虛擬超聲波無(wú)損探傷系統(tǒng)前端電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

O 引 言
    隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備和裝備的運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、提高生產(chǎn)率、降低成本等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，無(wú)損檢測(cè)也已經(jīng)發(fā)展成為一門獨(dú)立的綜合性學(xué)科，而超聲波探傷技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位，在很多領(lǐng)域均獲得非常廣泛的應(yīng)用。
    由于超聲波無(wú)損探傷設(shè)備在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，其對(duì)探頭的要求不同，對(duì)接收的回波信號(hào)的處理算法也不同，因此某一類的無(wú)損探傷設(shè)備，通常只能適應(yīng)于一種或幾種應(yīng)用場(chǎng)合。為使超聲波探傷設(shè)備具有更好的應(yīng)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(wú)損探傷設(shè)備。虛擬超聲探傷系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的功能來(lái)模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板，以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，利用軟件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算、分析和處理。利用輸入輸出(I／O)接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)試，從而完成各種測(cè)試功能的超聲無(wú)損探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。在設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字超聲系統(tǒng)時(shí)，必須結(jié)合傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)中模擬通道的設(shè)計(jì)，因?yàn)槿魏我粋€(gè)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(hào)調(diào)理電路才能進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)的處理工作，這些電路的設(shè)計(jì)將直接影響到整個(gè)超聲探傷系統(tǒng)工作的可靠性和測(cè)試精度。這里設(shè)計(jì)的電路就是在進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前的前端電路。

1 虛擬式超聲波無(wú)損探傷設(shè)備的系統(tǒng)組成
    超聲檢測(cè)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(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。用于固體材料超聲檢測(cè)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(cè)厚，但目前已很少用；第三類指示反射聲波的幅度和運(yùn)行時(shí)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(cè)法來(lái)設(shè)計(jì)的。
    脈沖反射法的基本原理如圖1所示，一般只利用一個(gè)探頭發(fā)射兼接收。當(dāng)工件完好時(shí)，顯示器上只有始波T和底面回波B，如圖1(a)所示。當(dāng)工件中有小于聲束截面的小缺陷時(shí)，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(duì)缺陷的大小進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)缺陷回波F與始波T之間的時(shí)間差可以得到缺陷的埋藏深度。有缺陷回波時(shí)，底面回波高度下降。當(dāng)工件中有大于聲束截面的大缺陷時(shí)，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。

虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心控制器件，數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)結(jié)合專用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行完成，然后利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理，結(jié)合LabVIEW應(yīng)用軟件進(jìn)行探傷系統(tǒng)的面板設(shè)計(jì)和部分功能的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。單片機(jī)控制發(fā)射電路發(fā)射400 V的高壓窄脈沖，激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波，并隨之切換開關(guān)至信號(hào)接收電路。同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。單片機(jī)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊(如脈沖重復(fù)頻率、脈沖占空比和增益調(diào)節(jié)等)采用USB接口來(lái)進(jìn)行。

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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(guān)鍵部分，對(duì)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(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種。調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調(diào)諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖，脈沖的頻帶較寬，可以適應(yīng)不同頻帶范圍的探頭，此時(shí)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(guó)K．K公司(Krautkramer)的B5S單晶縱波直探頭。該探頭具有5 MHz的標(biāo)稱頻率，15～6 000 mm的工作量程和11O mm的近場(chǎng)長(zhǎng)度。為便于系統(tǒng)的靈活調(diào)試，采用非調(diào)諧式發(fā)射電路，其脈沖控制參數(shù)可以通過(guò)核心控制器AT89C52單片機(jī)方便地進(jìn)行修改設(shè)定，發(fā)射電路如圖3所示。

在發(fā)射電路中，高壓直流通過(guò)限流電阻R1，隔直電容C被充電到VH，在常用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)中，VH電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內(nèi)。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(gè)高速開關(guān)器件在此受單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制。在低電平時(shí)，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(hào)到達(dá)時(shí)，晶閘管Q處于導(dǎo)通狀態(tài)，引起電容C經(jīng)晶閘管Q和可調(diào)電阻R2放電，在R2上產(chǎn)生激勵(lì)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(guò)改變R2的阻值來(lái)改變發(fā)射的強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器的分辨力低，適合探測(cè)厚度大，對(duì)分辨率力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測(cè)近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪σ筝^高時(shí)予以采用。該設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)該晶閘管工作，特意選用了雙路功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器ICL7667設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路。發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓脈沖和超聲波信號(hào)如圖4所示。

2．2 限幅與接收放大電路
    當(dāng)檢測(cè)范圍很大時(shí)，深度缺陷或底波的反射波信號(hào)很微弱，因此在處理之前需要進(jìn)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(hào)很強(qiáng)，它同時(shí)作用于接收電路，而且在實(shí)現(xiàn)的測(cè)試過(guò)程中，有可能加進(jìn)強(qiáng)干擾，因此為保護(hù)放大電路不致?lián)p壞，使放大電路能處于線性的動(dòng)態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號(hào)進(jìn)行限幅，限幅電路如圖5所示。圖中電阻R3相對(duì)于發(fā)射電路中的可調(diào)電阻R2要足夠大，用以消除接收電路對(duì)發(fā)射電路產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。選用具有較大正向電流的二極管(如2K61701)D2和D3構(gòu)成雙向限幅電路，防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進(jìn)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(dá)到了該電路的預(yù)期效果。限幅之后，便是放大電路，為了能夠測(cè)量幅度的變化值，在回波信號(hào)進(jìn)入放大器之前，先經(jīng)過(guò)已校準(zhǔn)的衰減器，以便于對(duì)信號(hào)幅度定量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的信號(hào)范圍。該設(shè)計(jì)選用AD(ANALOG DEVICES)公司推出的壓控增益放大器AD603進(jìn)行程控增益放大電路模塊的設(shè)計(jì)。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(diǎn)，其高達(dá)50 MΩ的阻抗能夠保證信號(hào)充分加載到后級(jí)電路中。AD603程控增益原理圖如圖6所示，其管腳說(shuō)明如表1所示。

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AD603提供精確的、可由管腳選擇的增益，且其增益線性可變，而且在溫度和電源電壓變化時(shí)有很高的穩(wěn)定性，增益變化范圍40 dB，增益控制轉(zhuǎn)換比例25 mV／dB，相應(yīng)速度為40 dB，變化范圍所需時(shí)間小于1μs。如圖6所示，AD603內(nèi)部包含一個(gè)七級(jí)R一2R梯形網(wǎng)絡(luò)組成的0～一42 dB的可變衰減器和一個(gè)固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通過(guò)外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變，以選擇AD603不同的增益變化范圍。AD603的這種可變?cè)鲆婀δ苁瞧渌\(yùn)算放大器所不能比擬的。

超聲回波信號(hào)由VINP進(jìn)入衰減器衰減后，再通過(guò)定增益放大器放大。衰減器的增益控制由控制電壓VG完成，VG是差動(dòng)輸入的增益控制電壓，即GPOS與GNEG之差，范圍是一O．5～+O．5 V。定增益放大器的增益可以通過(guò)外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)的方式改變，以選擇AD603不同的增益變化范圍。
    (1)當(dāng)AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK短接時(shí)，Gain(dB)=40VG+10；此時(shí)增益范圍為一10～+30 dB，帶寬為90 MHz。
    (2)當(dāng)AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK接上反饋電阻時(shí)，Gain(dB)=40VG+20；此時(shí)增益范圍為0～+40 dB，帶寬為30 MHz。
    (3)當(dāng)反饋端FDBK接地時(shí)，Gain(dB)=40VG+30；此時(shí)增益范圍為10～50 dB，帶寬為9 MHz。
    由此可見，AD603的增益控制是相當(dāng)靈活的。在實(shí)際的使用過(guò)程中，可以將多片AD603串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的放大和動(dòng)態(tài)范圍控制。本設(shè)計(jì)首先使用了單片AD603作為前置放大，之后使用了兩片AD603串聯(lián)使用作為AGC自動(dòng)增益放大。前置放大器如圖7所示。

如圖7所示，在設(shè)計(jì)中將輸出端VOUT和反饋端FDBK之間用電位器R3連接，可以靈活地選擇增益范圍。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R2，可以調(diào)整GPOS與GNEG間的電壓在0～0．5 V之間，如果將電位器R3的阻值調(diào)至0，則使得放大器的增益變化范圍是10～30 dB。AGC自動(dòng)增益放大電路的設(shè)計(jì)原理類同，限于篇幅，這里不再贅述。電路的輸出波波形如圖8所示。

3 帶通濾波電路
    高頻放大電路在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大的過(guò)程中會(huì)引入噪聲，為了對(duì)引入噪聲進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)整體的信噪比，需要設(shè)計(jì)帶通濾波器來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行濾除。該設(shè)計(jì)選用美信(MAXIM)公司生產(chǎn)的MAX4104設(shè)計(jì)了帶通濾波電路，其中心頻率為5 MHz，增益K=4，品質(zhì)因數(shù)Q=5，帶寬B=1 MHz。如圖9所示為帶通濾波電路及回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后的結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)
    介紹了虛擬式超聲波無(wú)損探傷設(shè)備的前端電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路功能，采用JB／T4730．3—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CSK—I A試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明這些電路能夠很好地完成在進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，電路性能穩(wěn)定可靠。