傳感器課程設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 2013 年 7 月 16 日課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 超聲波探傷應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 院 系 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 超聲波探傷應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專業(yè) 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：本設(shè)計(jì)主要完成超聲波探傷應(yīng)用電路。系統(tǒng)的硬件主要由發(fā)射、接收、濾波檢測和 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路模塊組成。在單片機(jī)的控制下，利用發(fā)射電路產(chǎn)生電脈沖信號，該信號使多功能探頭中晶片振蕩，發(fā)出頻率特定超聲波。當(dāng)遇到缺陷或分界面時(shí)，一部分超聲波會(huì)發(fā)生反射和透射。反射回波進(jìn)入超聲波探頭，引起晶片振蕩，產(chǎn)生電信號。此電壓信號非常微弱，進(jìn)入接收電路進(jìn)行放大，再由檢波電

2、路檢波后轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)入單片機(jī)引起中斷，通過中斷程序可計(jì)算出從發(fā)射到接收超聲波所需的時(shí)間。通過單片機(jī)判斷及計(jì)算缺陷的存在，通過示波器進(jìn)一步觀察缺陷特性。 基本要求：1、按照技術(shù)要求，提出本設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及與其它方案進(jìn)行比較，確定方案。2、利用超聲波探傷傳感器及電路等設(shè)計(jì)一種探傷應(yīng)用功能電路。3、說明所用傳感器的基本工作原理、用 protel 畫繪制完整的電路圖、寫明電路工作原理、注明元器件選取參數(shù)。主要參考資料：1 沈小豐電子技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)M北京：清華大學(xué)出版社，2005.09130-1412 劉鎮(zhèn)清超聲無損檢測中的導(dǎo)波技術(shù)J無損檢測，2001(21)：67- 703 何希才傳感器及其應(yīng)用電路

3、M北京：電子工業(yè)出版社，200120-594 張毅剛單片機(jī)原理及應(yīng)用M北京：高等教育出版社，200350-190完成期限 2013.7.122013.7.16 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2013 年 7 月 12 日傳感器課程設(shè)計(jì)摘 要超聲波無損探傷檢測由于不破壞被檢測物體和對人體無害而廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測中。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件主要由發(fā)射、接收、濾波檢測和 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路組成的超聲波探傷應(yīng)用。在單片機(jī)的控制下，利用發(fā)射電路產(chǎn)生電脈沖信號，該信號使多功能探頭中晶片振蕩，發(fā)出頻率為 1MHz 的超聲波。當(dāng)遇到缺陷或分界面時(shí)，一部分超聲波會(huì)發(fā)生反射和透射。反射回波進(jìn)入超聲波探頭，引起晶片振蕩，產(chǎn)生電

4、信號。此電壓信號非常微弱，進(jìn)入接收電路進(jìn)行放大，再由檢波電路檢波后轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)入單片機(jī)引起中斷，通過中斷程序可計(jì)算出從發(fā)射到接收超聲波所需的時(shí)間。通過單片機(jī)判斷及計(jì)算缺陷的存在，通過示波器進(jìn)一步觀察缺陷特性。 關(guān)鍵詞：探傷；超聲波；無損檢測；單片機(jī)傳感器課程設(shè)計(jì)目 錄一 、設(shè)計(jì)要求.11、超聲波探傷的背景功能與用途.12、超聲波探傷的發(fā)展現(xiàn)狀及意義.13、國內(nèi)外超聲波探傷發(fā)展現(xiàn)狀.2二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn).21、方案一.22、方案二.33、方案三.3三、傳感器工作原理.41、超聲波特性原理.42、脈沖反射式超聲波檢測原理.4四、電路的工作原理.5五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇.71、單元

5、電路設(shè)計(jì).72、參數(shù)計(jì)算.133、器件選擇.13六、總結(jié).15參考文獻(xiàn).16傳感器課程設(shè)計(jì)1超聲波探傷應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求1、超聲波探傷的背景功能與用途超聲探傷技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域中的重要的方法，在冶金、勘探、生產(chǎn)控制，質(zhì)量管理、和安全監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)在設(shè)備和裝備的運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、提高生產(chǎn)率、降低成本等領(lǐng)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(dú)立的綜合性學(xué)科，而超聲波探傷技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位，在很多領(lǐng)域均獲得非常廣泛的應(yīng)用。無損檢測就是通過各種技術(shù)方法，在不損害被檢測對象未來用途和功能的前提下，為了探測、定

6、位、測量和評價(jià)缺陷，評估完整性、性能和成分，測量幾何特征，而對材料和零件所進(jìn)行的檢測。己被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的質(zhì)量監(jiān)控和安全保障，尤其是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。因此研究一種高性能的超聲波探傷系統(tǒng)關(guān)系著我國工業(yè)生產(chǎn)力的全面提高，對促進(jìn)我國的工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展意義長遠(yuǎn)而重大。12、超聲波探傷的發(fā)展現(xiàn)狀及意義超聲波探傷技術(shù)是當(dāng)今工程和生產(chǎn)中無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種非常重要的手段和方法。制造業(yè)中的無損檢測與評價(jià)技術(shù)，對于改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，保證材料、零部件、產(chǎn)品的可靠性和生產(chǎn)過程的安全性，以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等都起著關(guān)鍵作用。由于超聲波無損探傷設(shè)備在不同的應(yīng)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

7、同，因此某一類的無損探傷設(shè)備，通常只能適應(yīng)于一種或幾種應(yīng)用場合。因?yàn)槿魏我粋€(gè)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(diào)理電路才能進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)的處理工作，這些電路的設(shè)計(jì)將直接影響到整個(gè)超聲探傷系統(tǒng)工作的可靠性和測試精度。超聲波探傷技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位，在很多領(lǐng)域均獲得非常廣泛的應(yīng)用。而且它的重要作用還有賴于無損檢測技術(shù)方法選擇的正確和檢測結(jié)果是否可靠。檢測結(jié)果對檢測人員的依賴性都還很強(qiáng)，并且目前還都存在著傳感器課程設(shè)計(jì)2一些難以克服的困難和缺陷。23、國內(nèi)外超聲波探傷發(fā)展現(xiàn)狀國外早在三四十年代就開始了超聲波探傷方面的研究。第二次世界大戰(zhàn)后，由于雷達(dá)技術(shù)和電子技術(shù)

8、的發(fā)展，才使超聲波檢測技術(shù)真正進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。到 20 世紀(jì) 50 年代，A 型脈沖反射式超聲波探傷儀已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)國家的鋼鐵、機(jī)械制造和造船等工業(yè)領(lǐng)域。近年來，超聲無損檢測領(lǐng)域的學(xué)術(shù)氣氛十分活躍。進(jìn)入 90 年代后，在世界無損檢測會(huì)議上發(fā)表的論文中有關(guān)超聲檢測方面的所占比例最高。隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代超聲波檢測技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到以計(jì)算機(jī)控制為主的時(shí)代其表現(xiàn)為：生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)檢測控制；合并軟硬件提高檢測的信噪比和抗干擾能；整合了模式識(shí)別和仿真技術(shù)的智能掃描、自動(dòng)定位與跟蹤檢測；對所測信號波的實(shí)時(shí)處理和后處理，可對信號進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和圖像分析處理，以提高檢測的可靠性。3就當(dāng)

9、前國內(nèi)的超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用情況來看，超聲波無損檢測診斷技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域和場所。但是，其主要的應(yīng)用發(fā)展方向還是在不斷擴(kuò)展的，而且它的重要作用還有賴于無損檢測技術(shù)方法選擇的正確和檢測結(jié)果是否可靠，產(chǎn)品發(fā)展前景廣闊。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)目前超聲波探傷法的種類很多，類型主要根據(jù)聲波傳播方式可分為反射法和透射法。按超聲波激勵(lì)方式可分為脈沖波、連續(xù)波和調(diào)頻波等探傷方法。超聲波按探傷常用設(shè)計(jì)可分為下面三種不同的設(shè)計(jì)方案： 1、方案一穿透法，材料的非連續(xù)性是超聲波傳輸?shù)恼系K，超聲波通過障礙時(shí)只能透射一部分聲能。Sokolov 首先提出用超聲波探查金屬物體內(nèi)部缺陷的方法。甚至只要有幾分之一微米

10、的細(xì)裂紋，在無損檢測中即可用以構(gòu)成超聲波不可透射的阻擋層。在檢測時(shí)，把超聲發(fā)送探頭置于試件的一側(cè)，而把接收探頭置于試件的另一側(cè)，保證探頭與試件之間有良好的聲耦合，并使兩個(gè)探頭在一條直線上。這樣，簡單地監(jiān)視接收到的超聲波強(qiáng)度就可以得到檢測結(jié)果了。 在超聲檢測的歷史上，穿透法曾經(jīng)是第一種可行的方法，但由于其精度比較傳感器課程設(shè)計(jì)3低。所以目前，它的應(yīng)用只限于精度要求不太高且能采用較簡單系統(tǒng)的場合，或材料特性使得脈沖回波技術(shù)不可能應(yīng)用的場合。2、方案二諧振法又稱共振法。當(dāng)用一定頻率的正弦信號激勵(lì)超聲探頭中的壓電晶片時(shí)，壓電晶片將向材料中發(fā)射相同頻率的超聲波。當(dāng)材料的厚度為聲波的半波長的整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)

11、在材料內(nèi)部引起共振。在檢測板材或片材時(shí)，諧振現(xiàn)象可得到很好的利用。諧振方法檢測方法不完善，只是用某種特定頻率敲擊試件，細(xì)聽自試件發(fā)出的振鈴音調(diào)。在有了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)之后，檢測人員就能聽出良好試件和有缺陷試件的音調(diào)差別。4應(yīng)用諧振檢驗(yàn)的主要領(lǐng)域是在生產(chǎn)階段檢驗(yàn)板材、片材和管壁的厚度，以及指示是否存在夾渣其精度也不是很高。只有在一些特殊的檢測課題中，才必須要用到諧振法。例如：檢測低至 75m 左右的很薄的截面；查找金屬板后面橡膠或塑料的缺陷(脫粘)；檢測多層結(jié)構(gòu)。3、方案三脈沖反射法是應(yīng)用最廣泛的一種超聲檢測方法。在實(shí)際檢測中，最常用的是直接接觸脈沖反射法，它又可按波型分為：單探頭的縱波法、檢波法、

12、板波法、表面波法；雙探頭的雙直探頭縱波法、雙斜探頭檢波法。 脈沖反射法是利用超聲脈沖波入射到兩種不同介質(zhì)交界面上會(huì)發(fā)生反射的，且反射回波的幅度和相位等參數(shù)攜帶信息進(jìn)行檢測。采用發(fā)射和接受電路，接收信號將采用示波器顯示。根據(jù)缺陷及底面反射波的大小 有無及其在時(shí)基軸上的位置來判別缺陷的大小 有無及深度?？v波脈沖反射法是應(yīng)用最廣泛的一種超聲波檢測方法。與穿透法相比，脈沖反射法有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度和精度高、適用范圍廣、操作方便。缺點(diǎn)是由于存在一定盲區(qū)，對近表面缺陷和薄壁工件不適用、容易露檢、材料衰減太大不適用。5通過方案比較，由于脈沖反射法的抗干擾能力較強(qiáng)，精度較高、操作方便、適用范圍廣。較好滿足設(shè)計(jì)要

13、求，故選用方案三脈沖反射法。該系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)為核心控制器件，主要由主機(jī)控制、發(fā)射電路、信號調(diào)理電路、顯示等部分組成。數(shù)據(jù)采集由 AT89C52 單片機(jī)完成,對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理，對測試結(jié)果進(jìn)行顯示。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。傳感器課程設(shè)計(jì)4圖 1 超聲探傷儀系統(tǒng)總體框圖三、傳感器工作原理1、超聲波特性原理超聲波是機(jī)械波的一種，是指頻率大于 20KHz，并且能在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性機(jī)械波，是無損檢測技術(shù)中一種非常重要的方法。超聲波的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播，超聲波在液體、固體中衰減很小，因而穿透能力強(qiáng)，尤其是在對光不透明的固

14、體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質(zhì)或界面就會(huì)有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征。超聲檢測的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，具有很高的能量。被檢材料的聲速、聲衰減、聲阻抗等特性攜帶有豐富的能量轉(zhuǎn)換信息，成為廣泛應(yīng)用超聲波檢測的基礎(chǔ)。遇有界面時(shí)，超聲波將發(fā)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計(jì)，使得超聲探傷工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形有許多種，用于探傷的有縱波、橫波、表面波、板波等，其中最常用的是縱波直探頭探傷和橫波斜探頭探傷?？v波常用來探測鋼板、錠材、大型鍛件等形狀比較簡單的制品，而橫波常用來檢測焊縫、管材

15、等形狀比較復(fù)雜的制品。62、脈沖反射式超聲波檢測原理超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，利用被檢工件底面或內(nèi)部缺陷的反射回波探測反射源的位置和大小的方法。首先通過激勵(lì)超聲發(fā)射換能器傳感器課程設(shè)計(jì)5產(chǎn)生超聲波并使其進(jìn)入工件，然后再通過超聲接收換能器將工件中經(jīng)過被檢測材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波轉(zhuǎn)換成接收信號，缺陷作為與構(gòu)件材料不同的介質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生不同的特征信號，接著再對接收到的信號進(jìn)行分析，從而獲得有關(guān)缺陷或材料的特性信息。由于超聲波在介質(zhì)的波速是一定的且， (1)LTTXbf若知道工件長 L 的大小，則可以根據(jù)發(fā)射波到反射波與發(fā)射波到底波的時(shí)間的比值，來確定缺陷距探頭的

16、距離。若不知道 L 的大小，則可以根據(jù)聲束和聲波在介質(zhì)中傳播至缺陷所需時(shí)間和波速來定位缺陷。 (2)fTCX2式中 C 為材料中的聲速，為聲波遇到缺陷時(shí)的來回傳播時(shí)間。fT四、電路的工作原理本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)主要由發(fā)射電路、接收電路、檢波電路、限幅電路和電源電路、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、示波器(CRT)等部分組成。超聲波探傷應(yīng)用總電路設(shè)計(jì)如圖 2 所示：傳感器課程設(shè)計(jì)6圖 2 超聲波探傷應(yīng)用總電路設(shè)計(jì)傳感器課程設(shè)計(jì)7電源電路給整個(gè)模塊供電，把兩個(gè)探頭分別置于試件的兩個(gè)正相對面，在AT89C52 單片機(jī)的控制下，發(fā)射電路可控硅導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)脈沖信號。該脈沖信號使多功能探頭中晶片振蕩發(fā)出頻率

17、為 1MHz 的超聲波，由 Emission 探頭發(fā)出的超聲波通過工件表面進(jìn)入其內(nèi)部時(shí)，由于超聲波的反射特性，超聲波遇到缺陷裂紋時(shí)，其中一部分會(huì)發(fā)出第一次反射回波，這時(shí)會(huì)有反射回波傳入 Receive 探頭，反射的超聲波經(jīng)探頭中壓電晶片的壓電效應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換成為電信號(回波信號)，經(jīng)接收 CX20106 集成電路進(jìn)行濾波放大、限幅電路、緩沖檢波電路等電路的處理和作用后，得到檢波信號。而其余部分繼續(xù)在固體中傳播。在固體中繼續(xù)傳播的超聲波到固體另一側(cè)表面時(shí)，由于固體另一側(cè)是氣體，在氣體固體的交界面上產(chǎn)生第二次反射回波，當(dāng)反射回波進(jìn)入超聲波探頭時(shí)，引起晶片振動(dòng)，產(chǎn)生電壓信號，該電壓信號進(jìn)同樣處理后送人

18、單片機(jī)，這時(shí)計(jì)時(shí)器就記下了超聲波從發(fā)射到接收的傳播時(shí)間 T0 和 T1，由公式可計(jì)算出探頭到缺陷的位置。根據(jù)超聲波的聲程推算，就可以將缺陷信號和底波信號區(qū)分開。最終輸入到示波器電子示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上。輸入信號引起垂直偏轉(zhuǎn)板電壓瞬時(shí)改變，電子束則在垂直方向發(fā)生跳躍，因而在示波管上形成脈沖波型。若被測工件有缺陷，在示波管上形成缺陷反射信號；若工件沒缺陷當(dāng)超聲波到達(dá)工件的相對底面時(shí)，會(huì)有聲波反射回去在電子示波管上形成完整規(guī)則的脈沖波型。據(jù)此就可以顯示、判斷工件中是否有缺陷的存在。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)（1）AT89C52 單片機(jī)AT89C52 是美國 ATMEL 公司

19、生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8KB 的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和 256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。單片機(jī)用 P1.1 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的 1MHz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號7。單片機(jī)最小系統(tǒng)單元如圖 3 所示：傳感器課程設(shè)計(jì)8圖 3 單片機(jī)單元電路（2）發(fā)射電路超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲探

20、傷儀的關(guān)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(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種。調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。非調(diào)諧式電路發(fā)射一尖峰脈沖，脈沖的頻帶較寬，可以適應(yīng)不同頻帶范圍的探頭，此時(shí)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(shè)計(jì)采用非調(diào)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(lì)超聲波探頭的高壓脈沖信號。輸入端為超聲波發(fā)射的控制信號，由主機(jī)單元產(chǎn)生，是寬度為 500 n s、重復(fù)頻率為 1MHz 的脈沖信號。經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)后送到控制極。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器的分辨力低，適合探測厚度大，對分辨率力要求不

21、高的試件。電阻小時(shí)阻尼大分辨率高，在探測近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪σ筝^高時(shí)予以采用。如圖4 所示：傳感器課程設(shè)計(jì)9圖 4 發(fā)射電路（3）接收電路接收頭采用與發(fā)射頭配對探頭，使用 CX20106A 集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益 80db，選頻后將 1MHZ 以外的干擾信號衰減，只有諧振于 1MHZ 的有用信號（發(fā)射機(jī)信號） ，輸出端高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機(jī)處理。如靈敏度和抗干擾不夠，可檢查三極管的 值與電容 C 的容量是否偏差太大。電路工作電壓 5V，靜態(tài)電流小于 20mA。以下是 CX20106A 的引腳注釋。 1 腳：超聲信號輸入端，該腳的輸

22、入阻抗約為 40k。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R1 或減小 C1,將 使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C1 的改變會(huì)影響到頻率特性。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作。 4 腳：接地端。 5 腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。6 腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，

23、如果該電容取得太大，會(huì)使探測距離變短。 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時(shí)則產(chǎn)生下降。 8 腳：電源正極，4.55V。如圖 5 所示：傳感器課程設(shè)計(jì)10圖 5 接收電路（4）信號限幅調(diào)理電路當(dāng)檢測范圍很大時(shí)，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(jìn)行高增益放大處理。而且在實(shí)現(xiàn)的測試過程中，有可能加進(jìn)強(qiáng)干擾，因此為保護(hù)放大電路不致?lián)p壞，使放大電路能處于線性的動(dòng)態(tài)范圍，需要在放大之前接收信號進(jìn)行限幅。連接電阻相對于發(fā)射電路中的可調(diào)電阻要足夠大，選取阻值50K，用以消除接收電路對發(fā)射電路產(chǎn)生負(fù)

24、載效應(yīng)。選用具有較大正向電流的二極管構(gòu)成雙向限幅電路，防止發(fā)射電路中的高壓脈沖進(jìn)入到后端接收電路中，這樣限幅電路的輸出在0.7 V左右，可以達(dá)到該電路的預(yù)期效果。限幅電路如圖6所示。圖 6 超聲波限幅電路（5）緩沖檢波電路AD810 是低功耗、視頻運(yùn)算放大器, 具有高速度( 轉(zhuǎn)換速率為 1 kV/s)、寬頻帶(80MHz, 3dB, G=1) 、失真小、低噪聲等特點(diǎn), 是超聲波緩沖放大器的理想選擇。檢波前的緩沖由 AD810 構(gòu)成,它是一個(gè)同相放大器, 其高輸入阻抗(100M)保傳感器課程設(shè)計(jì)11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

25、一個(gè)同相放大器,其輸入除了接收 LH033 的輸出外, 還有一個(gè)由+5V 電源產(chǎn)生的直流偏移電壓, 其作用是調(diào)節(jié)噪聲對顯示基線的影響。用 AD8036 作為全波整流，AD8036 本來是一個(gè)鉗位放大器，具有卓越的鉗位性能。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(shí),AD8036 仍能線性檢波。緩沖檢波電路如圖 7 所示。圖 7 緩沖檢波電路（6）A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0809是一種8位逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換器 。其由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關(guān)、逐次

26、逼近式寄存器SAR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(guān)，可由3位地址輸入A、B、C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。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位；下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK控制內(nèi)部電路的工作，START為啟動(dòng)命令，高電平有效，啟動(dòng)ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號傳感器課程設(shè)計(jì)12EOC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(zhuǎn)換后的結(jié)果送到DB。

27、8ADC0809 的時(shí)鐘由單片機(jī)提供，經(jīng)由 ALE 取得，如果信號頻率過高，可采用分頻電路進(jìn)行分頻。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，本設(shè)計(jì)采用等待方式來實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。ADC0809 原理圖如圖 8 所。圖 8 ADC0809 電路原理圖（7）電源電路電源為硬件電路中的各器件單元提供電源。如圖 9 所示。9傳感器課程設(shè)計(jì)13圖 9 電源產(chǎn)生電路（8）超聲波探傷顯示本設(shè)計(jì)超聲波探傷結(jié)果,將在示波器熒光屏上顯示波形。在同步電路觸發(fā)射電路產(chǎn)生高頻電脈沖的同時(shí)，掃描電路也開始同步工作。此時(shí)，掃描電路發(fā)生與時(shí)間成正比的掃描電壓

28、加到電子射線管的水平偏轉(zhuǎn)板上，從而使電子束所形成的光點(diǎn)在熒光屏上自左向右以一定的速度均勻移動(dòng)。移動(dòng)的軌跡就形成了水平掃描線。光點(diǎn)移動(dòng)的距離，正比于超聲波在工件中的傳播距離。因此，即可顯示出被探傷是否存在缺陷。2、參數(shù)計(jì)算超聲波的頻率、波長和聲速之間的關(guān)系如下: (3)fc式中為超聲波的波長、c為超聲波在介質(zhì)中的的波速、為超聲波的頻率?？梢?，f在同一種介質(zhì)中超聲波的波長與超聲波的頻率成反比。探頭頻率參數(shù)選擇，超聲波探傷頻率在 0.5-10MHz 之間，選擇范圍大。一般選擇頻率時(shí)應(yīng)考慮以下因素。由于波的繞射，使超聲波靈敏度約為 /2，因此提高頻率，有利于發(fā)現(xiàn)更小缺陷；頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，

29、有利于區(qū)分相鄰缺陷。10 (4)D22. 1arcsin可知，頻率高，波長短，則版擴(kuò)散角小，聲束指向性好，能量集中，由利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷定位；示波屏上的波高與聲壓成正比,既 : (1NP=8.68dB 1dB=0.115NP) (5)12lg2012lg20HHPP聲強(qiáng)反射率 R 和投射率 T 分別為： ， (6)21122)2(ZZZZrR2114ZZZZT由以上幾式得： (7)1, 1RTRT當(dāng)時(shí)間基線按水平距離調(diào)整時(shí)，缺陷的水平距離 L 可由缺陷最大反射波在熒傳感器課程設(shè)計(jì)14光屏上的位置直接讀出；缺陷的深度 H 可通過計(jì)算或作圖求出。 奇次波 ,N=1、3. TNKLH) 1(8)偶

30、次波 ,N=2、4. KLNTH(9) 3、器件選擇超聲波探傷應(yīng)用電路元器件清單如下表 1 所示：傳感器課程設(shè)計(jì)15表 1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1電阻1K7R1-R102電阻1044R13、R15-R173電阻4703R11、R12、R144排阻10K2J25瓷片電容30pF2C1、C26瓷片電容100pF5C1-C57瓷片電容3.3uF2C10、C118電解電容1044C6-C99電解電容100uF3C10-C1210集成電路CX201061J311放大器AD810AN、AD80362J4、J512超聲波接收集成芯片CX201061J113電壓穩(wěn)壓器MC78M05CT1

31、U314模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC08091U115集成反相器74LS041JP116二極管FR1574D1-D417晶振12MHZ1Y118單片機(jī)AT89C521U219開關(guān)RST1K1傳感器課程設(shè)計(jì)16六、總結(jié)經(jīng)過緊張而又忙碌的學(xué)習(xí)工作，完成了此次課程設(shè)計(jì)，感謝老師在此期間對我的教導(dǎo)和幫助。思想、學(xué)習(xí)上，我都取得了很大收獲。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的硬件電路分為發(fā)射電路、放大電路和接收電路等。軟、硬件均采用的模塊化設(shè)計(jì)方案。這樣的方案和方法，有利于各個(gè)擊破，大大縮減了儀器的開發(fā)周期；模擬、數(shù)字信號系統(tǒng)的分離設(shè)計(jì)，很大程度上減少了相互之間的信號干擾，確保了儀器的穩(wěn)定性和可靠性，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的各項(xiàng)基本功能。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波探傷技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位，在很多領(lǐng)域均獲得非常廣泛的應(yīng)用。