便攜式超聲探傷儀器的功能分析與設計
1 引言
近年來,為推動國民經(jīng)濟的發(fā)展和促進不同地域信息和物質(zhì)的交流,火車的行車速度逐年提升,使得行車安全問題變得更為重要。國外列車事故原因[1]提示我們必須對車輪金屬的疲勞斷裂加以注意。所謂的金屬“疲勞”,是指金屬由于在小于其斷裂應力的外力作用下,在金屬的某些宏觀缺陷和微觀組織不均勻處形成應力集中,而外力的長期反復作用會導致這些地方產(chǎn)生局部裂紋,裂紋擴展后就會造成金屬的斷裂。從這個意義上講,對車輪疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展的檢測是保證行車安全的重要內(nèi)容之一。
本文在詳細分析超聲探傷儀器功能的基礎上,提出了一種便攜式超聲探傷儀器設計方案,這為車輪缺陷檢測提供了一種新的、可移動的測量手段, 對保證行車安全有借鑒意義。
2 車輪超聲探傷系統(tǒng)功能分析
一般來講,一個測量系統(tǒng)的主要功能有：信號采集功能,信號處理功能,信號顯示功能,通訊功能和信息存儲功能等。針對車輪超聲探傷系統(tǒng),不僅要對系統(tǒng)功能具體化,而且還要有針對實際的被測對象的特殊功能。
下面就輪對超聲探傷系統(tǒng)主要的功能作用做一簡要的介紹。
超聲信號發(fā)生與數(shù)據(jù)采集功能：這是超聲探傷儀器的基本功能,產(chǎn)生高頻超聲信號和采集回聲信號,從采集的信號中提取有關工件內(nèi)部損傷的信息。一般來講,ADC的轉(zhuǎn)換速率為超聲波信號的5～8倍是比較合理的。這主要因為超聲探頭換能器的能量近場公式和半擴散角θ的值是：
N=D2/λ=f D2/(4C) (1)
θ=arcsinln22λ/D (2)
從公式（1）和（2）可以看出,超聲波頻率越高,波長越短,擴散角小,聲束窄,能量集中,顯小缺陷能力強,分辨率高,對缺陷定位準確。如果超聲波信號是2.5MHz, 那么采樣的頻率可以確定為15Msps。
探傷信號處理功能：回波深度檢測功能是指超聲波從探頭發(fā)出,到缺陷反射,又被探頭接收的時間為Δt, 若超聲縱波的傳播速度為C, 則缺陷的深度l為
l=Δt C/2 (3)
距離補償功能是指在超聲場中對于同樣大小的缺陷不同的聲源距離,反射波的強度是不同的,為了得到正確的可視檢測結(jié)果,對聲源距離不同的信號做適當?shù)难a償。
峰值搜索功能是指在超聲探傷過程中,在波形游動過程中自動將波幅最高的反射波留在屏幕上的功能。
包絡檢測功能是指根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的時間和幅值位置,將其各點峰值連接成一條包絡線,由包絡線的形狀確定缺陷類型的功能。
自校準功能：測定材料速度功能是指若已知兩個規(guī)則反射體的間距為ΔW, 超聲波在傳播ΔW距離所需的時間為 Δt,則計算出材料聲速=ΔW/Δt的功能。
信息存儲與顯示功能和外部通訊功能一般來講是針對測量結(jié)果顯示、存儲、傳送和記錄而設計的。這些功能是測量系統(tǒng)必要的基本功能。
3 超聲探傷系統(tǒng)設計
圖1是便攜式超聲探傷系統(tǒng)的原理框圖。由圖可知,系統(tǒng)是以計算機為核心的、主要由信號發(fā)生與采集、數(shù)據(jù)處理和顯示數(shù)據(jù)生成等幾個部分組成的。在計算機控制下經(jīng)過I/O擴展口、掃描時基、發(fā)射波驅(qū)動等產(chǎn)生超聲波信號。檢測到的信號經(jīng)過限幅放大、檢波、直流放大送到ADC,再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理送到計算機。在計算機控制下產(chǎn)生柵格信號、字符信號、同步信號合成后形成正確的屏幕顯示信號。
4 軟件程序結(jié)構(gòu)
圖2給出的是軟件程序結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知,程序主要有五個模塊組成：系統(tǒng)管理模塊、系統(tǒng)校正模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示管理模塊。因為在上面我們已經(jīng)介紹了各
