内容导读：

超声波探伤系统用于薄层钢质部件的非破坏性测试，生产厂家通常采用模拟电路来实现全部测量功能。但是为了在当今竞争剧烈的市场中求得生存，需要一个现代化的，价廉物美的的PC基系统，以便充分利用高速数字化器带来的种种好处。
在讨论数字化器在探伤中的作用之前，让我们首先考察一下系统的组成。一个商品化宽带超声波换能器牢牢地固定在待测部件的前方，同时，将换能器和部件浸没在槽中。换能器工作中在反射模式，既产生又检测超声波。换能器由超声波脉冲器/接收器激励，发射一串宽带超声波能量，随后接收从部件反射的回波。
要相继的超声波记录采集之间，一个坚固的定位臂以0.1mm步进方式横向地移动换能器，定位臂是通过GPIBA连接控制的。定位臂以前后、类光栅图形扫描过500mm×500mm方形网络，形成一个快轴和一个垂直的慢轴。当换能器沿快轴移动时，定位系统连续地按类步进方式，以约1步/ms固定速率移动换能器。
定位控制器在定位输出端设置了一个脉冲，这是超声波技术中多数位控制器使用的标准特征。控制器在目标位置稳定的瞬间产生一个TTL脉冲。该脉冲用来触发超声波脉冲器/接收器，随即发射一个激励脉冲。这样，超声波检测仅在目标位置自动完成的。在换能器被激励后，相关的超声波回波列约需700μS才能返回，这是由于超声波必须横过1米长的水路。一个可编程延时门用来产生在超声波激励后约700μS周期内发现有用的超声波回波列。
数字化器的作用
一个嵌入式数字化器用于捕获来自换能器电子电路的超声波信号。系统设定的超声波抽象能器的中心工作频率高达10MHz，且以100MS/S取样超声波信号。这样取样率在每个信号周期可提供10个数据点，具有卓越的定时分辨率。为了检测到尽可能小的缺陷回波，最高可用的动态范围和垂直分辨率是必须的。
Gage Compu Scope 14100是PCI总线PC基数字化卡。插卡提供超声波换能器要求的100MHz取样率和50MHz输入模拟带宽。图1是系统的简要组成图。
超声波脉冲器/接收器的±1V信号输出直接连接至数字化卡的BNC信号输入。数字化器的50Ω输入阻抗是可程控的，使输入终端与BNC电缆的50Ω阻抗匹配，消除信号因多次反射产生的畸变。延时门的输出则连接至数字化器的BNC外触发输入。
数字化器具有14位垂直取样分辨率。由于被检测的缺陷回波的幅度十分微小，高垂直分辨率对超声波非破坏性测试是至关生要的。
图2是从薄层钢质部件检测到的实际超声波信号。图形显示出从部件前壁反射的大回波后继一个指示表面附近缺陷的小回波。缺陷回波落后前壁回波的时间直接与缺陷的深度有关：
深度=V△T/2
式中，△T为2个回波间的时延，V为超声波在钢材中的速度。
超声波扫描的目的是想通过扫描确定△T，进而产生能指出遍布部件上缺陷深度的彩色编码映象。
尾随脉冲的幅度与缺陷的大小成正比。总超声波信号幅度通过脉冲器/接收器的增益控制加以调整，通常是终使前壁回波处于数字化器输入量程的饱和处，在此场合即±1V。缺陷回波的幅度仅为大前壁回波幅度的1%。8位数字化器将输入量程分为28=256个不同的电平。这就能解释为什么会出现图3中8位回波太小的话，那就根本无法检测到它。
对比之下，14位数字化器能将输入量程分成214=16384个不同电平。缺陷回波现能跨越150个电平。如图3所示，14位数字化器的高分辨率重新复现小回波形状和位置。即便回波相当于本底噪声大小，由于它有确定的时延△t，仍能使用数值交义相关分析将回波提取出来。十分显然，高数字化器分辨率是检测微小缺陷回波的关键。
在沿快轴作线性扫描期间，超声波按固定的1KHz速率触发。数字化器绝不能丢失其中任何一次触发，否则将会失去捕获波形与换能器之间的对应关系。沿快轴线性扫描南（500mm/0 .1mm/）1KHz=5秒时间。下一次快轴扫描的开始是可程控的;然而，由于机械上的原因，慢轴马达的重新定位至少需要0.秒的时间。
14位数字化器能通过PCI总线以高达100MB/S的持续速率传输数据。因此，数字化器能捕获50μS的超声波形并通过PCI总线及时地将数据传输至PC RAM，为下次1KHz触发作好准备。在单任务操作系统下，14位数字化器完全能满足该性能基准。
采集存储器
对Windows多任务操作系统，由于它不是一种实时操作系统，Windows服务其它任务的时间是不确定的，这样就会中断数据的传输，因此不能保证重复的波形采集性能。而有保证的，可靠的性能是系统快轴扫描的首要任务，在此期间，甚至一次扫描也不能丢失记录模式，逐次采集波形堆放在板上采集存储器中。在采集之间，数字化器用硬件重新启动，无需CPU的干预。这样，一旦开始工作后，多次记录模式能正常地运行，不会受到多任务Windows环境的伤害。
数字化器应有足够的板上采集存储器来保存一次完整快轴扫描取得的数据。籽确定所需的存储量，首先计算单次100μS超声波记录中的取样数。对100MHz取样率，不难求得单次记录需10000个记录长度。由于定位步长是0.1mm以及快轴长度是500mm，1次线性快轴扫描总计有5000个定位步进。由此不难推算出板上采集存储器至少要存放50000000个记录长度。考虑到每个记录长度为14位，因此1G存储器能满足上述要求。
在逐次快轴扫描之间，系统要将快轴扫描产生的数据下载至PC RAM。数字化仪利用所谓PCI总线主控方法通过PCI总线传输数据，采用这种方法，数据传输无需CPU中介，这样，数字化器能达到高达100MB/S的连续传输速率。由于14位取样数据占用2个字节，因此传输1次快轴扫描全部数据要花2B×50000000个/(100MB/S)=1S时间。由此可知，数据传输不会过多地延误下一次快轴扫描，因为定位系统在两次快轴扫描之间已有0.5S机械稳定时间。要是数据传输过程被Windows突然中断它不会丢失数据，只是稍秒增加传输时间，一旦重新激活后，传输过程就会简单地从原先中断处恢复数据传输。
对Windows -2000系统，已用软件开发包写成一个C语言的应用程序。开发包已提供一个方便的、易于使用的示例程序，用作用户应用程序的开始点。由于数字化卡是即插即用的，低级配置细节由Windows自动处理，无需低级硬件编程。Windows应用程序设置特测部件的扫描，控制定位马达，然后调用C语言子程序从数字化器采集和下载数据。
当代的高性能PC基数字化器具有高取样速率，高垂直分辨率，深采集存储器以及快速数据传输的特征，为我们提供全自动化，廉价的非破坏性测试检查系统。（东华）
图1超声波探伤系统的组成
图2、从薄层钢质部件反射后捕获的超声波信号
图3、图2上圈定的回波放大图形

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来源:电子产品世界 作者: 时间:2005/6/7 11:23:00