有相應的驅(qū)動和多種軟件的支持。

綜合上述因素，從價格、性能等考慮，采用了凌華科技公司的PCI-9846數(shù)字化儀，主要原因在于自行設計電路開發(fā)周期長、驅(qū)動開發(fā)困難、成本高等。PCI-9846數(shù)字化儀[5]具有四路輸入，滿足輸入端子數(shù)的要求;每路都可以達到40MS/s的采樣速率，可以滿足數(shù)字化處理的要求;板載了512MB的內(nèi)存，可以有效緩解設備間接口的異步問題，此外凌華科技公司還提供了Matlab、VC++、.net的開發(fā)驅(qū)動和開發(fā)包，可以讓用戶直接關注應用。

三、關鍵電路及實現(xiàn)

3.1 超聲波發(fā)射電路

在超聲波檢測系統(tǒng)中，發(fā)射電路是系統(tǒng)中的關鍵部分，它決定了超聲波檢測系統(tǒng)能達到的最終指標。合理設計的發(fā)射電路直接影響到換能后的發(fā)射功率和波形的重復性，超聲波換能器需要的是瞬時高功率尖脈沖波形，一般要求其激勵脈沖幅度大于100V以上，脈沖寬度應該在us級別，具體的值取決于發(fā)射頭的指標。傳統(tǒng)的發(fā)生電路有瞬時放電法、脈沖激勵法和諧振法，其中后兩者的應用比較廣泛，這些電路都存在需要高壓電源、變壓器等缺點。鑒于此，采用電感式脈沖發(fā)生器產(chǎn)生激勵脈沖，其電路如圖2所示[1]。

圖2 高壓脈沖發(fā)生電路

脈沖由U1的12腳輸入，特別注意IR2110的選擇，如果直接使用脈沖驅(qū)動IRF7450，由于隔離、驅(qū)動的原因，得不到理想的高壓脈沖驅(qū)動。IRF7450是Vds=500V的MOSFET，其電流可以達到20A左右，可以滿足理想開關快速切換的要求，儲能線圈L1在開關的控制下產(chǎn)生高壓，其中二極管D1與D2分別起保護作用，超聲波換能器V1可以采用美國GE公司的014LJM，也可以根據(jù)應用換裝其它型號。

圖3所示為產(chǎn)生的高壓脈沖，測量時在示波器加一個純阻性25倍衰減頭，圖中縱軸為2V/格，橫軸為100ns/格，使用瞬態(tài)電平激發(fā)同步，可見產(chǎn)生的脈沖幅度在近200V左右，脈沖寬度為300ns左右。

圖3 產(chǎn)生的高壓脈沖信號

3.2 程控接收電路

經(jīng)過超聲波接收探頭接收換能后的電信號幅度很小，基本上都是數(shù)微伏左右，滿足不了數(shù)字化的需要，必須進行放大處理。此外為了適應各種場景的探傷要求以及自動測試的需求，該電路放大倍數(shù)應該由計算機控制。

目前各種集成運算放大器很多，但是針對本應用，其主要處理中心頻率5MHz的信號，因此，選擇放大器的帶寬應該大于5MHz，這里選擇了TI公司的OPA2300，該芯片包含兩個運算放大器，并且每一路都有禁止端，其增益帶寬積達到150M，完全滿足此時信號放大的需要，噪聲系數(shù)為3nV/Hz，能夠滿足低噪聲放大的需求，其供電采用單+5V供電，不必使用雙路電源供電。

增益放大的調(diào)整可以通過選擇其增益環(huán)路的電阻進行，由于控制信號是計算機給出的數(shù)字信號，因此需要一片DAC完成數(shù)字模擬信號的轉(zhuǎn)換，DAC選擇8位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7524，由單片機給AD7524輸入8位數(shù)據(jù)，經(jīng)過變換后，選通相應的二極管，控制增益電阻實現(xiàn)增益調(diào)整。

3.3 系統(tǒng)控制的選擇

整個系統(tǒng)由計算機發(fā)起測試，但是要同時控制四個探頭，特別是要保證四個探頭發(fā)出的探測信號保持特定的時序關系，此時必須有一個外部控制設備連接計算機和探頭設備，這里采用單片機完成這一工作。

目前計算機和單片機的連接常用的有RS-232接口。但是隨著技術的發(fā)展，USB接口逐漸成為了主流，它速率高，可擴展性好，采用總線供電方式，支持即插即用等功能。因此，這里使用Silicon公司的C8051F340單片機作為外部控制設備，與計算機使用USB進行通信。

C8051F340單片機是與8051兼容的新型單片機，具有低功耗、高性能、高速流水線結構等優(yōu)點，內(nèi)部包括了64K的flash，4352字節(jié)RAM，對本應用來說不需要再外接存儲設備。該單片機包含四個16位計數(shù)器，能夠滿足同時控制四個探頭采集時序的要求，支持16位中斷，可以滿足本應用中的采集控制的需要。具有40個I/O線，可直接與+5V進行連接，不需要接口電平轉(zhuǎn)換。特別是該型號單片機集成了USB控制器并提供相應的開發(fā)軟件，具有開發(fā)簡單的特點。

軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括控制部分、數(shù)據(jù)接收部分和信號分析部分三個部分，控制軟件決定整個系統(tǒng)的運行，它一方面通過USB口與總控的單片機進行通信，統(tǒng)一控制整個系統(tǒng)的發(fā)射、接收等過程，同時通知數(shù)據(jù)接收軟件進行數(shù)據(jù)接收并顯示。數(shù)據(jù)接收軟件則只負責將PCI-9846采樣的數(shù)據(jù)存儲到指定位置，信號分析軟件則完成采樣信號的顯示、分析處理等過程。整個程序框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件程序框架

單片機軟件開發(fā)包括上位機部分和單片機部分，上位機使用KeilV3進行開發(fā)，主要完成對C8051F340的控制等功能，開發(fā)使用C語言進行，開發(fā)中要注意的是USBXpress設備驅(qū)動軟件，在頭文件中包含相應的固件庫，并調(diào)用相應的動態(tài)鏈接庫以使用其提供的API函數(shù)。其主要函數(shù)包括USB設備中斷、設備初始化、數(shù)據(jù)讀取/寫入、打開/關閉USB設備等。

數(shù)據(jù)接收、圖形顯示和信號分析使用.net進行開發(fā)，首先要安裝PCI-9846提供的驅(qū)動，特別是DAQPilot驅(qū)動。ADlink(凌華科技公司)專門提供了針對.net開發(fā)所使用的例程，在此基礎上直接對應用進行調(diào)用就能完成數(shù)據(jù)讀入的過程。信號分析則主要包括幅度波形分析、FFT分析、門限設定以及缺陷成型、缺陷位置等，主要目的是對信號回放進行整理記錄，并對工件的狀態(tài)進行評估。

圖5所示是利用超聲波探測系統(tǒng)得到的信號顯示的界面，顯示的是四個探頭對同一測試工件進行探傷的結果。采用液體介質(zhì)，此時使用1號發(fā)射探頭發(fā)射，接收則由四個探頭進行接收，可見接收到的信號除了時間上略有差異外，幅度和波形基本相同。探頭2整體、探頭3在后半段的噪聲略微大一些，這主要是由于探頭2和探頭3處于工件的后半端，接近于加工設備。對此信號進行分析，可以將裂縫所在的詳細位置計算顯示。此外利用該數(shù)字化平臺，還可以對探傷信號進行后續(xù)的譜分析、缺陷預測等，有效實現(xiàn)缺陷成因、缺陷預測等理論分析。

圖5 探頭接收的信

結論

根據(jù)本系統(tǒng)設計，其應用于某型檢測系統(tǒng)中，具有電路實現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定、操作方便和高精度測量等特點。借助于PCI-9846數(shù)字化儀的高采樣率、高精度的特點，該系統(tǒng)能夠準確地對內(nèi)部的裂紋和缺陷進行探測，特別是配合后續(xù)的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠根據(jù)被測件的形狀，在計算機上準確給出裂紋在工件中的位置，其信號分析的方法也為定量預測工件中的微小缺陷提供了手段。