專利名稱：小型全數(shù)字化寬頻帶超聲探傷儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于超聲無損探傷技術(shù)領(lǐng)域。
超聲探傷儀廣泛用于眾多工業(yè)及研究部門，用以發(fā)現(xiàn)不透明固體材料中可能存在的缺陷，例如空洞、夾雜、裂紋，并對(duì)缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。
一般超聲探傷儀包括主機(jī)和探頭兩部分，主機(jī)由發(fā)射器、接收器、顯示器等部分組成，如

圖1所示。其工作原理如下發(fā)射器輸出一個(gè)電脈沖，此電脈沖激勵(lì)探頭中的聲換能器，產(chǎn)生脈沖聲波，并向被檢測(cè)工件的內(nèi)部傳播。如果在傳播路徑中存在某種缺陷，聲波就會(huì)被該缺陷反射，反射的聲波被探頭中的聲換能器接收，產(chǎn)生一個(gè)回波電脈沖。于是，觀察是否出現(xiàn)這種回波信號(hào)，并以此判斷是否存在缺陷?；夭ㄐ盘?hào)對(duì)激勵(lì)脈沖的時(shí)間延遲表征了缺陷與工件表面之間的距離，而回波的幅度則與缺陷的性質(zhì)有關(guān)。
為了有效地觀察回波信號(hào)，探頭的輸出被送入主機(jī)內(nèi)的接收器。接收器完成限幅(防止后級(jí)放大器被激勵(lì)脈沖損壞)，高頻放大、檢波、低頻放大、衰減等主要功能，其輸出信號(hào)波形就顯示在主機(jī)內(nèi)的顯示器上，顯示器一般采用示波管。
一般超聲探傷儀的主要不足之處在于1、采用示波管作顯示器件，體積、重量較大；2、所用的激勵(lì)脈沖較寬，難于激勵(lì)高頻探頭，其工作頻率一般在25MHz以下，難于探測(cè)小尺寸缺陷；3、觀察到的回波信號(hào)不能及時(shí)得到記錄；4、采用模擬技術(shù)，難于對(duì)得到的回波信號(hào)進(jìn)行后處理。
為克服一般超聲探傷儀的某些不足之處，現(xiàn)已出現(xiàn)了采用數(shù)字技術(shù)的高級(jí)超聲探傷儀。在上述儀器的基礎(chǔ)上配置了外接計(jì)算機(jī)及其他外部設(shè)備，可以對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行后處理，可以接打印機(jī)打印測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。這種探傷儀價(jià)格昂貴，其體積和重量進(jìn)一步增加，不適宜于在復(fù)雜環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)操作，而且仍存在著一般探傷儀的某些不足，例如，工作頻率一般也不超過25MHz。
本實(shí)用新型的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種新型、全數(shù)字化的超聲探傷儀，使其具有小型化，整體性及寬頻帶應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地在各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下工作。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出一種小型全數(shù)字化超聲探傷儀，由主機(jī)和探頭所組成，主機(jī)包括發(fā)射器、接收器，與接收器相連將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所說的主機(jī)還包括對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的單片機(jī)控制板，分別與單片機(jī)相連的液晶顯示器及微型打印機(jī)，所說主機(jī)全部器件組裝在一個(gè)小型機(jī)箱內(nèi)。
本實(shí)用新型所說的發(fā)射器、接收器可采用能產(chǎn)生單極性的高壓窄脈沖和放大回波信號(hào)的通用發(fā)射／接收模塊，所說的探頭包括高頻探頭和低頻探頭。
本實(shí)用新型的主要區(qū)別特征在于回波信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入一個(gè)單片計(jì)算機(jī)控制板，經(jīng)過處理后結(jié)果顯示在一塊液晶顯示器(LCD)上，而不用示波管，顯示的內(nèi)容用一個(gè)微型打印機(jī)輸出；全部設(shè)備緊湊組裝在一個(gè)小型機(jī)箱之中，可以實(shí)現(xiàn)手持操作；適合于各種復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)工作；由于發(fā)射器產(chǎn)生單極性極窄高壓脈沖，使之可以配用很寬范圍內(nèi)的不同頻率的探頭，配用高頻探頭可檢測(cè)微小的缺陷，又可以配用低頻探頭以增加探測(cè)深度，滿足不同的探傷要求。
附圖簡(jiǎn)要說明圖1為已有的一般超聲探傷儀組成示意圖。
圖2為已有的高級(jí)超聲探傷儀組成示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中的單片機(jī)控制板電路原理圖。
圖5為本實(shí)施例外形整體示意圖。
圖6為本實(shí)施例工作流程圖。
本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例如圖3～6所示，結(jié)合附圖詳細(xì)描述如下該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，包括發(fā)射器、接收器、模／數(shù)變換板、單片計(jì)算機(jī)控制板，液晶顯示器(LCD)、微型打印機(jī)、及電源電路等組成部分。本例中的發(fā)射和接收采用由清華大學(xué)電子工程系生產(chǎn)的通用發(fā)射／接收模塊。其中的發(fā)射器部分產(chǎn)生單極性的高壓窄脈沖，脈沖幅度達(dá)400V(在50Ω負(fù)載止)，3db寬度小于8ns，可以有效激勵(lì)工作頻率10～100MHz的探頭。接收器部分總增益120db，增益可電控。整個(gè)發(fā)射／接收模塊的尺寸為110mm×55mm×45mm。接收器輸出的回波模擬信號(hào)輸入模／數(shù)(A／D)變換板進(jìn)行模數(shù)變換。
模／數(shù)變換板的最高采樣頻率為80MHz，動(dòng)態(tài)范圍為0～2.5V，數(shù)字量的精度為7位，尺寸為130mm×80mm。
顯示器采用MGLS－240128T型圖形／字符液晶顯示模塊，其屏幕有效尺寸為108mm×58mm，象素?cái)?shù)目為240(列)×128(行)?？梢酝ㄟ^對(duì)任意一個(gè)象素置1或置零來顯示任意圖形，也可以利用其內(nèi)藏的字符發(fā)生器直接在指定位置顯示常用字符。
打印機(jī)采用μP－A40P型微型面板式點(diǎn)陣打印機(jī)，每行打印點(diǎn)數(shù)為240點(diǎn)，可以打印任意曲線或圖形，也可利用內(nèi)藏字庫打印常用字符，其面板尺寸為111mm×62mm。
電源電路用以產(chǎn)生整機(jī)所需的各種工作電壓，包括＋5V(全部TTL電路)，－5V(電控放大器)，0～24V可調(diào)(LCD)，本電源電路的輸入電壓可以來自主機(jī)內(nèi)附的電池(6－MF－1.2型鉛酸電池，，工作電壓6V)，或來自整機(jī)之外的直流電源。
本實(shí)用新型的核心控制部分是單片機(jī)控制板，其詳細(xì)電路圖如附圖4所示，其中U1是8031型單片計(jì)算機(jī)，U2是74LS373觸發(fā)器，用以鎖存地址的低8位，U3是8K字節(jié)可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)2764，用于存儲(chǔ)程序，U4是8K字節(jié)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)6264，用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，U5是GAL16V8型門陣列，它將地址信號(hào)譯碼，產(chǎn)生各外部設(shè)備所需的控制信號(hào)。本控制板上有三個(gè)與外部設(shè)備相連的插座，分別是28線單排插座LCD，與液晶顯示模塊相連，26線雙排插座PRINTER，與微型打印機(jī)相連，62線雙排插座SOCKET1與模／數(shù)變換板相連，并通過此插座引入各種工作電壓，單片機(jī)的P1輸入／輸出口的8根I／O線(P10－P17)也由此插座引出接到鍵盤的按鍵上，這樣就可以通過按鍵與單片機(jī)通訊，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行所需的控制。
從附圖4可見，單片機(jī)8031的外部設(shè)備模／數(shù)變換板、RAM、EPROM、液晶顯示器及打印機(jī)等的數(shù)據(jù)線全都掛接在8031的數(shù)據(jù)總線(D0－D7)上，ROM和EPROM的地址線與8031的地址總線(A0－A15)相連。其中地址總線的高8位(A8－A15)由8031的P2口輸出，低8位(A0－A7)由P0口輸出并經(jīng)過74LS373鎖存，以實(shí)現(xiàn)P0的地址／數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。地址線中的A0、A1、A11－A15經(jīng)過門陣列譯碼提供各外設(shè)的控制信號(hào)，其中LCDCE是LCD選通信號(hào)，LCDW、LCDR分別控制LCD的讀、寫，／RST使LCD復(fù)位。RAM是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的選通信號(hào)，PRINT是打印機(jī)選通信號(hào)，它選通觸發(fā)器U6(74LS273)，使數(shù)據(jù)總線D0－D7中的數(shù)據(jù)進(jìn)入打印機(jī)。A／DR用于啟動(dòng)A／D變換，A／DW用于將變換得到的數(shù)字量接入數(shù)據(jù)總線。
以上所有部分，包括發(fā)射／接收模塊、A／D變換板、單片機(jī)控制板、LCD顯示器、微型打印機(jī)及電源電路被組裝在一個(gè)280mm(長(zhǎng))×180mm(寬)×90mm(厚)的小型機(jī)箱之內(nèi)，其外形圖如附圖5所示。其上面板安裝有液晶顯示器1，LCD對(duì)比度調(diào)節(jié)旋鈕3，LCD背光開關(guān)4，鍵盤5，電源開關(guān)6，電源選擇開關(guān)7，激勵(lì)脈沖輸出插座9，射頻輸出插座10，檢波輸出插座11，其側(cè)面板上安裝有微型打印機(jī)2和外接電源輸入插座8。
整機(jī)的工作過程如下接通電源時(shí)(附圖4中VCC接＋5V)或整機(jī)復(fù)位時(shí)(按下附圖4中的復(fù)位鍵KGY)，8031就開始執(zhí)行EPROM2764中駐留的工作程序，全部工作過程均由此工作程序來控制完成。可以通過編制不同的程序軟件來實(shí)現(xiàn)多種功能。以下描述本實(shí)施例采用的一種最基本的工作程序。該工作流程如圖6所示。整機(jī)啟動(dòng)后，依次執(zhí)行以下的子程序子程序“ADC”其操作是首先向發(fā)射器輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)使之輸出高壓激勵(lì)脈沖，從而接收器輸出回波模擬信號(hào)；同時(shí)啟動(dòng)A／D變換，將變換得到的數(shù)字量寫入RAM的一個(gè)單元中。A／D變換的采樣頻率為80MHz，共采集2K次，所得2K個(gè)數(shù)據(jù)依次存入RAM的2K個(gè)單元中，形成數(shù)字化的回波信號(hào)；子程序″MAX″由于LCD屏幕只有240×128個(gè)象素，不足以顯示全部2K個(gè)數(shù)據(jù)，故每一個(gè)回波脈沖都只用LCD上的一條豎線來顯示。為了顯示這些豎線，只需要知道各個(gè)回波脈沖的幅值和對(duì)激勵(lì)脈沖的時(shí)間延遲。子程序″MAX″處理RAM中的2K數(shù)據(jù)，找出其中的各最大值及其在RAM中的序號(hào)(即位于第幾個(gè)單元中，序號(hào)與該最大值在時(shí)域上的位置成正比)；子程序″LCDM″此子程序顯示得到的全部回波脈沖，方法是將各最大值的數(shù)字量(0－127)作為L(zhǎng)CD的Y(行)坐標(biāo)，其在RAM中的序號(hào)除以10作為X(列)坐標(biāo)，在LCD屏幕上顯示成一個(gè)點(diǎn)，此即一個(gè)回波脈沖的頂點(diǎn)。將此點(diǎn)以下同一列中的象素都顯示出來，就得到一條豎線，其高度即為該回波脈沖的幅度，而它在X方向上的位置則表示了該回波脈沖的時(shí)間延遲。采用上述的辦法，顯然，幅度的相對(duì)測(cè)量精度為1／128，而時(shí)間上的測(cè)量精度則為12.5ns，總顯示時(shí)間為25μs，相應(yīng)于一般金屬中70mm左右的探測(cè)深度。上述代表回波脈沖的豎線并不能顯示該回波脈沖的形狀。這是由于受到LCD在X(列)方向象素?cái)?shù)目的限制，沒有完全利用RAM中的全部數(shù)據(jù)。因此，為了提高時(shí)間測(cè)量精度，可以將最大值的準(zhǔn)確時(shí)間延遲用字符直接顯示在LCD上；為了顯示回波的實(shí)際波形，可以采用″窗口模式″，將選定的某個(gè)回波脈沖在RAM中的全部數(shù)據(jù)以曲線的形式完全顯示在LCD上，此時(shí)時(shí)間測(cè)量精度可以提高到10倍，而全部顯示時(shí)間也下降為1／10。
完成″LCDM″的全景顯示操作之后，單片機(jī)對(duì)它的一根I／O線P1.0進(jìn)行測(cè)試，該I／O線接在一個(gè)標(biāo)志為″凍結(jié)″的按鍵上，如果按鍵未按下，則P1.0是低電平，單片機(jī)就重新執(zhí)行子程序″ADC″，只要″凍結(jié)″按鍵未按下，則LCD上的顯示就不斷更新，反映探頭在試件上移動(dòng)時(shí)回波的變化。一旦″凍結(jié)″按鍵被按下，單片機(jī)轉(zhuǎn)而測(cè)試I／O線P1.1，該I／O線接標(biāo)志為″打印″的按鍵。在此鍵未被按下時(shí)，單片機(jī)將不斷測(cè)試P1.1，而LCD上顯示的就一直是最后一次A／D變換得到的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)圖象凍結(jié)。
當(dāng)“打印”鍵按下后，單片機(jī)執(zhí)行打印程序“PRINT”，將RAM中的數(shù)據(jù)按指定的格式打印輸出，測(cè)試結(jié)果得到永久的記錄。
應(yīng)該指出，以上的工作程序只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，單片計(jì)算機(jī)的使用提供了巨大的靈活性，可以通過編制不同程序軟件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜得多的功能。
本機(jī)可配用工作頻率為10～100MHz范圍內(nèi)的各種探頭，方法是用一根兩端裝有高頻插頭的柔性高頻電纜，其一端的高頻插頭與探頭連接，另一端的高頻插頭則與主機(jī)的激勵(lì)脈沖輸出插座(附圖5中的9，Q9型)連接。主機(jī)上的射頻輸出插座和檢波輸出插座(附圖5中的10，11，均為Q9型)輸出接收器中檢波前和檢波后的回波信號(hào)，以便必要時(shí)用外接示波器來觀察相應(yīng)的波形。
權(quán)利要求1.一種小型全數(shù)字化超聲探傷儀，由主機(jī)和探頭所組成，主機(jī)包括發(fā)射器、接收器，與接收器相連將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所說的主機(jī)還包括對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的單片機(jī)控制板，分別與單片機(jī)相連的液晶顯示器及微型打印機(jī)，所說主機(jī)全部器件組裝在一個(gè)小型機(jī)箱內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲探傷儀，其特征在于所說的發(fā)射器、接收器采用能產(chǎn)生單極性的高壓窄脈沖和放大回波信號(hào)的通用發(fā)射／接收模塊，所說的探頭包括高頻探頭和低頻探頭。
專利摘要本實(shí)用新型屬于超聲無損探傷技術(shù)領(lǐng)域。本裝置由主機(jī)和探頭兩部分所組成，主機(jī)包括發(fā)射器、接收器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)控制板、液晶顯示器及微型打印機(jī)，主機(jī)全部器件組裝在一個(gè)小型機(jī)箱內(nèi)。本裝置體積小、重量輕、可實(shí)現(xiàn)手持操作，適合于各種現(xiàn)場(chǎng)工作，可對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理、存儲(chǔ)、顯示并打印，且可配用很寬范圍內(nèi)的不同頻率的探頭，滿足不同的探傷要求。
文檔編號(hào)G01N29/04GK2205968SQ94215489
公開日1995年8月23日 申請(qǐng)日期1994年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月8日
發(fā)明者樂光啟, 蘇公雨, 陳戈林, 胡思正, 郭艷林 申請(qǐng)人:清華大學(xué)