1、編號： 專科畢業設計（論文）題 目：超聲波芯片探傷儀的設計與實現學 院：機械工程學院 專 業： 機電一體化技術 姓 名：學 號：班 級： B0911 指導教師：職 稱： 講師 完成日期：2012年6月摘要超聲探傷技術是無損檢測領域中的重要的方法，在冶金、勘探、生產控制，質量管理、和安全監測中有著廣泛的應用。現在半導體生產工程中，超聲波探傷起到了在低成本的基礎上快速，準確的檢測出缺陷的不可替代的作用。借助單片機體積小、成本低、可靠性高、運用靈活等特點，利用可擦除可編程邏輯器件(EPLD)的實時邏輯處理功能，并通過UO端口和高速處理能力，開發了一個數字化超聲波脈沖反射式探傷儀。該儀器實現了檢測過程

2、中的信號發射、接收、放大、噪聲處理、數據采集、回波圖形顯示、缺陷判定、以及檢測結果存儲、回放和輸出功能，解決了傳統超聲檢測無記錄等問題，減少了人為因素的影響。利用數字信號處理技術，提高了信噪比，提高了檢測的可靠性。在超聲波脈沖反射探傷儀開發中，采用了模塊化的設計方案，提高了系統的易維護性；選用了低噪聲、低漂移、高精度、高可靠性的集成電路芯片，提高了系統的可靠性；采用大屏幕的液晶顯示器、中文菜單化的操作界面等，實現了良好的人機界面。該儀器具有檢測精度高、結構簡單、操作方便，成本低廉、體積小、重量輕等特點。關鍵詞：超聲波；脈沖反射；芯片探傷儀；無損檢測AbstractUltrasonic test

3、ing is one of important method of NDT(Non-destructive Testing)It has been widely used in metallurgy,reconnoiter，production quality control andsafety supervisingIt is nonsubstituted in the semiconductor field because of highspeed and high accuracyBy using MCU(Microcomputer Control Units)and EPLD(Eras

4、ableProgrammable Logic Device)，a digitized ultrasonic wave pulse reflection cracketection system is developedMCU has small volume，low price，high dependability,and EPLD has easily operating IO ports，high speed operation ability,which canrealize most of functions such as signal emitting，incepting，magn

5、ifying，datacollecting and processing，displaying graphics，determinant defectsThe storageproblem of traditional ultrasonic testing system is solved，and some infection factorsof handlers are reducedIn virtue of technology of digital analysis and processing，theSignaltoNoise is progressed，and testing rel

6、iability is improvedA very goodfoundation is established for the research of ultrasonic image testingIn the ultrasonic-reflection-crack-detection system，modularization designing isused to increase system maintainabilityThe system uses chip with lower noise andexcursion，higher precision and dependabi

7、lity to increase the stability of hardwaresystemThe system also has large LCD，touch keyboard and the Chinese operationinterface to make operation easierThough the system has such strong functions，ittillkeeps properties of small size，simple structure and low costKEY WORDS：Ultrasonic wave，Pulse reflec

8、tion，Chip defect detection instrument，NDT(Nondestructive Testing).目 錄前言1緒論1.1課題研究背景和意義11.2超聲波檢測技術的研究進展41.3課題研究的主要內容102超聲波檢測儀器的總體設計2.1脈沖反射式超聲波檢測技術的基本原理132.2 超聲波檢測儀器設計192.3儀器抗干擾措施292.4本章小結 .313聲波檢測模塊設計3.1電源電路設計323.2超聲波發射控制電路設計353.3阻尼限幅電路設計393.4程控放大電路設計413.5濾波電路設計513.6檢波電路設計564 結論與展望4.1結論614.2進一步的完善63參

9、考文獻64致謝67前言無損檢測診斷技術是在不損壞材料工件或產品的前提下，利用材料內部結構密度異常或缺陷的存在所引起的對聲、磁、光、電、熱場等反應的變化，來探測各種工程材料、零部件、結構件等內部和表面缺陷，并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價llJ。無損檢測診斷的目的在于定量掌握缺陷與強度的關系，評價構件的允許載荷、壽命或剩余壽命；檢測產品在制造或使用過程中產生的結構不完整性，以及缺陷的情況。從而改進制造工藝，提高產品質量，及時發現故障，保證設備安全、高效、可靠地運行【2J。無損檢測診斷技術己在機械制造、石油勘探、船舶構造、汽車、鐵道、建筑、冶金、航空航天和半

10、導體等工業中被普遍采用。隨著科學技術的發展，對產品質量提出了越來越高的要求，特別是產品關鍵零部件的質量問題所造成的事故以及巨大的經濟損失，使人們更加認識到了無損檢測診斷技術的重要性。在工業發達國家中，無損檢測診斷技術已成為必不可少的重要工具和手段。美國總統里根曾說過“如果沒有先進的無損檢測技術，美國就不可能享有眾多領域的領先地位”。由此可見無損檢測診斷技術在現代國民經濟中的重要地位。超聲波檢測技術是當今工程和生產中無損檢測技術領域的一種非常重要的手段和方法。己被廣泛地應用于各行各業的質量監控和安全保障，尤其是半導體產業。超聲波是機械波的一種，即是機械振動在彈性介質中的一種傳播過程，它的特征是頻

11、率高、波長短、繞射現象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播p兒4|。超聲波在液體、固體中衰減很小，因而穿透能力強，尤其是在對光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質或界面就會有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征。第一章緒論11課題研究背景和意義模擬超聲波檢測儀器在我國已經存在20多年，其電路主要由分離元器件構成，結構松散，體積較大，技術性能指標不高，尤其是在信號顯示、存貯、后處理方面功能潰乏，限制了測試方法的改進和工作效率的提高。以我國目前無損檢測儀器的研發、設計和制造水平來講，在傳統的模擬式檢測儀器方面，與發達國家的差距還不是很大；但在數字化、智能化及與計算機有

12、機結合方面的差距則有拉大的趨勢。就超聲波檢測儀器領域來說，目前我國大多數科研單位、廠礦企業還是普遍采用傳統的A掃描脈沖反射式超聲波探傷儀。方式單一，存在不直觀、判傷難、無記錄、對人員素質要求高、人為因素影響大等許多缺點，嚴重影響著超聲波檢測的可靠性，以及該領域技術和儀器設備的推廣和應用。而目前國外的超聲波檢測儀器在充分利用現代計算機技術、信息技術、數字信號處理技術、數字圖像處理技術的基礎上，己經可以最大限度地從被測對象中挖掘出有用的信息。利用人工智能、模式識別、模糊數學、神經網絡等方面的知識，不僅可以探測被測對象內部或表面的各種宏觀缺陷，判斷其位置、大小和性質，可以利用回波法對工件進行掃查，將

13、回波數據存于計算機內，對被測對象的固有屬性、功能、狀態和缺陷發展趨勢等進行分析和預測，并做出綜合性的檢測評價。結合我國目前超聲波檢測領域的現狀，并緊跟世界超聲波檢測技術發展潮流的需要，大力開發和應用數字化、智能化、自動化和圖像化的超聲波探傷儀已經是我們日益緊迫的任務。根據目前我國超聲波檢測儀器的使用情況，檢測人員的技術水平和自身素質，以及經濟條件和主要使用目的，現階段我國超聲波檢測儀器發展方向應該還是發展與微型計算機相結合的數字化式超聲波檢測儀器。既緊跟時代發展潮流，又結合我國實際情況，克服了傳統超聲波檢測中的種種缺點，提高了檢測的可靠性和檢測的效率，而且又為進一步智能化、自動化和圖像化的數字

14、化超聲波探傷儀的發展打下了堅實的基礎。12超聲波檢測技術的研究進展121國內外超聲波檢測技術的現狀近年來，超聲無損檢測領域的學術氣氛十分活躍。進入90年代后，在世界無損檢測會議上發表的論文中有關超聲檢測方面的所占比例最高。隨著數字技術和計算機技術的發展，現代超聲波檢測技術已經進入到以計算機控制為主的時代其表現為：生產過程的實時檢測控制；合并軟硬件提高檢測的信噪比和抗干擾能；整合了模式識別和仿真技術的智能掃描、自動定位與跟蹤檢測；對所測信號波的實時處理和后處理，可對信號進行時域分析、頻域分析和圖像分析處理，以提高檢測的可靠性。就當前國內的超聲波檢測技術應用情況來看，超聲波無損檢測診斷技術雖然已經

15、被廣泛地應用于各種領域和場所，但是，其主要的應用發展方向還是在不斷擴展的。而且它的重要作用還有賴于無損檢測技術方法選擇的正確和檢測結果是否可靠。檢測結果對檢測人員的依賴性都還很強，并且都還存在著一些難以克服的困難和缺陷，比如：(1，通常要有熟練的技術技能，對結果做出說明及解釋。因此，在相互關系未經證明的情況下，可能存在不同人員對結果看法不統一。(2)外界環境的溫度、濕度、粉塵、振動、噪音以及磁、電場和儀器本身內部的各種干擾都會對檢測結果造成難以估計的后果。(3)性能可以直接測試、而檢測結果卻只是定性或相對的。(4)檢測人員的技術水平、操作技能、知識水準等，檢測人員對工作的責任心，檢測人員在操作

16、期間的心理和生理狀況都會對檢測結果造成很大的影響。(5)我國的超聲無損檢測還大部分是采用常規的A型脈沖反射法技術，存在不直觀、判傷難、無記錄、人為因素影響大等缺點，嚴重影響著超聲檢測結果的可靠性。122超聲波檢測儀器的發展趨勢當然，伴隨著以計算機技術為具體體現的信息技術的突飛猛進，現代超聲無損檢測技術主要還是向著數字信號處理和檢測成像方面發展。己經應用或正在采用的數字信號處理技術主要有：時間渡越衍射技術、合成孔徑聚焦技術、裂譜技術、倒譜技術、模式識別和分析、自適應神經網絡等。采用數字動態濾波技術提高檢測信噪比，通過頻譜分析進行超聲參量檢測和提取，數字信號處理壓縮波形有效提高檢測分辨率。在現代超

17、聲波檢測技術的發展中，超聲成像技術是一種根據聲波的特點，以掃描技術為主流的超聲成像方法。它是在電視技術、計算機技術和信息技術的基礎上發展起來的，是計算機技術、信息采集技術和圖像處理技術相結合的產物。超聲圖像可以提供直觀和大量的信息，直接反映物體的聲學和力學性質，有著自動化和智能化的特點，在醫療診斷、地震遙感、地質勘探、海洋研究、材料科學等領域正日益開辟新的用途，具有非常廣闊的發展前景。目前正在使用和開發的超聲成像技術包括：超聲B掃描成像，超聲C掃描成像，超聲D掃描成像，SAFT(合成孔徑聚焦)成像，P掃描成像，超聲全息成像，衍射CT成像、相控陣成像等門J。結合精密掃查機構的超聲成像系統和工業超

18、聲相控陣成像系統等已在實際應用上取得了很大的成果。當前，超聲波檢測儀器的研制也已開始進入到數字化階段。該技術是采用超聲波檢測儀器采集超聲波回波信號，經接收部分放大后，由模數轉換器變為數字信號傳給微處理器。微處理器再把隨時間和位置變化的超聲波形進行適當處理，得出進一步控制檢測系統的結論。一方面它承襲了常規超聲波檢測探傷儀器的基本模式和基本功能，又具有數據存儲和運算功能，實現了檢測過程中自動判傷、自動讀出和顯示缺陷的位置與當前量值、存儲并打印輸出檢測報告。不僅解決了超聲波檢測可記錄的問題，而且減少了人為誤差，提高了檢測結果的可信性。伴隨著各種新材料、復合材料的出現和使用，以及對現代檢測技術的要求不

19、斷提高，研制和開發數字化、智能化、模塊化、網絡化的超聲波檢測儀器已成為發展的必然。未來的超聲波檢測儀器應當具有以下特征：(1)模塊化和插卡化各種超聲波檢測卡(含數據采集和數據處理以及接口的插卡)將大量問世，借助于高速度、高容量的計算機，超聲波檢測儀器的研制將變得比較容易。(2)高數字化、高智能化和圖像顯示功能。未來的超聲波檢測儀器應當是高度數字化、高度智能化的，其檢測結果應可用圖像顯示出來：具有友好的用戶界面；開機后具有自檢功能；可用菜單選擇儀器測試參數；可調用或可存儲儀器的設定參數，以及與其它計算機進行通訊或傳輸數據。(3)數據庫及自動識別功能。未來超聲波檢測儀器的一個最重要的進步是具有對被

20、檢對象的缺陷類型進行自動識別，以及對被檢測對象的狀態進行自動評價的功能。因此，它應當具有比較完備的數據庫和專家識別系統。(4)專門的超聲檢測專家系統。專門的專家系統是保證數字化、智能化超聲波檢測儀器的有力手段和技術支持，系統內建有模式識別和自適應學習網絡，它也是協調檢測儀器軟、硬件以及儀器與人的友好互動的關鍵所在。目前，雖然世界上各種超聲波檢測技術和超聲波檢測儀器的發展相當快，但綜合以上的分析和調查、研究之后，不難發現：超聲波檢測的未來主要趨勢還是應該朝著研制一種智能化的診斷裝置方向發展。這種智能化的診斷裝置應該能靠增加所獲得的被檢工件的信息量、提高信息質量以及經專門的數學后續處理等手段來提高

21、評價工件質量的能力。因此，把握這方面的發展動態，緊隨時代發展潮流的脈搏，是我國超聲波無損檢測人員進行研制、開發以及應用超聲波檢測技術責無旁貸的義務，亦是我們不斷前進的方向和動力。13課題研究的主要內容課題研究的主要目標是在結合傳統的超聲波檢測技術和微型計算機處理、控制技術的基礎上，以半導體芯片中的金屬材料和非金屬材料為檢測對象，研究、開發一套數字化超聲波脈沖反射探傷儀器。具體研究內容如下：1開發以單片機CPU為主的高速數據采集、處理模塊。該數據采集模塊(卡)可控制超聲波檢測模塊中的電源、不同探頭的頻段選擇、高頻放大、檢波方式選擇等電路，將被檢測對象內部的回波信息掃描并轉換成數字信號，進一步處理

22、、存儲后，可送液晶顯示屏顯示，并配有標準視頻接口RS一232。根據需要或將存儲數據信息外傳PC機存儲保管；或由計算機對接收的回波數據信息進行進一步的處理。還可以與其它傳統超聲波檢測儀器相結合，形成模擬、數字結合式數字化超聲波脈沖反射探傷儀。2開發超聲波探傷模塊(脈沖反射式)，實現電源模塊的最優化管理，節約能源、減少功耗、提高工作效力；實現超聲波的發射、接收功能，接收電路阻尼限幅，超聲波回波電壓信號的高頻放大、濾波、檢波等功能。該探傷模塊接受數據采集卡上CPU的控制，實現整機數字化。3設計專用液晶顯示模塊(LCM)，可顯示經微處理器處理后的數字信息的回波圖形，人機對話操作界面，以及可視化的必要的

23、功能參數修正和系統工作狀態顯示等。4編制系統專用軟件。該軟件除了對數據采集卡、液晶顯示屏、功能鍵盤、超聲波檢測模塊的功能進行監控和運行外，還可完成調用缺陷回波圖形顯示，存儲信息外送上位計算機，聲、光缺陷報警提示等功能。第二章超聲波檢測儀器的總體設計脈沖反射式超聲波檢測技術是本儀器設計的重要基礎。目前，國內或國外的智能型自動化超聲波檢測儀器也是以脈沖反射式超聲波檢測技術原理進行設計、開發、應用的。脈沖反射式超聲波檢測儀器與其它超聲波檢測儀器相比具有如下一些突出的優點：(1)在被檢工件的一個探傷面上，用單探頭脈沖反射法即可進行探傷。這對那些諸如容器、管道等一些很難在雙面上放置探頭進行探傷的場合，更

24、顯示出明顯的優越性。(2)用脈沖反射法可以準確地確定缺陷的深度；靈敏度遠比其它方法高；可以同時探測到不同深度的多個缺陷，能夠分別對它們進行定位、定量和定性。(3)適用范圍廣。用同一臺探傷儀可進行縱波、橫波、表面波等不同形式的探傷，而且適用于探測很多種工件。21脈沖反射式超聲波檢測技術的基本原理211超聲波的特性作為無損檢測技術中一種非常重要的方法。超聲波用于無損檢測領域是由其特性決定的：1超聲波是指頻率大于20KHz，并且能在連續介質中傳播的彈性機械波。2超聲波的方向性好。超聲波具有像光波一樣的方向性，經過專門的設計可以定向發射，利用超聲波可在被檢測對象中進行有效的探測。3超聲波的穿透能力強。

25、對大多數介質而言，它具有較強的穿透能力。特別在一些金屬材料中，其穿透能力可達數米。4超聲波的能量高。超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，具有很高的能量。被檢材料的聲速、聲衰減、聲阻抗等特性攜帶有豐富的能量轉換信息，成為廣泛應用超聲波檢測的基礎。5遇有界面時，超聲波將發生反射、折射和波型的轉換。利用超聲波在介質中傳播時的這些物理現象，經過巧妙的設計，使得超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高，這也是超聲檢測得以迅速發展的原因。6對人體無害、適應性強、檢測靈敏度高、設備輕巧、使用靈活、檢驗速度快。212脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結構以及檢測信號流程傳統脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結構以及

26、檢測信號流程如圖21所圖2-1脈沖反射式超聲波檢測儀器的硬件結構以及檢測信號流程圖硬件結構主要由時標電路、同步電路、掃描電路、發射電路、接收電路、檢波電路、視頻放大電路、探頭和示波器(CRT)電路、電源電路等部分組成。儀器的啟動起源于同步電路(主控機構)。電源一經接通，同步電路立即發出三路同步觸發信號，以控制發射電路、掃描電路、時標電路同步工作。當稍加延遲后的同步信號反饋至發射電路時，發射電路立刻產生一個上升時間很短、脈沖很窄、幅度很大的高頻電脈沖(發射脈沖，激勵信號)。發射脈沖經電纜作用到探頭上，激勵探頭產生高頻率的脈沖超聲波，超聲波透過禍合劑射入工件，完成了超聲波的發射工作。探頭與被檢測工

27、件表面相接觸(需要一定的禍合劑，防止空氣進入，在芯片檢測中我們一般用水)。探頭發出的超聲波通過工件表面進入其內部時，由于超聲波的反射特性，會有反射回波傳入探頭，反射的超聲波經探頭中壓電晶片的壓電效應作用，轉換成為電信號(回波信號)，經接收電路阻尼限幅、高頻放大、濾波、檢波等電路的處理和作用后，得到檢波信號，再送入視頻放大電路進行脈沖放大，最后輸入到電子示波管的垂直偏轉板上。這一信號的輸入，引起垂直偏轉板電壓瞬時改變，電子束則在垂直方向發生跳躍，因而在示波管上形成脈沖波型(始發反射信號，用符號T表示)；在超聲波進入工件內部后，若在其前進傳遞路線上遇到缺陷，則也會有聲波反射回去，被探頭接收，同樣經

28、過阻尼限幅、高頻放大、濾波、檢波等電路的處理和作用之后，在示波管上形成缺陷反射信號，用符號F表示；同樣地，當超聲波到達工件的相對底面時，也會有聲波反射回去在電子示波管上形成脈沖波型(底部反射信號，用符號B表示)。據此就可以判斷工件中是否有缺陷的存在。發射波T、缺陷回波F、底面回波B的關系如圖2-2所示。在同步電路觸發發射電路產生高頻電脈沖的同時，掃描電路也開始同步工作。此時，掃描電路發生與時間成正比的鋸齒形的掃描電壓加到電子射線管的水平偏轉板上，從而使電子束所形成的光點在熒光屏上自左向右以一定的速度均勻移動。移動的軌跡就形成了水平掃描線。光點移動的距離，正比于超聲波在工件中的傳播距離。為了確定

29、工件內部缺陷的具體位置，探傷儀器中還裝有時標電路，由于它與發射電路、掃描電路在同步電路的控制下一起同步工作，發生等間隔的脈沖電壓，從而在電子射線管的屏幕上形成一個等間隔的電子刻度，每個間隔均代表電子掃移該間隔距離所需的時間(通常用微秒計)。根據此間隔值以及超聲波在被檢工件中的傳播速度，就可得到熒光屏上的缺陷波形的具體缺陷位置。脈沖反射式超聲波檢測儀器的優點是應用范圍廣，設備輕便、價格便宜，顯示的圖形比較簡單、清晰、容易判斷。但是，在示波器(CRT)熒光屏上顯示的波形，僅僅是探頭所在探傷面上那一點的探傷結果。整個探傷面上的探傷結果是在最后靠探傷人員的記憶來完成的。因此，該方法使得整個探傷結果不直

30、觀，不能存儲、不便于記錄，檢測結果的可靠性不高。而且，其對設備的質量以及探傷人員的技術水平都有很高的要求，造成該無損檢測手段不能的得到大面積的推廣。22超聲波檢測儀器設計221總體設計檢測儀器的總體構成方案如圖23所示。在設計中，硬件、軟件均采取了模塊化的設計方案。硬件主要分為超聲波檢測模塊、數據采樣與處理模塊三部分；軟件根據控制單元的不同，主要包括單片機MCU的匯編語言和邏輯器件EPLD的VHDL語言兩部分，并按操作功能的需要，設計為子程序式的各功能菜單塊。在常用的脈沖反射式的檢測中，探頭是兼作發射和接收換能器使用的，一般均采用測量來自給定反射體的脈沖反射信號幅度與各頻率分量之間的關系來表征

31、頻率響應。頻率響應是指在恒定聲壓和指定入射角的超聲波作用下，探頭輸出電動勢隨頻率變化的特性。超聲波檢測模塊負責儀器超聲波激勵脈沖的發射和回波電壓信號的接收、模擬信號處理；數據采集、處理模塊負責對模擬回波信號的采樣、模數轉換、信息存儲、數字處理，以及對超聲波檢測模塊進行功能監控管理，控制人機對話模塊功能實現等；而人機對話模塊則負責完成儀器的人機交互功能。222儀器硬件系統的基本構成設計的超聲波檢測儀器中，超聲波的發射電路、接收電路、高頻放大電路、檢波電路以及電源電路、探頭等基本采用原有的成熟技術。而在此基礎上，用數據采集、處理模塊采樣模擬回波電壓信號，并進行模數(AD)轉換后，由單片機的CPU進

32、行一定的處理，再送人機對話模塊的液晶顯示屏(LCD)顯示，或外送計算機進行存儲、或進一步的數字化處理。并且還由單片機MCU對電源模塊、發射電路、高頻放大電路、帶通濾波(去除工件材料引起的聲學噪聲和電路元器件工作引起的電路熱噪聲)電路、檢波電路實行全數字化的控制。取消了原來的同步電路、掃描電路、時標電路、示波器CRT，減少了硬件電路復雜設計和電路規劃，降低了信號干擾和信號失真。設計儀器的硬件結構如圖24所示。1 儀器探頭的選擇超聲波的發射與接收都是通過探頭實現的，必須根據檢測對象，合理選擇探頭。探頭的選擇主要考慮：探頭形式、晶片尺寸、角度、頻率等幾個方面因素。(1)探頭形式的選擇要視具體情況認定

33、，選擇直探頭或者斜探頭主要取決于欲發現缺陷的部位和方位。(2)探頭晶片尺寸的大小決定近場的覆蓋范圍。探頭晶片尺寸小則近場的覆蓋率小，即近場范圍內聲束窄。對缺陷的定位和定量，選擇探頭的原則是聲束應盡可能地狹窄，聲束相對于缺陷要垂直入射。(3)超聲波頻率很大程度上決定了超聲波對缺陷的探測能力。頻率高時，波長短、聲束窄、擴張角小、能量集中，因而發現小缺陷能力強、分辨力好、缺陷定位準確，但是掃查空間小，僅能發現聲束軸線附近的缺陷，對于裂紋等面狀缺陷，因其有顯著的反射指向性，如果超聲波不是近于垂直射到裂面上，在檢測方向上就不會產生足夠大的回波，頻率越高這種現象越顯著，而且被檢測面粗糙時，高頻聲波散射大，

34、不易入射。因此，頻率上限一般應由衰減(底波出現狀況)和草狀回波信號的大小來決定：而下限由檢測靈敏度、脈沖寬度及指向性決定。寬帶窄脈沖探頭具有靈敏度高、分辨力好、缺陷定位準確的特點。因此，結合上面的分析，對于芯片檢測，我們選用德國SONIX公司的SONIXl230型超聲波探傷儀所配的系列探頭作為此儀器的超聲檢測探頭【11】【12】。頻率范圍是05MHz10MHZ。另一個原因是，我公司現有的設備基本上都在使用這一系列的探頭，這樣更有利于管理和成本控制。2 電源模塊為了用于現場檢測作業，電源模塊采用直流電源(充電電池)供電方式，提供超聲波檢測模塊、數據采集、處理模塊、人機對話模塊等工作所需的電源，并

35、由單片機MCU控制EPLD產生的電源控制信號(DY)作用，分時響應待機工作狀態或短暫的檢測工作狀態：(1)當檢測儀器在待機工作狀態時，單片機控制電源模塊，使其僅產生數字電路和液晶顯示部分正常工作所需的電源，這樣可以大大降低儀器的功耗，延長電池的使用時間和使用壽命。(2)當需要工作在檢測狀態時，電源模塊受控制信號(DY)作用，為超聲波檢測模塊的電路提供電源，儀器進行檢測的工作。3 超聲波檢測模塊該模塊主要由高頻放大子模塊、帶通濾波子模塊和超聲波檢測子模塊(檢波電路)組成。(1)高頻放大子模塊該子模塊基本由8位數模轉換芯片DAC0832，高速寬帶集成運算放大器LM318，低噪聲寬帶集成運算放大器A

36、D600AR等設計組成。根據檢測工件材料、厚度，超聲波檢測頻段的需要，將接收到的微弱回波電壓信號由毫伏級放大到O20V。滿足模數轉換芯片AD9058JD的工作條件。放大范圍O100dB。(2)帶通濾波子模塊帶通濾波模塊基本由三片高速寬帶集成運算放大器LM318配合其它電子元器件設計組成。針對探頭頻段的需要選擇5MHz和10MHz。最大限度地去除系統聲學噪聲和電路噪聲的干擾，實現不同頻率超聲波檢測時的最佳效果。(3)超聲波檢測子模塊超聲波檢測模塊中的檢波電路，是由一片達到120MHz的寬帶集成運算放大器LM733CN設計完成，滿足了解決針對視頻顯示(檢波顯示，有利于峰值采集，方便確定缺陷當量)和

37、射頻顯示(不檢波顯示，可保持波形狀態，有助于缺陷性質的識別)的不同需要。4 數據采集、處理模塊該模塊主要是靠AD轉換子模塊和EPLD芯片實現的。下面主要介紹一下AD轉換子模塊，EPLD芯片的功能與使用將在后面的設計中詳細介紹。采樣回波信息由AD轉換芯片AD9058AJD進行模數轉換。為了滿足AD轉換后數字信息的高速度存儲要求，這里選用EPLD(Erasable ProgrammableLogic Device)可編程邏輯芯片，Altera公司的EPM7128SLC846進行功能控制操作，將轉換后的數字信息進行實時緩存于靜態存儲芯片SRAMC(CY7C19915)，再由單片機MCU從緩存區讀取數

38、字信息進行下一步的分析、處理(多次采樣信號的平均處理)。處理后的數字信息再送固定存儲器(FLASHPROM芯片AT29C512)存儲，并可送液晶顯示屏進行波形圖顯示，或通過外接端口中的RS232接口送計算機進行概率統計、頻域分析、數字濾波、聲成像或模式識別等更進一步的處理操作。5 人機對話模塊人機對話模塊中的液晶顯示器(LCM)，可由大屏幕顯示屏顯示缺陷回波圖形、文字說明，顯示系統的工作狀態。菜單操作界面顯示檢測參數選擇、修改界面，顯示儀器一些常規設置的參數選擇、修改界面等。根據探傷人員的需要，回波圖形可以實時顯示并存儲，也可對存儲的缺陷回波圖形進行回放顯示。6 監控超聲波檢測模塊由于系統的構

39、成復雜，需要一個統一的“大腦”來控制與協調各個模塊的動作，所以選擇Intel公司的AT89S52芯片作為MCU來實現對電源模塊、超聲波發射電路、探傷方式、頻段選擇功能的管理，同時實現程控放大(增益)功能的管理。7 通訊模塊另外，為了和其上位PC機進行通訊互聯，將現有的探傷結果數據信息上傳給PC機進行進一步的分析和處理，同時也是為了解決儀器固有存儲容量不夠的問題，所以儀器設計了RS232雙工的串口通訊模式。223儀器軟件系統的基本構成在前述硬件電路構成的基礎上，采用模塊化的設計方案設計了相應的配套軟件。在設計上，把儀器要用到的所有功能定義為一個個的模塊化、菜單式的子程序，并能在其它功能子程序中進

40、行調用，結構嚴謹、明了。整個軟件設計采用樹狀結構，每個功能按鍵對應一個相關功能子程序，配合液晶顯示屏進行人機對話，實現功能菜單的分選操作。在每個功能菜單項的基礎上又分為多個子功能菜單，力求操作簡單。圖25為軟件系統的基本結構的樹狀圖，具體的功能定義將在第五章人機對話模塊設計中介紹。23儀器抗干擾措施由于本儀器的高頻工作特性，而且需要將幾十微伏級的微弱電壓信號放大到0,-2OV，并且要從許多高頻信號中采樣出來。其現場作業的使用環境亦比較惡劣，故對各種干擾信號的處理和排除一些聲學噪聲和電路熱噪聲影響的要求也就相對比較高，對此，采取了以下的抗干擾措施，效果良好。1盡量采用低噪聲，抗干擾能力強的芯片、

41、器件。IC器件盡量直接焊在電路板上，盡量不使用IC插座。2集成數字電路使用的電源、電路板連接線等關鍵地方使用了抗干擾元件(串聯磁珠)去禍、并聯001肛瓷片電容作高頻旁路和l心鈕電容作低頻旁路，盡量減少噪聲的干擾。3優化電路設計，盡量減少信號線布線長度、不用90度折線減少高頻噪聲的發射，用地線隔離繼電器、變壓器等大功率器件，并將其盡量分布在線路板邊緣，減少電磁干擾。用地線把數字區與模擬區隔離，數字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地。采用地平面技術，以使所有數字地、模擬地均直接連到完全包圍高速部件的地平面上。地平面應盡可能覆蓋整個PCB，連到地平面的每條線盡可能短，以減少分布電感。4。在晶體振蕩

42、器的電路布線安排上，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來。5繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾，在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(RC串聯電路)，減小電火花的影響。6對單片機MCU使用了電源監控及看門狗電路，在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。7軟件設計上，盡量優化、簡單的模塊化設計方案，減少了煩瑣的操作過程和復雜的邏輯處理。在采樣過程中，采用了多次采樣平均處理的方法。24本章小結本章介紹了脈沖反射式超聲波探傷儀器的基本原理，提出了利用EPLD強大的邏輯處理功能、易于應用的IO端口，借助單片機MCU體積小、成本低、易控制、可靠性

43、高、運用靈活等特點，開發一套數字化脈沖反射式超聲波探傷儀器。該儀器不僅具有超聲回波信號的自動采集、存儲、顯示、分析和處理功能，而且具有輸出接口，為數據的進一步二次開發處理，實現超聲檢測的圖像化、智能化、自動化奠定了良好的基礎。第三章超聲波檢測模塊設計超聲波檢測模塊的主要任務是將微弱的超聲回波電壓信號不失真地放大，然后送給高速數據采集、處理模塊。因此，它是本課題設計的基礎部分，是實現將檢測信息娩出，得到良好超聲波回波信息的關鍵所在。本章在繼續分析超聲波檢測原理的基礎上，詳細介紹了電源電路，超聲波發射電路，接收、阻尼限幅電路，程控放大電路，濾波電路，檢波電路等各部分的設計。31電源電路設計超聲波檢

44、測儀器要適合于現場檢測，必須體積小、重量輕、工作時間長，還要分時響應待機工作狀態或短暫的檢測工作狀態。考慮到儀器雖然大部分時間都工作在待機工作狀態，功耗不是很大。但一旦工作在檢測狀態時，其要提供的高壓直流電源是脈沖式超聲波檢測儀器超聲波發射電路必不可少的部分，電源性能的好壞直接關系到探頭激發的聲源質量。高質量的電源電壓紋波系數要小，此時貯能電容的充電電壓一致性才好，因此超聲源的發射強度就會很穩定。另外，高壓直流電源還必須要具有一定的功率，能提高貯能電容的充電速度，從而提高超聲波發射重復頻率的上限。儀器設計選用高頻開關電源。圖31是電源模塊的部分電路圖，其中PWM為脈寬調制型的控制電源轉換的IC

45、芯片，受邏輯器件EPLD的控制，需要時響應儀器的檢測工作狀態。常用的超聲波檢測電壓超過l 00V，多數在+400V,-+600V左右，本設計電源取+600V。采用高頻DCDC變換器將恒定的12V直流變為+600V直流和_5V、一12V的直流電源。由于使用高頻變壓器，使電源的體積小、重量輕，32超聲波發射控制電路設計發射電路接收由單片機MCU控制EPLD提供的低壓可調脈寬的高頻脈沖電壓信號(FJ)后，產生高壓的窄脈沖激勵信號。激勵脈沖電壓加在探頭的壓電晶體兩端，由于逆壓電效應，壓電晶體受激振動而產生形變，從而發出超聲波，其輻射能量與脈沖電壓直接相關，只要在線性范圍內，脈沖電壓越高，其輻射能量越強

46、，檢測儀器靈敏度越高。但是以提高脈沖電壓來增強輻射能量是有限的，因為當脈沖電壓達到一定值時，其輸出能量會飽和，這時提高脈沖電壓不僅沒有好處，反而因脈沖寬度加大而增大檢測盲區。另外，過高的發射電壓也可能會損壞高頻探頭。發射電路最常用的有諧振式及非諧振式兩類，其中諧振式發射電路的發射頻率由電路的諧振頻率決定，而非諧振式發射電路的發射頻率由探頭本身的自然頻率決定。超聲發射脈沖通常是用預先充電到高壓的電容突然放電來產生，得到的超聲信號波形是一種單頻載波脈沖信號。儀器設計采用非諧振式發射電路，其電路原理圖如圖32所示。工作過程：穩態時，功率MOS管M1關斷，高壓直流電源+600V通過電阻剛給高壓貯能電容

47、C1充電；動態時，正觸發脈沖(FJ)加在P1三極管上，三極管P1、功率MOS管M2導通，高壓貯能電容Cl就通過功率MOS管MI、電阻R6和探頭放電，探頭受到貯能電容所放電高壓脈沖的激勵，按照本身的自然諧振頻率發射脈沖超聲波。激勵脈沖(FJ)寬度是影響檢測縱向分辨率的主要因素。激勵脈沖越寬，發射強度越大，儀器分辨率就越低，這時適合探測范圍大，對分辨率要求不高的場合；反之，激勵脈沖越窄，發射強度越小，分辨率就越高，適合探測近表面缺陷或對分辨率要求高的場合。脈沖寬度與檢測時縱向分辨率的關系如圖33所示。當反射回波WA和WB剛好不重疊時，界面A與界面B就剛好能分辨開來。為了保證反射回波WA和WB不重疊

48、，激勵脈沖寬度t必須滿足t_2de，因此：d晌=皿= Z式中單位：c，為聲速，單位mms；t，為激勵脈沖寬度，單位S；d，為界面間距，單位mm；dmin，為最小界面間距，單位mm；這樣，對于不同的探傷材料、不同的探傷厚度等需要配合不同諧振頻率的探頭、不同寬度的激勵脈沖、不同重復頻率等要求時，儀器均可利用MCU中存儲的程序調用及一些簡單的參數修改來完成，操作靈活、方便。33阻尼限幅電路設計在單探頭工作方式中，因接收探頭和發射探頭為同一探頭，因此激勵脈沖高電壓將輸入到接收通道，造成在其接收通道輸入端輸入的信號不僅有幾十微伏到10伏的回波信號，而且還有100600伏的發射脈沖高壓信號，如果不能對此信

49、號進行限幅，將損壞接收通道電路元件，并使接收通道在激勵脈沖之后一段時間不能正常接收缺陷回波信號，很可能造成工件近表面探傷的誤判。本超聲波檢測儀器的接收通道采用并聯限幅的保護電路，其電路如圖34所示。其中二極管D1、D2、D3和D4、D5、D6分別對正向和負向大脈沖高壓信號進行限幅，保護了接收通道免受瞬時的脈沖高壓沖擊，提高了接收通道后續電路的抗阻塞特性和檢測時的反應靈敏度。34程控放大電路設計在超聲波檢測接收電路中，程控高頻放大電路是本檢測儀器能夠取得完整的，而且波形不失真的超聲回波信息的關鍵所在。主要涉及到的幾個重要設計參數是：增益、動態范圍、帶寬和放大噪聲。設計中選擇了兩片壓控放大芯AD6

50、00AR構成程控高頻放大電路，其結構原理如圖35所示。壓控放大器芯片AD600AR的控制電壓由兩片DA芯片DAC0832給出。其增益量由程序控制在0l 00db范圍內變化，能滿足常用自動化探傷的要求。增益控制電路適應不同測試對象對回波信號的強弱影響，可通過MCU的軟件實現動態自動控制增益值。選擇AD600AR作為放大電路的主要器件，是因為該器件具有線性分貝、噪聲低、頻帶寬、增益精度高、增益控制靈活等特點。線性分貝，是指控制電壓與放大器增益的分貝數呈線性關系，這對探傷儀軟件的設計是很有利的，而且提供一種系統自動校正垂直線性的手段。放大電路中，增益精度主要取決于AD600AR的衰減誤差。單片AD6

51、00AR在40dB(0dB,-,+40dB)范圍內的衰減誤差最大僅為士03dB，增益精度高。另外，它的最大功耗僅為125mW。341增益增益是超聲波檢測儀器程控放大電路設計的主要參數之一。它表征放大微弱超聲回波電壓信號的能力，直接表現了檢測儀器的綜合靈敏度，所以是必須著重考慮的主要指標。超聲波檢測儀器的放大器不同于一般放大器。超聲回波電信號為微弱的電壓信號，一般為毫伏級，部分信號為幾十微伏，經常見到的超聲探傷儀器的增益數值是l 10dB左右。在模擬超聲探傷儀器中，超聲脈沖信號最終要送到示波管垂直偏轉板去顯示。驅動示波管垂直偏轉板到滿屏的信號幅度要數十伏。超聲回波信號如果低于數十微伏，要把數十微

52、伏的信號放大到數十伏所要求的探傷儀器的。增益就是120dB，故在傳統模擬式探傷儀器中，110120dB的增益是必要的。而在放大器的輸入端，各種電子噪聲通常達109V左右。如果超聲回波信號低于數十微伏，此時的信噪比將會很低。所以，小于109V的信號通常已沒有任何實際意義。程控放大電路也就沒有必要考慮小于1 0uV的信號進行任何增益放大。而在數字化探傷儀器中，放大器的輸出信號要送給模數轉換器。現代模數轉換器需要的輸入電壓只要+20V甚至更小。因此，從數十微伏放大到+20V，數字式超聲波檢測儀器的放大接收電路必須要有足夠的增益(約80dB左右的增益也就足夠了)。本課題設計是O1 00dB的增益可調范

53、圍，將回波電壓信號放大到合適的模數轉換器的轉換范圍(+O2V+20V)。342動態范圍動態范圍(線性范圍)也是一個需要著重考慮的設計參數。制約超聲波檢測儀器設計中動態范圍的主要因素有：程控放大后，到AD轉換前的最大不失真信號電平、噪聲電平、檢波電路能不失真檢波的最低信號幅度等。在儀器系統增益高端受噪聲電平影響，而在儀器系統增益低端，檢波電路的分辨力影響動態范圍。理論上，所有放大電路都只有在它的線性放大范圍內時，也就是滿足V輸入在VIV2之間范圍時，才會有一個比較恒定的放大倍數K。如圖3-6所示因此，從設計理論上來講，當然是希望動態(線性)范圍越大越好。這樣，既減少了小信號的缺失真，又避免了一些

54、大信號的飽和失真。但對動態范圍的要求也應適可而止，過大的動態范圍既增加了電路設計的難度，也沒有太大的實際意義。在熒光屏上，最大幅度是100，最小通常是10或5。大家知道，能用眼睛分辨的幅度差別不大于1。如果最小定在10，則l的絕對誤差，在0幅度時，相對誤差是10，即近1dB；在讀出5幅度時，1相對5是20，即近2dB，所以都盡量在80或50等較大幅度處讀數。在儀器中，讀數的功能是由模數轉換器AD9058AJD來完成的。當然希望模數轉換器能夠最好讀取放大電路線性范圍內輸出的不失真的信息。其讀數原理與眼睛相似。不同的是，模數轉換器可有較高的分辨力。系統模數轉換器是8位的，其分辨力大約為1。由此可見

55、，如果把讀數限制在lO或5幅度處，根據數字式超聲波檢測儀器的國家標準要求，則26dB的動態(線性)范圍足夠了。儀器設計采用的壓控放大器AD600AR在35MHz帶寬下的動態范圍是40dB。343帶寬接收通道的帶寬(頻率特性)也是一個非常重要的參數，它表示的是接收通道的幅度特性，即增益G與頻率f的關系，是指接收通道輸出信號與輸入信號相比，增益G在幅度和相位方面隨超聲波頻率f的變化規律。具體定義的帶寬為增益下3dB(或下降到707)的頻率范圍。現在通用的超聲波檢測儀器大多使用的是寬帶放大器，為的是使其在工作頻率范圍內有很好的幅度和相位特性，可以適應相應范圍內不同頻率探頭的需要，輸出高保真的波形。系

56、統帶寬直接影響整個儀器的分辨率、靈敏度和信噪比。頻帶寬度越大，接收到的信號頻譜豐富、波形失真小、脈沖前后陡峭、展寬小、分辨力好。但是因為噪聲的頻帶較寬，所以隨著頻帶的加寬，將會相應的增大噪聲而降低信噪比。過寬的頻率范圍也會帶來增益下降的犧牲。超聲波檢測儀器放大電路的典型頻率特性如圖37所示，在相當寬的頻率范圍內，增益保持不變。通常就以它來歸一化，即以它為l，不管它的絕對值是loo或10000。在低頻率端fL處增益下降；而在高頻率端fH處是先略有上升，然后下降。由圖3-7所示，設計儀器放大電路的頻帶寬度應該為：低頻帶fL=100KHz，高頻帶fH=35MHz。由于fL比fH小得多，近似用AF=fH=35MHz來表示儀器放大電路的頻帶。聲波回波信號的最大特點就是具有極寬的頻帶，因此，接收通道必須具有足夠高的頻帶寬度才能不失真地放大超聲回波信號。通常設計接收通道的帶寬是回波信號中心頻率的58倍，設計中，AF=35MHz。其在接收回波信號時，失真己經很小，已基本滿足探