1、基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计毕业设计 精品辽宁科技大学信息技术学院毕业设计(论文)撰写规范辽宁科技大学信息技术学院教务处制基于单片机和虚拟仪器技术的超声波探伤仪的设计摘要本文利用单片机技术和LabvIEW技术实现超声波探伤仪的设计，本系统主要包括基于单片机的超声波探伤仪的硬件设计和软件设计以及基于LabVIEW的上位机的设计。本文所设计的超声波探伤仪的下位机以单片机为控制核心，并搭载超声波采集和发生信号电路，通过串口传输到上位机上，上位机以LabVIEW为软件平台，开发了超声波探伤仪的上位机程序。关键词：超声波；单片机；LabVIEW；探伤仪英文论文题目AbstractIn th
2、is paper, the use of chip technology and LabvIEW technology ultrasonic flaw detector design, the system includes LabVIEW design and software design and PC-based design of microcontroller-based ultrasonic flaw detector hardware. This article is designed ultrasonic flaw of the next crew to the microco
3、ntroller core, and equipped with an ultrasonic signal acquisition and generation circuits, serial transmission to the host computer, the PC with LabVIEW software platform developed ultrasonic flaw detector PC program.Key Words: Ultrasound,SCM, LabVIEW, flaw第1章 绪论2.1 研究背景随着社会的发展、科技的进步以及现代检测水平的逐步提高，各种
4、方便于检测的系统开始进入了工业检测。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内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范围、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
5、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。2.2 研究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。
6、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DSP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。随着科学技术的不断进步，虚拟仪器应运而生并得到了广泛的应用，利用虚拟技术可以充分发挥计算机的处理和分析的功能，把数据采集和发送放在单片机内进行，数据的处理和分析放在计算机内进行，分工明确同步进行，可以加快开发周期，降低设计风险和成本。2.3 超声波检测技术的发展现
7、状高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位
8、。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使
9、用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的
10、 PUNDIT 便携式超声仪。1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相
11、关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较
12、高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探
13、测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。随着检测
14、技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关
15、程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。2.4 研究内容和论文安排本论文主要研究基于单片机和虚拟仪器技术的超声波探伤仪的设计和应用。主要介绍超声波探伤仪的原理、结构组成、单片机的硬件设计和软件设计以及LabVIEW的上位机设计。第一章 绪论 主要介绍了超声波探伤仪的
16、发展状况，以及目前的现状和前景。第二章超声波探伤仪的系统结构 主要介绍了超声波探伤仪的原理方法、系统结构、系统实现和开发环境等第三章 基于单片机的探伤仪的设计 主要介绍系统各组成单元方案设计(包括发射接收电路设计报警电路设计、晶振电路设计、复位电路设计等)。并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。第四章 基于LabVIEW的探伤仪的上位机设计 主要介绍LabVIEW的上位机的组成和各个模块的详细功能。第五章 结论 对本设计进行详细地总结。第2章 超声波探伤仪的系统结构2.1 超声波探伤的原理和方法超声波在被检材料（金属、非金属）中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质
17、对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探测其内部各种缺陷（如裂纹、气泡、夹杂物等）的大小，形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门，已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声探伤按其方法和目的可分为如下诸种：一、脉冲反射法把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波，这种探伤方法称为脉冲反射法。它是超声探伤中最基本的方法。在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用波形可分为纵波探
18、伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法；根据探头个数和作用可分为单探头法和双探头法；根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。二、穿透法利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法称为穿透法。穿透法有连续波穿透法，脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件；由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料；探伤图形直观，只要定好检查标准就可以进行作业；易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探测灵敏度一般比反射法低，难以检查较小缺陷。三、共振法把频率
19、连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中的分层和进行材质判定。四、声阻法声阻法是利用被测物件的振动特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测的一种无损检测法。它多用于检测物体表面的成层情况，例如用来检查基体材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作频率范围一般都较低（如几千赫兹）。用这种方法工作时，把探头和被测件直接接触，使被测件和探头结合在一起构成一个共振体，探头一方面是振动源，同时也是检测部件，当被测件的有效厚度不同时（例如，若膜片未粘上，则有效厚度仅
20、为膜片的厚度，若已完好的粘接上，则有效厚度包括膜片和基体材料的厚度），该共振体频率特性就不同，从而可根据其频率特性来判定膜片在某个小区域的粘接情况。2.2 系统结构虚拟超声探伤系统的总体结构如图3.1所示。该系统以AT89C52单片机为核心控制器件，主要由主机控制、发射电路、信号调理电路、探头、上位机显示等部分组成。数据采集由AT89C82单片机结合LabVIEW串口通讯函数完成,然后结LabVIEW应用软件进行探伤系统的面板设计和部分功能的设计，对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。 2.3 LabVIEW开发环境2.3.1 LabVIEW简介LabVIEW是美国国家仪器（Nati
21、onal Instruments，NI）公司开发的一种图形化编程语言（通常称为G语言），它的全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，即实验室虚拟仪器集成环境。LabVIEW并不像一般传统的文本编程语言，它基本上不用写程序代码，而是用图标、连线构成程序框图，类似于一个搭积木的过程。这种易于识别的LabVIEW图形符号，使得使用者不必像学习其他语言一样，花费过多的时间去了解编程语法等基础知识，因而即使只有很少编程经验的人也能很快学会LabVIEW的基本操作。LabVIEW中术语、图标和概念都是工程师们所熟知的，因此被工程师看作为
22、标准的工业开发环境。它不仅具有图形化编程方式专有的灵活性和直观性，它还专门为测试、测量与自动化控制应用设计进行了方便的配置，因此被广泛应用于数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等等领域。LabVIEW和虚拟仪器有着紧密的联系，虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统的仪器技术不同，虚拟仪器技术是指在包含数据采集设备的通用的计算机平台上，根据需求可以高效率的构建形形色色的测量系统。在LabVIEW中开发的程序也被称为虚拟仪器，所有的虚拟仪器都包括了前面板和程序框图两部分。LabVIEW代码直观，简单易用，但在功能完整性和应用灵活性上不亚于任何一种高级语言。它同样定义了数据类型、结构类型
23、和模块调用规则等一般编程语言的基本要素，使用者完全可以用它来设计专业的、功能强大的程序。LabVIEW不仅提供了遵从GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCPIP、ActivX等软件标准的库函数。利用它结合NI公司的其他硬件，用户可以很方便地建立自己的虚拟仪器。LabVIEW软件可以广泛应用于各种台式、移动、工业级计算机和嵌入式系统中，以其强大的图形化编程界面为工程师和科学家提供直观的编程语言。虚拟仪器可以应用了多种领域，是因为他可以与多种物理控制和采集单元连接，于此同时虚拟仪器必须应用到计算机的控制，用于虚拟仪器的软件也是虚拟仪器设计
24、的关键。LabVIEW是面向设计、控制与测试的LabVIEW图形化开发平台，被广泛应用于嵌入式设计与原型构造、工业监控、自动化测试测量、滤波器设计/DSP、高级控制、HMI/SCADA、数据记录与NVH通信测试系统、原型构造、工业控制（PID）机器视觉与运动等领域。LabVIEW可以在计算机/硬件终端使用例如台式机、工控机、移动设备和嵌入式设备。2.3.2 LabVIEW特点LabVIEW平台的特点可归结为以下几个方面：基于图形化的编程方式，其编程十分简洁方便，是真正的工程师的语言；提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数；提供传统的程序调试手段，如单步执行、设置断点，同时提供设置探针、显示数据
25、流动画等独具特色的调试方法；继承传统编程语言结构化和模块化的优点，这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的；囊括了PCI, GPIB, PXI, VXI, RS232/485, USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器；提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等；具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测量仪器的开发。第3章 基于单片机的超声波探伤仪的设计3.1 AT89C52单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMO
26、S 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。EA端接+5v电源选中内部存储器。单片机单元电路连接图如图3.2所示：图3.2 单片机单元电路3.1.1时钟电路 计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个
27、脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作。单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。因此选择了内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图3.2所示，外接晶振时，C17和C16值通常选择为30PF左右。C17，C16对频率有微调作用。晶体的频率范围可在1.212MHZ之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳
28、定。可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。3.1.2 复位电路由图3.2可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与电源接通。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。3.2发射电路超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分，对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。调谐式电路中有调谐线圈，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发
29、出的超声脉冲频带较窄。非调谐式电路发射一尖峰脉冲，脉冲的频带较宽，可以适应不同频带范围的探头，此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。本设计采用非调谐式发射电路。 发射电路在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高压脉冲信号。图3-2为其原理图。图3.3中输入端为超声波发射的控制信号，由主机单元产生，是宽度为500 n s、重复频率为200 Hz 的脉冲信号。经三极管Q1、Q2、Q3 驱动后送到Q4 的控制极，该设计选用双向晶闸管BTl36 -600，该晶闸管具有600 V的反向峰值电压和4 A的额定平均电流。Q 4 漏极经R6 接高压。在常用的超声检测系统中，Vch电压在数十
30、伏至几百伏的范围内，为充分激发探头的压电性能，本设计中采用600v高压直流电源。当Q 4 截止时, 电容器C4在600V电源的作用下, 经R6充电到600V；当Q4导通时, C4经Q4，R7放电, 在R8上产生激励探头的高压。可变电阻R8为10k决定了电路的阻尼情况，可以通过改变R8的阻值来改变发射的强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器的分辨力低，适合探测厚度大，对分辨率力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。图3.3 发射电路3.3信号调理电路 3.3.1 限幅单元当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行
31、高增益放大处理。而由于探头是收发一体的，发射信号很强，它同时作用于接收电路，而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅，限幅电路如图3.4所示。图中电阻R9相对于发射电路中的可调电阻R8要足够大，选取阻值50K，用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。选用具有较大正向电流的二极管(如2K61701)D2和D3构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在士0.7 V左右，可以达到该电路的预期效果。 图3.4 超声波限幅电路3.3.2衰减放大电路限幅之后，便是放大电路，
32、为了能够测量幅度的变化值，在回波信号进入放大器之前，先经过已校准的衰减器，以便于对信号幅度定量调节，以适应不同的信号范围。该设计选AD(ANALOG DEVICES)公司推出的压控增益放大器AD603进行程控增益放大电路模块的设计。AD603具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点，其高达50 M的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。AD603程控增益原理图如图3.5所示，其管脚说明如表3-1所示。表3-1 AD603管脚说明AD603提供精确的、可由管脚选择的增益，且其增益线性可变，而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，增益变化范围40 dB，增益控制转换比例25 mV/dB，相应速度为40 dB，变化范围所需时间小于1s。如图3.5所示，AD603内部包含一个七级R一2R梯形网络组成0 -40dB的可变衰减器和一个固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。AD603的这种可变增益功能是其他运算放大器所不能比拟的。图3.5 AD603增益控制原理超声回波
