基于DSP的超声波钢板探伤系统

　　1　引言

　　随着无损检测技术的发展,超声波检测以其不介入被测工件、不影响设备正常工作的优点,广泛应用于超声波探伤领域。但超声波信号的频率较高,根据香农采样定理,在实际工业控制中为了恢复超声波波形以精确计算头波和底波之间的时间差,对超声波信号的采样速率不能低于超声波信号频率的4倍。对于如此高的采样频率由普通的微处理器来完成信号的处理已变得十分困难。

　　数字信号处理器DSP的出现以及高性能模拟器件尤其是超高速的A/D芯片的出现,为以上问题提供了一种好的解决方法。本系统采用高速采样速率80Mbps的模数转换器对超声波信号进行实时采样,运用高速DSP处理器对采集的大容量信号进行实时处理和传输,通过USB总线,将处理结果传送给计算机,实现了实时的探伤处理。

　　2　系统组成

　　如图1所示,本系统主要分为四大部分:超声波传感器,接收放大电路,数据采集卡和主机。

　　2.1　超声波传感器

　　超声波传感器是一个可逆器件,它是依据压电效应原理进行工作的,当某些晶体材料和陶瓷材料受到外电场作用时,会发生形变。相反,当受外力作用时其表面会产生电荷。如果在传感器的电极上施加交流电压,压电晶体将由于电压的极性不同而向不同方向振动,将超声波传感器与器件接触,金属粒子也将随之振动,因此超声波在工件上得以传播。接受回波的过程是一个相反的过程,回波使晶体发生振动,晶体由于振动所产生的电信号将被接收放大。在超声波传播的过程中,将在不同的介质表面发生反射和折射,反射比率由两种介质的相对声阻抗决定,由于空气(Zgas=0.408×103kg/m2·s)和油(Zoil=1.288×103kg/m2·s)的声阻抗相差很远,钢板与油,钢板与空气的超声波反射强度相差很多,尤其是在多次反射之后相差更多,所以通过观察回波可以实现钢板的探伤。[1]

　　2.2　数据采集系统

　　数据采集卡是本系统的核心部分,它主要由高速数据采集部分,DSP信号处理部分和USB接口三部分组成。高速数据采集部分主要由AD转换电路、数据缓存电路、差分放大电路以及时钟电路等组成。结构如图2。

　　由传感器接收的信号首先进入差分放大电路,如图3所示差分放大电路主要由三片放大器组成,放大器U1B将输入的信号分为两路,通过放大器U1A和U2A转换为方向相反的两路信号传送给模数转换器的差分接口,差分放大电路可以很好地消除共模信号干扰,获得放大的差模信号。由于选用的放大器为400M带宽的高速高精度放大器MAX4108,所以可以使信号无失真地进行放大。