2011屆本科畢業論文（設計）論文題目：超聲波檢測硬件電路設計學生姓名： 所在院系： 所學專業：電氣工程及其自動化 導師姓名： 完成時間：年 月 日摘 要超聲波檢測技術在工業領域有著廣泛的應用，是材料與設備無損檢測的主要手段之一。本論文介紹了超聲波檢測的基本原理，設計了超聲波檢測的硬件電路系統，通過系統發射模塊和接收模塊，方便快捷有效的獲取了被測物體內部信息。設計了以可控高壓電源供電的超聲波發射電路，該電路可以產生頻率和發射功率可調的超聲波，提高了檢測靈敏度和信號的抗干擾能力，增加了檢測的有效范圍。設計了回波信號調理電路，提高了回波信號的信噪比和檢測的準確性，為下一步回波信號的分析處理、實現對缺陷的準確判斷、定位、定量提供了有利條件。關鍵詞：超聲波 檢測 發射電路 高壓電源 信號調理 Design of ultrasonic testing hardware circuitAbstractThe ultrasonic detection technology in the industry has a wide range of applications. It is one of the principal means of the nondestructive testing of materials and equipment. This paper introduces the basic principles of ultrasonic testing, the hardware circuit system of ultrasonic testing is designed, through the system transmitter module and receiver module, convenient and effective access to the information of measured object. The ultrasonic transmitter circuit which is provided by controllable high-voltage power is designed to produce adjustable ultrasonic in frequency and transmission power, it is improve the detection sensitivity and signal anti-jamming capability, increasing the effective range of testing. Echo signal conditioning circuit is designed to improve the SNR and accuracy of the detection and provides favorable conditions for the analysis of echo signal which can realize accurate judgment、location、and quantification for the defect.Key words: Ultrasonic； Testing；Transmitter Circuit；High Voltage Power Supply； Signal Conditioning19目 錄1.緒論11.1國內外發展概況11.2選題背景意義12.超聲無損檢測及相關理論12.1超聲無損檢測的概念、物理基礎12.2超聲波的波長、聲速、超生場的特征量22.3超聲波的傳播特點42.4脈沖反射式超聲波探傷的基本原理及缺陷的判斷43超聲波檢測硬件電路設計63.1超聲波檢測系統總體設計結構63.2 超聲波發射模塊73.2.1激勵脈沖產生電路73.2.2高壓電源及其控制93.2.3發射模塊仿真及分析103.3 超聲波接收模塊103.3.1回波信號調理電路113.3.1.1限幅電路113.3.1.2前置放大電路123.3.1.3帶通濾波123.3.1.4變增益放大電路133.3.2信號采集電路143.3.2.1差分變換電路153.3.2.2A/D轉換電路153.3.2.3FIFO緩沖電路16結束語16致 謝16參考文獻171.緒論1.1國內外發展概況利用超聲波來進行無損檢測始于20世紀30年代。但得以廣泛應用，是在20世紀40年代，美國的Firestone首次介紹了脈沖回波式超聲檢測儀，利用該技術，超聲波從物體的一面發射并接收，能檢測小缺陷，較準確地確定其位置及深度，評定其尺寸，用于鍛鋼和厚鋼板的探傷。20世紀60年代，超聲檢測儀在靈敏度、分辨力和放大器線性等性能上取得了突破性進展，超聲檢測發展為一個有效而可靠地無損檢測手段，并得到了廣泛的工業應用。從20世紀80年代以來，由于電子技術和計算機技術的飛速發展，超聲檢測設備不斷向數字化、小型化、智能化方向改進，形成了適應不同用途的多種超聲檢測儀器。這種儀器以高精度的運算、控制和邏輯判斷功能來替代大量人的體力和腦力勞動，減少了人為因素造成的誤差，提高了檢測的可靠性，較好的解決了記錄存檔等問題，具有良好的發展前景。1.2選題背景意義 超聲波檢測在無損檢測中占據著主要地位，廣泛應用于金屬、非金屬材料以及醫學儀器等領域。近年來以微電子學和計算機技術為基礎的信息技術飛速發展，超生無損檢測儀器也得到了前所未有的發展動力【1】，為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率，研制數字化、智能化、自動化、圖像化的超聲儀是當今無損檢測領域發展的一個重要趨勢。 傳統的模擬超聲檢測系統雖然也能基本滿足人們進行超聲檢測的要求，但它存在許多不足之處，例如：需要手動保存記錄，不能生成圖像，判斷存在一定偏差等，顯然無法滿足現在工業及其他的一些科研領域的智能化，自動化，數字化等要求。不利于無損檢測的進一步發展。現在市場上雖然也出現了一些數字式的超聲檢測儀器，但廠家不會向用戶提供產品的核心技術，并進行了封閉化處理，對科研人員的實驗活動造成了諸多限制【2】。本文設計了一種簡單、可靠、實用的超聲波檢測電路，能夠激勵不同探頭產生頻率和發射功率可調的超聲波，可應用于對厚度在4mm-120mm的鑄鐵工件進行裂紋、砂眼、未焊透或未融合的焊縫等多種缺陷的探傷中。它吸取了多種超聲波檢測儀器結構簡單、性能優良、攜帶方便的特點，而且在改善檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力方面，也取得了良好的效果。2.超聲無損檢測及相關理論2.1超聲無損檢測的概念、物理基礎無損檢測是在不損傷原材料和工件受檢對象的前提下，測定和評價物質內部或外表的物理和力學性能，并包括各類缺陷和其他技術參數的綜合性應用技術，對于控制和改進生產過程和產品質量，保證材料、零件和產品的可靠性，提高生產率起著關鍵的作用，是發展現代工業必不可少的重要技術措施之一23。隨著現代物理學、材料科學、微電子學和計算機技術的發展，無損檢測技術也隨之迅猛發展起來。各種無損檢測方法的基本原理幾乎涉及現代物理學的各個分支。按照不同的原理和不同的探測及信息處理方式，詳細地統計了已經應用和正在研究的各種無損檢測方法，總共達70余種。主要包括射線檢測、聲和超聲檢測、電學和電磁檢測、力學和光學檢測、熱力學方法和化學分析方法等。不同的檢測方法適用的缺陷種類、特點不同。本文討論的超聲無損檢測，是利用超聲波對材料中的宏觀缺陷進行探測，依據的是超聲波在材料中傳播時的一些特性，如：聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到兩種介質的分界面時，會發生反射等等。超聲波檢測具有靈敏度高，指向性好、穿透能力強、檢測速度快等優點。它既可檢測材料或構件的表面缺陷，又可以檢測內部缺陷，尤其對裂紋、疊層和分層等平面狀缺陷，具有很強的檢出能力。A型顯示超聲波探傷較難識別缺陷的類型，B型和C型顯示可以給出缺陷的圖像，對識別缺陷的種類可提供更多的信息。超聲波檢測適用于鋼鐵、有色金屬和非金屬，也適用于鑄件、鍛件、軋制的各種型材和焊縫等。但是，一般說來超聲檢測只適用于檢查幾何形狀比較簡單的工件。對于管材、棒材、平板、鋼軌和壓力容器焊焊縫等幾何形狀狀簡單的材料或構件，可以實現高速自動化檢測，通常采用水浸法或噴水探頭。除了探傷以外，超聲波法還可用來測量厚度、硬度、淬硬層深度，檢測材料的彈性模量和晶粒度，測量零件或構件中的應力，以及進行液位和流量的測量等。聲阻檢測法適用于檢測膠接結構的質量和強度。超聲波是頻率范圍超過20KHz的聲波，在超聲波探傷中，最常用的頻率是0.5MHz10MHz。超聲波本質上是一種機械波，機械波是機械振動在介質中的傳播過程。所以它的產生必須依賴于做機械振動的聲源，同時還必須依賴于彈性介質的傳播。波的種類是根據介質質點的振動方向和波動傳播方向的關系來區分的。超聲波在介質中傳播的波形有許多種，用于探傷的有縱波、橫波、表面波、板波等，其中最常用的是縱波直探頭探傷和橫波斜探頭探傷。縱波質點的振動方向與波形的傳播方向平行，常用來探測鋼板、錠材、大型鍛件等形狀比較簡單的制品，而橫波質點的振動方向與波形的傳播方向垂直，常用來檢測焊縫、管材等形狀比較復雜的制品。2.2超聲波的波長、聲速、超生場的特征量聲速是聲波在介質中向前傳播的速度。不同波型的超聲波(縱波、橫波、表面波等)，其傳播速度不同。超聲波在介質中的傳播速度與介質的彈性模量及介質的密度有關，對一定的介質，彈性模量和密度為常數，故聲速也是常數。不同的介質，有不同的聲速。超聲波波形不同時，介質彈性變形的方式不同，速度也不一樣。因此，超聲波在介質中傳播的速度是表征介質聲學特性的一個重要參數。超聲波是聲波，屬于機械波的范疇，因此其的頻率、波長和聲速必然滿足如下關系：(2-1)其中為超聲波的波長，為超聲波的波速，為超聲波的頻率。可見在同一種介質中超聲波的波長與超聲波的頻率成反比。超聲場的定義為充滿超聲波的空間。超聲場特征的幾個重要物理量分別為：聲壓、聲強度、聲阻抗1。(1) 聲壓聲壓：超聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強與沒有超聲場存在時的靜態壓強的差值表示為聲壓。超聲波在介質中傳播時，介質的每一點的聲壓隨著時間，距離而變化，其公式為：(2-2)式中為介質的密度、為介質的角頻率、為介質中的波速，為介質質點的振動速度， 為超聲波的振幅。可見聲壓的絕對值與波速成正比，也與角頻率成正比，而，因而聲壓也與頻率成正比。超聲波的頻率越高，其聲壓越大。(2) 聲強度聲強度：在垂直于超聲波方向上的單位面積內通過的聲能量，也簡稱聲強。(2-3)式中，為聲壓振幅，由此可見聲強與質點振動位移振幅的平方成正比，與質點振動角頻率的平方成正比，與聲壓振幅的平方成正比。因為超聲波的頻率很高，所以超聲波的強度遠遠大于可聞聲波的強度，這是超聲波能夠應用于探傷的前提。(3) 聲阻抗從聲壓的公式可知，在同一聲壓的情況下，越大，質點振動速度越小，反之亦然它反映了介質的聲學特性故稱為介質的聲阻抗以符號表示。2.3超聲波的傳播特點聲波在無限大且各向同性的介質中傳播時其波形是根據波陣面的形狀來區分的。在波的傳播過程中，將某一瞬間波到達各質點的幾何位置所聯成的面成為波陣面。按波陣面的形狀可以把波分成平面波、球面波、柱面波、活塞波等。超聲波在傳播過程中如果遇到一個障礙物，就可能產生若干現象，這些現象與障礙物的大小有關：如果障礙物的尺寸比超聲波的波長小得多，則它們對超聲波的傳播幾乎沒有影響；如果障礙物的尺寸小于超聲波的波長，則波到達障礙物后將發生反射，如果障礙物尺寸與超聲波波長近似，則超聲波將發生不規則的反射、折射和投射，這些現象均是波的散射；如果障礙物的尺寸比超聲波波長大得多，則在障礙物的表面發生反射和透射。超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量會逐漸減弱，這種現象就是衰減。超聲衰減有三種主要的原因：聲束擴散引起的超聲波衰減；散射引起的超聲波衰減；由介質吸收引起的超聲波衰減。超聲波的衰減有兩種表示方法：一種是用底波多次反射的次數來表示，這種方法僅能粗略地比較超聲波在不同材料中的衰減程度；另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數來表示聲波的衰減。2.4脈沖反射式超聲波探傷的基本原理及缺陷的判斷超聲探傷儀的分類類似于超聲探傷方法的分類，但根據探傷結果顯示方式的不同可分為A，B，C型，其分別對應著點掃描、線掃描和面掃描，其中A型是B，C型實現的基礎。脈沖反射法的定義是：超聲波以持續極短的時間發射脈沖到被檢工件內，利用被檢工件底面或內部缺陷的反射回波來探測反射源的位置和大小的方法。該方法基于的物理原理是：超聲脈沖波入射到兩種不同介質交界面上會發生反射。交界面可以分為兩種：工件的表面和底面是工件介質和工件外介質的交界面；工件內部的缺陷表面是工件介質和缺陷的交界面。換能器發射的超聲波在工件內部傳播時，若遇以上的兩種交界面，將發生反射，根據反射回來的超聲回波信號就可以判斷是否有缺陷，并且可以探測出缺陷的位置及其大致的大小。縱波脈沖反射法工作原理如圖2-1所示，一般只需采用收發一體的探頭進行檢測。圖21 超聲探傷原理示意根據超聲波的指向、反射等特性，A型脈沖反射式超聲探傷可以實現三方面的功能：其一，利用超聲波在不同介質分界面的反射作用來判斷工件材料有無缺陷；其二，若有缺陷，利用聲束的指向性對缺陷進行定位，根據聲束和聲波在介質中傳播至缺陷所需時間可測定探頭到缺陷的聲程；其三，利用超聲反射或穿透聲壓的大小來鑒別材料缺陷的大小。有了以上三個方面的判斷后，進而評價其使用的安全性和修復的可能性。另外，還可以應用于管道厚度探測等方面。圖2-1中所示的初始脈沖由兩部分迭加而成，一是激勵脈沖，二是表面回波。首先是激勵脈沖作用，當激勵脈沖加在壓電晶體兩面時，因逆壓電效應，晶體發生振動產生超聲波，同時又因正壓電效應在壓電晶體兩面產生相反電荷，即發射始波電脈沖，初始脈沖通過接收電路顯示在屏幕上。同時，表面反射的回波也很快被晶片接收，從而產生電脈沖。兩者迭加產生所謂的發射初始脈沖。但晶片振動會因阻尼作用很快停止，而后開始接收缺陷回波或底面回波。如果工件無缺陷時，只有始發射脈沖波和底面反射回波，兩者之間沒有其他回波，它們之間的聲程等于工件的厚度；如果工件中有面積小于聲束截面的小缺陷，則會在始波和底波之間出現缺陷回波，底波也被相應削弱；如果工件中缺陷大于聲束截面時，全部聲能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不會出現底波。根據屏幕上出現的電脈沖波形，就很容易判斷出被測工件是否存在缺陷，并根據始波與第一次底面回波之間的缺陷回波的數量確定出缺陷的數量。由圖2-1所示可知，探頭到缺陷的距離為(2-4)探頭到工件底面的距離為(2-5)式中為材料中的聲速，為聲波遇到缺陷時的來回傳播時間，為發射波到底波的來回傳播時間。3超聲波檢測硬件電路設計3.1超聲波檢測系統總體設計結構 超聲波檢測系統總體結構框圖，如圖 3-1 所示。該系統主要由3部分組成：超聲波發射模塊、超聲波回波信號接收模塊、ARM處理器。ARM處理器PC機激勵電路限幅電路前置放大電路探頭帶通濾波電路可變增益放大電路被測物差分放大電路A/D轉換電路FIFO圖3-1 硬件系統框圖該系統以ARM微控制器為核心，通過超聲波發射電路產生激勵脈沖電壓和重復頻率可調的超聲波，接收電路首先將反射回來的微弱信號經放大、濾波等電路處理，然后通過A/D轉換電路對信號進行采集并將采集的信號經數據緩存送入PC機中。ARM微處理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微處理器S3C2440A。其內核頻率最高為400MHz，功率低，體積小，集成外設多，數據處理能力好，因而可廣泛用于手持設備等。3.2 超聲波發射模塊在超聲波應用領域中，超聲波發射電路是系統中的關鍵部件。隨著電子技術的發展和測量系統等在性能和精度方面的要求不斷提高，檢測儀器向高集成度、高靈敏度、低功耗及模塊化方向發展。其中，超聲發射電路是影響其性能的關鍵技術。超聲發射電路的主要功能是用來產生不同形式的超聲波，以滿足實際需要。目前，超聲波發射電路設計方法眾多，其供電直流電壓一般較高，以產生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發電信號。該電路的高壓電源采用一種可控高壓電源設計方案能輸出0-1000V電壓。并分析了激勵脈沖對超聲波信號的影響、電路中各個元件對超聲波激勵脈沖的影響。從理論上得出發射電路中各個電阻與激勵脈沖電壓電流的數學關系，發射電路可以激勵不同探頭產生多種頻率和發射功率可調的超聲波。3.2.1激勵脈沖產生電路根據被測件的材料、厚度等不同條件，所需的相應超聲波探頭的頻率、發射電壓也不同。發射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時間不超過100 ns。根據頻譜分析。激勵脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關系式7，當脈沖寬度滿足這一關系式時，接收探頭的接收信號質量最好。該關系式即為： （3-1）式中f0為探頭頻率，2a為脈沖寬度。本設計所選探頭頻率為2.5 MHz，由式(3-1)確定的脈沖寬度為6O0 ns，所以放電時間應盡量控制在600 ns。超聲波探傷法的容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ 快速恢復型二極管VD1、VD2和探頭組成，設種類很多，實際運用中。大部分選用脈沖反射法，其發射電路多選用非調諧式，超聲波發射電路如圖3-2所示。電路由可調高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲電二極管等效電阻為R3，開關等效電阻為R4。ARM微處理器產生頻率和占空比可調的脈沖，經IGBT的驅動和保護電路后送人開關管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當V1為負脈沖時，IGBT關斷，高壓電源通過R1、VD2對電容C充電，充電時間常數為1=C(R1+R3)。當t51時，認為電容C充滿。當V1為正脈沖時，IGBT開通，電容C通過開關管VQ、R2和二極管VD1對探頭放電，放電時間常數為1=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負脈沖的激勵后便產生一定頻率的超聲波。圖3-2 激勵脈沖產生電路電路中元件作用：1)電阻R1用來限制充電時高壓電源對電容C的充電電流，即起到限流作用。并減小發射單元工作時對電源的影響 ，從這點考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復頻率f較高，為了使電容C在觸發前能充滿電，就必須滿足CR1緩存器-處理器”就成為一種通用模式。并行傳輸速度快，能夠滿足高速系統的需要。信號采集電路組成部分包括差分變換電路、A/D轉換電路、FIFO緩沖電路。3.3.2.1差分變換電路該電路的功能就是實現將單端輸入變成差分輸出，這種功能在現代高速模數轉換電路中是非常有用的。部分A/D轉換芯片都有兩種電壓輸入方式:單端輸入和差分輸入方式。單端輸入實現簡單，但性能相對較差。相比較，后者雖然實現較為復雜，但可提供最佳的總諧波失真和無雜波失真動態范圍。所以絕大多數的高速A/D芯片都需要模擬信號為差分輸入。如果采用單端輸入，必然會使A/D轉換結果的二次諧波增大，降低信噪比SNR。因此，系統設計采用差分輸入方式。與單端方式相比，差分輸入主要具有以下優點:輸入信號動態范圍加倍；對共模噪聲不敏感；有效抑制偶次諧波;對輸入信號調理電路要求較低。本系統選用的差分轉換芯片是由AD公司生產的AD8138，這是一款專門用于模數轉換器的驅動器件，實現將單端輸入轉換成差分輸出。該器件具有較寬的模擬帶寬，增益-3dB時的帶寬可達320MHz。其輸入阻抗高達6M，完全可以直接與輸入信號相連而不需要隔離放大器。3.3.2.2A/D轉換電路該電路實現模擬輸入信號轉化為N位2進制數字信號的輸出。ADC器件是采集電路中的核心器件，它的性能對采集電路的整體性能有著非常大的影響。它的兩個關鍵的性能參數是最高采樣頻率和字長，最高采樣頻率決定了不發生頻率混疊的最大的輸入信號頻率，字長決定了信號的最小量化誤差。根據香農采樣定律可知，當采樣頻率大于等于信號最高頻譜成分的兩倍即可保存信號所包含的所有信息。但對于超聲信號而言，由于一般情況下超聲信號中的最高頻率成分要比信號的中心頻率大許多，所以如果希望超聲信號經過數字化而不會產生明顯的失真，則需要的采樣頻率至少為超聲中心頻率的6-8倍，而往往在實際的應用中采用的采樣頻率會更高。本系統中超聲探頭的中心頻率為2.5M，所以系統選擇的采樣頻率25MHz。本系統選用流水線型ADC器件，型號為AD9283，其有以下特點：分辨率為8位，最高采樣速率為50MSPS，封裝模式為20腳SSOP，體積較??；差分輸入方式，單電源，低功耗，休眠狀態時功耗只有4.2mW；可以利用內部的參考電壓，將VREFOUT與VREFIN相連時，模擬輸入的范圍在正負0.512伏之間；可以獲得很好的信噪比，對信號干擾很小，適合微弱信號的采樣。3.3.2.3FIFO緩沖電路高速緩存器有兩種選擇:雙口RAM和FIFO(先進先出緩沖器)。雙口RAM方式速度快，但需要占用PC機大量而寶貴的存儲器地址資源，使用時還要注意避免地址沖突；FIFO方式速度同雙口RAM一樣，由于沒有地址總線，不會產生地址沖突，接口電路簡潔且不占用系統地址資源，系統移植或升級換代方便。在實際應用中，利用FIFO芯片，僅占用少量的系統資源就實現了數據的快速傳輸，而且控制簡單，不會產生地址沖突，可以方便緩存大量的數據塊。IDT公司的FIFO存儲器IDT72V251比較適合本系統，其最快訪問時間為10ns，可以滿足AD9283的采樣速率;容量為8K9，可以滿足數據量要求。IDT72V251是單向異步、高速、低功耗的先進先出存儲緩沖器。結束語本課題在超聲波理論的基礎上，結合了現代的數字信號處理技術，微電子技術等，設計了一種簡單、可靠、實用的超聲波檢測電路，能夠產生頻率和發射功率可調的超聲波，可以對厚度在4mm-120mm的鑄鐵工件進行裂紋、砂眼、未焊透或未融合的焊縫等多種缺陷的探傷。它吸取了多種超聲波檢測儀器結構簡單、性能優良、攜帶方便的特點，并進行了優化設計，提高了系統的整體性能，在檢測裝置靈敏度和抗干擾方面也取得了良好效果。主要完成了一下工作：設計了超聲波發射模塊，該模塊采用一種可控高壓電源設計方案，能輸出0-1000V電壓。并分析了激勵脈沖對超聲波信號的影響、電路中各個元件對超聲波激勵脈沖的影響。從理論上得出發射電路中各個電阻與激勵脈沖電壓電流的數學關系，對發射模塊進行了仿真，經驗證該電路發射的超聲波功率、脈沖寬度和重復頻率均可調，能滿足多種檢測需求。在超聲波接收模塊中，通過回波信號調理電路和信號采集電路實現了對回波信號的放大、濾波、數據采集等處理，提高了回波信號的信噪比和檢測的準確性，為下一步回波信號的分析處理、實現對缺陷的準確判斷、定位、定量提供了有利條件。盡管本文在超聲檢測系統方面做了一些有益探索與研究，可為無損檢測技術提供一定的借鑒，但由于時問和條件的限制，對一些問題未作更深入的研究，對于后續的工作，提出以下的改進意見：超聲波信號采集電路還需要