传感器课程设计-超声波探伤应用电路设计

课程设计

2013年7 月16日

任务书

课程传感器课程设计

题目超声波探伤应用电路设计

专业姓名学号

主要内容：

本设计主要完成超声波探伤应用电路。系统的硬件主要由发射、接收、滤波检测和A/D模数转换等电路模块组成。在单片机的控制下，利用发射电路产生电脉冲信号，该信号使多功能探头中晶片振荡，发出频率特定超声波。当遇到缺陷或分界面时，一部分超声波会发生反射和透射。反射回波进入超声波探头，引起晶片振荡，产生电信号。此电压信号非常微弱，进入接收电路进行放大，再由检波电路检波后转换成电信号进入单片机引起中断，通过中断程序可计算出从发射到接收超声波所需的时间。通过单片机判断及计算缺陷的存在，通过示波器进一步观察缺陷特性。

基本要求：

1、按照技术要求，提出本设计方案的优缺点及与其它方案进行比较，确定方案。

2、利用超声波探伤传感器及电路等设计一种探伤应用功能电路。

3、说明所用传感器的基本工作原理、用protel画绘制完整的电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数。

主要参考资料：

[1] 沈小丰．电子技术实践基础[M]．北京：清华大学出版社，2005.09．130-141．

[2] 刘镇清．超声无损检测中的导波技术[J]．无损检测，2001(21)：67- 70．

[3] 何希才．传感器及其应用电路[M]．北京：电子工业出版社，2001．20-59．

[4] 张毅刚．单片机原理及应用[M]．北京：高等教育出版社，2003．50-190．

完成期限2013.7.12—2013.7.16

指导教师

专业负责人

2013年7 月12 日

摘要

超声波无损探伤检测由于不破坏被检测物体和对人体无害而广泛应用于工业检测中。本设计系统的硬件主要由发射、接收、滤波检测和A/D模数转换等电路组成的超声波探伤应用。在单片机的控制下，利用发射电路产生电脉冲信号，该信号使多功能探头中晶片振荡，发出频率为1MHz的超声波。当遇到缺陷或分界面时，一部分超声波会发生反射和透射。反射回波进入超声波探头，引起晶片振荡，产生电信号。此电压信号非常微弱，进入接收电路进行放大，再由检波电路检波后转换成电信号进入单片机引起中断，通过中断程序可计算出从发射到接收超声波所需的时间。通过单片机判断及计算缺陷的存在，通过示波器进一步观察缺陷特性。

关键词：探伤；超声波；无损检测；单片机

目录

一、设计要求 (1)

1、超声波探伤的背景功能与用途 (1)

2、超声波探伤的发展现状及意义 (1)

3、国内外超声波探伤发展现状 (2)

二、设计方案及其特点 (2)

1、方案一 (2)

2、方案二 (3)

3、方案三 (3)

三、传感器工作原理 (4)

1、超声波特性原理 (4)

2、脉冲反射式超声波检测原理 (4)

四、电路的工作原理 (5)

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (7)

1、单元电路设计 (7)

2、参数计算 (13)

3、器件选择 (13)

六、总结 (16)

参考文献 (16)

超声波探伤应用电路设计

一、设计要求

1、超声波探伤的背景功能与用途

超声探伤技术是无损检测领域中的重要的方法，在冶金、勘探、生产控制，质量管理、和安全监测中有着广泛的应用。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。无损检测就是通过各种技术方法，在不损害被检测对象未来用途和功能的前提下，为了探测、定位、测量和评价缺陷，评估完整性、性能和成分，测量几何特征，而对材料和零件所进行的检测。己被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障，尤其是半导体产业。因此研究一种高性能的超声波探伤系统关系着我国工业生产力的全面提高，对促进我国的工业的各个领域的快速发展意义长远而重大。[1]

2、超声波探伤的发展现状及意义

超声波探伤技术是当今工程和生产中无损检测技术领域的一种非常重要的手段和方法。制造业中的无损检测与评价技术，对于改进产品质量，保证材料、零部件、产品的可靠性和生产过程的安全性，以及提高劳动生产率等都起着关键作用。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。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。

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。而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠。检测结果对检测人员的依赖性都还很强，并且目前还都存在着

一些难以克服的困难和缺陷。[2]

3、国内外超声波探伤发展现状

国外早在三四十年代就开始了超声波探伤方面的研究。第二次世界大战后，由于雷达技术和电子技术的发展，才使超声波检测技术真正进入工业应用领域。到20世纪50年代，A型脉冲反射式超声波探伤仪已广泛应用于先进国家的钢铁、机械制造和造船等工业领域。近年来，超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。进入90年代后，在世界无损检测会议上发表的论文中有关超声检测方面的所占比例最高。随着数字技术和计算机技术的发展，现代超声波检测技术已经进入到以计算机控制为主的时代其表现为：生产过程的实时检测控制；合并软硬件提高检测的信噪比和抗干扰能；整合了模式识别和仿真技术的智能扫描、自动定位与跟踪检测；对所测信号波的实时处理和后处理，可对信号进行时域分析、频域分析和图像分析处理，以提高检测的可靠性。[3]

就当前国内的超声波检测技术应用情况来看，超声波无损检测诊断技术虽然已经被广泛地应用于各种领域和场所。但是，其主要的应用发展方向还是在不断扩展的，而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠，产品发展前景广阔。

二、设计方案及其特点

目前超声波探伤法的种类很多，类型主要根据声波传播方式可分为反射法和透射法。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。超声波按探伤常用设计可分为下面三种不同的设计方案：

1、方案一

穿透法，材料的非连续性是超声波传输的障碍，超声波通过障碍时只能透射一部分声能。Sokolov首先提出用超声波探查金属物体内部缺陷的方法。甚至只要有几分之一微米的细裂纹，在无损检测中即可用以构成超声波不可透射的阻挡层。在检测时，把超声发送探头置于试件的一侧，而把接收探头置于试件的另一侧，保证探头与试件之间有良好的声耦合，并使两个探头在一条直线上。这样，简单地监视接收到的超声波强度就可以得到检测结果了。

在超声检测的历史上，穿透法曾经是第一种可行的方法，但由于其精度比较

低。所以目前，它的应用只限于精度要求不太高且能采用较简单系统的场合，或材料特性使得脉冲回波技术不可能应用的场合。

2、方案二

谐振法又称共振法。当用一定频率的正弦信号激励超声探头中的压电晶片时，压电晶片将向材料中发射相同频率的超声波。当材料的厚度为声波的半波长的整数倍时，就会在材料内部引起共振。在检测板材或片材时，谐振现象可得到很好的利用。谐振方法检测方法不完善，只是用某种特定频率敲击试件，细听自试件发出的振铃音调。在有了一些实践经验之后，检测人员就能听出良好试件和有缺陷试件的音调差别。[4]

应用谐振检验的主要领域是在生产阶段检验板材、片材和管壁的厚度，以及指示是否存在夹渣．其精度也不是很高。只有在一些特殊的检测课题中，才必须要用到谐振法。例如：检测低至75μm左右的很薄的截面；查找金属板后面橡胶或塑料的缺陷(脱粘)；检测多层结构。

3、方案三

脉冲反射法是应用最广泛的一种超声检测方法。在实际检测中，最常用的是直接接触脉冲反射法，它又可按波型分为：单探头的纵波法、检波法、板波法、表面波法；双探头的双直探头纵波法、双斜探头检波法。脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上会发生反射的，且反射回波的幅度和相位等参数携带信息进行检测。采用发射和接受电路，接收信号将采用示波器显示。根据缺陷及底面反射波的大小有无及其在时基轴上的位置来判别缺陷的大小有无及深度。纵波脉冲反射法是应用最广泛的一种超声波检测方法。

与穿透法相比，脉冲反射法有以下优点：灵敏度和精度高、适用范围广、操作方便。缺点是由于存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不适用、容易露检、材料衰减太大不适用。[5]

通过方案比较，由于脉冲反射法的抗干扰能力较强，精度较高、操作方便、适用范围广。较好满足设计要求，故选用方案三脉冲反射法。

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、显示等部分组成。数据采集由AT89C52单片机完成,对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。系统的总体结构如图1所示。

图1超声探伤仪系统总体框图

三、传感器工作原理

1、超声波特性原理

超声波是机械波的一种，是指频率大于20KHz，并且能在连续介质中传播的弹性机械波，是无损检测技术中一种非常重要的方法。超声波的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播，超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。超声检测的工作频率远高于声波的频率，具有很高的能量。被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为广泛应用超声波检测的基础。遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声探伤工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。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，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。[6]

2、脉冲反射式超声波检测原理

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。首先通过激励超声发射换能器

产生超声波并使其进入工件，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。

由于超声波在介质的波速是一定的且，

L T T X b f

= (1)

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。

f T C X 2

= (2) 式中C 为材料中的声速，f T 为声波遇到缺陷时的来回传播时间。

四、电路的工作原理

本设计中系统的硬件电路结构主要由发射电路、接收电路、检波电路、限幅电路和电源电路、A/D 模数转换电路、示波器(CRT )等部分组成。超声波探伤应用总电路设计如图2所示：

图2 超声波探伤应用总电路设计