鋼質材料的超聲波探傷儀的檢測
閱讀：81發(fā)布時間：2025-8-22
鋼質材料的超聲波探傷儀的檢測
北京時代海創(chuàng)為廣大無損檢測學習人員整理了超聲波探傷儀技術資料，希望可以幫助到大家。
從以上的超聲波傳播時間可以看出，對于鋼質材料的超聲波檢測，由于超聲波探傷儀聲波在鋼中傳播時間很短，因此，一般需采用較高的檢測頻率。尤其對于薄壁材料的檢測，為了得到足夠的分辨率，采用高的檢測頻率就更為重要。這就要求有足夠的采樣頻率才能滿足信號采集的要求。
如對于1mm厚的材料進行檢測，由于超聲波在其中的傳播時間僅為0.339μs，要達到10%（0.1mm）的檢測精度，必須要能分辨0.0339μs的信號周期，不至于信號重疊而無法分辨。這就要求檢測頻率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的檢測頻率fM。因此，對于采樣頻率FN至少滿足內奎斯特（Nyquist）頻率，即滿足條件：FN>2 fM ，也就是采樣頻率至少達到60MHZ以上。對于整個系統(tǒng)的設計檢測頻率上限40MHZ，采樣頻率必須在80MHZ以上。
為了提高信噪比和檢測精度，我們選擇了大于Nyquist采樣率的過采樣技術。確定了整個系統(tǒng)的采樣速率必須達到100MHZ以上。
當然，整個系統(tǒng)為了滿足不同檢測要求的需要，采樣速率是可以調整的，在檢測頻率不是很高時，可以降低采樣速率，以減小緩沖容量的要求。
4．2．4 緩存器容量的確定
由于整個系統(tǒng)的采樣速率較高，要對信號數據進行保存，就需要使用高速緩存器，緩存器的容量應該把探測范圍內的時域信號得以保存。我們選用了64K容量的緩存器。
在200MHZ采樣速率的情況下，64K緩存器可存儲的時域信號的時間長度為：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
這種采樣頻率一般用于檢測頻率較高的檢測信號的采集，用高檢測頻率檢測薄壁材料時，往往采用縱波入射和45度斜探頭一次聲程的橫波入射方式，在同樣厚度的工件中橫波入射方式檢測的時域信號時間長度較長，因此該容量的緩存器可適應的*大厚度的工件厚度為：
H=(320μs·3230m/s·cos45)/2=365mm
對于薄壁材料遠小于該厚度值，因此所設計的緩存器容量是足夠的。
而對于壁厚較厚的工件，一般采用1--5MHZ的檢測頻率，采用30MHZ的采樣頻率足以滿足信號數據采樣的要求，這時64K緩存器可存儲的時域信號的時間長度為：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即使使用70度斜探頭二次聲程的橫波入射方式，該容量的緩存器可適應的*大工件厚度為：
H=(2133μs·3230m/s·cos70)/4=589mm
它也能適應壓力容器等工業(yè)檢測的需要，比較重要的核電站反應堆壓力容器的壁厚只有在250 mm左右。
4．3 A/D采集卡的設計和開發(fā)
為了滿足對超聲波探傷儀寬頻帶高速率的信號進行采集的要求，設計了一種基于并行直接轉換原理的flash A/D轉換器的高速8位分辨率的數據采集卡。
該采集卡的主要性能指標是：
（1） *大采樣率為200MHz；
（2） 數據分辨率為8位；
（3） 數據緩存容量為64k*16位；
（4） 模擬輸入帶寬>70MHZ；
（5） 輸入路數：4路
（6） 轉換觸發(fā)方式：可編程為定時觸發(fā)、指令觸發(fā)、外源觸發(fā)
（7） 數據傳輸速率：25MBytes/S
采集卡設計成計算機擴展槽的插板形式，不需外接電源，其各種狀態(tài)可通過主機進行編程控制，便于用戶使用。
4．4 高速數據緩存器
數據的緩存使用了兩片高速FIFO，在將采集得到的數據寫入其中一片時，后續(xù)模塊同時對另一片中的數據進行處理。對FIFO進行對寫是在時序控制模塊的控制下進行的，但數據的讀出由用戶自己的后續(xù)模塊自己進行，并提供相應的控制信號。FIFO緩存器由于其先出的特性，數據的讀寫都無需提供地址信號，簡化了電路的設計，提高了數據的吞吐率。該FIFO的*高運行速率是100MHz，這滿足系統(tǒng)的要求。
5． 超聲波檢測數據的傳輸和記錄
5．1 系統(tǒng)簡介
由于本系統(tǒng)采集速率較高，因此對于傳輸的速率要求相對也比較高。由于ISA總線制定的時間較早，不可避免地帶有一些局限性，例如數據寬度僅為16位、總線同步時鐘也只有8MHZ等。而目前CPU的數據寬度和工作頻率都有了很大的提高，同時面向圖形的操作系統(tǒng)的引入，使標準的PC I/O結構中的處理器和它的顯示外設之間產生了數據瓶頸，ISA總線已經不能滿足系統(tǒng)要求。但如果將外設的功能在與系統(tǒng)處理器總線同樣寬的高寬帶總線上實現，這個瓶頸就可以消除，因此引入了高寬帶總線，通常稱為“局部總線”。在多種局部總線中，VESA總線和PCI總線是比較具有代表性的兩種。
在本項課題數字式超聲波成像系統(tǒng)中應用PCI總線作高速數據采集和傳輸。整個系統(tǒng)的硬件由兩個部分組成：主處理機（PC）和信號發(fā)射/接收前端組成：
灰色部分的接口卡就是本課題要研究的對象：PCI總線接口卡。它起的作用是發(fā)射/接收前端與主處理機之間的橋梁。在發(fā)射/接收前端，高速采樣后的接收信號在A/D轉換后，經由連接電纜送到接口卡，再由接口卡通過PCI總線傳送到主處理機內存中指定的數據接收區(qū)。
5． 2 PCI總線的特點
PCI總線即外設部件互連，是一種新型的、同步的、高寬帶的、獨立于處理器的總線。其所以能在各類總線中脫穎而出，是因為其具有以下特點：
⑴傳輸速度快。*高工作頻率33MHZ，峰值吞吐率在32位時為132MB/S，64位時為264MB/S。
⑵支持無限猝發(fā)讀寫方式。讀寫時后面可跟無數個數據周期，具有*的數據猝發(fā)傳輸能力。
⑶支持并行工作方式。PCI控制器具有多級緩沖，利用它可使PCI總線上外設與CPU并行工作。例如CPU輸出數據時，先將數據快速送到緩沖器中，當這些數據不斷送往設備時，CPU就可轉而執(zhí)行其他工作了。
⑷獨立于處理器。PCI在CPU和外設間插入一個復雜的管理層用以協調數據傳輸，通常稱之為橋。橋的主要功能是在兩種不同的信號環(huán)境之間進行轉換，并向系統(tǒng)中所有的主控制器提供一致的總線接口。因此PCI總線可支持多種系列的處理器，并為處理器升級創(chuàng)造了條件。
⑸提供4種規(guī)格，可定義32位/64位以及5V/3.3V電壓信號。3.3V電壓信號環(huán)境的定義為PCI總線進入便攜機領域提供了便利。
⑹數據線和地址線采用了多路復用結構，減少了針腳數。一般而言，32位字長、僅作目標設備的接口只需47條引腳，作為總線控制者的設備接口再加2條引腳，并可有選擇地增加信號線以擴展功能，如64位字長的接口卡需加39條引腳，資源鎖定加1條引腳，等等。
⑺支持即插即用功能，能實現自動配置。在PCI器件上包含有寄存器，上面帶有配置所需的器件信息，使外設適配器在和系統(tǒng)連接時能自動進行配置，無須人工干預。
5．3超聲波探傷儀的硬件結構
這里對接口卡的硬件結構作一簡要描述：
從連接電纜輸入的16位寬的數據經信號緩沖后暫存在FIFO中，然后被PCI總線接口芯片讀出并通過PCI總線送到主處理機內存中指定的數據接收區(qū)。
5．3．1 PCI總線接口芯片結構
PCI總線接口芯片是用FPGA來實現的。其上除了完成與PCI總線接口所必須的PCI總線配置寄存器之外，還具有一些用戶可編程的控制寄存器。用戶通過對這些控制寄存器編程，就可使PCI總線接口芯片自動向系統(tǒng)申請占用總線，從FIFO中讀出數據并傳送到系統(tǒng)內存中指定的數據接收區(qū)中。
芯片內部由兩個模塊組成：PCI接口模塊和FIFO接口模塊。PCI接口模塊負責與PCI總線端相接的邏輯。FIFO接口模塊負責與FIFO端相接的邏輯。
5．3．2 PCI接口模塊
PCI接口模塊除了實現PCI總線配置寄存器以外，還起到FIFO接口模塊與PCI總線之間的轉接作用。一方面，來自PCI總線上的對FIFO接口模塊中控制寄存器的讀寫要經PCI接口模塊才能轉換為可以被FIFO接口模塊接收的讀寫信號；另一方面，FIFO接口模塊從FIFO中讀取的數據需要經過PCI接口模塊才能轉換為PCI總線上的相應信號被系統(tǒng)接收。。
5．3．3 FIFO接口模塊
FIFO接口模塊的功能是控制從FIFO讀出數據，然后通過PCI接口模塊向總線發(fā)出申請，得到許可后開始向系統(tǒng)內存指定的數據接收區(qū)傳送數據。FIFO接口模塊中還實現了可編程的控制寄存器，可使軟件對數據傳送進行控制。
5．4 軟件接口
本接口卡的軟件接口包括兩個部分：與PCI系統(tǒng)相關的軟件接口及與用戶應用相關的軟件接口。與PCI系統(tǒng)相關的軟件接口是PCI總線配置寄存器，包括本接口卡的生產廠商所指定的設備標志號、修訂版本號以及PCI SIG所分配的廠商標志號寄存器，還有狀態(tài)寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。與用戶應用相關的軟件接口是與本接口卡實現的特定功能相關的寄存器，包括兩組與數據傳送有關的起始地址寄存器和結束地址寄存器，還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。
對與用戶應用相關的寄存器的操作都應以32位的方式進行。若以8位或16位的方式操作，將產生不可預知的結果。
在內存以字節(jié)（8位）為單位進行尋址的情況下，在進行16位或32位的操作時認為字節(jié)排列順序如下：高位字節(jié)在地址較大的字節(jié)上，低位字節(jié)在地址較小的字節(jié)上，
在各個寄存器中，有些寄存器是只讀的，有些寄存器是可讀可寫的，還有一些寄存器是可讀可清除的。以上這些屬性在以后對每個寄存器的說明中將分別以只讀、讀/寫、讀/清的字樣標出。
對于只讀和可讀可寫屬性應該是見詞明義，這里就不多作說明。對于可讀可清除屬性，在這里有必要說明一下。對可讀可清除的寄存器作讀操作時，與一般的讀操作無異。在寫操作時，那些寫入1的位會被清0，那些寫入0的位則不受影響。具體來說，當某個具有可讀可清除屬性的字節(jié)內容為時，若對該字節(jié)讀，則讀出的內容為。若對該字節(jié)寫入時，該字節(jié)的低4位被清0，內容改變?yōu)?/span>。
