無損檢測技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)許多領(lǐng)域中保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手段。應(yīng)用這種方法的目的不僅是檢測產(chǎn)品,更重要的是檢測時(shí)對產(chǎn)品無破壞和損傷,彌補(bǔ)常規(guī)檢驗(yàn)方法的不足。超聲波檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的重要手段之一,利用超聲波與被測物質(zhì)的相互作用,在不破壞和損傷被檢物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的前提下,檢測材料、構(gòu)件或設(shè)備存在的內(nèi)外部缺陷,并能確定缺陷的大小、形狀和位置,它提供了評價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。

但是早期超聲波檢測僅限于模擬量信號(hào)的分析,大部分檢測設(shè)備僅有A掃描形式,需要通過有經(jīng)驗(yàn)的無損檢測人員對信號(hào)進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論,對檢測和分析人員的要求較高,人為因素對檢測的結(jié)果影響較大,波形也不易記錄和保存,不適宜完成精確化、自動(dòng)化檢測。然而便攜式數(shù)字超聲探傷儀的研制,不僅能迅速對缺陷進(jìn)行判斷,并且能及時(shí)保存探傷參數(shù)和缺陷波,可以避免人為因素的干擾,同時(shí)客觀真實(shí)的記錄探傷結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確的檢測,為起重運(yùn)輸機(jī)械安全作業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1超聲波探傷原理

超聲波探傷的方法很多,按其原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。本系統(tǒng)采用脈沖反射法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢測試塊內(nèi),根據(jù)反射波的情況檢測試件缺陷的方法。機(jī)械振動(dòng)和波動(dòng)是超聲探傷的物理基礎(chǔ),主要是應(yīng)用反射、折射定律等幾何聲學(xué)知識(shí),以及疊加、干涉等物理聲學(xué)知識(shí)。

1·1超聲波垂直入射到單一平界面時(shí)的反射與透射

界面上反射波聲強(qiáng)Ir與入射波聲強(qiáng)Io之比,稱為聲強(qiáng)反射率,用R表示。

式中Po———入射波的聲壓

Pr———反射波的聲壓

Pt———透射波的聲壓

r———界面的聲壓反射率

Z1———第1種介質(zhì)的聲阻抗

Z2———第2種介質(zhì)的聲阻抗

1·2超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體的回波聲壓

超聲波探頭(波源)發(fā)射的超聲場,具有特殊的結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí),才有可能被發(fā)現(xiàn)。實(shí)際探傷中常用反射法,超聲波探傷中常用的規(guī)則反射體有平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔和大平底面等,由于受篇幅限制,此處只分析平底孔回波聲壓。

式中P———平底孔回波聲壓

Po———晶片起始聲壓

F———晶片的面積

F———平底孔的面積

———平底孔直徑

λ———波長

x———平底孔至波源的距離

2超聲探傷系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的超聲探傷系統(tǒng)可以分為2個(gè)主要部分:上位機(jī)系統(tǒng)和便攜機(jī)系統(tǒng),上位機(jī)和便攜系統(tǒng)之間通過標(biāo)準(zhǔn)的串行口接口進(jìn)行通信。上位機(jī)系統(tǒng)可以接收實(shí)時(shí)的探傷數(shù)據(jù)或者周期性的集中數(shù)據(jù),通過探傷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的分析、管理和打印。便攜系統(tǒng)主要是基于PC/104系統(tǒng),由掃描機(jī)構(gòu)、超聲發(fā)射以及對回波信號(hào)進(jìn)行高速采集和處理,并對探傷結(jié)果進(jìn)行顯示、分析、存儲(chǔ)和其他一些探傷要求的設(shè)置組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

2·1便攜式超探儀的硬件設(shè)計(jì)

2·1·1PC/104結(jié)構(gòu)

PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線標(biāo)準(zhǔn),被IEEE協(xié)會(huì)定義為IEEE-P996·1,其實(shí)質(zhì)是一種緊湊型、小型化的IEEE-P996。其型號(hào)定義和PC/AT基本一致,是一種優(yōu)化的小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式工業(yè)控制總線標(biāo)準(zhǔn)。采用PC/104系統(tǒng)的獨(dú)立模塊堆棧方式,模塊是被用作全兼容的總線底板,但是不需要背板或插槽疊成,從而只用極小的空間就可實(shí)現(xiàn)幾乎完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。突出優(yōu)點(diǎn)之一就是體積小,適用于緊湊的便攜式設(shè)備之中。而且它可以使用普通的CPU,既降低了成本又提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。

2·1·2超聲檢測部分

整個(gè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為2部分:第一部分為模擬設(shè)計(jì),包括超聲波發(fā)射電路、限幅電路、高頻放大電路、帶通濾波電路、以及阻抗轉(zhuǎn)換及回波選擇電路。數(shù)字電路部分主要完成邏輯控制功能及A/D轉(zhuǎn)換電路和接口電路。在系統(tǒng)CPU的控制下,由探頭發(fā)射超聲脈沖,并由探頭接收超聲回波信號(hào),經(jīng)過限幅、高頻放大、帶通濾波、檢波后送至采樣電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,結(jié)果放入高速RAM緩沖區(qū), CPU讀取高速RAM緩沖區(qū)結(jié)果,經(jīng)過處理后存儲(chǔ)、屏顯、打印。同時(shí)可以通過與上位(PC機(jī))進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)波形、圖表、文件的傳輸。

探傷儀硬件構(gòu)成框圖如圖2。

由于系統(tǒng)中采用了PC/104模塊,大容量的硬盤空間可存儲(chǔ)多組儀器的參數(shù)設(shè)置、2 000幅以上波形及數(shù)據(jù),同時(shí)顯示和鍵盤也由PC/104控制,這樣就節(jié)省了大量的程序空間。與以前儀器比較,可以將原來的FLASH、程序存儲(chǔ)以及顯示、鍵盤接口部分全部省略,預(yù)留口可為以后的功能擴(kuò)展和性能完善做準(zhǔn)備。

2·2便攜式超探儀的軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)字式探傷系統(tǒng)中,軟件的設(shè)計(jì)占有重要的地位。軟件設(shè)計(jì)部分有以下幾個(gè)任務(wù),一是設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面,可以使操作者根據(jù)探傷要求方便地輸入?yún)?shù)和輸出(顯示、打印)探傷結(jié)果;二是設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)分析處理程序,保證探傷的可靠性,這里指較好的應(yīng)用程序;三是儀器的驅(qū)動(dòng)程序的編寫。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案如圖3。

采用C語言編寫下位機(jī)儀器軟件,用VB高級(jí)語言在上位機(jī)編寫超聲探傷數(shù)據(jù)傳輸和文件管理系統(tǒng)。儀器軟件采用模塊化設(shè)計(jì),由主程序、圖形界面顯示子程序、參數(shù)輸入子程序、硬件子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/讀取子程序、打印子程序、串行口通訊子程序等幾部分組成。儀器軟件系統(tǒng)由工作主界面、儀器參數(shù)設(shè)置模塊、探頭參數(shù)設(shè)置模塊、閘門設(shè)置模塊、距離幅度模塊、特殊功能模塊、記錄操作模塊7大部分組成,儀器軟件功能模塊圖見圖4。

上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和文件管理系統(tǒng)主要由串行口數(shù)據(jù)接收和文件管理2部分組成。目前常用的計(jì)算機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)很多,如USB、IEEE1394、RS-232標(biāo)準(zhǔn)、RS-485標(biāo)準(zhǔn)。串行通信端口(RS-232)是計(jì)算機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)配置,在近距離、小數(shù)據(jù)的傳輸中使用方便、成本低廉,起著不可替代的作用?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸量不大,系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高,因此設(shè)計(jì)中儀器與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換采用RS-232標(biāo)準(zhǔn),接口電路采用芯片MAX232實(shí)現(xiàn)。儀器向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求,數(shù)據(jù)通過RS-232實(shí)現(xiàn)向計(jì)算機(jī)傳輸探傷數(shù)據(jù)。上位機(jī)串行通信的功能在VB中通過設(shè)置MSComm控件實(shí)現(xiàn),程序相對簡潔容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束,文件管理系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部自定義協(xié)議將數(shù)據(jù)自動(dòng)按探測日期排序依次保存為探傷文件,并且能夠生成標(biāo)準(zhǔn)Excel表格,便于日后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析、打印。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5。

3結(jié)束語

該產(chǎn)品已于2005年上半年成功地在鐵路、軌道運(yùn)輸系統(tǒng)及起重運(yùn)輸領(lǐng)域投入使用。事實(shí)表明,在復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境中,采用精度高、速度快、微型化的PC/104為核心,可大大提高CPU的運(yùn)算速度及植入操作系統(tǒng)和抗干擾能力,通過長時(shí)間的使用,數(shù)字超聲探傷儀的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都表現(xiàn)良好,在起重運(yùn)輸設(shè)備的相關(guān)行業(yè)應(yīng)用廣泛并發(fā)揮重要作用,成為安全作業(yè)和運(yùn)行的有力保障。