CN1005219B - 改进了计算机控制系统的便携式超声波探伤仪 - Google Patents

Abstract

本发明为带有超声波发射与接收电路、计算机控制系统和荧光屏的超声波探伤仪器。接口电路是全新的峰值取样模拟电路，计算机可一次读出幅值。结构简单，取样迅速、精确度高、经济实用，并可充分小型化，制成盒式超声波探伤仪。能利用荧光屏和数码管显示当量和坐标的数据。可将接口电路用于Ａ型探伤仪，在荧光屏或数码管上直接读数，使用性能好，精确度高。

Description

改进了计算机控制系统的便携式超声波探伤仪

本发明属于工业用超声波探伤仪，它带有超声探头、超声波发射与接收电路、计算机控制系统和荧光屏。

一般的超声波探伤仪的计算机控制系统都是利用波形存贮器进行峰值采样，其接口电路结构复杂，造价很高，要求计算机存贮容量大，由于这种接口电路这些特点，而使人们无法制成便于携带的小型超声波探伤仪。

张寿柏、王怡之等同志合写的论文：《用微处理机处理超声波探伤仪结果的方法》，一九八四年九月登在《中国机械工程学会无损检测学会第三届年会论文选集》上，他们运用TRS-80微处理机控制波形存贮器，采用了波形存贮器采样。由TRS-80微机向波存发出采样指令。波存即以8MH_x（0.125μS/点）的采样频率将超声波探伤检测的缺陷回波图形记入波存。待波存容量满（1024点共需128微秒，若以声速为5850米/秒计，则最大检测深度为374毫米）后，由微机和波存之间进行信息交换，将1024个数据送入微机。

很明显，这种接口电路有无法克服的缺陷。首先是波存问题，单就国产波形存贮器其单价就为2万元，其次是要以8MH_z的速度采样，然后存入，则所用的A/D转换器的转换速度也必须高于0.125μS。这样的高速转换器的价格高得惊人。即使用2MH_z采样（即0.5μS/点），在我国也远远不是现实问题，转换速度为10μS以上的A/D转换器的市场价格为几百元，转换速度为15μS的A/D转换器已超过200元。所以上述已有技术仅在条件优越的高级研究室中才可配备，另外在检测深度上也远远不能满足需要。

与原有技术相比，本发明是以这样的任务为基础的，在保证超声波探伤仪器具有良好的使用性能的前提下，使其在经济性和实用性上具有突出的优点。本发明通过设计一种全新的计算机控制系统中的接口电路来实现这一目的。

附图1就是从原理到设计完全不同于原有技术的一个全新的模拟接口电路。它包括开门电路W、关门电路Y和取峰值电路X。

计算机通过PIO的A口和B口与附图1电路相联并对其进行控制。图中用PA0-7代表A口的八根数据线。用PB0、PB1、PB2代表B口的三根数据线。

附图1中，IC1为四输入端与非门，用74LS20;IC2、IC14为双输入端与非门;IC4为JK触发器;IC3、C17、IC18、IC20为带予置端和清除端的D触发器（其中，IC20为双D触发器）;IC5、IC6、IC7、IC8、IC13、IC15、IC19用74LS93，是四位二进制计数器;IC16、IC21为反相器;RS1、RS2、RS3、RS4、RS5、RS6为RS触发器。

F007为运算放大器;ADC0809是八位A/D转换器。

根据附图1将其原理叙述如下：

开门电路W

IC5、IC6、IC7、IC8四只计数器组成了计数电路。IC1控制了从振荡电路来的4MH_z脉冲方波能否进入计数电路。

首先，计算机通过PB1发出清零脉冲，使RS4置零（以后PB1保持低电平），全部电路处于初始状态。计数器输出全为零。这时，IC1的输入端A为4MH_z脉冲方波。由于IC3为“1”状态，所以IC1的输入端B为低电平，将IC1关闭。由于RS3为“1”状态，所以IC1的输入端C为高电平。由于计数器清零，IC14的两个输入端都是低电平，所以IC1的输入端D为高电平。

当发射脉冲从N端进来，经二极管去掉负半波，电阻分压衰减、T₃隔离、T₄倒相，使IC4置“1”。经与非门IC2使IC3置零，打开了IC1，使4MH_z脉冲进入计数电路，开始计数。

关门电路Y

探伤时，探头的发射脉冲在工件中产生超声波。当遇到物质的分界面时（如遇到材料缺陷），发生反射。用这个反射波关掉与非门IC1，使计数器停止计数。其线路工作原理如下：初始状态时，RS2、RS3、IC17和IC18均为“1”状态。发射脉冲将IC3置零，使IC15开始计数，计到IC15的Q_D端变成高电平后，输出经IC16反相将IC17置零，使IC18的D端为低电平。反射脉冲到来前，一直保持这种状态。这期间，计数电路一直在计数。以后，反射脉冲从H端进来，经T₉隔离，T₁₀反相，使IC18置零。因此RS3置零，从而关掉了与非门IC2与IC1，使计数器停止计数。所记的脉冲个数，代表了发射脉冲与反射脉冲之间的时间间隔，反映了缺陷离探头的距离。记数器的状态，经三态门IC9、IC10、IC11、IC12送到计算机PI0的A口（共二组，高八位和低八位），由计算机算出缺陷的位置。

IC9、IC10、IC11、IC12是由PI0的B口的PB2、PB0经触发器RS5和RS6来控制。

如果N端接收到发射脉冲后，没有反射脉冲进入H端（例如把探头悬空，离开工件），则记数电路计到IC8的最高两位均为“1”时（即IC14两输入端都是高电平），IC14的输出关掉了与非门IC1，计数器停止计数。

取峰值电路X

探伤时，工件缺陷的大小和缺陷离探头的距离决定了反射波的幅值。但缺陷的形状，常常不是正规的几何形状，它也会对幅值产生影响，在探伤时，把缺陷的反射波幅值与同距离的标准平底孔的反射波幅值相比较，当幅值相同时，就以此平底孔直径代表缺陷大小，称为缺陷的当量。所以在分析缺陷大小或者计算当量时，必须测出工件缺陷反射波幅值。我们这里取的是第一个反射波脉冲的幅值。由于工业探伤中，使用的超声波频率较高，反射波脉冲的宽度很窄，幅度变化范围很大，不容易取得第一个反射波脉冲的幅值。在这里，我们采用二级充电的方法，如图1，反射波脉冲从H端进来，经T₅隔离，T₆反相，送到T₁基极，先给小电容C₁充电，因C₁很小，很快被充到峰值。然后经运放F007给保持电容C₂充电，经跟随器T₁₁输出，再经A/D转换后送入计算机。我们取T₁和T₂的特性相同（b1结压降一样），则T₁₁的输出等于送到T₁₁基极的反射波脉冲幅值。

一次取值完后，T₈导通，放掉C₂上的电荷，为下一次充电作准备。T₈的导通与否受两路控制，一是清零脉冲将IC17置“1”，使T₇导通，从而使T₈导通。另一路是关门电路中，反射脉冲进来，RS3置零，经IC19延时，RS2置零，使T₇导通，从而使T₈导通。

图中R₁的作用是：当反射脉冲峰值过后，运放输出变负，通过R₁提供一个通路。

在T₁基极还接有一个开关电路，由T₁₂、T₁₃等组成，其作用是：只有发射脉冲过后，才能让反射脉冲对C₁充电，而当第一个反射波脉冲的幅值过去以后，不再允许后面的讯号对C₁充电。此电路受RS1控制。原理为：初始状态时RS1为零状态，T₁₃和T₁₂导通，使T₁基极为负电平，封锁了信号的进入。发射脉冲的到来，使开门电路中的IC17置零，从而使RS1置“1”，使T₁₃、T₁₂截止，为讯号进入T₁作好准备。当第一个反射脉冲到来，一路进入取幅电路，一路进入关门电路，并使RS3置零，使RS1置零。又使T₁₃、T₁₂导通，从而阻止了后面讯号的进入。

这线路是取发射冲后面的第一个反射脉冲信号的幅值。若要取第二个或第三个，也同样原理。例如，我们要取第二个脉冲幅值，这时只要控制T₁基极的开关电路，让它由第一个反射脉冲来打开，而不是由发射脉冲来打开，然后由下一个脉冲来使T₁₃和T₁₂导通。

启动ADC0809进行采样和转换，需在它的第6和第22脚加一脉冲讯号，此脉冲由IC21供给。初始状态时，IC20的1Q为高电平，2Q为低电平。IC21输出为低电平。反射脉冲到来后，RS3被置零，启动IC19。Q_A先变为高电平，使IC20的2Q变为高电平，所以IC21输出也变为高电平。当IC19的Q_B端也变为高电平后，IC20的1Q变为低电平，从而使IC21输出又变成低电平。用IC21的这个脉冲来启动A/D转换器。

本发明的优点是显而易见的，它可以从持续时间很短的序列脉冲中取出其中的任意一个脉冲的幅值，计算机只要一次读数即可。线路结构很简单，元件质量要求低，即使参数配合不严格也不要紧，我们用实验找出反射波信号的幅值与计算机读数之间的一一对应关系，然后列出数学回归方程，让计算机在计算当量时进行补偿。这样做，不但补偿了峰值电路的误差，而且也补偿了放大线路的误差。不但降低了对线路设计的要求，而且也保证了准确度。

由于采用了这个线路，使得结构大大简化，仅使用很少几个电气元件，即使最贵的A/D转换器也不超过40元，整个控制系统非常紧凑，把计算机和发射及接收线路合在一起，做成一个新型的探伤仪，完全适合于生产实用。

附图4a、4b分别为是直探头和斜探头的计算机程序软件框图，根据不同类型的计算机可按框图设计出不同的程序。

采用本发明制成的超声波探伤仪可使用于不同探头，不同耦合介质和不同材质（不同声速与不同声能吸收）。它不但可以在荧光屏上显示出缺陷反射波的高低、出现的时间，而且还可以用数字将缺陷的当量和坐标位置显示出来，用斜探头时，可任意指定显示多少次反射波以内的缺陷。

缺陷显示情况如附图2及附图3。图中的水平横线代表饱和线。垂直线代表反射波高。图2中反射波直线横坐标代表缺陷相对于工件厚度的位置。数字150代表缺陷深度为15.0mm，20代表缺陷当量为直径2.0mm的平底孔。如遇到倾斜等缺陷，没有反射波，就出现一小横线，图3为斜探头情况，表示缺陷水平位置在离声速入射点3.0mm处，深度为1.5mm，当量为1.5mm横孔。在探头扫查过程中，反射波逐渐增加，到达最大位置时，马上给出数字值，显示约五秒钟，开始下一次扫查。

发明的实现及进一步完备是：

将软件固化制成一种专用微机，并用小型显象管代替示波管，加上超声波发射和接收电路，整机设置在一个盒内制成新一代便携式超声波探伤仪。

-把显象管用数码管来代替，探伤时只要一发现缺陷。就显示出坐标位置和当量，从而使仪器更小型化、轻便、经济、实用、耗电少、携带方便。

-可单独生产控制系统部分，为现有的A型探伤仪配套。因为我国已有数万台A型探伤仪正在实际工作中使用，而且很多工厂还在继续生产，因此予以配套能大大改善这些探伤仪的使用性能。

-也可以在现有的A型探伤仪上加装数码管配合数字显示，从而使读数更方便、准确、可靠、精确，如果只要求显示声程，则可以取接口电路的一部分，一个数码管。

Claims (3)

1、一种由超声波探头、超声波发射与接收电路、微型计算机、接口电路、荧光屏和程序软件组成的超声波探伤仪，其特征在于所说的接口电路包括开门电路W、关门电路Y和取峰值电路X，开门电路W作用是发射脉冲从N端进入开门电路后，打开四输入端与非门IC1，使晶振脉冲进入计数电路开始计数;同时开门电路W还要为取幅值电路X和关门电路Y的工作作好准备，取幅值电路X的作用是取出第一个反射波脉冲的幅值，关门电路Y的作用是第一个反射脉冲到来后使计数器停止计数，同时阻止后面的脉冲波进入取幅值电路X，经一段延时后启动A/D转换器，进行采样并转换。

2、一种如权利要求1所说的超声波探伤仪，其特征在于它是把微型计算机系统和超声波发射与接收电路、荧光屏整体设置为便携式超声波探伤仪。

3、如权利要求1和2所说的超声波探伤仪，其特征在于荧光屏用数排数码管代替。

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