超聲探傷儀檢定裝置數(shù)字化研究

賀 濤,唐薇薇,劉夏茹

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

超聲探傷儀檢定裝置數(shù)字化研究

賀 濤,唐薇薇,劉夏茹

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

針對(duì)ZJ-2A型超聲探傷儀檢定裝置的數(shù)字化研究，通過(guò)探討在檢定裝置內(nèi)部采用數(shù)據(jù)采集、編碼和傳輸?shù)确椒ǎ獠坎捎锰摂M儀器和數(shù)據(jù)處理等方法，設(shè)計(jì)一種對(duì)檢定裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)波形顯示以及數(shù)據(jù)處理的檢測(cè)系統(tǒng)。研究表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，狀態(tài)穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期效果。

超聲探傷儀；裝置；數(shù)字化；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引 言

超聲探傷儀計(jì)量的可靠性和準(zhǔn)確性涉及到產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用多臺(tái)儀器設(shè)備及適配器組合對(duì)超聲探傷儀技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這將帶來(lái)諸如儀器的適配系統(tǒng)誤差增加、計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)架繁復(fù)、人為因素較多、在線計(jì)量困難等問(wèn)題。

ZJ-2A型超聲探傷儀檢定裝置由中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院輻射研究所自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了該類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的猝發(fā)音信號(hào)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)衰減器一體化設(shè)計(jì)。能夠?qū)Τ曁絺麅x的電性能指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，完全滿足JJG 746-2004《超聲探傷儀》計(jì)量檢定規(guī)程各項(xiàng)電性能指標(biāo)的技術(shù)要求。

但是，由于技術(shù)手段的不足，利用該裝置計(jì)量時(shí)，人為因素的影響依然存在，而且數(shù)字化超聲探傷儀現(xiàn)已占據(jù)了絕大的市場(chǎng)份額，必然需要相應(yīng)的測(cè)試手段。在這種大環(huán)境下，有必要對(duì)ZJ-2A型超聲探傷儀檢定裝置進(jìn)行數(shù)字化研究。

1 系統(tǒng)組成、工作原理及要求

（1）組成、工作原理。包括機(jī)電一體化系統(tǒng)、脈沖信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信和實(shí)時(shí)處理的研制、測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)等。

裝置選擇規(guī)程要求的工作頻率，連接超聲探傷儀輸出端口，將發(fā)射脈沖輸入到裝置，經(jīng)過(guò)裝置的數(shù)

據(jù)采集、觸發(fā)系統(tǒng)、脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)的采集、觸發(fā)后，輸入到控制單元，再到信號(hào)發(fā)生器單元，然后輸出猝發(fā)音信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)衰減器輸出，將該信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)，并在顯示屏上顯示該猝發(fā)音信號(hào)列（組成和原理見(jiàn)圖1）。

（2）要求。對(duì)檢定裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)波形顯示以及數(shù)據(jù)處理等。數(shù)據(jù)更新率＞50Hz，波形幅度準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%。

2 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（complex programable logic device，CPLD）進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)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（logic blocks）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(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)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]。

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 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(duì)被測(cè)超聲探傷儀的部分指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。衰減[4]器分4擋（×20 dB、×10 dB、×1 dB、×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(duì)衰減值產(chǎn)生影響，在原衰減器的波段開(kāi)關(guān)旋軸上加裝同軸取樣開(kāi)關(guān)，并通過(guò)并行編碼方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減量波段開(kāi)關(guān)簧片位置的檢測(cè)，從而同步獲取衰減值，并對(duì)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(jiàn)圖2。

2.1.2 頻率采樣

檢定裝置輸出的信號(hào)頻率從200 kHz～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(cè)頻，不僅會(huì)造成測(cè)頻不連續(xù)，而且測(cè)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(cè)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(mén)時(shí)間（0.1s），超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(lái)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(guò)選用穩(wěn)定性高的晶振來(lái)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(lái)而引起的，量化誤差總是存在的，且等于±1。被測(cè)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(mén)，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(cè)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

完全滿足規(guī)程技術(shù)指標(biāo)的要求。

2.1.3 脈沖寬度采樣

檢定裝置的脈沖寬度為0.3～200μs，通過(guò)信號(hào)變

換，形成計(jì)數(shù)器的閥門(mén)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)16 000，因此采用16 bit數(shù)字信號(hào)輸出，可以滿足測(cè)量要求。脈沖寬度采樣硬件實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖4。

2.1.4 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(pán)輸入，輸入值包括5～10以及20，30，40。脈內(nèi)波數(shù)測(cè)量[9]的硬件實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖5，其方法是將鍵盤(pán)按鍵的10根離散線進(jìn)行BCD編碼，并通過(guò)鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)存入鎖存器內(nèi)。

2.2 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(jiàn)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。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本研究利用計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，通過(guò)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(guò)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(zhǎng)、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(yǔ)言良好的可移植性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[11]，編寫(xiě)“檢定裝置波形監(jiān)控程序”，用于對(duì)檢定裝置超聲信號(hào)波形的虛擬顯示，其軟件流程見(jiàn)圖7，波形顯示見(jiàn)圖8。圖8是典型的猝發(fā)音信號(hào)，其測(cè)試框圖見(jiàn)圖9。在軟件設(shè)計(jì)中，充分考慮了裝置運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)猝發(fā)音的幅度、時(shí)間實(shí)時(shí)可調(diào)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用該檢定裝置對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，利用Excel表格，人工輸入檢測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)JJG 746-2004《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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)Excel-Word數(shù)據(jù)“超鏈接”轉(zhuǎn)換，完成檢定證書(shū)的自動(dòng)生成。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)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(cè)試及原始記錄、證書(shū)的自動(dòng)生成，為實(shí)現(xiàn)超聲探傷儀的自動(dòng)化檢測(cè)做了有益的探討和嘗試，可以促進(jìn)該領(lǐng)域測(cè)試技術(shù)手段的發(fā)展。

對(duì)超聲探傷儀的測(cè)試，最終能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)測(cè)試，有賴于超聲探傷儀技術(shù)的進(jìn)步、測(cè)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。

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Digital research on equipment of ultrasonic inspection detectors

HE Tao，TANG Wei-wei，LIU Xia-ru
（Nation Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

This paper is about a digital research on equipment of ultrasonic inspection detectors（Type ZJ-2A）.It is an exploration to design a detection system for monitoring the status in real time，transmitting status data，displaying computer waveform in real-time and processing data of the inspection detector equipment.The design of this detection system is by means of data collecting， coding， and transmission inside the inspection detector equipment， and virtual instrumentation and data processing outside of the inspection detector equipment.The research shows that this system is of rational design as well as stable and reliable running status.It thus achieves expected effect.

ultrasonic flaw detector；device；digitalization；detection system

TB559；TG115.289；TN911.7；TM930.113

：A

：1674-5124（2014）04-0111-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.028

2014-03-11；

：2014-05-08

賀 濤（1964-），男，四川成都市人，高級(jí)工程師，主要從事工業(yè)超聲無(wú)損檢測(cè)及其量值溯源研究。