以工业控制机为主机的飞机无损探伤系统设计.docx
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以工业控制机为主机的飞机无损探伤系统设计
项丕：
111145125
刘凯文：
111145114
张育才：
111145138
赵科研：
111145139
中国民航大学电子ＣＤＩＯ班
2013年12月５日
一、前言
我国经济和科技飞速发展，工业现代化进程日新月异，这很大程度上得益于高质量的材料的应用。
为了保证这种高质量，必须采用先进的探伤技术，对产品进行严格的检测，并且不能在探伤过程中使产品受到损伤。
这种探伤技术就是无损探伤技术。
无损探伤技术是一门新兴的综合性的应用技术，顾名思义，它是以不损伤被检测对象为条件，应用物理原理和化学现象，利用材料内部存在的异常或缺陷所引起的对热、声、光、电、磁等反应，来有效检测各种工程材料、零部件和结构件，以对其完整性、连续性、安全可靠性及某些物理性能进行判断和评价。
无损探伤与破坏性探伤相比，具有以下显著特点:
（1）非破坏性。
探伤不会破坏被检测对象的使用性能。
（2）全面性。
非破坏性探伤可以对被检测对象进行100%的全面探伤，这是破坏性探伤所不能及的。
（3）全程性。
破坏性探伤一般只适用于对原材料进行探伤，对于成品和在用品，除了不准备让其继续使用，否则无法进行破坏性探伤。
但无损探伤因其不会损坏被检测对象的使用性能，可以对原材料、中间工艺各个环节、最终的成品进行全程探伤。
无损探伤技术是现代工业发展必不可少的重要工具，在一定程度上反映了一个国家的现代工业发展水平。
无损探伤技术种类很多，其中理论基础比较成熟、应用比较广泛的技术主要有超声、射线、磁粉、涡流这几大常规技术，以及红外检测、声发射、激光全息检测等新型技术。
①涡流探伤用于检查导电材料零部件的表面和近表面缺陷，例如检查轮毂裂纹、紧固件周边裂纹、铝蒙皮腐蚀损伤等。
这也是目前应用最多的检测方法。
②磁粉探伤用于检查铁磁性材料零部件的表面和近表面缺陷，例如检查起落架零部件、轮毂连接螺栓、发动机吊点螺栓、焊接件等。
③渗透探伤用于检查非松孔性材料零部件表面开口缺陷。
渗透探伤由于设备简单、灵敏度高等优点应用很广泛。
尤其在结构修理中，例如前几年客梯车不慎与飞机客舱门撞击，我们利用渗透探伤精确检测出了撞击引发裂纹的长度、方向，这既可以指明修理的方向，而且保证了修理的质量。
④超声波探伤可以用于检查几乎所有飞机结构零部件的内部缺陷。
例如检查机翼与机身连接螺栓、结构腐蚀等。
⑤射线探伤可以用于检查飞机金属材料的内部缺陷。
例如检查机身门框、机翼加强肋等处的疲劳裂纹。
由于射线探伤受场地、防护、设备投资等因素制约，国内小航空公司大多未开展此项业务，但射线探伤在飞机专业维修公司飞机大修时是必不可少的检测手段。
其中五种探伤方法的优缺点对比如下:
3、探伤方法优缺点说明
①射线：
优点：
1.可直观显示缺陷形状和尺寸,检测结果便于长期保存2.对内部体积性缺陷有很高灵敏度3.适用于结构件原位检测，不需大的拆卸
缺点：
1.射线对人员有损伤作用,必须采取防护措施2.检测周期较长,不能实时得到结果主要适用于部件内部缺陷检测
②超声
优点：
1.对工件内部面状缺陷有很高的灵敏度2.便于现场检测3.可及时获得检测结果
缺点：
1.缺陷显示不直观对缺陷定性和定量较困难2.对操作人员的技能有较高的要求3.需要耦合剂主要适用于部件内部缺陷检测
③磁粉
优点：
1.有很高的检验灵敏度,可检缺陷最小宽度为0.1微米2.能直观显示缺陷的位置,形状和大小3.检验几乎不受工件的大小和形状的限制
缺点：
1.只能检验铁磁性材料表面和近表面的缺陷，通常可检深度仅为1-2毫米2.磁悬液可能导致环境污染3.不利于现场检测适用于表面和近表面缺陷检测
④涡流
优点：
1.使用最广泛,便于现场检测2.对工件表面要求不高
缺点：
1.受工件形状影响大2.检测效率低3.对缺陷显示不直观,难于定性和定量4.只能检测表面和近表面缺陷适用于表面和近表面缺陷检测
⑤渗透
优点：
1.不需复杂设备，操作简单，特别适合现场检测2.检验灵敏度较高,缺陷显示直观3.可一次性检出复杂工件各个方向的表面开口缺陷
缺点：
1.只能用于致密材料的表面开口缺陷检验，对被检表面光洁度有较高要求2.对操作人员的操作技能要求较高3.会产生环境污染适用于表面开口缺陷检测
与上述五种常规探伤技术相比，值得一提的还有声振检测。
随着复合材料技术的发展,复合材料和蜂窝结构的比强度大,比刚度高,在飞机上的应用越来越多.复合材料和蜂窝结构主要产生分层,脱粘和开裂等缺陷,而声振检测就主要用于检测胶接结构的脱粘,缺胶和分层等缺陷，检测复合材料和蜂窝结构等粘接结构的完整性.例如加拿大生产的冲八飞机隔两年需进行一次全机身胶接检查。
检查是否存在脱胶等缺陷。
因为现在飞机大量采用复合材料，所以声振检测前景广阔。
4、超声波无损探伤技术的历史及发展现状
超声波无损探伤技术具有使用范围广、对人体和环境无害、使用方便灵活、
缺陷定位准确等优点，它的输出是以波形的形式直观体现出来，能利用计算机技
术、数字信号处理技术和控制技术对其进行优化设计，可以大大提高探伤的准确
性和可靠性。
超声波无损探伤己成为工业无损探伤中应用最为广泛，研究最为活
跃的技术之一。
利用超声波进行无损探伤的尝试始于20世纪30年代。
1929年前苏联Sokolov
率先提出利用超声波对金属内部缺陷进行探伤的建议。
1935年他发表了用穿透法
进行试验的一些结果，并申请了材料缺陷检测的专利。
根据他的试验装置原理制
成的第一种穿透法探伤仪器，在第二次世界大战结束后就出现在了市场上。
但由
于这种早期设备效果并不是很好，很快就被淘汰了。
20世纪40年代，美国的
Flrestone首次介绍了脉冲反射式超声波探伤仪，并申请了专利。
利用该技术，超
声波可从物体的一面发射并接收，能检测出小缺陷，较准确的定位和评定尺寸。
我国从20世纪50年代开始引进超声波探伤技术，经过几十年的发展，在固体缺
陷对声波散射理论的研究、电磁超声和表面波等检测技术上都达到了国际先进水
平。
随着计算机、数字信号处理技术、控制技术等高速发展，超声波探伤领域正
向着数字化、自动化、智能化和图像化方向发展。
5、超声波无损探伤技术的物理基础
超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播，实质是以波动形式在弹
性介质中传播的机械振动。
人耳能听到的声波频率为20一20kHz，当频率超过
20kHz，人耳就听不见了，通常把频率大于20kHZ的声波称为超声波。
a、超声波的类型及超声场特征参数
根据波动中质点振动方向与波动传播方向之间的关系，可以将波形分为纵波、
横波、表面波等。
（l）纵波
纵波是超声波无损探伤中应用最为广泛的一种波形，其质点振动方向平行于
波的传播方向。
当交变的应力作用在弹性介质上时，介质会产生相应的交变的形
变，而形变又会产生弹性恢复力，从而产生振动并在介质中传播。
纵波在介质中
传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称疏密波。
在各种波形中，只有
纵波在气、液、固三态中均可传播。
发射和接收纵波都较为容易，通常将纵波进
行转换来获得其它波形。
（2）横波
横波是由于交变的剪切力作用在介质上，介质发生剪切形变而形成的。
其质
点振动方向垂直于波的传播方向。
由于横波是剪切力作用产生的，固体中可以传
播剪切力，气、液体中无法传播剪切力，故而横波只能在固体中传播。
超声波探
伤中，使用横波主要是因为横波通过波形转换可以对与被测工件表面不平行的缺
陷进行探测。
（3）表面波
表面波是固体介质表面存在的一种沿表面传播、能量集中于表面附近的弹性
波。
在超声探伤领域，起初表面波用于对声延迟线和表面缺陷的检测等，但其激
发和检测都比较复杂，导致其应用受限。
超声场是指充满超声波的空间或超声振动所涉及的介质部分，描述超声场的
主要特征参数有声压（P）、声强（I）和声阻抗（Z）[2]。
声压:
在声波传播的介质中，某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波存
在时该点的静压强之差，单位是Pa（帕斯卡），用p表示。
超声场中各点的声压是随
时间和距离变化的量。
声强:
在垂直于声波传播方向的平面上，单位面积上单位时间内所通过的声
能量。
声强也称作声的能流密度。
对于谐振波，常将一个周期中的能流密度的平
均值作为声强，单位是甲/cmZ，并用符号I表示:
声阻抗:
以符号Z表示，由P=Pcu可知，在同一声压P的情况下，Pc越大，
质点振动速度u越小;反之，Pc越小，质点振动速度。
越大，所以把Pc称为介
质的声阻抗。
Z=Pc构成了超声探伤中缺陷可检性的基础。
如果没有缺陷与周围
介质的声特性阻抗差异，就不能将此缺陷检测出来。
b、超声波的反射、折射和波形转换
超声波在传播过程中，在同一种介质中，会一直向前传播而不改变方向，当
遇到异质界面（如缺陷等声阻抗不同的界面）时，将发生反射、折射和波型转换
现象，即有一部分超声波在界面上被反射回第一介质，一部分超声波透过介质交
界面进入第二介质，同时还可能伴随纵波、横波、表面波等几种不同波形的相互
转换。
1.超声波垂直入射到单一平界面上的反射和透射
超声波从声阻抗为Zl的第一介质垂直入射到声阻抗为Z2的第二介质，若第二
介质足够厚，则该界面为单一平界面，如图1.1所示。
超声波在单一平界面的传播特性服从以下的反射和透射规律:
以上说明超声波垂直入射到单一平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界
面两侧介质的声阻抗有关。
zl和22会出现以下几种关系:
（1）当21>>Z2时，如钢/空气界面，表明当入射波介质声阻抗远大于透射波介质的声阻抗时，声压反射率趋于一1，透射率趋于0，声波几乎完全反射而没有透射。
超声波探伤中，若探头和工件间不施加祸合剂，则
会形成固/气界面，超声波将无法进入工件。
（2）当例如钢的淬火部分与非淬火部分及普通碳素钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为1%，此时声波几乎全部透射，不会产生反射。
焊缝探伤中，若母材与焊接金属之间结合面间没有任何缺陷，就不会产生界面回波。
（3）超声波垂直入射到某界面的声强反射率与从何种介质入射无关。
2.超声波倾斜入射到单一平界面上的反射和折射以及波形转换
（l）波型转换。
当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生与入射波同类型固定反射波和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，该现象称为波型转换。
c、超声波的传播衰减
超声波在介质中传播时，随着距离增加超声波能量逐渐减弱的现象称为超声
波衰减。
引起超声波衰减的主要原因有扩散衰减、散射衰减和吸收衰减[3l。
吸收衰
减与散射衰减是超声波探伤领域主要考虑的衰减，通常不包括扩散衰减。
（1）扩散衰减
超声波在传播过程中，由于波束扩散能量逐渐分散，从而使单位面积内的超
声波的能量随距离的增加而逐渐减弱。
扩散衰减仅取决于波的几何形状，与传播
介质的性质无关。
（2）散射衰减
超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的介质组成的界面时，会产生散乱
反射，使超声波能量损耗。
散射衰减主要原因是:
材料的不均匀性一超声波会在
具有不同密度和声速的两种材料的界面上（如金属中存在非金属杂质、气孔等）
产生散射;晶粒散射一若晶粒尺寸与超声波波长相当时，会使斜入射的超声波发
生散乱反射，使声能转变为热能而损耗。
（3）吸收衰减
超声波在介质中传播时，由介质中质点间磨擦（即粘滞性）和热传导引起的
超声波衰减。
二、虚拟式超声波无损探伤设备的系统组成
超声检测一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。
用于固体材料超声检测的装置按其指小的参量可分为二类:
第一类指小声的穿透能量，常用于穿透法;第二类指小频率可变的超声连续波在试件中形成驻波的情况，可用于共振测厚，但目前已很少用;第二类指小反射声波的幅度和运行时间,常用于脉冲反射法。
鉴于脉冲反射法在目前的广泛使用,虚拟仪器就是采用反射检测法来设计的。
脉冲反射法的基本原理如图1所示,一般只利用一个探头发射兼接收[2]。
当工件完好时,显示器上只有始波T和底面回波B,如图1（a）所示。
当工件中有小于声束截面的小缺陷时,在始波T和底波B之间还有缺陷回波F出现,如图1（b）所示。
根据缺陷波F的高度可对缺陷的大小进行评估,根据缺陷回波F与始波T之间的时间差可以得到缺陷的埋藏深度。
有缺陷回波时,底面回波高度下降。
当工件中有大于声束截面的大缺陷时,超声波束全部被缺陷反射,显示器上只有始波T和缺陷回波F,底波B消失,如图1（c）所示。
虚拟超声探伤系统的总体结构如图2所示。
该系统以工控机为核心控制器件,数据采集由计算机结合专用数据采集卡进行完成,然后利用计算机软件对数据进行运算、分析和处理,结合LabVIEW应用软件进行探伤系统的面板设计和部分功能的设计和构建,对测试结果进行显示。
工控机控制发射电路发射400V的高压窄脉冲,激励探头产生超声波,并随之切换开关至信号接收电路。
同时启动数据采集卡进行数据采集工作。
单片机控制系统与计算机之间的通讯（如脉冲重复频率、脉冲占空比和增益调节等）采用USB接口来进行。
（1）超声波探伤模块
该模块主要完成超声波的发射和回波信号接收以及放大滤波等前期处理。
该模块包括超声波换能器（探头）、高压发射电路、探头切换电路、限幅稳压电路、可变增益放大电路、滤波电路、D/A转换电路等。
在工控机的控制下，该模块能够产生超声波换能器所需的激励信一号，从而发射超声波，并且能够对接收到的超声回波信号进行放大、滤波等处理，之后输入到数据采集模块中。
（2）数据采集处理模块
该模块的功能是将超声波探伤模块处理过的回波信号进行模/数转换，以供工控机对回波信号进行数字信号处理。
数字式超声探伤系统数据处理量较大，回波信号模/数转换的速度等要达到要求。
下面对硬件电路进行详细介绍。
2 发射电路与接收电路
2.1 超声发射电路
超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分,对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。
发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。
调谐式电路中有调谐线圈,谐振频率由调谐电路的电感、电容决定,发出的超声脉冲频带较窄。
非调谐式电路发射一尖峰脉
冲,脉冲的频带较宽,可以适应不同频带范围的探头,此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。
该系统采用德国K.K公司（Krautkramer）的B5S单晶纵波直探头。
该探头具有5MHz的标称频率,15~6000mm的工作量程和110mm的近场长度。
为便于系统的灵活调试,采用非调谐式发射电路,其脉冲控制参数可以通过核心控制器AT89C52单片机方
便地进行修改设定,发射电路如图3所示。
在发射电路中,高压直流通过限流电阻R1,隔直电容C被充电到VH,在常用的超声检测系统中,VH电压在数十伏至几百伏的范围内。
为充分激发探头的压电性能,采用了400V的高压直流电源模块。
晶闸管Q作为一个高速开关器件在此受单片机产生的脉冲信号控制。
在低电平时,晶闸管Q处于截至状态,电容C被充电到400V,在高电平信号到达时,晶闸管Q处于导通状态,引起电容C经晶闸管Q和可调电阻R2放电,在R2上产生激励探头的高压脉冲。
可变电阻R2决定了电路的阻尼情况,可以通过改变R2的阻值来改变发射的强度。
电阻大时阻尼小,发射强度大,仪器的分辨力低,适合探测厚度大,对分辨率力要求不高的试件。
电阻小时阻尼大,分辨率高,在探测近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。
该设计选用双向晶闸管
BT136-600,该晶闸管具有600V的反向峰值电压和4A的额定平均电流[4]。
为充分驱动该晶闸管工作,特意选用了双路功率MOSFET驱动器ICL7667设计了驱动电路。
发射电路产生的高压脉冲和超声波信号如图4所示。
2.2限幅与接收放大电路
当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。
而由于探头是收发一体的,发射信号很强,它同时作用于接收电路,而且在实现的测试过程中,有可能加进强干扰,因此为保护放大电路不致损坏,使放大电路能处于线性的动态范围,需要在放大之前接收信号进行限幅,限幅电路如图5所示。
图中电阻R3相对于发射电路中的可调电阻R2要足够大,用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。
选用具有较大正向电流的二极管（如2K61701）D2和D3构成双向限幅电路,防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中,这样限幅电路的输出在±0·7V左右,达到了该电路的预期效果。
限幅之后,便是放大电路,为了能够测量幅度的变化值,在回波信号进入放大器之前,先经过已校准的衰减器,以便于对信号幅度定量调节,以适应不同的信号范围。
该设计选用AD（ANALOGDEVICES）公司推出的压控增益放大器AD603进行程控增益放大电路模块的设计。
AD603具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点,其高达50MΩ的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。
AD603程控增益原理图如图6所示,其管脚说明如表1所示。
AD603提供精确的、可由管脚选择的增益,且其增益线性可变,而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性,增益变化范围40dB,增益控制转换比例25mV/dB,相应速度为40dB,变化范围所需时间小于1μs。
如图6所示,AD603内部包含一个七级R-2R梯形网络组成的0~-42dB的可变衰减器和一个固定增益放大器,此固定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变,以选择AD603不同的增益变化范围。
AD603的这种可变增益功能是其他运算放大器所不能比拟的。
超声回波信号由VINP进入衰减器衰减后,再通过定增益放大器放大。
衰减器的增益控制由控制电压VG完成,VG是差动输入的增益控制电压,即GPOS与GNEG之差,范围是-0·5~+0·5V。
定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变,以选择AD603不同的增益变化范围。
（1）当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK短接时,Gain（dB）=40VG+10;此时增益范围为-10~+30dB,带宽为90MHz。
（2）当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK接上反馈电阻时,Gain（dB）=40VG+20;此时增益范围为0~+40dB,带宽为30MHz。
（3）当反馈端FDBK接地时,Gain（dB）=40VG+30;此时增益范围为10~50dB,带宽为9MHz。
由此可见,AD603的增益控制是相当灵活的。
在实际的使用过程中,可以将多片AD603串联来实现更大的放大和动态范围控制。
本设计首先使用了单片AD603作为前置放大,之后使用了两片AD603串联使用作为AGC自动增益放大。
前置放大器如图7所示。
如图7所;:
，在设计中将输出端VOUT和反馈端FDBK之间用电位器R:
连接，可以灵活地选择增益范围。
通过调节电位器R}，可以调整GPOS与GNEG间的电压在0~0.5V之间，如果将电位器R3的阻值调至0，则使得放大器的增益变化范围是10~30dB。
AGC自动增益放大电路的设计原理类同,限于篇幅,这里不再赘述。
电路的输出波波形如图8所示。
3 带通滤波电路
高频放大电路在对回波信号进行放大的过程中会引入噪声,为了对引入噪声进行控制,提高系统整体的信噪比,需要设计带通滤波器来对噪声进行滤除。
该设计选用美信（MAXIM）公司生产的MAX4104设计了带通滤波电路,其中心频率为5MHz,增益K=4,品质因数Q=5,带宽B=1MHz。
如图9所示为带通滤波电路及回波信号经过滤波后的结果。
三：
参考资料
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