超聲探傷儀檢定裝置研究范文

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《中國測試雜志》2014年第三期

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)都是基于復(fù)雜可編程邏輯器件（complexprogramablelogicdevice，CPLD）進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)[1]。CPLD是一種復(fù)雜的、整合性較高的邏輯元件，許多個(gè)邏輯方塊（logicblocks）組合而成，邏輯方塊間的相互關(guān)系則由可變的連線架構(gòu)，合成整個(gè)邏輯電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)[2-3]。

1.1數(shù)據(jù)采集

1.1.1衰減量采集精密可調(diào)衰減器是該超聲探傷儀檢定裝置的重要部件，它采用精密電阻網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的衰減以及利用該信號(hào)對被測超聲探傷儀的部分指標(biāo)進(jìn)行測試。衰減[4]器分4擋（×20dB、×10dB、×1dB、×0.1dB），總衰減值達(dá)81dB。為了同步獲取衰減器的衰減值，并確保采集電路不對衰減值產(chǎn)生影響，在原衰減器的波段開關(guān)旋軸上加裝同軸取樣開關(guān)，并通過并行編碼方法，實(shí)現(xiàn)對衰減量波段開關(guān)簧片位置的檢測，從而同步獲取衰減值，并對3擋衰減值分別采用16線轉(zhuǎn)4位BCD碼的方式進(jìn)行編碼[3，5]。實(shí)現(xiàn)框圖見圖2。

1.1.2頻率采樣檢定裝置輸出的信號(hào)頻率從200kHz~16MHz，波形為脈沖組方式，脈內(nèi)波數(shù)為5~40個(gè)。如果用脈沖調(diào)制后的輸出信號(hào)測頻，不僅會(huì)造成測頻不連續(xù)，而且測量值不準(zhǔn)確，因此需要從超聲波信號(hào)產(chǎn)生電路中取樣。測頻采用計(jì)數(shù)器方法[6-8]，由80MHz高穩(wěn)定晶振產(chǎn)生計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間（0.1s），超聲波信號(hào)經(jīng)過整形、分頻，送進(jìn)計(jì)數(shù)器，最后將計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的20bit數(shù)字信息送入寄存器，供后續(xù)接口電路使用。頻率采樣的硬件實(shí)現(xiàn)框圖見圖3。根據(jù)計(jì)數(shù)式頻率計(jì)的原理分析，頻率計(jì)的誤差來自于晶振誤差和量化誤差兩個(gè)方面。通常晶振的誤差可以通過選用穩(wěn)定性高的晶振來減小，而量化誤差則是由于不確定計(jì)數(shù)信號(hào)的上升沿何時(shí)來而引起的，量化誤差總是存在的，且等于±1。被測信號(hào)頻率記為f，脈沖個(gè)數(shù)為N，計(jì)數(shù)基準(zhǔn)周期為T，因?yàn)榫д褚话惚容^穩(wěn)定，所以忽略晶振誤差，則由量化引起的誤差為±1/N。為減小量化誤差可以選用倍頻單元，將時(shí)基信號(hào)擴(kuò)大后，這樣測得脈沖數(shù)N變大，以此減小量化誤差。這里將計(jì)數(shù)器的位數(shù)增加至24bit，輸入信號(hào)的分頻比減小10倍，取數(shù)據(jù)時(shí)取前20bit數(shù)據(jù)，這樣相當(dāng)于將量化誤差減小了10倍。檢定裝置輸出的信號(hào)頻率從200kHz~16MHz，要求的精度為kHz級(jí)，采用上述方法處理后，頻率計(jì)的最大頻率偏差為Δf=±1/20k=±0.05kHz完全滿足規(guī)程技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.1.3脈沖寬度采樣檢定裝置的脈沖寬度為0.3~200μs，通過信號(hào)變換，形成計(jì)數(shù)器的閥門信號(hào)、鎖存信號(hào)和清零信號(hào)，采用80MHz晶振作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，計(jì)數(shù)誤差為12.5ns，計(jì)數(shù)輸出[8]最大值達(dá)16000，因此采用16bit數(shù)字信號(hào)輸出，可以滿足測量要求。脈沖寬度采樣硬件實(shí)現(xiàn)框圖見圖4。

1.1.4脈內(nèi)波數(shù)檢定裝置采用脈沖調(diào)制的正弦波，其脈內(nèi)波數(shù)可由裝置面板的3×3鍵盤輸入，輸入值包括5~10以及20，30，40。脈內(nèi)波數(shù)測量[9]的硬件實(shí)現(xiàn)框圖見圖5，其方法是將鍵盤按鍵的10根離散線進(jìn)行BCD編碼，并通過鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)存入鎖存器內(nèi)。

1.2數(shù)據(jù)接口

為實(shí)現(xiàn)檢定裝置與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口通信的方式[10]，其硬件實(shí)現(xiàn)框圖見圖6。由80MHz晶振分頻產(chǎn)生38.4kHz的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)端口將上述電路搜集的衰減量、工作頻率、脈沖寬度和脈內(nèi)波數(shù)的數(shù)字信息進(jìn)行編碼、驅(qū)動(dòng)，可以將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理。檢定裝置與計(jì)算機(jī)之間RS-232串口通信傳輸遵循低位先發(fā)送、波特率為38.4kb/s、數(shù)據(jù)有效位為10位（含1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位）的原則，TS-232通信協(xié)議如表1所示。

1.3軟件設(shè)計(jì)

本研究利用計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，通過采用“虛擬儀器技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、顯示等功能。軟件設(shè)計(jì)接口協(xié)議如表2所示。通過圖形化的操作界面，可形成類同“示波器”的操作功能，包括信號(hào)幅度放大、減小，掃描時(shí)間增長、減小，以及脈沖信號(hào)幅度顯示等。在軟件設(shè)計(jì)中，利用C語言良好的可移植性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[11]，編寫“檢定裝置波形監(jiān)控程序”，用于對檢定裝置超聲信號(hào)波形的虛擬顯示，其軟件流程見圖7，波形顯示見圖8。圖8是典型的猝發(fā)音信號(hào)，其測試框圖見圖9。在軟件設(shè)計(jì)中，充分考慮了裝置運(yùn)行狀態(tài)，對猝發(fā)音的幅度、時(shí)間實(shí)時(shí)可調(diào)。

1.4數(shù)據(jù)處理

利用該檢定裝置對被測設(shè)備進(jìn)行檢測，利用Excel表格，人工輸入檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)JJG746-2004《超聲探傷儀》計(jì)量檢定規(guī)程的計(jì)算方法，在表格中置入公式編輯，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后通過Ex－cel-Word數(shù)據(jù)“超鏈接”轉(zhuǎn)換，完成檢定證書的自動(dòng)生成。

2結(jié)束語

對該裝置的數(shù)字化研究，實(shí)現(xiàn)了該裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸，裝置猝發(fā)音個(gè)數(shù)的測試及原始記錄、證書的自動(dòng)生成，為實(shí)現(xiàn)超聲探傷儀的自動(dòng)化檢測做了有益的探討和嘗試，可以促進(jìn)該領(lǐng)域測試技術(shù)手段的發(fā)展。對超聲探傷儀的測試，最終能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)測試，有賴于超聲探傷儀技術(shù)的進(jìn)步、測試手段和方法的不斷完善和提高，這也是以后研究的方向和最終目的。

作者：賀濤唐薇薇劉夏茹單位：中國測試技術(shù)研究院