一种基于FPGA的A超数字式探伤系统的研究

    关键词：MCS196kc单片机 无损检测 超声波探伤 FPGA 数字信号处理 DAC曲线

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波在媒介中传播，有波的叠加、反射、折射、透射、衍射、(凹丫丫范文网fanwen.oyaya.net收集整理)散射及吸收衰减等特性，一般遵循几何光学的原则。A超探伤仪采用幅度调制（Amplitude Modulation）显示，在显示屏幕上以横坐代表被测物的深度，纵坐标代表回放脉冲的幅度。

超声波探伤的方法很多，按其原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。本系统采用脉冲反射法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等，这里只介绍缺陷回波法。图1是缺陷回波法示意图。当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表面发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图1（a）所示；若试件中存在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如图1（b）所示。

整个系统的硬件原理结构如图2所示，主要包括模拟和数字两部分，以下分别介绍。

1 模拟部分

该系统的模拟部分主要由发射电路、限幅机构、高频放大、带通滤波、检波等几部分组成。

图2 超声检测系统的硬件构成

    发射电路主要用来产生高压窄脉冲信号（400V），以激励超声波探头发射超声波。由于不同探头的谐振频率不同，所以要求脉冲激励信号的宽度可调。在发射电路的设计中，由FPGA提供给发射电路低压可调脉宽的激励信号，再由发射电路将其转换为高压的窄脉冲激励信号，其脉冲宽度可变。

隔幅机构是对某些过大的回波电信号进行电压幅值的限制，以免电压过大影响后继高频放大器的正常工作，甚至烧毁电路器件。限幅电路的限幅幅值为±3V左右。

高频放大电路用来对回波电信号进行放大，放大范围可从-10dB到110dB。由于测试对象钢板的厚度不一，故回波信号的强弱也不定。所以，要把高频放大电路设计成可以动态控制增益值的程控放大电路，可通过MCU来实现。

带通滤波电路对信号放大过程中引入的噪声进行控制。由于超声探头的发射频率范围较宽（400kHz～10MHz），如果使放大器通带范围固定为400kHz～10MHz，势必影响滤波效果。在本文中，设计了可程控的两组带通滤波电路，其带宽范围分别为400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz。

超声波探伤系统回波波形的显示方式通常有两种：射频显示（不检波显示）和视频显示（检波显示），如图3所示。射频显示可以保持波形状态，有助于缺陷性质的识别；而视频显示则有利于峰值采集，以便确定缺陷当量。为了分别满足这两种显示的要求，在设计中加入了检波与非检波的切换电路，电路的切换受MCU控制。

2 数字部分

2.1 微控制单元

该系统的数字部分以微控制单元（MCU）作为整个超声检测系统的控制核心。在此选用了Intel公司的16位单片机MCS196kc，该MCU不但具有16位的数据运算功能，而且提供了强大的控制能力。其实现有的功能主要有：（1）控制显示模块和键盘接口模块，实现人机界面的交互；（2）完成检测结果的存储、打印；（3）提供与微机之间可靠的数据传输；（4）实现对电源模块的管理；（5）调节模拟部分中运放的放大增益倍数。