基于單片機和虛擬儀器技術的超聲探測儀的設計畢業(yè)設計.doc

遼寧科技大學信息技術學院畢業(yè)設計(論文)撰寫規(guī)范遼寧科技大學信息技術學院教務處制31基于單片機和虛擬儀器技術的超聲探測儀的設計目 錄摘要abstract第1章 緒論1第2章 企業(yè)文化的內涵52.1 文化和企業(yè)的定義52.1.1 企業(yè)組織的法律形態(tài)5第3章 企業(yè)文化對組織創(chuàng)新的影響63.1 組織創(chuàng)新的內容73.2 企業(yè)文化對組織創(chuàng)新的影響83.2.1 影響組織結構創(chuàng)新93.2.2 影響組織流程創(chuàng)新103.2.3 組織制度創(chuàng)新11第三章 結論12致謝12參考文獻13附錄13基于單片機和虛擬儀器技術的超聲波探傷儀的設計摘要本文利用單片機技術和labview技術實現(xiàn)超聲波探傷儀的設計，本系統(tǒng)主要包括基于單片機的超聲波探傷儀的硬件設計和軟件設計以及基于labview的上位機的設計。本文所設計的超聲波探傷儀的下位機以單片機為控制核心，并搭載超聲波采集和發(fā)生信號電路，通過串口傳輸?shù)缴衔粰C上，上位機以labview為軟件平臺，開發(fā)了超聲波探傷儀的上位機程序。關鍵詞：超聲波；單片機；labview；探傷儀英文論文題目abstractin this paper, the use of chip technology and labview technology ultrasonic flaw detector design, the system includes labview design and software design and pc-based design of microcontroller-based ultrasonic flaw detector hardware. this article is designed ultrasonic flaw of the next crew to the microcontroller core, and equipped with an ultrasonic signal acquisition and generation circuits, serial transmission to the host computer, the pc with labview software platform developed ultrasonic flaw detector pc program.key words: ultrasound,scm, labview, flaw第1章 緒論2.1 研究背景隨著社會的發(fā)展、科技的進步以及現(xiàn)代檢測水平的逐步提高，各種方便于檢測的系統(tǒng)開始進入了工業(yè)檢測。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的發(fā)展，無損檢測技術在設備和裝備的運行、產(chǎn)品質量的保證、提高生產(chǎn)率、降低成本等領域發(fā)揮著越來越大的作用，無損檢測也已經(jīng)發(fā)展成為一門獨立的綜合性學科，而超聲波探傷技術在無損檢測領域內占有極其重要的地位，在很多領域均獲得非常廣泛的應用。由于超聲波無損探傷設備在不同的應用場合，其對探頭的要求不同，對接收的回波信號的處理算法也不同，因此某一類的無損探傷設備，通常只能適應于一種或幾種應用場合。為使超聲波探傷設備具有更好的應用范圍、更高的處理算法和更快的更新周期，可采用虛擬式超聲波無損探傷設備。虛擬超聲探傷系統(tǒng)是利用計算機顯示器的功能來模擬傳統(tǒng)探傷儀的控制面板，以多種形式輸出檢測結果，利用軟件功能來實現(xiàn)數(shù)字信號的運算、分析和處理。利用輸入輸出(i/o)接口設備完成信號的采集、測量與調試，從而完成各種測試功能的超聲無損探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是虛擬儀器技術與傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)相結合的產(chǎn)物。在設計虛擬數(shù)字超聲系統(tǒng)時，結合傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)中模擬通道的設計，因為任何一個超聲探傷系統(tǒng)都必須包括超聲波的發(fā)射電路、接收電路和信號調理電路才能進一步進行后續(xù)的處理工作，這些電路的設計將直接影響到整個超聲探傷系統(tǒng)工作的可靠性和測試精度。2.2 研究意義在無損檢測過程中不但要完成是否存在缺陷的判斷，而且要實現(xiàn)一些工藝參數(shù)的測量，進而對被檢測的材料或工件進行性能的評估。對于超聲檢測而言，其應用中的硬件電路具有很大的相似性，因而如何靈活、準確的從通過介質的超聲波中提取包含被檢測物體特征的信號成為關鍵，它對系統(tǒng)的數(shù)字信號處理能力和靈活性提出了很高的要求。數(shù)字化的超聲檢測儀采用了單片機或者dsp作為數(shù)據(jù)處理單元，可以實現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)處理能力，但其硬件或固化的軟件的開發(fā)形式缺乏靈活性，不利于用戶二次開發(fā)升級。隨著科學技術的不斷進步，虛擬儀器應運而生并得到了廣泛的應用，利用虛擬技術可以充分發(fā)揮計算機的處理和分析的功能，把數(shù)據(jù)采集和發(fā)送放在單片機內進行，數(shù)據(jù)的處理和分析放在計算機內進行，分工明確同步進行，可以加快開發(fā)周期，降低設計風險和成本。2.3 超聲波檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標志，而這是建立在高質量的基礎之上的。設計和工藝人員理應了解：非均一的組織結構，隨機出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常常可以有時甚至是只能依靠無損檢測技術的運用方可予以發(fā)現(xiàn)，評價。當然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力，使無損檢測技術在這方面已具有一定的能力有關?，F(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達國家，無損檢測在產(chǎn)品的設計，研制，使用部門已被卓有成效的運用，1981 年美國前總統(tǒng)里根在給美國無損檢測學會成立 40 周年大會的賀信中就說過：“你們能夠給飛機和空間飛行器，發(fā)電廠，船舶，汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測，我們就不可能享有目前在這些領域和其他領域的領先地位。”無損檢測正在以迅猛之勢向縱深發(fā)展，客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以發(fā)展的最大動力。我國無損檢測技術是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國開始從國外引進超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國的 uct-2 超聲波檢測儀，重達 24kg，各單位積極開展試驗研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國內科研單位進口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟大學研制出 cts-10 型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式，儀器重約20hg。該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當時這種儀器只有個別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無損檢測技術仍處于試驗階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的 uct-2，cts-10 型儀器。1976 年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術列為重點攻關項目，組織全國 6 個單位協(xié)作攻關。從此，無損檢測技術開始進入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術的推廣普及。如羅馬尼亞 n2701 型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量 10kg。七十年代，英國 c.n.s 公司推出僅有 3.5kg 重的 pundit 便攜式超聲儀。1978 年 10 月，中國建筑科學院研制出 jc-2 型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用ttl 線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有 sc-2 型，cts-25 型，syc-2 型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣應用無損檢測技術奠定了良好的基礎。超聲波檢測技術是我國重點發(fā)展和推廣的新技術，其具有高精度，無損，非接觸等優(yōu)點。目前，已經(jīng)廣泛地應用在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領域。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領域中也占具重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量研究，國內一些學者也做了相關研究。對超聲波測距精度主要取決于所測的超聲波傳播時間和超聲波在介質中的傳播速度，二者中以傳播時間的精度影響較大，所以大部分文獻采用降低傳播時間的不確定度來提高測距精度。目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。超聲波檢測技術作為無損檢測技術的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用，它提供了評價固體材料的微觀組織及相關力學性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性，超聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析，大部分檢測設備僅有a掃描形式，需要通過有經(jīng)驗的無損檢測人員對信號進行人工分析才能得出正確的結論，對檢測和分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動化檢測。八十年代后期，由于計算機技術和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國內也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波檢測設備，并已成為超聲波檢測的發(fā)展方向。廈門大學的某位學者研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測距中通過兩次探測求取回波包絡曲線來得到回波的起點，通過這樣處理后超聲波傳播時間的精度得到了很大的提高。意大利的carullo等人介紹了一種自適應系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來獲得好的回波包絡，同時采用對環(huán)境噪聲進行估測，設置一定的回波開平電路，且采用自動增益的控制放大器，通過這些措施來提高超聲波的探測精度。另外，也有大量的文獻研究采用數(shù)字信號處理技術和小波變換理論來提高傳輸時間的精度。這些處理方法都取得了較好的效果。目前國內外在超聲波檢測領域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波檢測儀器的發(fā)展速度很快。國內近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。國際上對超聲波檢測數(shù)字化技術的研究非常重視，國外生產(chǎn)類似產(chǎn)品和研究的公司有美國的泛美（panametrics）公司、metec公司，加拿大的r/d tech公司，德國的k-k公司、法國的sofratest公司和西班牙的tecnatom公司等等，上述這些公司生產(chǎn)的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術水平較高，在世界上處于領先水平。隨著檢測技術研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能。隨后具有檢測，記錄，存儲，數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學研究院研制的 2000a 型超聲分析檢測儀，是一種內帶微處理器的智能化測量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測量值，處理結果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進行后處理及有關程序的開發(fā)。與國內同類產(chǎn)品相比，設計新穎合理，功能齊全，在儀器設計上有重大突破和創(chuàng)新，達到了國際先進水平。目前，計算機市場價格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計算機可發(fā)揮它一機多用的各種功能，實際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設置，還不如單獨的超聲儀，計算機可充分發(fā)揮各自特點。綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號已超過國外同類儀器水平。2.4 研究內容和論文安排本論文主要研究基于單片機和虛擬儀器技術的超聲波探傷儀的設計和應用。主要介紹超聲波探傷儀的原理、結構組成、單片機的硬件設計和軟件設計以及l(fā)abview的上位機設計。第一章 緒論 主要介紹了超聲波探傷儀的發(fā)展狀況，以及目前的現(xiàn)狀和前景。第二章超聲波探傷儀的系統(tǒng)結構 主要介紹了超聲波探傷儀的原理方法、系統(tǒng)結構、系統(tǒng)實現(xiàn)和開發(fā)環(huán)境等第三章 基于單片機的探傷儀的設計 主要介紹系統(tǒng)各組成單元方案設計(包括發(fā)射接收電路設計報警電路設計、晶振電路設計、復位電路設計等)。并詳細介紹了最終確定的各單元設計方案以及最終方案的設計原理。第四章 基于labview的探傷儀的上位機設計 主要介紹labview的上位機的組成和各個模塊的詳細功能。第五章 結論 對本設計進行詳細地總結。第2章 超聲波探傷儀的系統(tǒng)結構2.1 超聲波探傷的原理和方法超聲波在被檢材料（金屬、非金屬）中傳播時，利用材料本身或內部缺陷所示的聲學性質對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內部缺陷的方法，稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實驗方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測其內部各種缺陷（如裂紋、氣泡、夾雜物等）的大小，形狀和分布狀況以及測定材料性質。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此廣泛應用于機器制造、冶金、化工設備、國防建設等部門，已成為保證產(chǎn)品質量、確保安全的一種重要手段。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種：一、脈沖反射法把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來自物體中的反射波，這種探傷方法稱為脈沖反射法。它是超聲探傷中最基本的方法。在脈沖反射法中，根據(jù)聲束傳播情況可分為直探法和斜探法；根據(jù)探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法和板波探傷法；根據(jù)探頭個數(shù)和作用可分為單探頭法和雙探頭法；根據(jù)聲耦合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。由于這些方法具有各自的特點，所以廣泛用來對金屬和非金屬材料及其制品進行無損檢驗。二、穿透法利用穿過被檢物體的超聲波的穿透率和有無聲影進行探傷檢驗的方法稱為穿透法。穿透法有連續(xù)波穿透法，脈沖穿透法和共振穿透法等。此方法的優(yōu)點是適用于薄工件；由于超聲波傳播路程僅為反射法的一半，故適用于檢查衰減大的材料；探傷圖形直觀，只要定好檢查標準就可以進行作業(yè)；易實現(xiàn)自動探傷、檢查速度快。缺點是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探測靈敏度一般比反射法低，難以檢查較小缺陷。三、共振法把頻率連續(xù)改變的超聲波射入被檢材料，根據(jù)材料的共振狀況測量其厚度或檢查有無缺陷等材料性質的方法稱為共振法。共振法一般用來測量金屬板、管壁、容器壁的厚度或腐蝕程度，測量聲速，檢查板中的分層和進行材質判定。四、聲阻法聲阻法是利用被測物件的振動特性，即被測物對探頭所呈現(xiàn)的機械阻抗的變化來進行檢測的一種無損檢測法。它多用于檢測物體表面的成層情況，例如用來檢查基體材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作頻率范圍一般都較低（如幾千赫茲）。用這種方法工作時，把探頭和被測件直接接觸，使被測件和探頭結合在一起構成一個共振體，探頭一方面是振動源，同時也是檢測部件，當被測件的有效厚度不同時（例如，若膜片未粘上，則有效厚度僅為膜片的厚度，若已完好的粘接上，則有效厚度包括膜片和基體材料的厚度），該共振體頻率特性就不同，從而可根據(jù)其頻率特性來判定膜片在某個小區(qū)域的粘接情況。2.2 系統(tǒng)結構虛擬超聲探傷系統(tǒng)的總體結構如圖3.1所示。該系統(tǒng)以at89c52單片機為核心控制器件，主要由主機控制、發(fā)射電路、信號調理電路、探頭、上位機顯示等部分組成。數(shù)據(jù)采集由at89c82單片機結合labview串口通訊函數(shù)完成,然后結labview應用軟件進行探傷系統(tǒng)的面板設計和部分功能的設計，對數(shù)據(jù)進行運算、分析和處理，對測試結果進行顯示。 2.3 labview開發(fā)環(huán)境2.3.1 labview簡介labview是美國國家儀器（national instruments，ni）公司開發(fā)的一種圖形化編程語言（通常稱為g語言），它的全稱是laboratory virtual instrument engineering workbench，即實驗室虛擬儀器集成環(huán)境。labview并不像一般傳統(tǒng)的文本編程語言，它基本上不用寫程序代碼，而是用圖標、連線構成程序框圖，類似于一個搭積木的過程。這種易于識別的labview圖形符號，使得使用者不必像學習其他語言一樣，花費過多的時間去了解編程語法等基礎知識，因而即使只有很少編程經(jīng)驗的人也能很快學會labview的基本操作。labview中術語、圖標和概念都是工程師們所熟知的，因此被工程師看作為標準的工業(yè)開發(fā)環(huán)境。它不僅具有圖形化編程方式專有的靈活性和直觀性，它還專門為測試、測量與自動化控制應用設計進行了方便的配置，因此被廣泛應用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等等領域。labview和虛擬儀器有著緊密的聯(lián)系，虛擬儀器技術是基于計算機的儀器及測量技術。與傳統(tǒng)的儀器技術不同，虛擬儀器技術是指在包含數(shù)據(jù)采集設備的通用的計算機平臺上，根據(jù)需求可以高效率的構建形形色色的測量系統(tǒng)。在labview中開發(fā)的程序也被稱為虛擬儀器，所有的虛擬儀器都包括了前面板和程序框圖兩部分。labview代碼直觀，簡單易用，但在功能完整性和應用靈活性上不亞于任何一種高級語言。它同樣定義了數(shù)據(jù)類型、結構類型和模塊調用規(guī)則等一般編程語言的基本要素，使用者完全可以用它來設計專業(yè)的、功能強大的程序。labview不僅提供了遵從gpib、vxi、rs-232和rs-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內置了支持tcpip、activx等軟件標準的庫函數(shù)。利用它結合ni公司的其他硬件，用戶可以很方便地建立自己的虛擬儀器。labview軟件可以廣泛應用于各種臺式、移動、工業(yè)級計算機和嵌入式系統(tǒng)中，以其強大的圖形化編程界面為工程師和科學家提供直觀的編程語言。虛擬儀器可以應用了多種領域，是因為他可以與多種物理控制和采集單元連接，于此同時虛擬儀器必須應用到計算機的控制，用于虛擬儀器的軟件也是虛擬儀器設計的關鍵。labview是面向設計、控制與測試的labview圖形化開發(fā)平臺，被廣泛應用于嵌入式設計與原型構造、工業(yè)監(jiān)控、自動化測試測量、濾波器設計/dsp、高級控制、hmi/scada、數(shù)據(jù)記錄與nvh通信測試系統(tǒng)、原型構造、工業(yè)控制（pid）機器視覺與運動等領域。labview可以在計算機/硬件終端使用例如臺式機、工控機、移動設備和嵌入式設備。2.3.2 labview特點labview平臺的特點可歸結為以下幾個方面：基于圖形化的編程方式，其編程十分簡潔方便，是真正的工程師的語言；提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)；提供傳統(tǒng)的程序調試手段，如單步執(zhí)行、設置斷點，同時提供設置探針、顯示數(shù)據(jù)流動畫等獨具特色的調試方法；繼承傳統(tǒng)編程語言結構化和模塊化的優(yōu)點，這對于建立復雜應用和代碼的可重用性來說是至關重要的；囊括了pci, gpib, pxi, vxi, rs232/485, usb等各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)，使不懂總線標準的開發(fā)者也能驅動不同總線標準接口設備與儀器；提供大量與外部代碼或軟件進行鏈接的機制，諸如dll(動態(tài)鏈接庫)、dde(共享庫)、activex等；具有強大的internet功能，支持常用的網(wǎng)絡協(xié)議，方便網(wǎng)絡、遠程測量儀器的開發(fā)。第3章 基于單片機的超聲波探傷儀的設計3.1 at89c52單片機at89c52是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos 8位單片機，片內含8kb的可反復檫寫的程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內配置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大的at89c52單片機可靈活應用于各種控制領域。單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路，和一個復位電路。本設計中選擇了內部時鐘方式和按鍵電平復位電路，來構成單片機的最小電路。ea端接+5v電源選中內部存儲器。單片機單元電路連接圖如圖3.2所示：圖3.2 單片機單元電路3.1.1時鐘電路 計算機工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍的進行的，這個脈沖是由單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是cpu在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作。單片機內部電路就在惟一的時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作。要給單片機提供時序要有相關的硬件電路，即振蕩器和時鐘電路。因此選擇了內部時鐘方式。利用芯片內部的振蕩器，然后在引腳xtal1和xtal2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路如圖3.2所示，外接晶振時，c17和c16值通常選擇為30pf左右。c17，c16對頻率有微調作用。晶體的頻率范圍可在1.212mhz之間選擇。在實際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定?？煽康毓ぷ?，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。3.1.2 復位電路由圖3.2可以看出，是按鍵電平復位電路，相當于按復位鍵后復位端通過電阻與電源接通。復位是單片機的初始化操作。單片機在啟動運行時，都需要先復位，其作用是使cpu和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路來實現(xiàn)。3.2發(fā)射電路超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲探傷儀的關鍵部分，對于超聲探傷系統(tǒng)的性能具有很大的影響。發(fā)射電路通常有調諧式和非調諧式兩種。調諧式電路中有調諧線圈，諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖，脈沖的頻帶較寬，可以適應不同頻帶范圍的探頭，此時發(fā)射出的超聲波頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定。本設計采用非調諧式發(fā)射電路。 發(fā)射電路在發(fā)射控制信號的作用下，產(chǎn)生激勵超聲波探頭的高壓脈沖信號。圖3-2為其原理圖。圖3.3中輸入端為超聲波發(fā)射的控制信號，由主機單元產(chǎn)生，是寬度為500 n s、重復頻率為200 hz 的脈沖信號。經(jīng)三極管q1、q2、q3 驅動后送到q4 的控制極，該設計選用雙向晶閘管btl36 -600，該晶閘管具有600 v的反向峰值電壓和4 a的額定平均電流。q 4 漏極經(jīng)r6 接高壓。在常用的超聲檢測系統(tǒng)中，vch電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內，為充分激發(fā)探頭的壓電性能，本設計中采用600v高壓直流電源。當q 4 截止時, 電容器c4在600v電源的作用下, 經(jīng)r6充電到600v；當q4導通時, c4經(jīng)q4，r7放電, 在r8上產(chǎn)生激勵探頭的高壓?？勺冸娮鑢8為10k決定了電路的阻尼情況，可以通過改變r8的阻值來改變發(fā)射的強度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強度大，儀器的分辨力低，適合探測厚度大，對分辨率力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時或對分辨力要求較高時予以采用。圖3.3 發(fā)射電路3.3信號調理電路 3.3.1 限幅單元當檢測范圍很大時，深度缺陷或底波的反射波信號很微弱，因此在處理之前需要進行高增益放大處理。而由于探頭是收發(fā)一體的，發(fā)射信號很強，它同時作用于接收電路，而且在實現(xiàn)的測試過程中，有可能加進強干擾，因此為保護放大電路不致?lián)p壞，使放大電路能處于線性的動態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號進行限幅，限幅電路如圖3.4所示。圖中電阻r9相對于發(fā)射電路中的可調電阻r8要足夠大，選取阻值50k，用以消除接收電路對發(fā)射電路產(chǎn)生負載效應。選用具有較大正向電流的二極管(如2k61701)d2和d3構成雙向限幅電路，防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進入到后端接收電路中，這樣限幅電路的輸出在士0.7 v左右，可以達到該電路的預期效果。 圖3.4 超聲波限幅電路3.3.2衰減放大電路限幅之后，便是放大電路，為了能夠測量幅度的變化值，在回波信號進入放大器之前，先經(jīng)過已校準的衰減器，以便于對信號幅度定量調節(jié)，以適應不同的信號范圍。該設計選ad(analog devices)公司推出的壓控增益放大器ad603進行程控增益放大電路模塊的設計。ad603具有線性分貝、低噪聲、寬頻帶、高增益精度以及增益控制靈活等特點，其高達50 m的阻抗能夠保證信號充分加載到后級電路中。ad603程控增益原理圖如圖3.5所示，其管腳說明如表3-1所示。表3-1 ad603管腳說明ad603提供精確的、可由管腳選擇的增益，且其增益線性可變，而且在溫度和電源電壓變化時有很高的穩(wěn)定性，增益變化范圍40 db，增益控制轉換比例25 mv/db，相應速度為40 db，變化范圍所需時間小于1s。如圖3.5所示，ad603內部包含一個七級r一2r梯形網(wǎng)絡組成0 -40db的可變衰減器和一個固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡的方式改變，以選擇ad603不同的增益變化范圍。ad603的這種可變增益功能是其他運算放大器所不能比擬的。圖3.5 ad603增益控制原理超聲回波信號由vinp進入衰減器衰減后，再通過定增益放大器放大。衰減器的增益控制由控制電壓vg完成，vg是差動輸入的增益控制電壓，即gpos與gneg之差，范圍是-0.5+0.5 v。定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網(wǎng)絡的方式改變，以選擇ad603不同的增益變化范圍。 (1)當 ad603 輸出端vout與反饋端fdbk短接時，gain(db)=40vg+10；此時增益范圍為-10+30 db，帶寬為90 mhz。(2)當ad603輸出端vout與反饋端fdbk接上反饋電阻時，gain(db)=40vg+20；此時增益范圍為0+40 db，帶寬為30 mhz。（3)當反饋端fdbk接地時，gain(db)=40vg+30；此時增益范圍為1050 db，帶寬為9 mhz。 由此可見，ad603的增益控制是相當靈活的。在實際的使用過程中，可以將多片ad603串聯(lián)來實現(xiàn)更大的放大和動態(tài)范圍控制。本設計使用了兩片ad603串聯(lián)使用作為自動增益放大。緩沖放大器如圖3.6所示：圖3.6 緩沖放大電路（兩級串聯(lián)）如圖3.6所示，在設計中將輸出端vout和反饋端fdbk之間用電位器r13連接，可以靈活地選擇增益范圍。通過調節(jié)電位器r14，可以調整gpos與gneg間的電壓在00.5 v之間，如果將電位器r13的阻值調至0，則使得放大器的增益變化范圍是1030 db。3.3.3緩沖檢波電路ad810是低功耗、視頻運算放大器, 具有高速度( 轉換速率為1 kv/s)、寬頻帶(80mhz, 3db, g=1) 、失真小( 微分增益誤差0.02% , 微分相位誤差0.04)、低噪聲(輸入噪聲2.9nv/() 等特點, 是超聲波緩沖放大器的理想選擇。美國ti公司的lh033也是緩沖器, 其輸入阻抗達 , 寬頻帶(dc100mhz ) , 輸出電阻為6, 轉換速率高(1 kv/s) , 而且跟隨范圍大。緩沖檢波電路如圖3.7所示。檢波前的緩沖由ad810構成,它是一個同相放大器, 其高輸入阻抗(100m)保證了ad603 的衰減精度。檢波后的緩沖由lh033 和ad810 兩部分組成。ad810是一個同相放大器,其輸入除了接收lh033 的輸出外, 還有一個由-5v電源產(chǎn)生的直流偏移電壓, 其作用是調節(jié)噪聲對顯示基線的影響圖3.7 緩沖檢波電路用ad8036 作為全波整流。ad8036 本來是一個前位放大器， 具有卓越的前位性能， 表現(xiàn)在: 精度高(3 mv ) , 恢復時間短(1.5 ns) ，非線性范圍小，寬頻帶(dc 240mhz) ，鉗位輸入范圍寬(3.9 v)。ad8036 作為增益為1 的反相放大器, 輸入送到反相輸入端 ， 同時也送到低電平鉗位端vl ，高電平鉗位端懸空, 不起作用。它能工作到20mhz, 由于ad8036不像二極管檢波那樣從正向偏置迅速切換到反向偏置, 它的非線性失真比二極管檢波要顯著減小，尤其是高頻段。在輸入信號只有40 mv 時,ad8036仍能線性檢波。3.3.4 a/d轉換電路adc0809是一種8位逐次逼近式的a/d轉換器 。其由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器sar、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。模擬輸入部分有8路多路開關，可由3位地址輸入adda、addb、addc的不同組合來選擇，ale為地址鎖存信號，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號。主體部分是采用逐次逼近式的a/d轉換電路，由clk控制內部電路的工作，start為啟動命令，高電平有效，啟動adc0809內部的a/d轉換，當轉換完成，輸出信號eoc有效，oe為輸出允許信號，高電平有效，打開輸出三態(tài)緩沖器，把轉換后的結果送到dbat89c52與adc0809的連接如圖3.8所圖 3.8 adc0809與at89c52的接口電路圖工作過程：首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中；此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器；start上升沿將逐次逼近寄存器復位；下降沿啟動a/d轉換，之后eoc輸出信號變低，指示轉換正在進行，直到a/d轉換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器。當oe輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。adc0809的時鐘由單片機提供，經(jīng)由ale取得，如果信號頻率過高，可采用分頻電路進行分頻。同時，adc0809有3種工作方式：查詢方式、中斷方式和等待方式。不同的工作方式采用的硬件電路也有所區(qū)別，這里采用最簡單的等待方式來實現(xiàn)a/d轉換。3.3.5串行傳輸電路 測量儀采用了常用的rs232以及max232芯片來實現(xiàn)串行傳輸，其與單片機的接口電路如圖3.9所示：圖3.9 串口傳輸電路3.4 600v電源電路此600v電源加在發(fā)射電路中的vch端。在常用的超聲檢測系統(tǒng)中，vh電壓在數(shù)十伏至幾百伏的范圍內。為充分激發(fā)探頭的壓電性能，采用了600 v的高壓直流電源模塊。高電壓升壓電源電路:交流220v轉直流600v電源電路如圖3-10 所示：圖3.10 交流220v轉600v直流電源規(guī)格：輸入電壓= 220v10% 50/60hz輸出電壓= 0-600vdc 0.25a開關頻率：70-100khz電壓檢測電壓等級限制fan7554數(shù)據(jù)是1.5v。3.5 5v電源電路、3.5.1 +5v電源產(chǎn)生電路此+5v電源為硬件電路圖中的各種器件提供電源電壓，如圖3-11所示，為+5v電源產(chǎn)生電路：圖3.11 5v電源產(chǎn)生電路規(guī)格：輸入電壓= 220v10% 50/60hz輸出電壓= 0-5600vdc 0.25a開關頻率：70-100khz3.5.2 -5v電源產(chǎn)生電路此-5v電源產(chǎn)生的直流偏移電壓加在緩沖檢波電路中， 其作用是調節(jié)噪聲對顯示基線的影響。如圖3-12所示，為-5v電源產(chǎn)生電路：圖3.12 -5v電源產(chǎn)生電路3.6 系統(tǒng)的軟件設計 基于單片機的超聲波探測的軟件設計主要包括系統(tǒng)初始化、超聲波發(fā)出信號、超聲波采集、a/d轉換、信號處理、串口通信?；趩纹瑱C的超聲波探測儀的系統(tǒng)流程圖如圖所示。經(jīng)過以上軟件的處理就能把基于單片機的超聲波探測儀采集到的探傷信號通過串口傳送到計算機中，利用計算機中的探傷處理軟件獲取探傷信息。第4章 labview上位機設計41程序結構超聲波探傷系統(tǒng)是基于labview編寫，主要實現(xiàn)超聲波數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示和存儲。超聲波信號通過基于單片機的超聲波探傷系統(tǒng)，通過串口傳輸?shù)接嬎銠C中。在計算機中利用labview實現(xiàn)超聲波探傷的檢測。在本系統(tǒng)中為了增加軟件的操作權限，本設計還增加了用戶登錄功能，只有相應權限的操作者使用相應的密碼才能登錄系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行操作。整個系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、用戶登錄、串口通信、信號顯示、信號比較、探傷顯示和信號保存，整個系統(tǒng)的流程如圖8所示。圖 8 流程圖42程序界面超聲波探傷系統(tǒng)的界面如圖9所示，可見利用labview開發(fā)的系統(tǒng)界面具有良好的人機交互界面，非常美觀。以用labview創(chuàng)建超聲波探傷系統(tǒng)沒有使用一個代碼，所有的控件都是通過拖動的形式進行創(chuàng)建的，這樣既能簡單方便的創(chuàng)建人機交互界面，又能降低難度。從圖9中可以直觀的看出界面主要分為信號顯示區(qū)、報警區(qū)、數(shù)據(jù)保存區(qū)和系統(tǒng)操作界面區(qū)。每一區(qū)都具有自己響應的功能，不同區(qū)的作用在下面進行詳細的介紹。圖 9 系統(tǒng)界面信號顯示區(qū)如圖10所示，主要是實現(xiàn)超聲波波形的顯示曲線，此外在界面還有波形的實時顯示控件，顯示實時振幅。這些數(shù)據(jù)的采集和顯示，都只是通過控件對應的面板的變量實現(xiàn)的，并沒有通過一句代碼，所有的數(shù)據(jù)操作都是通過連線的方式進行的。圖 10系統(tǒng)顯示探傷線束