一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置

摘要

一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置，超声波信号检测模块有依次串接的：超声换能器激励接收电路、多路复用开关、前置增益放大器、可变增益放大器、8路可选检波滤波电路和高速高精度采样芯片，数字处理模块有：分别与中央处理器双向连接的现场可编程门阵列、键盘电路、显示驱动电路、内存芯片和闪存芯片，键盘电路的输入端依次连接PIC单片机和电池管理电路，显示驱动电路的输出端连接LCD显示屏，超声波信号检测模块中的超声换能器激励接收电路、多路复用开关、前置增益放大器、可变增益放大器和8路可选检波滤波电路的信号输入端分别连接现场可编程门阵列的信号输出端，高速高精度采样芯片的信号输出端连接现场可编程门阵列的信号输入端。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无损检测装置。特别是涉及一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置。

背景技术

工业超声波无损检测装置作为超声波检测领域的基础通用设备，被广泛应用于石油、化工、航天等金属材料的无损检测。超声波无损检测装置结构型式多样，因为操作简单、携带方便、适应场合广泛而被广为应用。

厚度≤6mm的金属薄板是工业生产用的重要原材料。金属薄板的生产工艺决定了其内部最易存在的缺陷类型为平行于材料表面的分层性缺陷。

现行的GB11345-2013《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》标准中规定适用范围为“母材厚度不小于8mm的铁素体类钢全焊透熔化焊缝的脉冲反射法手工超声波焊缝检验。”

但现今钢结构工程中，厚度小于8mm的情况越来越常见，对6mm以内薄板缺陷检测的需求越来越急切。

目前，国内外各工业部门对金属薄板内部质量的无损检测，均采用超声兰姆波方法或超声横波脉冲反射方法。超声兰姆波方法检测速度快，但存在严重的缺陷漏检。国外宇航工业部门对金属薄板的无损检测主要采用超声横波脉冲反射方法，由于该方法是利用材料内部分层性缺陷前沿的超声散射信号对缺陷进行检测，而金属薄板内部缺陷的前沿非常窄，该方法检测时亦存在较严重的缺陷漏检。

根据声学理论基础，在不考虑介质衰减的情况下，液体介质中超声波波源附近会有由于波的干涉而出现的一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。

在近场区进行超声波探伤对定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检。由于薄板焊缝的母材板厚较薄，基本都处于超声场的近场区，因此为避免误判、漏检，传统意义上使用纵波单晶探头不宜进行薄板焊缝无损检测。

但是超声波探伤在纵波方式对平行于金属薄板表面的分层型缺陷有着其他两种方式不可比拟的检测灵敏度。一般双晶探头均采用延迟块设计，缩短了钢材中近场区长度，这对薄板焊缝探伤是有利的。除此之外双晶探头还具有灵敏度高，杂波少盲区小，超声波能量集中在棱形探测区域内且可通过调节入射角度来调节探测范围等优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高工作速度和工作稳定性，同时降低功耗，减小体积和重量的对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置。

本发明所采用的技术方案是：一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置，是由超声波信号检测模块和数字处理模块构成，所述的超声波信号检测模块包括有依次串接的：连接采 样探头的超声换能器激励接收电路、多路复用开关、前置增益放大器、可变增益放大器、8路可选检波滤波电路和高速高精度采样芯片，所述的数字处理模块包括中央处理器，分别与中央处理器双向连接的现场可编程门阵列、键盘电路、显示驱动电路、内存芯片和闪存芯片，其中，所述的键盘电路的输入端依次连接PIC单片机和电池管理电路，所述显示驱动电路的输出端连接LCD显示屏，所述超声波信号检测模块中的超声换能器激励接收电路、多路复用开关、前置增益放大器、可变增益放大器和8路可选检波滤波电路的信号输入端分别连接所述现场可编程门阵列的信号输出端，高速高精度采样芯片的信号输出端连接所述现场可编程门阵列的信号输入端。

所述的超声换能器激励接收电路的高压电源输入端通过一个升压芯片连接外部供电电源。

所述的中央处理器还分别连接电源电路和第一晶振电路。

所述的中央处理器选用ALTERA公司的ARM9架构中央处理器。

所述的现场可编程门阵列的信号输入端还连接第二晶振电路。

所述的采样探头为10M～20M双晶探头。

所述的超声换能器激励接收电路包括有：第一驱动芯片和第二驱动芯片，其中，所述第一驱动芯片和第二驱动芯片的电源输入端均连接10V电路电源，所述第一驱动芯片和第二驱动芯片的信号输入端分别连接现场可编程门阵列的信号输出端，所述所述第一驱动芯片的驱动信号输出端通过第一电阻连接第一MOS管的栅极，所述第二驱动芯片的驱动信号输出端通过第二电阻连接第二MOS管的栅极，所述第一MOS管的源极接地，所述第一MOS管的漏极通过第五电阻连接高压电源输入端，所述第二MOS管的源极分别通过第一电容接地、通过第二电容接地和通过第三电容接地，所述第二MOS管的漏极依次通过第三电阻、第四电容和第五电阻连接高压电源输入端，还设置有第一～第四二极管，其中，第一二极管和第三二极管的负极共同通过第四电阻接地，以及依次通过第四电容和第五电阻连接高压电源输入端，第一二极管和第三二极管的正极共同连接第二二极管和第四二极管的负极，第二二极管和第四二极管的正极连接采样探头。

本发明的一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置，具有如下优点：

1、高度集成化

采用当今国际先进和成熟的集成电路技术，如FPGA和CPLD以及专用DSP等技术，不仅大提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定可靠性，还降低了功耗，减小了体积和重量。

2、模拟电路多档匹配

保证回波波形的完整性和峰值不丢失，同时有8档输出阻尼和8个滤波频带可以供切换，使得传统普通规格的单晶直探头，斜探头也能正常工作等等。

3、低噪声设计

完善的电路设计，解决了噪声干扰问题，使仪器的灵敏度余量大增加。

4、人工智能技术

应用人工智能技术，实现仪器和探头检验自动化、波峰自动跟踪和缺陷位置、大小和当量自动转换及显示。

5、设计和制造模块化

采用模块化设计，仪器的升级和生产方便、可靠。

6、多工艺设置

仪器具有多个独立的探伤通道，各通道可以存储不同的探伤工艺，可取代多台探伤仪，节省空间、时间和成本。

7、全中文提示

具有中文键盘，操作过程中全中文提示，使探伤人员能快速掌握仪器的应用方法。

附图说明

图1是本发明一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置的构成框图；

图2是本发明中超声换能器激励接收电路的电路原理图。

图中

1：中央处理器2：超声换能器激励接收电路

3：多路复用开关4：前置增益放大器

5：可变增益放大器6：8路可选检波滤波电路

7：高速高精度采样芯片8：现场可编程门阵列

9：PIC单片机 10：电池管理电路

11：显示驱动电路 12：内存芯片

13：闪存芯片 14：电源电路

15：第一晶振电路 16：键盘电路

17：第二晶振电路 18：采样探头

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置，是由超声波信号检测模块和数字处理模块构成，所述的超声波信号检测模块包括有依次串接的：连接采样探头18的超声换能器激励接收电路2、多路复用开关3、前置增益放大器4、可变增益放大器5、8路可选检波滤波电路6和高速高精度采样芯片7，所述高速高精度采样芯片7采用能够进行双通道并发采集的具有双通道100MHz以上采样率AD转换芯片。所述的采样探头18为10M～20M双晶探头，还可以使用单晶直探头或斜探头。所述的超声换能器激励接收电路2的高压电源输入端HV通过一个升压芯片连接外部供电电源。所述的数字处理模块包括：中央处理器1，分别与中央处理器1双向连接的现场可编程门阵列8、键盘电路16、显示驱动电路11、内存芯片(DDR2SDRAM)12和闪存芯片(Nand Flash)13，其中，所述的键盘电路16的输入端依次连接PIC单片机(PIC16F系列)9和电池管理电路10，所述显示驱动电路11的输出端连接LCD显示屏13，所述超声波信号检测模块中的超声换能器激励接收电路2、多路复用开关3、前置增益放大器4、可变增益放大器5和8路可选检波滤波电路6的信 号输入端分别连接所述现场可编程门阵列8的信号输出端，高速高精度采样芯片7的信号输出端连接所述现场可编程门阵列8的信号输入端。所述的中央处理器1还分别连接电源电路14和第一晶振电路15。所述的中央处理器1选用ALTERA公司的ARM9架构中央处理器。所述的现场可编程门阵列8可以选用赛灵公司的FPGA可CPLD或专用DSP芯片，其信号输入端还连接第二晶振电路17。

所述超声波信号检测模块都是数字可控，其功能由中央处理器1通过现场可编程门阵列选择调节。所述数字处理模块都在时序电路的协调下工作。

如图2所示，所述的超声换能器激励接收电路2包括有：第一驱动芯片U316和第二驱动芯片U317，其中，所述第一驱动芯片U316和第二驱动芯片U317的电源输入端均连接10V电路电源，所述第一驱动芯片U316和第二驱动芯片U317的信号输入端分别连接现场可编程门阵列8的信号输出端，所述所述第一驱动芯片U316的驱动信号输出端通过第一电阻R347连接第一MOS管Q301的栅极，所述第二驱动芯片U317的驱动信号输出端通过第二电阻R348连接第二MOS管Q300的栅极，所述第一MOS管Q301的源极接地，所述第一MOS管Q301的漏极通过第五电阻R303连接高压电源输入端HV，所述第二MOS管Q300的源极分别通过第一电容C312接地、通过第二电容C313接地和通过第三电容C314接地，所述第二MOS管Q300的漏极依次通过第三电阻R311、第四电容C311和第五电阻R303连接高压电源输入端HV，还设置有第一～第四二极管D300、D301、D302、D303，其中，第一二极管D300和第三二极管D300的负极共同通过第四电阻R304接地，以及依次通过第四电容C311和第五电阻R303连接高压电源输入端HV，第一二极管D300和第三二极管D300的正极共同连接第二二极管D301和第四二极管D303的负极，第二二极管D301和第四二极管D303的正极连接采样探头18。

本发明的一种对薄板缺陷进行超声波无损检测的装置，能适应20M双晶探头，应用高速采样器件和高频滤波电路电路，保证回波波形的完整性和峰值不丢失。并且，本发明还8档输出阻尼和8个滤波频带可以供切换，使得传统普通规格的单晶直探头，斜探头也能正常工作。即本发明能够支持高达20MHz双晶探头的滤波频带，及高达210MHz的回波采样频率，通过改变入射角度，采样探头18能够将超声波能量集中在棱形探测区域薄板中的缺陷，从而能够分辨4mm厚钢板下表面宽度为0.1mm，深度为0.1mm的缺陷。