引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(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)揮著越來越大的作用，無損檢測也已經(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)在無損檢測領(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。

由于超聲波無損探傷設(shè)備在不同的應(yīng)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(shè)備，通常只能適應(yīng)于一種或幾種應(yīng)用場合。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)顯示器的功能來模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板，以多種形式輸出檢測結(jié)果，利用軟件功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的運(yùn)算、分析和處理。利用輸入輸出（I/O）接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)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(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虛擬式超聲波無損探傷設(shè)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(jìn)行研究，對試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進(jìn)而對其特定應(yīng)用性進(jìn)行評價(jià)的技術(shù)。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(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法來設(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的高度可對缺陷的大小進(jìn)行評估，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。

圖1 脈沖反射法基本原理

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，對測試結(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)至信號接收電路。同時(shí)啟動數(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接口來進(jìn)行。

圖2 虛擬數(shù)字超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guān)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(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的近場長度。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。

圖3 非調(diào)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(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，可以通過改變R2的阻值來改變發(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，適合探測厚度大，對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)動該晶閘管工作，特意選用了雙路功率MOSFET驅(qū)動器ICL7667設(shè)計(jì)了驅(qū)動電路。發(fā)射電路產(chǎn)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(dāng)檢測范圍很大時(shí)，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(jìn)行高增益放大處理。而由于探頭是收發(fā)一體的，發(fā)射信號很強(qiáng)，它同時(shí)作用于接收電路，而且在實(shí)現(xiàn)的測試過程中，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態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號進(jìn)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(diào)電阻R2要足夠大，用以消除接收電路對發(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，為了能夠測量幅度的變化值，在回波信號進(jìn)入放大器之前，先經(jīng)過已校準(zhǔn)的衰減器，以便于對信號幅度定量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的信號范圍。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