超声波探伤仪的设计_毕业设计说明书(论文设计)

摘要

超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的一种无损检测方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着重要的意义。尽管随着电子技术的发展，国出现了一些数字化的超声检测仪器，但其数据处理及扩展能力有限，缺乏足够的灵活性。而虚拟仪器是近年来刚刚发展起来的一种新的仪器构成方式，它是一种计算机技术、通讯技术和测量技术相结合的产物，具有很大的灵活性和扩展性，具有旺盛的生命力。因而本设计尝试将虚拟仪器技术和超声检测技术相结合，基于A T89C52单片机开发的超声探伤仪智能系统的硬件组成、软件设计和抗干扰措施,以脉冲反射式超声探伤仪为代表研制完成一个良好的数字化的超声检测平台，该系统具有测量、数字显示、A/D转换等功能,并具有工作稳定、性能好等优点。为以后进一步的更

深入的超声数字信号处理研究打下了良好的基础。

关键词：无损检测；超声波探伤；AT89C52；虚拟仪器；L a b V I E W

Abstract

A s a k i n d o f N DT(N o n-D e s t r u c t i v e Te s t i n g)，U T (U l t r a s o n i c Te s t i n g)i s w i d e l y u s e d i n m o d e r n

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u l t r a s o n i c f l a w d e t e c t o r s y s t e m b a s e d o n A T89C52 m o n o l i t h i c u n i t a r e d e s c r i b e d.T h e s y s t e m h a s

a c c u r a t e m e a s u r e m e n t,d i g i t d i s p l a y,A/D c h a n g e, n d i t h a s h i g h s t e a d y f u n c t i o n w h i c h w i l l

b e h e l p t o t h e f u r t h e r r e s e a r

c h o n u l t r a s o n i c

d i g i t a l s i g n a l

p r o c e s s i n g i n f u t u r e.

K e y w o r d s：N DT(N o n-D e s t r u c t i v e Te s t i n g)；U T

(U l t r a s o n i c Te s t i n g) AT89C52；L a b V I E W；V I (V i r t u a l I n s t r u m e n t)

目录

摘要 (1)

Abs tr a c t (2)

目录 (4)

第一章绪论 (6)

设计的背景及意义 (7)

第二章超声波及超声检测的原理 (9)

2.1超声波的基本性质 (9)

2.1.1超声波的速度及波长 (9)

2.1.2超声波的衰减 (10)

2.2超声换能器 (11)

2.2.1超声换能器的定义及分类 (11)

2.2.2超声换能器的主要性能参数 (12)

2.3超声波探伤的原理 (13)

2.3.1超声波探伤方法的分类 (13)

2.3.2脉冲反射式超声探伤仪的原理 (14)

第三章系统硬件设计 (18)

3.1系统硬件整体结构框图 (18)

3.2单元电路 (19)

3.2.1AT89C52单片机 (19)

3.2.2发射电路 (21)

3.2.3信号调理电路 (23)

3.2.4600v电源电路 (32)

3.2.5.+5v电源电路以及-5v电源电路 (33)

3.3上位机处理设计 (35)

3.3.1基于L a b V I E W的单片机串口通讯设计 . 35

3.3.2基于L a b V I E W的软件设计 (37)

第四章总结 (41)

第五章主要参考文献 (42)

第六章致谢词 (43)

第一章绪论

随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。

由于超声波无损探伤设备在不同的应用场合，其对探头的要求不同，对接收的回波信号的处理算法也不同，因此某一类的无损探伤设备，通常只能适应于一种或几种应用场合。为使超声波探伤设备具有更好的应用围、更高的处理算法和更快的更新周期，可采用虚拟式超声波无损探

伤设备。虚拟超声探伤系统是利用计算机显示器的功能来模拟传统探伤仪的控制面板，以多种形式输出检测结果，利用软件功能来实现数字信号的运算、分析和处理。利用输入输出(I/O)接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的超声无损探伤系统。该系统是虚拟仪器技术与传统超声探伤系统相结合的产物。在设计虚拟数字超声系统时，结合传统超声探伤系统中模拟通道的设计，因为任何一个超声探伤系统都必须包括超声波的发射电路、接收电路和信号调理电路才能进一步进行后续的处理工作，这些电路的设计将直接影响到整个超声探伤系统工作的可靠性和测试精度。

设计的背景及意义

在无损检测过程中不但要完成是否存在缺陷的判断，而且要实现一些工艺参数的测量，进而对被检测的材料或

工件进行性能的评估。对于超声检测而言，其应用中的硬件电路具有很大的相似性，因而如何灵活、准确的从通过介质的超声波中提取包含被检测物体特征的信号成为关键，它对系统的数字信号处理能力和灵活性提出了很高的要求。数字化的超声检测仪采用了单片机或者D S P作为数据处理单元，可以实现一定的数据处理能力，但其硬件或固化的软件的开发形式缺乏灵活性，不利于用户二次开发升级，而从虚拟仪器的产生动机和特点可以看到，虚拟仪器的产生正是顺应了仪器发展的潮流，就如美国N I （N a t i o n a l I n s t r u m e n t)公司所提出的“软件即仪器”的概念那样，它十分重视在相同的硬件条件下，用不同的软件分析处理技术来实现不同仪器的功能，它提供的大量的分析处理函数库为信号的分析处理提供了有力的支持，因而将超声检测与虚拟仪器相结合有着重要的意义，有助于超声检测的良性发展。

第二章超声波及超声检测的原理

2.1超声波的基本性质

通常人耳能够听到的声波的频率围在20-20000H z之间，人们习惯上把频率超过20K H z的声波称为超声波。超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两个条件，一是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常

用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。

2.1.1超声波的速度及波长

声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。

超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:

λ(2-1)

=

f

c/

其中λ为超声波的波长、c为超声波在介质中的的波速、?为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。

2.1.2超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫做超声的衰减。

超声衰减的三种主要原因:

●声束扩散引起的超声波衰减

●散射引起的超声波衰减

●由介质吸收引起的超声波衰减

鉴于以上原因，为使接收信号不过度失真，需要在超声波接收单元中设计一高增益放大电路，即下文中的衰减放大电路。

2.2超声换能器

2.2.1超声换能器的定义及分类

顾名思义，换能器就是一种将一种能量转换为另一种

能量，进行能量转换的器件。超声换能器是在超声频率围将交变的电信号转换成声信号或各将外部的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器是超声检测装置中非常重要的一个部分，它的性能和特点往往决定了超声检测的方法，对检测的效果有着很大的影响。

超声换能器的种类很多，按照换能器的工作介质可分为气体超声换能器、液体超声换能器以及固体超声换能器等，按照能量转换的机理和利用的换能器材料，可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器(电容型换能器)，机械型超声换能器等。其中压电换能器的理论研究和实际应用最为广泛，目前最常用的压电材料是压电陶瓷材料。

在无损检测领域，人们常常称检测用的超声换能器为超声探头。在实际应用中，由于超声探头往往是与超声检测的方法是紧密相连的，不同的检测方法需要不同的超声探头，因而超声探头的种类也是多种多样的。根据产生超

声波波形的不同，探头可分为纵波探头(也叫直探头)、横波探头(也叫斜探头)和表面波探头等几种。根据耦合方法区分，有直接接触式探头和水浸探头。按工作方式分有单晶探头、双晶探头和列阵探头等。

2.2.2超声换能器的主要性能参数

衡量超声检测系统中的换能器的性能需要的参数很多，主要有两个:一是换能器的灵敏度，二是换能器的带宽。前者取决于振型、换能器的材料及机械系统结构，后者是换能器的频率带宽特性，包括功率、声压、阻抗及灵敏度等随频率变化的带宽特性。对于应用于脉冲法检测的超声换能器，要求其频带宽，这就是所谓的宽带换能器，也称高阻尼探头，它保证激励产生的超声波脉冲信号有较陡的上升沿，余振也短，这种特性在超声检测系统中特别重要。

本设计采用德国K．K公司(K r a u t k r a m e r)的B5S单晶

纵波直探头。该探头具有5 M H z的标称频率，15～6 000 m m的工作量程和110m m的近场长度。

2. 3超声波探伤的原理

超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体部的不连续性(即通常所说的缺陷)的一种方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。

2.3.1超声波探伤方法的分类

超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接

触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。

考虑到脉冲超声探伤仪在实际中应用最为广泛，本设计将对基于虚拟仪器技术的超声脉冲反射式探伤仪的实现技术进行讨论。

2.3.2脉冲反射式超声探伤仪的原理

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件，利用被检工件底面或部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。纵波脉冲反射法工作原理如图2-1所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺

陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。

图2.1脉冲法纵波探伤原理

a.判断缺陷的存在

换能器发射的超声波在工件部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关。由

于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。

● 当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射 波，两者之间没有其它回波。

● 当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始 波和底波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。

● 当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所 反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。

b.缺陷的定位

由于超声波在介质的波速是一定的，则在图2.1中

L T T X b f

(2-2)

若知道工件长L 的大小，则可以根据发射波到反射波