基于DSP56F805的便攜式多功能超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

引言
無(wú)損檢測(cè)在工程領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣，超聲波檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一，主要應(yīng)用在測(cè)距、探傷、測(cè)厚等領(lǐng)域。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大能量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。利用該特性，可以實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)距和超聲探傷。超聲波檢測(cè)具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、方便、對(duì)人體無(wú)損害和易于做到實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖1   系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖及電路分析
系統(tǒng)框圖如圖1所示。
超聲波發(fā)射電路
信號(hào)發(fā)射部分包括發(fā)射電路和探頭。探頭由超聲波換能器組成，可以是收發(fā)同體的換能器，也可以是發(fā)射和接收分開的。本電路采用的是收發(fā)分開的探頭，這樣可以減少發(fā)射余震信號(hào)的影響，即可減小盲區(qū)。針對(duì)測(cè)距和探傷對(duì)超聲波頻率要求不同，探頭可以更換。
發(fā)射電路產(chǎn)生激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波所需的高壓窄脈沖，不同探頭要求的諧振頻率不同，所以要求激勵(lì)脈沖寬度可調(diào)。發(fā)射電路如圖2所示，先由DSP提供寬度可調(diào)的低壓脈沖，再由發(fā)射電路轉(zhuǎn)換成高壓脈沖加到換能器上。發(fā)射電路的阻尼情況由R0決定。R0小，阻尼大，發(fā)射脈沖強(qiáng)度低；R0大，阻尼就小，發(fā)射強(qiáng)度高。
信號(hào)接收電路
超聲回波信號(hào)非常微弱，一般是毫伏級(jí)，所以必須放大，為了與超聲波換能器的高阻抗匹配，前置放大器也設(shè)計(jì)成高阻抗輸入。在探頭和前置放大器之間加一級(jí)衰減器是為了防止由于某些原因，回波電壓過大，容易對(duì)儀器造成損害。濾波電路設(shè)計(jì)成帶通濾波，由于探頭的頻率范圍比較寬，不同探頭發(fā)射頻率不同，所以要求帶通濾波的中心頻率可調(diào)，由DSP來(lái)控制。這一級(jí)要求高信噪比和高品質(zhì)因數(shù)，經(jīng)過帶通濾波器后，回波信號(hào)得到放大，而其它噪聲被削弱，同時(shí)，為下一級(jí)的程控放大提供了具有更高信噪比的輸入信號(hào)。程控放大器主要是針對(duì)測(cè)距的遠(yuǎn)近兩檔來(lái)設(shè)計(jì)的，由于換能器發(fā)射能量一定，當(dāng)測(cè)量近距離時(shí)，回波信號(hào)能量大，這時(shí)接收器放大倍數(shù)應(yīng)該小些，而測(cè)量遠(yuǎn)距離時(shí)，回波信號(hào)能量小，接收放大倍數(shù)就應(yīng)該大些。程控放大器由DSP來(lái)控制放大倍數(shù)，使得測(cè)距時(shí)遠(yuǎn)近兩檔放大后的信號(hào)幅值保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，在探傷時(shí)，不同的介質(zhì)對(duì)超聲波能量的衰減也不同，可通過手動(dòng)或自動(dòng)方式來(lái)調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，以達(dá)到回波信號(hào)的正確接收和顯示。
信號(hào)采樣和顯示電路
顯示探傷回波信號(hào)時(shí)有兩種顯示方式，一種是直接顯示回波聲壓波形的射頻顯示(即不檢波顯示)，另一種是經(jīng)過檢波的回波聲壓波形的視頻顯示(即檢波顯示)。
射頻顯示信號(hào)直接由程控放大器進(jìn)入A/D采樣電路，射頻顯示能比較真實(shí)地反映出超聲波脈沖在介質(zhì)中的傳播情況，有利于分析回波的波形特征，并且為進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理以判別缺陷的性質(zhì)及材質(zhì)的變化奠定了基礎(chǔ)。由于缺陷回波尖峰脈沖很窄，所以A/D轉(zhuǎn)換電路要求有較高的采樣速率。本系統(tǒng)選用的高速ADC為MAXIM公司的MAX1426，MAX1426為10位單通道輸入ADC，轉(zhuǎn)換速率為10Msps，輸入電壓范圍為-2V~+2V，供電電壓為4.75V~5.25V。

圖2  發(fā)射電路

視頻顯示則顯示波形的包絡(luò)，圖形比較清晰，這有利于信號(hào)峰值采樣，能夠確定缺陷當(dāng)量，同時(shí)可通過門限檢測(cè)來(lái)判斷缺陷的位置。兩路信號(hào)由模擬開關(guān)來(lái)控制。測(cè)距時(shí)，信號(hào)檢波后直接送到門限檢測(cè)。門限檢測(cè)主要是為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值采樣，設(shè)置一個(gè)門檻，防止非回波信號(hào)進(jìn)入DSP，這一步對(duì)測(cè)距和定位缺陷信號(hào)非常重要。
幅度門限主要是為回波信號(hào)設(shè)置一個(gè)幅度門檻，該門限由比較器構(gòu)成，比較器一端輸入回波信號(hào)，另一端輸入由回波信號(hào)經(jīng)過衰減及加上一直流信號(hào)后得到的信號(hào)，即為門檻信號(hào)，只有高于門檻值的信號(hào)才能引起比較器的輸出。第二級(jí)脈寬門限是一時(shí)間門檻，設(shè)置該門限主要是考慮到信道中的各種干擾及電路中的噪聲經(jīng)過放大后幅度變大，有的甚至超過回波信號(hào)的幅度，這時(shí)，單有幅度門限是不夠的。脈寬門限由一觸發(fā)器構(gòu)成，通過幅度門限的信號(hào)只有脈寬達(dá)到設(shè)定的寬度才能通過第二門限進(jìn)入DSP。
顯示模塊采用EL場(chǎng)致顯示屏來(lái)顯示儀器的功能菜單以及各個(gè)測(cè)量結(jié)果，包括距離、面積、體積、缺陷位置、回波波形和回波頻譜圖等。該模塊要求實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，并且針對(duì)便攜式儀器的特點(diǎn)，該部分應(yīng)滿足低功耗要求。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)回波信號(hào)數(shù)據(jù)，為64K