自動探傷系統(tǒng)概述

自動探傷系統(tǒng)簡介

超聲波探傷技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域中占有極其重要的地位。 近年來, 計算機軟硬件技術(shù)、 高速數(shù)字信號處理技術(shù)、 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展, 使無損檢測技術(shù)在數(shù)據(jù)處理手段、 儀器檢測性能、 設(shè)備系統(tǒng)化和智能化程度方面取得了巨大進步。 目前已經(jīng)誕生了多種數(shù)字化便攜式探傷儀 , 然而自動化超聲波探傷系統(tǒng)仍以多通道模擬方式為主。

自動探傷系統(tǒng)中，基于嵌入式DSP 子系統(tǒng)可以滿足用戶對探傷的實時性要求, 實現(xiàn)實時報警、 缺陷定位和當(dāng)量計算; 另一方面, 利用PC 機強大的處理能力和豐富的資源, 完成對缺陷回波信號的后續(xù)處理。

自動探傷系統(tǒng)超聲波探傷

超聲波在介質(zhì)中傳播時有多種波型，檢驗中最常用的為縱波、橫波、表面波和板波。用縱波可探測金屬鑄錠、坯料、中厚板、大型鍛件和形狀比較簡單的制件中所存在的夾雜物、裂縫、縮管、白點、分層等缺陷；用橫波可探測管材中的周向和軸向裂縫、劃傷、焊縫中的氣孔、夾渣、裂縫、未焊透等缺陷；用表面波可探測形狀簡單的鑄件上的表面缺陷；用板波可探測薄板中的缺陷。

如圖《DAUTD系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)》給出一個基于PC-DSP的數(shù)字化超聲波自動探傷系統(tǒng)( DAUTD)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)由探頭陣列、機械傳動裝置、傳動控制卡、4× 4模擬通道處理板、電源控制與同步觸發(fā)板、數(shù)字信號處理板、工控機及其外設(shè)組成。

系統(tǒng)采用DSP系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、自動增益控制、實時門限報警、傳動設(shè)備控制等問題; 采用標(biāo)準(zhǔn)的工控機,是吸收了虛擬儀器的思想,以便實現(xiàn)多通道的智能化管理,以及波形顯示、數(shù)據(jù)分析、用戶可視化操作、探傷報告打印。主從機之間通過PC機并口和DSP主機接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

自動探傷系統(tǒng)模擬部分

DAUTD的模擬部分包括超聲波收發(fā)電路、數(shù)控放大/衰減器、可控模擬濾波器陣列。超聲波收發(fā)電路采用600V、400V負脈沖激勵; 增益控制電路由一級固定20dB 放大, 二級壓控放大器提供- 20～ 60dB 的衰減和放大, 則整個系統(tǒng)增益設(shè)計為80dB, 最小步進0. 1dB; 可控濾波器設(shè)定為多種寬帶濾波模式, 如0～ 15M Hz、2～ 20M Hz 等, 最高工作頻段為20M Hz。

自動探傷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與嵌入式DSP 子系統(tǒng)

嵌入式DSP子系統(tǒng)是一個高速數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速波形數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)字包絡(luò)檢波、實時報警、自動增益控制、主從機的通信等功能。

其中, ADC信號前端采用多路模擬開關(guān),實現(xiàn)對16路模擬信號的選通,最高切換速率16k Hz /s。ADC采樣率為60M Hz,采樣分辨率10bit ,可以實現(xiàn)對20M 寬帶射頻信號實時采樣。采樣后的數(shù)據(jù)進入CPLD中,經(jīng)過數(shù)字檢波和非均勻壓縮后用高速異步FIFO作為緩沖。

如圖《DAUTD系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖》所示,在PC-DSP硬件平臺上,選用雙重操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在DSP上運行嵌入式實時操作系統(tǒng)DSP /BIOSⅡ 來解決自動化探傷中的高速中斷響應(yīng)、多任務(wù)調(diào)度、外設(shè)控制、門限報警等問題; 在主機上采用WIN2000操作系統(tǒng)和基于V C 應(yīng)用程序,完成4通道波形實時顯示, 16通道波形任意切換、用戶指令操作等任務(wù)。

自動探傷系統(tǒng)DSP嵌入式實時操作系統(tǒng)

作為一個可配置的操作系統(tǒng)內(nèi)核服務(wù)例程的集合, DSP /BIOSⅡ 提供了基于搶占式優(yōu)先級的多線程任務(wù)管理,跨平臺的實時內(nèi)核分析和硬件資源的靜態(tài)配置。嵌入式DSP子系統(tǒng)軟件包括兩個模塊: 應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序執(zhí)行對基本硬件初始化、系統(tǒng)資源的配置、外設(shè)訪問控制、硬件中斷服務(wù)例程、進程間的實時調(diào)度; 應(yīng)用軟件實現(xiàn)用戶的功能要求。

自動探傷系統(tǒng)PC機應(yīng)用程序

在WIN2000操作系統(tǒng)上, 編寫了客戶服務(wù)端軟件。在VC 6. 0編寫的應(yīng)用程序基本框架下,生成可視化儀器操作面板,實現(xiàn)了四通道波形的實時顯示,16通道波形間的任意切換,可獨立對任意通道實現(xiàn)增益校正、進波門和失波門的設(shè)置、探頭參數(shù)測定、繪制DAC曲線、自動生成探傷工作報告等工作。作為一種虛擬探傷系統(tǒng),在V C 的平臺上構(gòu)建一個通用探傷的數(shù)據(jù)庫。用戶不但可以根據(jù)實際需求選擇相應(yīng)的探傷標(biāo)準(zhǔn)和探傷設(shè)備的技術(shù)指標(biāo),而且在T I Code Composer Studio 平臺和ALTERA MUX plusII 10. 0平臺的支持下,可以實現(xiàn)對嵌入式DSP子系統(tǒng)的硬件和軟件重構(gòu)。例如,根據(jù)回波信號的特點和探傷現(xiàn)場的干擾狀況,選擇不同的濾波器結(jié)構(gòu)、參數(shù)和不同的實時報警策略,這充分體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)點。

自動探傷系統(tǒng)高速A /D 及數(shù)字檢波技術(shù)

超聲波缺陷信號時基時間寬度一般為0. 6～2. 0μs,上升測時間為10～ 40ns ,為了達到不失真采樣,對5M Hz工作頻率的超聲波探頭,至少需要40～60M Hz的采樣速度。傳統(tǒng)的數(shù)字化探傷設(shè)備,由于A /D采樣速度的限制,采樣前需要模擬包絡(luò)檢波。這導(dǎo)致了超聲波缺陷回波的細節(jié)失真,降低了對缺陷的分辨力。另外,由于全波或半波檢波,導(dǎo)致高增益時出現(xiàn)基線抬高的問題,影響了系統(tǒng)性能指標(biāo)。

而采用高速A /D 芯片, 采樣速率60M Hz, 分辨率10 位。 這就可以采用數(shù)字檢波技術(shù)取代模擬包絡(luò)檢波電路, 從而解決了上述問題并簡化了模擬部分的電路。 通過對采樣的數(shù)據(jù)進行簡單的邏輯運算, 就可使系統(tǒng)靈活配置全波、 /- 半波、 射頻4 種檢波方式。

自動探傷系統(tǒng)軟閘門實時報警技術(shù)

自動探傷設(shè)備對報警的實時性要求很高。傳統(tǒng)的探傷設(shè)備的閘門報警是由模擬電路實現(xiàn)的,需要閘門的動態(tài)補償。這部分電路雖能滿足報警實時性,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易受干擾。探傷設(shè)備全數(shù)字化后,出現(xiàn)了軟閘門報警技術(shù),即采用軟件的方法進行波形閘門比較。其優(yōu)點在于閘門的設(shè)定非常靈活,控制簡單,操作可靠,結(jié)合各種抗干擾數(shù)字濾波技術(shù),可以極大的提高報警的準(zhǔn)確性。

對數(shù)字系統(tǒng)而言,要滿足實時性要求,系統(tǒng)必須在一個重復(fù)頻率周期內(nèi)實現(xiàn)對缺陷的報警。這對數(shù)據(jù)處理的速度要求很高,因此算法必須由高速DSP實現(xiàn)。在不同應(yīng)用場合,可以設(shè)定不同的DAC進波報警門、DAC失波報警門、動態(tài)定量門,并采用了數(shù)字濾波和數(shù)字相關(guān)報警技術(shù),極大的提高了DAUTD（數(shù)字化超聲波自動探傷系統(tǒng)）的檢測性能。 2100433B

工作原理

，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。

目前便攜式的脈沖反射式超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個鋼工件中存在一個缺陷，由于這個缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個界面之后，就會發(fā)生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。2100433B