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一种基于FPGA的A超数字式探伤系统的研究

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:简略介绍了超声探伤的基本原理,并在此基础上提出了一种基于FPGA的A型数字式超声系统的构成方式,着重介绍了系统的硬件构成。其中,基于FPGA的数字信号处理模块从根本上解决了传统A型探伤仪的采样速度低、处理速度慢的问题。

    关键词:MCS196kc单片机 无损检测 超声波探伤 FPGA 数字信号处理 DAC曲线

超声波是一种机械波,机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波在媒介中传播,有波的叠加、反射、折射、透射、衍射、(范文先生网www.fwsir.com收集整理)散射及吸收衰减等特性,一般遵循几何光学的原则。A超探伤仪采用幅度调制(Amplitude Modulation)显示,在显示屏幕上以横坐代表被测物的深度,纵坐标代表回放脉冲的幅度。

超声波探伤的方法很多,按其原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。本系统采用脉冲反射法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内,根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等,这里只介绍缺陷回波法。图1是缺陷回波法示意图。当试件完好时,超声波可顺利传播到达底面,探伤图形中只有表面发射脉冲T及底面回波B两个信号,如图1(a)所示;若试件中存在缺陷,在探伤图形中,底面回波前有表示缺陷的回波F,如图1(b)所示。

整个系统的硬件原理结构如图2所示,主要包括模拟和数字两部分,以下分别介绍。

1 模拟部分

该系统的模拟部分主要由发射电路、限幅机构、高频放大、带通滤波、检波等几部分组成。

图2 超声检测系统的硬件构成

    发射电路主要用来产生高压窄脉冲信号(400V),以激励超声波探头发射超声波。由于不同探头的谐振频率不同,所以要求脉冲激励信号的宽度可调。在发射电路的设计中,由FPGA提供给发射电路低压可调脉宽的激励信号,再由发射电路将其转换为高压的窄脉冲激励信号,其脉冲宽度可变。

隔幅机构是对某些过大的回波电信号进行电压幅值的限制,以免电压过大影响后继高频放大器的正常工作,甚至烧毁电路器件。限幅电路的限幅幅值为±3V左右。一种基于FPGA的A超数字式探伤系统的研究

高频放大电路用来对回波电信号进行放大,放大范围可从-10dB到110dB。由于测试对象钢板的厚度不一,故回波信号的强弱也不定。所以,要把高频放大电路设计成可以动态控制增益值的程控放大电路,可通过MCU来实现。

带通滤波电路对信号放大过程中引入的噪声进行控制。由于超声探头的发射频率范围较宽(400kHz~10MHz),如果使放大器通带范围固定为400kHz~10MHz,势必影响滤波效果。在本文中,设计了可程控的两组带通滤波电路,其带宽范围分别为400kHz~2.5MHz和2.5MHz~10MHz。

超声波探伤系统回波波形的显示方式通常有两种:射频显示(不检波显示)和视频显示(检波显示),如图3所示。射频显示可以保持波形状态,有助于缺陷性质的识别;而视频显示则有利于峰值采集,以便确定缺陷当量。为了分别满足这两种显示的要求,在设计中加入了检波与非检波的切换电路,电路的切换受MCU控制。

2 数字部分

2.1 微控制单元

该系统的数字部分以微控制单元(MCU)作为整个超声检测系统的控制核心。在此选用了Intel公司的16位单片机MCS196kc,该MCU不但具有16位的数据运算功能,而且提供了强大的控制能力。其实现有的功能主要有:(1)控制显示模块和键盘接口模块,实现人机界面的交互;(2)完成检测结果的存储、打印;(3)提供与微机之间可靠的数据传输;(4)实现对电源模块的管理;(5)调节模拟部分中运放的放大增益倍数。
一种基于FPGA的A超数字式探伤系统的研究
    2.2 基于FPGA的实时数字信号处理单元

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