最新毕业设计：超声波探伤仪的设计

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1、摘要超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的 一种无损检测方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着 重要的意义。尽管随着电子技术的发展，国内出现了一些 数字化的超声检测仪器，但其数据处理及扩展能力有限， 缺乏足够的灵活性。而虚拟仪器是近年来刚刚发展起来的 一种新的仪器构成方式，它是一种计算机技术、通讯技术 和测量技术相结合的产物，具有很大的灵活性和扩展性， 具有旺盛的生命力。因而本设计尝试将虚拟仪器技术和超 声检测技术相结合，基于 AT89C52 单片机开发的 超声探伤 仪智能系统的硬件组成、软件设计和抗干 扰措施 ,以 脉冲反 射式超声探伤仪为代表研制完成一个良好的数字化的超声 检测平台

2、，该系统具有测量、数字显示、A/ D转换等功能， 并具有工作稳定、 性能好等优点。为以后进一步的更深入 的超声数字信号处理研究打下了良好的基础。关键词：无损检测 ；超声波探伤 ；AT89C52 ；虚拟仪器 LabVIEWAbstractAs a kind of NDT(Non-Destructive Testing)，UT(Ultrasonic Testing) is widely used in modern industry, which plays a very important role in improving the quality and the reliability of

3、product. Although along with technical development in electronics, some digital UT instruments have been developedathome,itsexpand-abilityandtheability of processing data limited. VI (Virtual Instru- ment) is a new Instrument structure developed recent years and is an outcome which combines the comp

4、uter technique, the communication technique together with the measure technique, which has huge expandability, flexibilityandtheprosperousvitality. Soamethod of trying to conjoin the VI and the UT is brought out andadigitalUTDevicebasedonAtypeultrasonicflaw detector has been made, the hardware compo

5、sition , software design and anti2- interference measures of theintelligentultrasonicflawdetectorsystembased on AT89C52 monolithic unit are described. The system hasaccuratemeasurement,digitdisplay,A/Dchange nd it has high steady function which will be help to the further research on ultrasonic digi

6、tal signal processing in future.Keywords：NDT(Non-Destructive Testing)；UT (UltrasonicTesting)AT89C52； LabVIEW ；VI(Virtual Instrument)目录摘要 1Abstract 2目录 4第一章绪论 6设计的背景及意义 7第二章超声波及超声检测的原理 92. 1超声波的基本性质 92.1.1超声波的速度及波长 92.1.2超声波的衰减 102. 2超声换能器 112. 2.1超声换能器的定义及分类 112.2.2超声换能器的主要性能参数 122. 3超声波探伤的原理 132.3.

7、1超声波探伤方法的分类 132.3.2脉冲反射式超声探伤仪的原理 14第三章 系统硬件设计 183.1系统硬件整体结构框图 183. 2单元电路 193. 2. 1 AT89C52 单片机 193.2.2发射电路 213.2.3信号调理电路 233. 2. 4 600v电源电路 323. 2. 5.+5v电源电路以及-5v电源电路333.3上位机处理设计 353. 3. 1基于LabVIEW的单片机串口通讯设计 353. 3. 2基于LabVIEW的软件设计 37第四章总结 41第五章 主要参考文献 42第六章 致谢词 43第 一 章 绪 论随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设 备和

8、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

9、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。设计的背景及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。对于超声检测而言，其应用中的硬 件

10、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，而从虚拟仪器的产生动机和特点可以看到，虚拟仪 器 的 产 生 正 是 顺 应 了 仪 器 发 展 的 潮 流 ， 就 如 美 国 N I (Natio nal In strume nt)公司所提出的“软件即仪器”的概 念那样，它十分重视在相同的硬件条件下，用不同的软件 分析处理技

11、术来实现不同仪器的功能，它提供的大量的分 析处理函数库为信号的分析处理提供了有力的支持，因而 将超声检测与虚拟仪器相结合有着重要的意义，有助于超 声检测的良性发展。第二 章 超声 波及超声检 测的原理2.1超声波的基本性质通常人耳能 够听到的声 波的频率范围在 20-20000Hz 之间，人们习惯上把频率超过 20KHz 的声波称为超声波。 超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两 个条件，一是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动 的弹性介质。波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向 的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种， 用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，

12、其中最常用 的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波常用来探测 钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常 用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。2.1.1 超声波的速度及波长声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同 种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播 速度与介质的弹性模量及介质的密度有关 ，对一定的介质 弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质， 有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式 不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度 是表征介质声学特性的一个重要参数。超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:九=c/f(2-1)其中九为超

13、声波的波长、c为超声波在介质中的的波 速、 为超声波的频率。可见，在同一种介质中 超声波的 波长与超声波的频率成反比。2.1.2 超声波的衰减超声波在介质中 传播时，随着传播距离的增加，其能 量逐渐减弱，这种现象叫做超声的衰减。超声衰减的三种主要原因:声束扩散引起的超声波衰减散射引起的超声波衰减 由介质吸收引 起的超声波衰减鉴于以上原因，为使接收信号不过度失真，需要在超 声波接收单元中设计一高增益放大电路，即 下文中的衰 减放大电路。2. 2 超 声 换 能 器2. 2.1 超声换能器的定义及分类顾名思义 ，换能器就是一种 将一种能量转换 为另一种 能量，进行能量转换的器件。超声换能器是在超声

14、频率范 围内将交变的电信号转换成声信号或各将外部的声信号转 换为电信号的能量转换器件。超声换能器是超声检测装置 中非常重要的一个部分，它的性能和特点往往决定了超声 检测的方法，对检测的效果有着很大的影响。超声换能器的种类很多，按照换能器的工作介质可分 为气体超声换能器、液体超声换能器以及固体超声换能器 等，按照能量转换的机理和利用的换能器材料，可分为压 电换能器、磁致伸缩换能 器、静电换 能器 （电 容型换 能器） 机械型超声换能器等。其中压电换能器的理论研究和实际 应用最为广泛，目前最常用的压电材料是压电陶瓷材料。 在无损检测领域，人们常常称检测用的超声换能器为 超声探头。在实际应用中，由于

15、超声探头往往是与超声检 测的方法是紧密相连的，不同的检测方法需要不同的超声 探头，因而超声探头的种类也是多种多样的。根据产生超 声波波形的不同，探头可分为纵波探头（也叫直探头）、横 波探头（也叫斜探头）和表面波探头等几种。根据耦合方法 区分，有直接接触式探头和水浸探头。按工作方式分有单 晶探头、双晶探头和列阵探头等。2.2.2 超声换能器的主要性能参数衡量超声检测系统中的换能器的性能需要的参数很 多，主要有两个:一是换 能器的灵敏度，二 是换 能器 的带宽 。 前者取决于振型、换能器的材料及机械系统结构，后者是 换能器的频率带宽特性，包括功率、声压、阻抗及灵敏度 等随频率变化的带宽特性。对于应

16、用于脉冲法检测的超声 换能器，要求其频带宽，这就是所谓的宽带换能器，也称 高阻尼探头，它保证激励产生的超声波脉冲信号有较陡的 上 升 沿 ，余 振 也 短 ，这 种 特 性 在 超 声 检 测 系 统 中 特 别 重 要 。本 设 计 采 用 德 国 K K 公 司 （Krautkramer） 的 B 5S 单 晶 纵波直探头。该探头具有5 MHz的标称频率，156 000 mm 的 工作量程和 11 0 mm 的 近场长度。2. 3 超声波探伤 的原理超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特 性来发现物体内部的不连续性（即通常所说的缺陷）的一种 方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声

17、波并使其进 入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测 材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换 成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不 同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获 得有关缺陷或材料的特性信息。2.3.1 超声波探伤方法的分类超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接 触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透 射法两种。按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调 频波等探伤方法。按波形分又可分为纵波、横波、表面波 和板波等。在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉 冲反射法。考虑到脉冲超声探伤仪在实际中应用最为广泛，本设 计将对

18、基于虚拟仪器技术的超声脉冲反射式探伤仪的实现 技术进行讨论。2. 3. 2脉冲反射式超声探伤仪的原理超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利 用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置 和大小的方法，称为脉冲反射法。纵波脉冲反射法工作原 理如图2-1所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。 超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确 定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的 可能性。发对电路缺陷始汲L：7?图2. 1 脉冲法纵波探伤原理处理显示工件a. 判断 缺 陷 的 存 在换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同 介质时，将发生反射。反射信号的强度与反

19、射率 R 的大小 有关，而反射率 R 只与入射介质和反射介质的材料有关。 由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信 号的强度也是一定的。当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射波 ， 两 者 之 间 没 有 其 它 回 波 。 当 工 件 中有 面 积小于声束截面 的小缺 陷 ， 则会 在始 波和底波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置 可以确定缺陷在工件中的位置， 缺陷回波幅度的大小取决 于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小， 当有缺陷回 波出现时， 底波高度下降。 当工件中缺陷大于声束截面时， 全部声能被缺陷所反射， 只有始波和缺陷回波， 不会出现底波。b. 缺 陷 的

20、 定 位由于超声波在介质的波速是一定的， 则在图 2.1 中-f L(2-2)若知道工件长 L 的大小， 则可以根据发射波到反射波与发射波到底波的时间的比值 ，来确定缺 陷距探头的距离 。若不知道 L 的大小，则可以根据声束和 声波在介质中 传播至缺陷所需时间和波速来定位缺陷。CX =T（2-3）2 f式中C为材料中的声速，Tf为声波遇到缺陷时的来回 传播时间。c. 缺 陷 的 定 量假如缺 陷 尺寸小于波 长一半时 ， 由于超声 波 的 衍射作 用而将不会产生明显的 反射回 波 ， 从而无法探测缺 陷 ， 因 此缺陷尺寸的最小检测极限为-。2工 件 或 材 料 中 的 实 际 缺 陷 是 多

21、 种 多 样 的 ， 其 形 状 和 性 质也各不相同， 而超声 波 的 波 长又比较大， 要确定其真实 大小 是非常困难的 ， 甚至不可 能 的 ， 所以只 能采 用相对比 较的 方法， 即用未知量（缺 陷 ） 与 已知量（规定的 人 工缺 陷 ） 的 回 波 振幅相比较的 方法， 来 确定缺 陷 的 当量大小 ， 这就 是超声 探伤中 的 缺 陷 定量的 基本原理。假设已经规定 A 处为 已 知量 ，以此 处为 参考 ，如图 2.2图2. 2 缺陷定量示意图则缺陷率为：AP 住(2-4)AT其中 A 一缺陷波幅值Fat 始波幅值第三 章 系统 硬件设 计3.1系统硬件整体结构框图虚 拟 超

22、 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。图 3. 1 超 声 探 伤 仪 总 体 框 图3.2单元电路3. 2. 1 AT89C52 单 片 机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8 位

23、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 路时钟电路

24、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 C PU 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

25、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 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。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 V 电源接通。 复位是单片机的 cc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

26、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。3.2.2 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

27、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 2 0 0 H z 的 脉 冲 信 号 。 经 三 极 管 Q 1 、 Q 2 、 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Veh。在常用的超声检测系 统中，Veh电压在数十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R

28、6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1 0k Q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。門厂A1HbJ图 3. 3 发 射 电 路3.2.3 信号调理电路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

29、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50KQ，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 路衰减放大电路限幅之后， 便是放大电路， 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

30、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50M Q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3-1AD603管脚说明管脚名荊1GPOS增葢控制输入离”2GNEG增益控制输入S氐丹3VINP放大器输入4C3OMM放天器地5FDBK夏馈阴络连接点6VENG费电源输入7VOUT8VPOS正电漏綸入表3 - 1AD603

31、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1卩s。如图3. 5所 示,AD603内部包含一个七级R-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，此固定增益放大器图3. 5 AD603增益控制原理选择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。超声回波信号由VINP进入衰减器衰减后，再通过定增 益放大器放大。衰减器的增益控制由控制电压VG完成，VG 是差动输入

32、的增益控制电压，即GPOS与GNEG之差，范围 是-0.5+0. 5 V。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。(1) 当AD603输出端V0UT与反馈端FDBK短接时，Gai n(dB)=40VG + 10 ；此时增益范围为-1 0+30dB，带宽为 90 MHz。(2) 当 AD603 输出端 VOUT 与反馈端 FDBK 接上反馈电阻 时，Gai n( dB)=40VG + 20；此时增益范围为 0+40 dB,带 宽 为 30 MHz。(3) 当反馈端FDBK接地时，Gain (dB)=40VG + 30 ；此时 增 益范围 为 1

33、050 dB， 带宽为 9 MHz。由此 可见， AD603 的增 益控制是相当 灵活的。在实际 的使用过程中， 可以将多 片 AD603 串联来实现更大的放大 和动态范围 控制。本设计使用了两片 AD603 串联使用作为 自动增 益放大。缓冲放大器如图 3.6 所示：图 3. 6 缓 冲 放 大 电 路 ( 两 级 串 联 )如图 3.6 所示，在设计中将输出端 VOUT 和反 馈端 FDBK 之间用电位器R13连接，可以灵活地选择增益范围。通过 调节电位器R14,可以调整GPOS与GNEG间的电压在00. 5 V之间，如果将电位器R13的阻值调至0,则使得放大器的 增益变化范围是 1030

34、 dB。缓冲检波电路AD810 是低功耗、视频运算放大器, 具有高速度（ 转 换速率为1 kV/p s）、宽频带（80MHz, 3dB, G = 1）、失真小 （ 微分增益误差0.02%, 微分相位误差0.04）、低噪声（输 入噪声 2. 9 nV/（ Hz 1）等特点，是超声波缓冲放大器的理 想选择。美国TI公司的LH033也是缓冲器，其输入阻抗达1011,宽频带（DC100MHz ）,输出电阻为60,转换速率高（1 kV/ps） , 而且跟随范围大。缓冲检波电路如图3. 7所示。检波前的缓冲由AD810构 成，它是一个同相放大器，其高输入阻抗（100M0）保证了 AD603的衰减精度。检波

35、后的缓冲由LH033和AD810两部 分组成。AD810是一个同相放大器，其输入除了接收LH033 的输出外，还有一个由-5 V电源产生的直流偏移电压，其 作用是调节噪声对显示基线的影响图3.7 缓冲检波电路用AD8036作为全波整流。AD8036本来是一个钳位放 大器， 具有卓越的钳位性能， 表现在: 精度高（3 mV ） 恢复时间短（1. 5 ns）,非线性范围小，宽频带（DC 240MHz）,钳位输入范围宽（土3. 9 V）。AD8036作为增益为1 的反相放大器, 输入送到反相输入端 V ， 同时也送 到低电平钳位端VL，高电平钳位端悬空，不起作用。它能 工作到20MHz ,由于AD8

36、036不像二极管检波那样从正向偏 置迅速切换到反向偏置， 它的非线性失真比二极管检波要显著减小，尤其是高频段。在输入信号只有40 mV时，AD8036仍能线性检波。A/D 转 换电 路ADC0809是一种8位逐次逼近式的A/D转换器。其由8路 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树 状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存 器等组成。 模拟输入部分有8路多路开关，可由 3位地址输 入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信 号， 高电平有效， 锁存这三条地址输入信号。 主体部分是 采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工 作

37、，START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的 A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，0E为输出允许 信号， 高电平有效， 打开输出 三态缓冲器， 把转换后的结 果 送 到 D B A T 8 9 C 5 2 与 A D C 0 8 0 9 的 连 接 如 图 3. 8 所|图 3. 8ADC0809与AT89C52的接口电路图工作过程：首先输入3位地址，并使ALE = 1,将地址存 入 地 址 锁 存 器 中 ；此 地 址 经 译 码 选 通 8路 模 拟 输 入 之 一 到 比 较器；START上升沿将逐次逼近寄存器复位；下降沿启动A/D 转换，之后EOC输出信号变低，

38、指示转换正在进行，直到A/D 转换完成，E O C变为咼电平，结果数据已存入锁存器。当0E 输 入 高 电 平 时 ， 输 出 三 态 门 打 开 ， 转 换 结 果 的 数 字 量 输 出 到数据总线上。ADC0809的时钟由单片机提供，经由ALE取得，如果信 号 频 率 过 咼 ， 可 采 用 分 频 电 路 进 行 分 频 。 同 时 ， ADC0809 有 3种 工 作 方 式 ：查 询 方 式 、中 断 方 式 和 等 待 方 式 。不 同 的 工 作 方 式 采 用 的 硬 件 电 路 也 有 所 区 别 ， 这 里 采 用 最 简 单 的 等待方式来实现A/D转换。串行传输电路测

39、量仪采用了常用的RS232以及MAX232芯片来实现串行 传 输 ， 其 与 单 片 机 的 接 口 电 路 如 图 3. 9所 示 ：图 3. 9 串 口 传 输 电 路3. 2. 4 600v 电源 电 路此 600v 电源加在发射电路中的 Vch 端。在常用的超声检测系统中，VH电压在数十伏至几百伏 的范围内。为充分激发探头的压电性能， 采用 了 600 V 的 高压直流电源模块。高电压升压电源电路：交流220V转直流600V电源电路 如 图 3 - 1 0 所 示 ：图 3.10 交流 220v 转 600v 直流电源规格：输入电 压= 220V10% 50/60Hz输出电 压= 06

40、00Vdc 0.25A开关频率：70100kHz电压检测电压等级限制 FAN7554 数据是 1.5V。3. 2. 5.+5v电源电路以及-5v电源 电路+5v 电源产生电路此+5v电源为硬件电路图中的各种器件提供电源电压。如图3-1 1所示，为+5v电源产生电路：规格：输入电压二 220V 10%50/60Hz输出电压二 0 + 5600Vdc0. 25A开关频率：70100kHz -5v电源产生电路此-5v电源产生的直流偏移电压加在缓冲检波电路中， 其作用是调节噪声对显示基线的影响。如图3-12所示，为-5v电源产生电路：丄3OSCV+LVCAP+NCCAP-GNDVOUTU11LMC76

41、6OM8lOnF(32HI*IOiiF图3. 12-5v电源产生电路3. 3 上位机处 理设计3. 3. 1基于LabV IEW的单片机串口通讯设计利用LabVIEW设计的数据采集系统.可模拟采集各种 实际信号并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结 果和应用程序进行分享。通过开放的LabVI EW环境和与之无 缝集成的硬件能够方便地将设计从理论阶段带入实现阶 段完成系统辨识、控制设计、动态系统仿真以及实时系 统实现。虚拟仪器软件体系结构（VISA. Virtual I n str ume ntSoftware Architecture.采用通用I/O标准，具有与仪器 硬件接口和具体计算机无关

42、的特性，即VISA是面向器件功 能.而不是而向接口总线的，在控制VXI, GPIB. RS232等 仪器时. 不必考虑接口总线类型。本文用到的主要串口通讯调用函数为：Fu nctio nsInstrument I/O VISA Advanced Interface SpecificSeri al ， 如图 3.13所示：图3. 13串口通讯函数该函数主要用于串口的初始化。其主要参数意义如下：VISA resource name： VISA资源名称，本设计指串口号: baud rate：波特率.默认为9600；data bits：帧信息中的位数.LabVIEW中允许5 8 位数据。默认值为8位；

43、stop bits：帧信息中的停止位的位数，可为1位、l 位半或2位；Parity：奇偶校验设置。可为无校验、奇校验或偶校验： flow control :该参数数据类型为簇，用于串行通讯中 的握手方式。VISA Write模块把Write buffer中的字符串写入指定的 设备.返回实际传送的字节数。VISA Read根据指定读取的字节数读入设备中的数据， 返回实际传送的字节数。VISA Close关闭与指定设备的通 讯过程.释放系统资源。本文在实现LbVIEW与AT89C52单片机串口通信的串口 通讯设置上.采用波特率为9600， 无奇偶校验，8位数据位，1位停止 位，禁止软、硬件握手。3

44、. 3. 2基于LabVIEW的软件设计超声波探伤仪软件主要包括前 面板和流程代码图两部分，其设计 流程框图如图3. 1 4所示。超声探伤仪前面板的设计(1) 选择 Controls Numeric Digital Con t r o l 重复 八次，并将名称修改为首波位置、首 波幅值、缺陷波位置、缺陷波幅值、 滤波类型、滤波频率、滤波阶次、 波速。图3-14 LabVIEW设廿 流程框图(2) 选择 Co ntrols N ume r i c DigitalI n d i cator重复两次，将名称修改为缺陷位置、缺陷率。(3) 选择 Con trols Boo l ea n Stop Bu

45、t to n,将名 称修改为停止。(4) 选择 Con trolsGraph XY Graph。 XY Graph 可以绘制出非均匀采样的数据和某些平面曲线。鉴于此优 点，本设计中采用XY Graph作为缺陷曲线显示屏。(5) 在 Graph 上弹出菜单 Visible Items Cursor Lege nd,显示游标图例板。默认的游标图例板有两个游标, 可以用定位工具拖动它的任意一角使它扩大或缩小，以显 示需的游标数目。在本设计中只需要一个游标测算出波峰 的位置。超声探伤仪的前面板如图3-15所示：超声波探伤仪ddtabuffern图3-15 超声探伤仪前面板与前面板对应的流程图窗口的设计

46、本设计的流程图主要由四部分组成:波形采集部分、滤 波器模块、波峰检测函数模块以及数据分析模块。波形采 集部分由 Al Co n- fig VI、Al StartVI 以及 Al ReadVI 构成， 滤波器选Butterworth F i l te r VI ,波峰检测函数模块选择 Peak Detector V I ,数据分析模块根据计算公式选择适当的 运算器即可。缺陷位置= ct/2, t =缺陷波时间-发射波时间。依次 将控制件发射波位置、缺陷波位置对应的代码与减法运算 器相连,输出结果、0. 5与乘法运算器相连,该运算结果、 波速代码再与另一个乘法运算器相连,最后将运算输出与 显示件缺

47、陷位置的代码相连,即可计算出缺陷位置并显示 在界面上。根据缺陷率=缺陷波幅值/首波幅值;将显示件缺陷波 幅值、首波幅值对应的代码和除法运算器相连,就可以将缺 陷率计算出来并显示在界面上。流程图窗口如图3-16所示2r，叽I:ahM 刚ih bailirfcyiSnonelI也riiktop bte lift 1 brti回 I曲1-1囤函_s昭屈* M , * eT3图3-16 LabVIE W前面板程序框图毕业设计期间，我在戴老师的指导下，通过自身的不断努力， 无论是思想上，还是学习上，都取得了长足的发展和巨大的收获， 现将设计总结如下。思想上，学会了用科学的精神去解决问题。很多事情看起来

48、是很简单的问题，但实际做起来去会发现有许多奥妙！这是因为 其中蕴含着许多科学的问题。运用科学的方法去解决问题，这是 我这次设计给我带来的思想上的改变。学习上，自从开始毕业设计以来，我从没有放弃学习理论知 识。毕业设计之前觉得这二个月太长，觉得自己一定可以轻松的 完成。但当我真正着手处理时，就发现自己不能有丝毫小瞧的意 思了。一切的一切都需要我们用心去领悟并结合所学知识去操 作。实践，是一面很亮的镜子，能够通过它看出我们自身的缺点， 能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉 到“书到用时方恨少”。在以后的生活中我会不断地学习充实自 己。第五 章 主要 参考文 献【1】 陈汝全 ,

49、林 水生,夏 利.实用微机与单片机控制技术M. 成都: 电子 科技大 学出 版社 , 1998。【2】 谢建.超声 液位测量仪 的研 究.自动化仪J ,2002. 23 (2) : 12-15。【3】丁义元等 .高 精度测 距雷 达研 究.电子测量与 仪器学报 2000.10。【4】沈小丰等.电子技术实践基础.清华大学出版社 2005. 09 130-141。【5】刘福 顺，汤明.无损 检测基 础.北京北京航空 航天大学 出版 社 2002【6】应崇福。超声学。北京科学出版社，1990 【7】蒋危平.超声波探伤仪发展简史。无损 测.1997:2425 【 8 】张 旭 辉 ，马 宏 伟 。超

50、声 无 损 检 测 技 术 的 现 状 和 发 展 趋 势。现状趋势战略，2002:24 26【9】张易知， 肖啸等.虚拟仪器的设计与实现.西安:西安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ， 2002【 10】HaroldGoldberg，What is virtual Instrumentation IEEEInstrumentation&MeasurementMagazine. 2000: 1013.【 11 】 Kang J itao , Gan Yadong. T he M etho d ofDevelop ing Virt ualInstrument Plat form. IEEE.

51、 2000:6467.第 六章 致谢词经过一 个学 期紧 张而又 忙碌 的学 习和工 作，终于完 成了 此次的毕业设计。感谢戴文老师在毕业设计期间对我的教 导和帮助，戴老师丰富的技术经验、宽厚待人的作风和对 同学的严格要求都给我留下了深刻的印象。戴老师自始至 终关心我的课题进展情况，为我的设计提出了许多合理的 建议，保证了论文撰写的顺利完成进行。她严谨治学、细 心负责的工作态度和做事井井有条的良好习惯都让我受益 非浅，也为我以后的工作奠定了良好的基础。在课程 进展 的同 时，还得到了同学 李丹，徐国飞，魏亮 刘攀以及其他同学的热心帮助和支持，再次向他们表示真 挚的感谢。最 后 ，还 要 感 谢 在 大 学 四 年 中 所 有 教 导 过 我 的 老 师 ，我 会永远记住你们的教诲。