1、山东科技大学学士学位论文 1 摘 要 超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的一种无损检测方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着重要的意义。尽管随着电子技术的发展，国内出现了一些数字化的超声检测仪器，但其数据处理及扩展能力有限，缺乏足够的灵活性。而虚拟仪器是近年来刚刚发展起来的一种新的仪器构成方式，它是一种计算机技术、通讯技术和测量技术相结合的产物，具有很大的灵活性和扩展性，具有旺盛的生命力。因而本设计尝试将虚拟仪器技术和超声检测技术相结 合， 基于 A T 8 9 C 5 2 单片机开发的 超声探伤仪智能系统的硬件组成、软件设计和抗干扰措施 ,以脉冲反射式超声探伤仪为代表研制完成一个良
2、好的数字化的超声检测平台， 该系统具有测量、数字显示、 A / D 转换等功能 , 并具 有工 作稳 定、 性能 好等 优 点。 为以 后进 一 步的更深入的超声数字信号处理研究打下了良好的基础。 关键词：无损检测 ；超声波探伤 ； AT 8 9 C 5 2 ；虚拟仪器； L a b V I E W 山东科技大学学士学位论文 2 Abstract A s a k i n d o f N D T ( N o n - D e s t r u c t i v e Te s t i n g )， U T ( U l t r a s o n i c Te s t i n g ) i s w i d e
3、l y u s e d i n m o d e r n i n d u s t r y, w h i c h p l a ys a v e r y i m p o r t a n t r o l e i n i m p r o v i n g t h e q u a l i t y a n d t h e r e l i a b i l i t y o f p r o d u c t . A l t h o u g h a l o n g w i t h t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t i n e l e c t r o n i c s , s
4、o m e d i g i t a l U T i n s t r u m e n t s h a v e b e e n d e v e l o p e d a t h o m e , i t s e x p a n d - a b i l i t y a n d t h e a b i l i t y o f p r o c e s s i n g d a t a l i m i t e d . V I ( Vi r t u a l I n s t r u - m e n t ) i s a n e w I n s t r u m e n t s t r u c t u r e d e v
5、 e l o p e d r e c e n t y e a r s a n d i s a n o u t c o m e w h i c h c o m b i n e s t h e c o m p u t e r t e c h n i q u e , t h e c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e t o g e t h e r w i t h t h e m e a s u r e t e c h n i q u e , w h i c h h a s h u g e e x p a n d a b i l i t y, f l
6、e x i b i l i t y a n d t h e p r o s p e r o u s v i t a l i t y. S o a m e t h o d o f t r yi n g t o c o n j o i n t h e V I a n d t h e U T i s b r o u g h t o u t a n d a d i g i t a l U T D e v i c e b a s e d o n A t y p e u l t r a s o n i c f l a w d e t e c t o r h a s b e e n m a d e , t
7、h e h a r d w a r e c o m p o s i t i o n , s o f t w a r e d e s i g n a n d a n t i 2 - i n t e r f e r e n c e m e a s u r e s o f t h e i n t e l l i g e n t u l t r a s o n i c f l a w d e t e c t o r s y s t e m b a s e d o n A T 8 9 C 5 2 m o n o l i t h i c u n i t a r e d e s c r i b e d .
8、T h e s y s t e m h a s 山东科技大学学士学位论文 3 a c c u r a t e m e a s u r e m e n t , d i g i t d i s p l a y , A / D c h a n g e , n d i t h a s h i g h s t e a d y f u n c t i o n w h i c h w i l l b e h e l p t o t h e f u r t h e r r e s e a r c h o n u l t r a s o n i c d i g i t a l s i g n a l p r o
9、 c e s s i n g i n f u t u r e . K e y w o r d s： N D T ( N o n - D e s t r u c t i v e Te s t i n g )； U T ( U l t r a s o n i c Te s t i n g ) AT 8 9 C 5 2； L a b V I E W ； V I ( Vi r t u a l I n s t r u m e n t ) 山东科技大学学士学位论文 4 目 录 摘 要 . 1 Abst rac t . 2 目 录 . 4 第一章 绪论 . 6 设计的背景及意义 . 7 第二章 超声波及超声
10、检测的原理 . 9 2 . 1 超声波的基本性质 . 9 2 . 1 . 1 超声波的速度及波长 . 9 2 . 1 . 2 超声波的衰减 . 10 2 . 2 超声换能器 . 11 2 . 2 . 1 超声换能器的定义及分类 . 11 2 . 2 . 2 超声换能器的主要性能参数 . 12 2 . 3 超声波探伤的原理 . 13 2 . 3 . 1 超声波探伤方法的分类 . 13 2 . 3 . 2 脉冲反射式超声探伤仪的原理 . 14 第三章 系统硬件设计 . 18 3 . 1 系统硬件整体结构框图 . 18 3 . 2 单元电路 . 19 3 . 2 . 1 AT 8 9 C 5 2 单
11、片机 . 19 3 . 2 . 2 发射电路 . 21 3 . 2 . 3 信号调理电路 . 23 3 . 2 . 4 6 0 0 v 电源电路 . 32 3 . 2 . 5 . + 5 v 电源电路以及 - 5v 电源 电路 . 33 3 . 3 上位机处理设计 . 35 3 . 3 . 1 基于 L a b V I E W 的单片机串口通讯设计 . 35 3 . 3 . 2 基于 L a b V I E W 的软件设计 . 37 第四章 总结 . 41 山东科技大学学士学位论文 5 第五章 主要参考文献 . 42 第六章 致谢词 . 43 山东科技大学学士学位论文 6 第一章 绪论 随着现
12、代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。 由于超声波无损探伤设备在不同的应用场合，其对探头的要求不同，对接收的回波信号的处理算法也不同，因此某一类的无损探伤设备，通常只能适应于一种或几种应用场合。为使超声波探伤设备具有更好的应用范围、更高的处理算法和更快的更新周期，可采用虚拟式超声波无损探伤设备。虚拟超声探伤系统是利用计算机显示器的功能来模拟传统探伤仪的控制面板，以多种形式输出检测结果，利
13、用软件功能来实现数字信号的运算、分析和处理。利用输入输出 ( I / O )接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的超声无损探伤系统。该系统是虚拟仪器技术与传统超声探伤系统相结合的产物。在设计虚拟数字超声系统时，结合传统超声探伤系统中模拟通道的设山东科技大学学士学位论文 7 计，因为任何一个超声探伤系统都必须包括超声波的发射电路、接收电路和信号调理电路才能进一步进行后续的处理工作，这些电路的设计将直接影响到整个超声探伤系统工作的 可靠性和测试精度。 设计的背景及意义 在无损检测过程中不但要完成是否存在缺陷的判断，而且要实现一些工艺参数的测量，进而对被检测的材料或工件进行性能的
14、评估。对于超声检测而言，其应用中的硬件电路具有很大的相似性，因而如何灵活、准确的从通过介质的超声波中提取包含被检测物体特征的信号成为关键，它对系统的数字信号处理能力和灵活性提出了很高的要求。数 字 化 的超 声 检 测 仪 采 用了 单 片 机 或者 D S P 作 为 数 据处理单元，可以实现一定的数据处理能力，但其硬件或固化的软件的开发形式缺乏灵活性，不利于用户二次开发升级，而从虚拟仪器的产生动机 和特点可以看到，虚拟仪器的产生 正 是 顺 应 了 仪 器 发 展 的 潮 流 ， 就 如 美 国 NI（ N a t i o n a l I n s t r u m e n t )公司所提出的
15、 “软件即仪器 ”的 概 念 那 样 ， 它十分重视在相同的硬件条件下，用不同的软件分析处理技术来实现不同仪器的功能，它提供的大量的分析处理函数库山东科技大学学士学位论文 8 为信号的分析处理提供了有力的支持，因而将超声检测与虚拟仪器相结合有着重要的意义，有助于超声检测的良性发展。 山东科技大学学士学位论文 9 第二章 超声波及超声检测的原理 2.1 超声波的基本性质 通 常 人 耳 能 够 听 到 的 声 波 的 频 率 范 围 在 20- 2 0 0 0 0 H z之间，人们习惯上把频率超过 2 0 K H z 的声波称为超声波。超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两个条件，一
16、是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。 波 的 种 类 是 根 据 介 质 质 点 的 振 动 方 向 和 波 动 传 播 方 向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制 品。 2 . 1 . 1 超声波的速度及波长 声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同山东科技大学学士学位论文 10 种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定
17、的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。 超声波的频率、波长和声速之间的关系如下 : fc/ (2- 1) 其中 为超声波的波长、 c 为超声波在介质中的的波速、 为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。 2 . 1 . 2 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫做超声的衰减。 超声衰减的三种主要原因 : 声束扩散引起的超声波衰减 散射引起的超声波衰减 由介质吸收引起的超声波衰减
