超聲檢測系統校準裝置的研制

薛 峰 丁 杰

(1.上海材料研究所, 上海 200437;2.上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

超聲檢測系統校準裝置主要用于對手持式超聲檢測儀或在線多通道超聲檢測系統進行計量檢定，以確保超聲檢測系統性能符合相關計量檢定規程的規定，能夠有效開展檢測工作。對于超聲檢測儀的檢定，國內主要依據的檢定規程為JJG 746-2004 《超聲探傷儀檢定規程》，同時還可依據GB/T 27664.1-2011 《無損檢測 超聲檢測設備的性能與檢驗 第1部分：儀器》和GB/T 28880-2012 《無損檢測 不用電子測量儀器對脈沖反射式超聲檢測系統性能特性的評定》等對超聲儀器性能進行校驗和評定。常用的校準儀器為ZJ-2A型[1]和DF8010型超聲探傷儀校準裝置。國外主要依據標準為EN 12668-1:2010Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicExaminationEquipmentPart1:Instruments和ASTM E317-2016StandardPracticeforEvaluatingPerformanceCharacterisiticsofUltrasonicPulse-EchoTestingInstrumentsandSystemswithouttheUseofElectronicMeasurementInstruments，使用儀器主要為示波器、脈沖信號發生器和衰減器或其組合設備等。國內現有超聲儀器校準裝置由于體積較大，主要適用于實驗室校準環境；同時裝置內部元器件多采用傳統物理連接方式，在需進行現場校準的運輸過程中，易出現導線松動失效導致校準出現偏差甚至無法校準的情形；此外，新型高性能水浸超聲系統頻率范圍為20 MHz30 MHz[2]；而現有校準裝置頻率范圍多為0.5 MHz15 MHz[3-4]，已無法滿足新設備校準的要求。筆者采用現場可編程門電路(FPGA)，利用DDS(直接數字頻率合成)技術形成正弦信號發生器，并通過集成數字衰減器，研制出了頻率范圍更廣、頻率精度更高、體積更小、質量更輕、集成度更高的超聲檢測系統校準裝置。

1 方法論述

1.1 基本原理

超聲檢測系統的校準是指基于校準規程或性能測試標準提供的方法，綜合評定反映被校設備電性能和聲學性能等參數的示值誤差，以確保被校設備量值符合相關要求的操作過程。校準裝置將來自于超聲波檢測系統的高壓負脈沖轉換為TTL電平的內部觸發脈沖后，根據接收到的外部輸入指令調節信號的幅值、延時、數量等，經基于FPGA的直接數字頻率合成電路生成猝發正弦波脈沖串，即標準正弦函數信號，再經標準衰減器，對超聲檢測系統性能參數進行校準。

1.2 系統組成

如圖1所示，超聲檢測系統校準裝置主要由電源管理模塊、面板控制模塊、脈沖調制高頻猝發信號發生模塊、標準衰減器模塊、輸入/輸出保護模塊、顯示和通訊模塊等組成。

裝置中的電源管理模塊包含AC220V電源轉換模塊、鋰電池模塊和5 V電源管理模塊，主要功能是電壓轉換及電源/電池供電模式轉換。面板控制模塊包含按鍵/旋鈕開關，集成頻率、增益和延時旋鈕等，采用旋轉編碼器實現無級調節；按鈕則采用4X4矩陣按鍵,用于輸入需要的控制指令。脈沖調制高頻猝發信號發生模塊采用可編程邏輯控制器FPGA，利用DDS技術形成校準所需要的一定頻率范圍內的猝發正弦波脈沖信號。標準衰減器模塊包括數字衰減電路和20 dB衰減模塊，用于調節信號幅值，標準衰減器包含檔位10,1,0.1 dB，總衰減量為100 dB，衰減精度為0.1 dB。輸入/輸出保護模塊包括連接被檢儀器和FPGA的觸發通道、高壓脈沖轉換電路以及輸出通道和反向電壓保護電路，高壓脈沖轉換電路的主要功能是將50400 V脈沖電壓轉換成35 V正脈沖，反向高壓保護電路是為防止誤將高壓脈沖接入到設備輸出端而造成設備損壞而設置的。在顯示方面利用STM32F103微處理器控制2.4 in.(1 in.=25.4 mm)的液晶顯示器，利用串口和FPGA主處理器通訊，可以同時顯示輸出信號頻率、猝發數量、延時時間、幅度等參數值。

圖1 超聲檢測系統校準裝置硬件框圖

1.3 猝發正弦脈沖信號的產生

超聲檢測系統的校準是指由被校設備產生觸發脈沖輸入到校準裝置中，校準裝置產生猝發信號后再輸入到被校裝置中，利用猝發信號對設備進行計量校準。因此，猝發正弦脈沖信號的產生是校準裝置輸出的關鍵部分。如圖2所示，超聲波檢測系統發出50400 V的高壓負脈沖，通過脈沖轉換器轉換成5 V的觸發脈沖輸送給FPGA主處理器，主處理器根據用戶設定的頻率、幅度、延遲、猝發脈沖數量等參數，利用DDS技術生成數字波形信號，并緩存在W25Q16DV串行數據存儲器上，經過12位數模轉換芯片MCP4822轉換成模擬信號，經高速線性放大器AD8009放大后輸出。DDS是一種把一系列數字信號通過D/A轉換器轉換成模擬信號的數字頻率合成技術[5]，其本質上實現了一個數字分頻器的功能。DDS技術可以產生任意波形信號，超聲校準裝置只需產生猝發正弦波信號。DDS的結構框圖如圖3所示，主要由相位累加器、波形存儲器、數模(D/A)轉換器和低通濾波器等組成，相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器構成[6]。在時鐘源參考頻率驅動下，累加器每次累加一個頻率控制字，調節頻率控制字的數值，可以改變累加器的累加速度，進而可以調節從ROM(只讀存儲器)查找表中讀取波形數據的速度。相位控制字可以用來調節初始相位，即ROM地址自加的初始值。DDS的輸出頻率fout是系統工作頻率fclk、相位累加器比特數N以及頻率控制字K三者的函數，如式(1)所示[7]。

(1)

DDS的頻率分辨率，即頻率變化間隔，可用式(2)表示[7]。

Δ=fclk/2N

(2)

根據式(1)，當系統工作頻率和相位累加器比特數確定后，頻率控制字越大，DDS輸出頻率就越高。但根據奈奎斯特采樣定理，輸出頻率不能高于工作頻率的一半[8]；同時受到輸出濾波器的影響，最終的輸出頻率約為工作頻率的30%40%。實際設計中，系統最高工作頻率為200 MHz，最高輸出頻率達60 MHz，可以滿足對高頻系統校準的要求。同時根據式(2)，通過選擇不同的累加器比特數和系統工作頻率可以控制系統能夠達到的頻率精度。

圖2 猝發正弦脈沖信號發生框圖

圖3 DDS基本結構框圖

1.4 校準裝置主要特點和技術指標

1.4.1 主要特點

研制的SRIMNDT GX-1型超聲檢測系統校準裝置主要特點如下所述。

(1) 采用集成化設計，所有電子元器件均集成到高速電路板上，表面貼裝工藝大大提高了設備的抗干擾能力和使用壽命;小型化設計也提高了裝置的便攜性，以及長途運輸后的設備穩定性和可靠性，從而保證了校準結果的準確和可靠。

(2) 基于優越的FPGA性能和先進的DDS技術，提高了校準裝置可校準的頻率范圍，以及頻率的準確度和穩定度。

(3) 豐富的用戶界面(UI)設計使操作更簡便、更智能，如當前設置的參數可以自動保存，在重新開始校準同類設備時無須再次調節參數等。

1.4.2 技術指標

圖4 ZJ-2A型校準裝置實物圖片

表1給出了SRIMNDT GX-1型校準裝置的主要性能指標，同時與國內主要的ZJ-2A、DF8010型超聲儀器校準和檢定裝置的性能參數進行了比較，各校準裝置實物圖片如圖46所示。由表1可見，SRIMNDT GX-1型超聲檢測系統校準裝置在頻率范圍、頻率準確度、頻率穩定度以及操作便攜性等方面均優于國內同類設備。

表1 國內同類超聲儀器校準裝置的性能參數

圖5 DF8010型校準裝置實物圖片

圖6 SRIMNDT GX-1型校準裝置實物圖片

2 試驗結果

2.1 校準裝置可以校準的參數

表2給出了所研制的校準裝置基于JJG-746-2004和EN 12668-1:2010能夠校準的參數，可見其能滿足超聲檢測系統校準規程和標準的要求。

表2 校準裝置可以校準的參數

2.2 校準結果的比較

同時采用ZJ-2A型和SRIMNDT GX-1型超聲檢測系統校準裝置，基于EN 12668-1:2010，對某型雙通道超聲檢測系統進行了校準。由于垂直顯示線性是較為有代表性的校準參數，故以該參數為例進行對比，校準結果如表3所示(表中的%表示全屏幅度的百分比)。

表3 垂直顯示線性校準結果

由表3可知，SRIMNDT GX-1型校準裝置的校準結果完全滿足相關標準要求，并與國內同類設備的校準水平相當。

2.3 不確定度評定

鑒于垂直線性誤差引入的不確定度分量基本涵蓋了超聲檢測系統校準裝置的主要技術指標，所以以其為例進行誤差分析，以檢驗校準裝置是否符合相關校準規程的要求。

垂直線性誤差不確定度分量如表4所示(表中ci為第i個不確定度分量的靈敏參數，ui為第i個不確定度分量)。

表4 垂直線性誤差不確定分量

合成標準不確定度評定如式(3)所示。

(3)

取包含因子K=2，垂直線性誤差校準結果的相對擴展不確定度如式(4)所示。

Urel=K×u(Δc)=2×0.4%=0.8%

(4)

垂直線性誤差擴展不確定度報告為：

Urel=0.8%，K=2

(5)

根據JJG 746-2004標準，超聲檢測系統垂直線性誤差不大于6%，Urel應小于要求的三分之一，故該校準裝置滿足設計要求。

3 結語

結合大型工業生產在線超聲檢測系統校準的實際要求，設計研制了SRIMNDT GX-1新型超聲檢測系統校準裝置。經與國內現有同類校準裝置的性能比較及校準結果不確定度分析，該校準裝置基于優越的FPGA性能和先進的DDS技術，將可校準的頻率范圍提高至60 MHz，頻率準確度和穩定度也比現有裝置提升12個量級。高度集成設計使得所研制的校準裝置體積更小、質量更輕、便攜性更好，基本解決了現有超聲探傷儀校準裝置頻帶窄、體積大、現場校準不便等問題。該裝置在技術上完全滿足JJG 746-2004和EN 12668-1:2010等國內外相關超聲探傷儀計量檢定規程、超聲檢測系統性能驗證標準中相關參數的檢定和校準要求，更適用于工業現場超聲檢測系統的在線校準，為大型在線超聲檢測系統正常可靠的工作提供了保障。