引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的發(fā)展，無損檢測技術在設備和裝備的運行、產品質量的保證、提高生產率、降低成本等領域發(fā)揮著越來越大的作用，無損檢測也已經發(fā)展成為一門獨立的綜合性學科，而超聲波探傷技術在無損檢測領域內占有極其重要的地位，在很多領域均獲得非常廣泛的應用。

由于超聲波無損探傷設備在不同的應用場合，其對探頭的要求不同，對接收的回波信號的處理算法也不同，因此某一類的無損探傷設備，通常只能適應于一種或幾種應用場合。為使超聲波探傷設備具有更好的應用范圍、更高的處理算法和更快的更新周期，可采用虛擬式超聲波無損探傷設備。虛擬超聲探傷系統(tǒng)是利用計算機顯示器的功能來模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板，以多種形式輸出檢測結果，利用軟件功能來實現(xiàn)數(shù)字信號的運算、分析和處理。利用輸入輸出（I/O）接口設備完成信號的采集、測量與調試，從而完成各種測試功能的超聲無損探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是虛擬儀器技術、數(shù)字技術與傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)相結合的產物。在設計虛擬數(shù)字超聲系統(tǒng)時，必須結合傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)中模擬通道的設計，因為任何一個超聲探傷系統(tǒng)都必須包括超聲波的發(fā)射電路、接收電路和信號調理電路才能進一步進行后續(xù)的處理工作，這些電路的設計將直接影響到整個超聲探傷系統(tǒng)工作的可靠性和測試精度。這里設計的電路就是在進行A/D轉換之前的前端電路。

1虛擬式超聲波無損探傷設備的系統(tǒng)組成

超聲檢測一般是指使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。用于固體材料超聲檢測的裝置按其指示的參量可分為三類：第一類指示聲的穿透能量，常用于穿透法；第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波在試件中形成駐波的情況，可用于共振測厚，但目前已很少用；第三類指示反射聲波的幅度和運行時間，常用于脈沖反射法。鑒于脈沖反射法在目前的廣泛使用，虛擬儀器就是采用反射檢測法來設計的。

脈沖反射法的基本原理如圖1所示，一般只利用一個探頭發(fā)射兼接收。當工件完好時，顯示器上只有始波T和底面回波B，如圖1（a）所示。當工件中有小于聲束截面的小缺陷時，在始波T和底波B之間還有缺陷回波F出現(xiàn)，如圖1（b）所示。根據(jù)缺陷波F的高度可對缺陷的大小進行評估，根據(jù)缺陷回波F與始波T之間的時間差可以得到缺陷的埋藏深度。有缺陷回波時，底面回波高度下降。當工件中有大于聲束截面的大缺陷時，超聲波束全部被缺陷反射，顯示器上只有始波T和缺陷回波F，底波B消失，如圖1（c）所示。

圖1 脈沖反射法基本原理

虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結構如圖2所示。該系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心控制器件，數(shù)據(jù)采集由計算機結合專用數(shù)據(jù)采集卡進行完成，然后利用計算機軟件對數(shù)據(jù)進行運算、分析和處理，結合LabVIEW應用軟件進行探傷系統(tǒng)的面板設計和部分功能的設計和構建，對測試結果進行顯示。單片機控制發(fā)射電路發(fā)射400 V的高壓窄脈沖，激勵探頭產生超聲波，并隨之切換開關至信號接收電路。同時啟動數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集工作。單片機控制系統(tǒng)與計算機之間的通訊（如脈沖重復頻率、脈沖占空比和增益調節(jié)等）采用USB接口來進行。

圖2 虛擬數(shù)字超聲探傷系統(tǒng)設計框圖

2發(fā)射電路與接收電路

2.1超聲發(fā)射電路

超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲探傷儀的關鍵部分，對于超聲探傷系統(tǒng)的性能具有很大的影響。發(fā)射電路通常有調諧式和非調諧式兩種。調諧式電路中有調諧線圈，諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖，脈沖的頻帶較寬，可以適應不同頻帶范圍的探頭，此時發(fā)射出的超聲波頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定。該系統(tǒng)采用德國K.K公司（Krautkramer）的B5S單晶縱波直探頭。該探頭具有5 MHz的標稱頻率，15～6 000 mm的工作量程和11O mm的近場長度。為便于系統(tǒng)的靈活調試，采用非調諧式發(fā)射電路，其脈沖控制參數(shù)可以通過核心控制器AT89C52單片機方便地進行修改設定，發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 非調諧式超聲波發(fā)射電路

在發(fā)射電路中，高壓直流通過限流電阻R1，隔直電容C被充電到VH，在常用的超聲檢測系統(tǒng)中，VH電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內。為充分激發(fā)探頭的壓電性能，采用了400 V的高壓直流電源模塊。晶閘管Q作為一個高速開關器件在此受單片機產生的脈沖信號控制。在低電平時，晶閘管Q處于截至狀態(tài)，電容C被充電到400 V，在高電平信號到達時，晶閘管Q處于導通狀態(tài)，引起電容C經晶閘管Q和可調電阻R2放電，在R2上產生激勵探頭的高壓脈沖?？勺冸娮鑂2決定了電路的阻尼情況，可以通過改變R2的阻值來改變發(fā)射的強度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強度大，儀器的分辨力低，適合探測厚度大，對分辨率力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時或對分辨力要求較高時予以采用。該設計選用雙向晶閘管BTl36—600，該晶閘管具有600 V的反向峰值電壓和4 A的額定平均電流。為充分驅動該晶閘管工作，特意選用了雙路功率MOSFET驅動器ICL7667設計了驅動電路。發(fā)射電路產生的高壓脈沖和超聲波信號如圖4所示。

圖4 發(fā)射電路高壓脈沖和超聲波信號

2.2限幅與接收放大電路

當檢測范圍很大時，深度缺陷或底波的反射波信號很微弱，因此在處理之前需要進行高增益放大處理。而由于探頭是收發(fā)一體的，發(fā)射信號很強，它同時作用于接收電路，而且在實現(xiàn)的測試過程中，有可能加進強干擾，因此為保護放大電路不致?lián)p壞，使放大電路能處于線性的動態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號進行限幅，限幅電路如圖5所示。圖中電阻R3相對于發(fā)射電路中的可調電阻R2要足夠大，用以消除接收電路對發(fā)射電路產生負載效應。選用具有較大正向電流的二極管（如2K61701）D2和D3構成雙向限幅電路，防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進入到后端接收電路中，這樣限幅電路的輸出在士0.7 V左右，達到了該電路的預期效果。限幅之后，便是放大電路，為了能夠測量幅度的變化值，在回波信號進入放大器之前，先經過已校準的衰減器，以便于對信號幅度定量調節(jié)，以適應不同的信號范圍。該設計選用AD（ANALOG DEVICES）公司推出的壓控增益放大器AD603進行程控增益放大電路模塊的設計。AD603具有線性分貝、低噪聲、寬頻帶、高增益精度以及增益控制靈活等特點，其高達50 MΩ的阻抗能夠保證信號充分加載到后級電路中。AD603程控增益原理圖如圖6所示，其管腳說明如表1所示。

圖5 超聲回波信號接收隔離電路

圖6 AD603增益控制原理圖