鋼質(zhì)材料的超聲波探傷儀的檢測
2023年05月03日 12:15:53
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鋼質(zhì)材料的超聲波探傷儀的檢測
北京時代海創(chuàng)為廣大無損檢測學(xué)習(xí)人員整理了超聲波探傷儀技術(shù)資料，希望可以幫助到大家。
從以上的超聲波傳播時間可以看出，對于鋼質(zhì)材料的超聲波檢測，由于超聲波探傷儀聲波在鋼中傳播時間很短，因此，一般需采用較高的檢測頻率。尤其對于薄壁材料的檢測，為了得到足夠的分辨率，采用高的檢測頻率就更為重要。這就要求有足夠的采樣頻率才能滿足信號采集的要求。
如對于1mm厚的材料進行檢測，由于超聲波在其中的傳播時間僅為0.339μs，要達到10%（0.1mm）的檢測精度，必須要能分辨0.0339μs的信號周期，不至于信號重疊而無法分辨。這就要求檢測頻率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的檢測頻率fM。因此，對于采樣頻率FN至少滿足內(nèi)奎斯特（Nyquist）頻率，即滿足條件：FN>2 fM ，也就是采樣頻率至少達到60MHZ以上。對于整個系統(tǒng)的設(shè)計檢測頻率上限40MHZ，采樣頻率必須在80MHZ以上。
為了提高信噪比和檢測精度，我們選擇了大于Nyquist采樣率的過采樣技術(shù)。確定了整個系統(tǒng)的采樣速率必須達到100MHZ以上。
當(dāng)然，整個系統(tǒng)為了滿足不同檢測要求的需要，采樣速率是可以調(diào)整的，在檢測頻率不是很高時，可以降低采樣速率，以減小緩沖容量的要求。
4．2．4 緩存器容量的確定
由于整個系統(tǒng)的采樣速率較高，要對信號數(shù)據(jù)進行保存，就需要使用高速緩存器，緩存器的容量應(yīng)該把探測范圍內(nèi)的時域信號得以保存。我們選用了64K容量的緩存器。
在200MHZ采樣速率的情況下，64K緩存器可存儲的時域信號的時間長度為：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
這種采樣頻率一般用于檢測頻率較高的檢測信號的采集，用高檢測頻率檢測薄壁材料時，往往采用縱波入射和45度斜探頭一次聲程的橫波入射方式，在同樣厚度的工件中橫波入射方式檢測的時域信號時間長度較長，因此該容量的緩存器可適應(yīng)的*大厚度的工件厚度為：
H=(320μs·3230m/s·cos45)/2=365mm
對于薄壁材料遠小于該厚度值，因此所設(shè)計的緩存器容量是足夠的。
而對于壁厚較厚的工件，一般采用1--5MHZ的檢測頻率，采用30MHZ的采樣頻率足以滿足信號數(shù)據(jù)采樣的要求，這時64K緩存器可存儲的時域信號的時間長度為：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即使使用70度斜探頭二次聲程的橫波入射方式，該容量的緩存器可適應(yīng)的*大工件厚度為：
H=(2133μs·3230m/s·cos70)/4=589mm
它也能適應(yīng)壓力容器等工業(yè)檢測的需要，比較重要的核電站反應(yīng)堆壓力容器的壁厚只有在250 mm左右。
4．3 A/D采集卡的設(shè)計和開發(fā)
為了滿足對超聲波探傷儀寬頻帶高速率的信號進行采集的要求，設(shè)計了一種基于并行直接轉(zhuǎn)換原理的flash A/D轉(zhuǎn)換器的高速8位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡。
該采集卡的主要性能指標是：
（1） *大采樣率為200MHz；
（2） 數(shù)據(jù)分辨率為8位；
（3） 數(shù)據(jù)緩存容量為64k*16位；
（4） 模擬輸入帶寬>70MHZ；
（5） 輸入路數(shù)：4路
（6） 轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式：可編程為定時觸發(fā)、指令觸發(fā)、外源觸發(fā)
（7） 數(shù)據(jù)傳輸速率：25MBytes/S
采集卡設(shè)計成計算機擴展槽的插板形式，不需外接電源，其各種狀態(tài)可通過主機進行編程控制，便于用戶使用。
4．4 高速數(shù)據(jù)緩存器
數(shù)據(jù)的緩存使用了兩片高速FIFO，在將采集得到的數(shù)據(jù)寫入其中一片時，后續(xù)模塊同時對另一片中的數(shù)據(jù)進行處理。對FIFO進行對寫是在時序控制模塊的控制下進行的，但數(shù)據(jù)的讀出由用戶自己的后續(xù)模塊自己進行，并提供相應(yīng)的控制信號。FIFO緩存器由于其*先出的特性，數(shù)據(jù)的讀寫都無需提供地址信號，簡化了電路的設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。該FIFO的*高運行速率是100MHz，這滿足系統(tǒng)的要求。
5． 超聲波檢測數(shù)據(jù)的傳輸和記錄
5．1 系統(tǒng)簡介
由于本系統(tǒng)采集速率較高，因此對于傳輸?shù)乃俾室笙鄬σ脖容^高。由于ISA總線制定的時間較早，不可避免地帶有一些局限性，例如數(shù)據(jù)寬度僅為16位、總線同步時鐘也只有8MHZ等。而目前CPU的數(shù)據(jù)寬度和工作頻率都有了很大的提高，同時面向圖形的操作系統(tǒng)的引入，使標準的PC I/O結(jié)構(gòu)中的處理器和它的顯示外設(shè)之間產(chǎn)生了數(shù)據(jù)瓶頸，ISA總線已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求。但如果將外設(shè)的功能在與系統(tǒng)處理器總線同樣寬的高寬帶總線上實現(xiàn)，這個瓶頸就可以消除，因此引入了高寬帶總線，通常稱為“局部總線”。在多種局部總線中，VESA總線和PCI總線是比較具有代表性的兩種。
在本項課題數(shù)字式超聲波成像系統(tǒng)中應(yīng)用PCI總線作高速數(shù)據(jù)采集和傳輸。整個系統(tǒng)的硬件由兩個部分組成：主處理機（PC）和信號發(fā)射/接收前端組成：
灰色部分的接口卡就是本課題要研究的對象：PCI總線接口卡。它起的作用是發(fā)射/接收前端與主處理機之間的橋梁。在發(fā)射/接收前端，高速采樣后的接收信號在A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由連接電纜送到接口卡，再由接口卡通過PCI總線傳送到主處理機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)接收區(qū)。
5． 2 PCI總線的特點
PCI總線即外設(shè)部件互連，是一種新型的、同步的、高寬帶的、獨立于處理器的總線。其所以能在各類總線中脫穎而出，是因為其具有以下特點：
⑴傳輸速度快。*高工作頻率33MHZ，峰值吞吐率在32位時為132MB/S，64位時為264MB/S。
⑵支持無限猝發(fā)讀寫方式。讀寫時后面可跟無數(shù)個數(shù)據(jù)周期，具有*的數(shù)據(jù)猝發(fā)傳輸能力。
⑶支持并行工作方式。PCI控制器具有多級緩沖，利用它可使PCI總線上外設(shè)與CPU并行工作。例如CPU輸出數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)快速送到緩沖器中，當(dāng)這些數(shù)據(jù)不斷送往設(shè)備時，CPU就可轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他工作了。
⑷獨立于處理器。PCI在CPU和外設(shè)間插入一個復(fù)雜的管理層用以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，通常稱之為橋。橋的主要功能是在兩種不同的信號環(huán)境之間進行轉(zhuǎn)換，并向系統(tǒng)中所有的主控制器提供一致的總線接口。因此PCI總線可支持多種系列的處理器，并為處理器升級創(chuàng)造了條件。
⑸提供4種規(guī)格，可定義32位/64位以及5V/3.3V電壓信號。3.3V電壓信號環(huán)境的定義為PCI總線進入便攜機領(lǐng)域提供了便利。
⑹數(shù)據(jù)線和地址線采用了多路復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了針腳數(shù)。一般而言，32位字長、僅作目標設(shè)備的接口只需47條引腳，作為總線控制者的設(shè)備接口再加2條引腳，并可有選擇地增加信號線以擴展功能，如64位字長的接口卡需加39條引腳，資源鎖定加1條引腳，等等。
⑺支持即插即用功能，能實現(xiàn)自動配置。在PCI器件上包含有寄存器，上面帶有配置所需的器件信息，使外設(shè)適配器在和系統(tǒng)連接時能自動進行配置，無須人工干預(yù)。
5．3超聲波探傷儀的硬件結(jié)構(gòu)
這里對接口卡的硬件結(jié)構(gòu)作一簡要描述：
從連接電纜輸入的16位寬的數(shù)據(jù)經(jīng)信號緩沖后暫存在FIFO中，然后被PCI總線接口芯片讀出并通過PCI總線送到主處理機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)接收區(qū)。
5．3．1 PCI總線接口芯片結(jié)構(gòu)
PCI總線接口芯片是用FPGA來實現(xiàn)的。其上除了完成與PCI總線接口所必須的PCI總線配置寄存器之外，還具有一些用戶可編程的控制寄存器。用戶通過對這些控制寄存器編程，就可使PCI總線接口芯片自動向系統(tǒng)申請占用總線，從FIFO中讀出數(shù)據(jù)并傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)接收區(qū)中。
芯片內(nèi)部由兩個模塊組成：PCI接口模塊和FIFO接口模塊。PCI接口模塊負責(zé)與PCI總線端相接的邏輯。FIFO接口模塊負責(zé)與FIFO端相接的邏輯。
5．3．2 PCI接口模塊
PCI接口模塊除了實現(xiàn)PCI總線配置寄存器以外，還起到FIFO接口模塊與PCI總線之間的轉(zhuǎn)接作用。一方面，來自PCI總線上的對FIFO接口模塊中控制寄存器的讀寫要經(jīng)PCI接口模塊才能轉(zhuǎn)換為可以被FIFO接口模塊接收的讀寫信號；另一方面，FIFO接口模塊從FIFO中讀取的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過PCI接口模塊才能轉(zhuǎn)換為PCI總線上的相應(yīng)信號被系統(tǒng)接收。。
5．3．3 FIFO接口模塊
FIFO接口模塊的功能是控制從FIFO讀出數(shù)據(jù)，然后通過PCI接口模塊向總線發(fā)出申請，得到許可后開始向系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)接收區(qū)傳送數(shù)據(jù)。FIFO接口模塊中還實現(xiàn)了可編程的控制寄存器，可使軟件對數(shù)據(jù)傳送進行控制。
5．4 軟件接口
本接口卡的軟件接口包括兩個部分：與PCI系統(tǒng)相關(guān)的軟件接口及與用戶應(yīng)用相關(guān)的軟件接口。與PCI系統(tǒng)相關(guān)的軟件接口是PCI總線配置寄存器，包括本接口卡的生產(chǎn)廠商所的設(shè)備標志號、修訂版本號以及PCI SIG所分配的廠商標志號寄存器，還有狀態(tài)寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。與用戶應(yīng)用相關(guān)的軟件接口是與本接口卡實現(xiàn)的特定功能相關(guān)的寄存器，包括兩組與數(shù)據(jù)傳送有關(guān)的起始地址寄存器和結(jié)束地址寄存器，還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。
對與用戶應(yīng)用相關(guān)的寄存器的操作都應(yīng)以32位的方式進行。若以8位或16位的方式操作，將產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。
在內(nèi)存以字節(jié)（8位）為單位進行尋址的情況下，在進行16位或32位的操作時認為字節(jié)排列順序如下：高位字節(jié)在地址較大的字節(jié)上，低位字節(jié)在地址較小的字節(jié)上，
在各個寄存器中，有些寄存器是只讀的，有些寄存器是可讀可寫的，還有一些寄存器是可讀可清除的。以上這些屬性在以后對每個寄存器的說明中將分別以只讀、讀/寫、讀/清的字樣標出。
對于只讀和可讀可寫屬性應(yīng)該是見詞明義，這里就不多作說明。對于可讀可清除屬性，在這里有必要說明一下。對可讀可清除的寄存器作讀操作時，與一般的讀操作無異。在寫操作時，那些寫入1的位會被清0，那些寫入0的位則不受影響。具體來說，當(dāng)某個具有可讀可清除屬性的字節(jié)內(nèi)容為時，若對該字節(jié)讀，則讀出的內(nèi)容為。若對該字節(jié)寫入時，該字節(jié)的低4位被清0，內(nèi)容改變?yōu)?/span>。
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