CN105092715A - 一种基于数字io的超声探伤数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用数据IO口进行超声数据探伤的数据采集装置及方法。该装置主要由用户端，下位机板卡，超声收发板三个部分组成，装置采用基于用户端—下位机—收发板的系统架构，使得该采集方法实现的途径较多，各部分的可重构性和替换性强；采用数字输入输出口的信号采集，其逻辑简单明确，软硬件结构简单，平台资源占用少；AD采样芯片采用AD9233，最高采样频率为100M；其含有四套到超声波触发和采集通道，可实现4探头同时检测，和4通道数据同时采集，检测速率高；采用32K，8Bits先入先出数据缓存器，系统的性能不受IO口速率的影响；检测数据通过TDMS数据格式进行保存，存储速度快，可靠性高。

Description

一种基于数字IO的超声探伤数据采集装置及方法

技术领域

本发明属于超声探伤数据采集领域，涉及一种采用数据IO口进行超声数据探伤的数据采集装置及方法。

背景技术

超声探伤技术是现在金属无损检测技术中应用最为广泛的技术。它利用超声波在被检测介质中的传播特性检测、评价被检测物质的特性。相对其它探伤技术，其应用范围广，穿透能力强，检测灵敏度高，使用方便、直观，且对人体无害等特点，不仅能实现金属构件内部缺陷的检出，还能对缺陷的类型进行识别，对缺陷的位置进行定位。基于以上特点，超声探伤技术已经广泛的应用到现代工业的几乎所有部门：钢铁，机器制造，锅炉压力容器的有关部门，室友化工，铁路运输，造船，航空航天甚至还包括集成电路，核电等部门。

超声探伤技术可以适用于各种尺寸和金属材料的探测，对铸件、锻件，轧制件等大型在役设备的质量检查。且目前超声无损检测的应用领域在不断扩大，延伸至各种关键机械零部件，结构件，电站设备，船体，锅炉，压力容器，锅炉管道等复杂设备也有较为可靠的检出能力和可靠性。

目前，虽然我国关于探头和超声探测仪器都有专门的企业生产，技术也已经相对成熟，但是均是作为独立的仪器使用，其应用场合和二次开发都受到了极大的局限。在其数据采集的通信技术上，均是采用标准化的通信接口，这样对系统的开销和硬件的要求很高，也不利于探伤技术的发展和普及。

综上所述，简单、易移植的超声探伤方法，是超声探伤技术进一步普及的关键。基于数字I/O的超声探伤数据采集方法，为当今探伤技术的发展提供了一条有效的途径。应用该方法，可以方便的在任何电子设备，智能设备上搭载超声探伤系统，让无损探伤从人工向智能化迈进。

近年来，针对超声探伤装置的研究，我国已经取得了一定的研究成果，并且部分成果已经投入实际应用。发明专利CN104297344A公开了一种轧锻件超声探伤方法，它包括：探头与超声探伤仪的连接方法，探伤仪基准调整法，扫查方法和缺陷超标的判定方法。其主要特点在于，能够快速准确的选择灵敏度调整参数，当探测到缺陷时，可以准确滴判定缺陷当量。发明专利CN104330473A公开了一种变截面轴盘类工件的探伤装置：它包括：探头架、探头、步进电机、圆弧导轨、连接块、左滑台。其关键特点在于给出了变截面轴盘类工件探伤装置的使用方法，可满足不同外径的阶梯轴、圆盘零件、圆棒零件的探伤需求，造价低、适用性强、应用场合广；可实现自动化探伤，可广泛应用于机械、石油和化工等行业生产中的圆形零件的探伤。

总体来说，针对各种检测对象的配套装置和检测方法都已经十分成熟，但是对装置的可移植性和搭载性却缺乏研究。因此现在的超声探伤仪器都自成系统，其重量和体积均偏大，有人工到现场进行操作，其自动化，智能化程度还有待提高。

发明内容

针对以上提出的技术问题和超声波探伤高速数据采集的，本发明专利所要解决的技术问题在于：提出一种可实现的基于数字IO的高速数据采集方法和装置。本发明所采样用的方法通过合理的设计和实验，其使用效果良好，可扩展性和可移植性均大大优于现有产品，有效的解决了现有超声探伤仪自成系统，基础复杂，开发周期长，难度大，设备投入成本大等方面的不足。

为解决上述问题，本发明采用的方案是：

一种基于数字IO的超声探伤数据采集装置，其特征在于：包括：用户端、通过无线或有线方式与用户端连接的下位机主板、以及通过有线方式与下位机主板连接的超声收发板；

其中，所述下位机主板包括RJ45网络接口，RS232串口接口，MPC控制器，XC6SLX45TM数据处理器，CAN接口，上位机板卡DI/O接口；所述RJ45网络接口、RS232串口串口接口以及XC6SLX45TM数据处理器同时与MPC控制器连接；所述CAN接口与XC6SLX45TM数据处理器连接；所述上位机板卡DI/O接口一端同时与MPC控制器和XC6SLX45TM数据处理器连接；

其超声收发板包括：超声收发板DI/O接口，探伤探头，SMAC9接口，差分放大电路，硬件检波电路，AD采样，FIFO缓存，触发控制器，升压模块，12V差分电源；所述探伤探头，SMAC9接口，差分放大电路，硬件检波电路，AD采样，FIFO缓存依次连接；所述触发控制器，升压模块，12V差分电源依次连接；SMAC9接口与触发控制器连接；差分放大电路与差分电源连接；所述超声收发板DI/O接口一端与FIFO缓存连接，另一端与上位机板卡DI/O接口另一端连接。

在上述的一种基于数字IO的超声探伤数据采集装置，所述下位机主板采用型号为NISingleBoardRIO9636的主板。

一种基于数字IO的超声探伤数据采集方法，其特征在于：具体包括：

步骤1，将对应的探伤探头按照要求安装与制定的检测材料表面，外接电源通过12V差分电源，经过触发板的升压模块，给储能系统进行充电，触发控制释放时，300-500V负脉冲电压加载到探头晶片上，探伤探头激发出超声波；

步骤2，回波信号同样通过探头，板上的SMAC9接口连接至系统的差分放大电路，将采集到的微弱超声回波信号将星放大，放大后得到射频信号的振动数据，然后根据视频检波，获得回波的轮廓信息，这样AD采样开始按照设定好的参数对该信号进行AD转换，并采集；

步骤3，系统每次采集的数据暂存于FIFO缓存中，等待用户计算机获取通过DIO接口，和下位机板卡处理的数据，并通过上位机软件进行显示和保存。

在上述的一种基于数字IO的超声探伤数据采集方法，步骤1至步骤3为信号单次触发和采样的流程，程序循环运行，在某次程序运行过程中，参数发生了改变，在程序下一次循环中体现，执行一次循环的时间由用户从100-1000ms进行调节。

本发明所述方法中用户端，可采样任何带有显示功能的人机友好型设备作为用户端，本实现装置以用户计算机作为用户端。用户计算机包含上位机软件，上位机软件采用基于LabView的图像化语言实现。其软件流程图如图2所示。包括设置参数，修改参数，超声波触发，FIFO清零，数据读取等功能模块，可直接获得A扫波形。本软件中可设置的参数包括重复周期，增益控制，读取通道，触发脉冲宽度，读数长度，是否触发，是否清零，当前帧数据保存等。

本发明所述方法中下位机板卡，带有与上位机标准通信接口，且需要24位标准3.3V输入输出双向数字接口的计算机板卡即可。

本发明中涉及装置采用NISingleboardRIO9636.其主要包含RJ45接口，核心控制器，数据处理器，RS232，CAN接口以及DI/O接口。R45为标准网线接口，用以与用户计算机网络接口进行信息交互，核心控制器用于对用户发送命令尽心该处理，数据处理器用于快速的对输入的数据进行处理。

本发明所述方法中的超声收发板，具备超声波激励和采集的功能，并且将高速采集到的数据通过FIFO预存，然后通过DI/O口的控制字节和数字字节选择要读取的数据信号。本发明中所述装置采用了SK-4超声收发板。其系统实现框图如图3所示。包括探伤探头，SMAC9接口，差分放大电路，视频检波，AD采样，FIFO缓存，触发控制，升压模块，12V差分电源以及D/IO接口。12V差分电源分别给差分放大器和升压模块进行供电。升压模块采用电容储能的方式进行放电电压的控制。

本发明具有如下特点：1、基于用户端—下位机—收发板的系统架构，使得该采集方法实现的途径较多，各部分的可重构性和替换性强。2、基于数字输入输出口的信号采集，其逻辑简单明确，软硬件结构简单，平台资源占用少；3、通过本发明中方法研制的设备，其扩展性和可移植性好，可搭载于任何具有控制功能的机器，只需额外的数字IO口而无需占用其它资源；4、本发明中涉及装置，其AD采样芯片采用AD9233，最高采样频率为100M，满足现阶段应用所有应用材料的频率要求；5、本发明中涉及装置，其含有四套到超声波触发和采集通道，可实现4探头同时检测，和4通道数据同时采集，检测速率高；6、本发明中涉及检测装置，采用32K，8Bits先入先出数据缓存器，一次触发最多可保存32000个数据点，使得系统的性能不会受IO口速率的影响。7、本发明中涉及检测装置，其检测数据通过TDMS数据格式进行保存，存储速度快，可靠性高，且可通过通用办公软件查看；8、本发明中涉及检测装置，其数据可选择保存，通过软件设置，仅保存所选帧数据，避免冗余的数据筛选和分析工作。

附图说明

图1本发明的整体框架图。

图2本发明的上位机软件流程图。

图3本发明的超声波采集板功能框图。

图4本发明中涉及的基于DIO数据采集的数字指令表。

具体实施方式

下面结合附图，通过本发明中涉及装置的实现过程，对本发明的方法作进一步的说明。图中，用户计算机1、下位机板卡2（包含：2-1RJ45，2-2RS232，2-3MPC控制器，2-4XC6SLX45TM数据处理器，2-5CAN接口，2-6DI/O接口）、超声收发板3（包含：2-1DI/O接口，3-2探伤探头，3-3SMAC9接口，3-4差分放大电路，3-5硬件检波电路，3-6AD采样

3-7FIFO缓存，3-8触发控制，3-9升压模块，3-1012V差分电源）

该探伤的系统的形成需要按照以下步骤进行实施：

第一，选择采用的用户端1，确定传输数据。用户端可选用所有具有显示功能、存储功能和通信功能的电子设备；根据对传输速率的要求，选择通信方式有线或者无线的方式。

第二，根据所选的方式，选择下位机板卡2。该板卡可以选购成熟的集成IC模块或自研，板卡必须能实现第一步所选择通信方式。作为搭载设备，需从主控制器中引出通信接口和一定数量的数字输入输出口。

第三，根据图4中的表格，完成下位机板卡程序的编写，实现对超声收发板3的控制，控制包括，触发、停止控制，参数的设置、修改，数据的显示、保存。

下面，结合附图和本专利中涉及的装置对其具体实施方法进行进一步详细说明。

系统的用户端选用具有标准RJ45接口2-1的电脑或者台式机，用标准1.8m的8芯网线与下位机板卡2连接。

下位机板卡采用集成IC产品NISingleBoardRIO9636。系统采用MPC5125YVN40C控制器2-3和XC6SLX45TM数据处理器2-4。用户端的数字指令通过网线，传输到下位机板卡控制器2-3上，通过编程，将指令进行处理之后送至数据处理器2-4和数字输入输出接口2-6。在控制器2-3和数据处理器2-4的外围，还设有RS2322-2，CAN接口2-5等，可应用与扩展的接口。本探伤系统被搭载于排管机器人上，该控制器同时作为该排管机器人的运动控制系统，其控制通过CAN接口实现。

超声收发板与下位机板卡采用50PIN间距2.0mm的排线连接超声收发板上的DI/O接口3-1。排线上提供2个+5V班上电源，另外每个数字输入输出接口都配独立的地线接口。超声收发板与下位机板卡配合的程序采用Altera软件编写。

系统工作流程如下：按照系统总体的安装图示：

对系统各个部分进行连接，接好之后，通过系统上位机采集软件。将对应的探伤探头3-2按照要求安装与制定的检测材料表面，外接电源通过12V差分电源3-10，经过触发板的升压模块3-9，给储能系统进行充电，触发控制3-8释放时，300-500V负脉冲电压加载到探头晶片上，探伤探头3-2激发出超声波。回波信号同样通过探头，板上的SMAC9接口3-3连接至系统的差分放大电路3-4，将采集到的微弱超声回波信号将星放大，放大后得到射频信号的振动数据，然后根据视频检波3-5，获得回波的轮廓信息，这样AD开始按照设定好的参数对该信号进行AD转换3-6，并采集。系统每次采集的数据暂存于FIFO缓存3-7中，等待用户计算机获取通过DIO接口，和下位机板卡处理的数据，并通过上位机软件进行显示和保存。

以上为信号单词触发和采样的流程，如果再一次运行的过程中，某些参数发生了改变，在本次运行中不执行该改变，而等到下一个循环再执行该改变,执行一次循环的时间可由用户从100-1000ms进行调节。

文中所描述的具体实施仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于数字IO的超声探伤数据采集装置，其特征在于：包括：用户端（1）、通过无线或有线方式与用户端（1）连接的下位机主板（2）、以及通过有线方式与下位机主板（2）连接的超声收发板（3）；

其中，所述下位机主板（2）包括RJ45网络接口（2-1），RS232串口接口（2-2），MPC控制器（2-3），XC6SLX45TM数据处理器（2-4），CAN接口（2-5），上位机板卡DI/O接口（2-6）；所述RJ45网络接口（2-1）、RS232串口串口接口（2-2）以及XC6SLX45TM数据处理器（2-4）同时与MPC控制器（2-3）连接；所述CAN接口（2-5）与XC6SLX45TM数据处理器（2-4）连接；所述上位机板卡DI/O接口（2-6）一端同时与MPC控制器（2-3）和XC6SLX45TM数据处理器（2-4）连接；

其超声收发板包括：超声收发板DI/O接口（3-1），探伤探头（3-2），SMAC9接口（3-3），差分放大电路（3-4），硬件检波电路（3-5），AD采样（3-6），FIFO缓存（3-7），触发控制器（3-8），升压模块（3-9），12V差分电源（3-10）；所述探伤探头（3-2），SMAC9接口（3-3），差分放大电路（3-4），硬件检波电路（3-5），AD采样（3-6），FIFO缓存（3-7）依次连接；所述触发控制器（3-8），升压模块（3-9），12V差分电源（3-10）依次连接；SMAC9接口（3-3）与触发控制器（3-8）连接；差分放大电路（3-4）与差分电源（3-10）连接；所述超声收发板DI/O接口（3-1）一端与FIFO缓存（3-7）连接，另一端与上位机板卡DI/O接口（2-6）另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字IO的超声探伤数据采集装置，其特征在于：所述下位机主板（2）采用型号为NISingleBoardRIO9636的主板。

3.一种基于数字IO的超声探伤数据采集方法，其特征在于：具体包括：

步骤1，将对应的探伤探头（3-2）按照要求安装与制定的检测材料表面，外接电源通过12V差分电源（3-10），经过触发板的升压模块（3-9），给储能系统进行充电，触发控制（3-8）释放时，300-500V负脉冲电压加载到探头晶片上，探伤探头（3-2）激发出超声波；

步骤2，回波信号同样通过探头，板上的SMAC9接口（3-3）连接至系统的差分放大电路（3-4），将采集到的微弱超声回波信号将星放大，放大后得到射频信号的振动数据，然后根据视频检波（3-5），获得回波的轮廓信息，这样AD采样（3-6）开始按照设定好的参数对该信号进行AD转换（3-6），并采集；

步骤3，系统每次采集的数据暂存于FIFO缓存（3-7）中，等待用户计算机获取通过DIO接口，和下位机板卡处理的数据，并通过上位机软件进行显示和保存。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字IO的超声探伤数据采集方法，其特征在于：步骤1至步骤3为信号单次触发和采样的流程，程序循环运行，在某次程序运行过程中，参数发生了改变，在程序下一次循环中体现，执行一次循环的时间由用户从100-1000ms进行调节。