专利名称：全数字化多通道探伤仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及对钢管、钢板等金属制品进行超声波检测的仪器，特别是一种全数字化多通道探伤仪。
本实用新型是采用两台工业控制计算机为控制核心，单片机信号采集控制卡实现数字信号与计算机实时数据转换，特设前置信号接收单元来接收多路超声探头的一次回波信号，数字模拟混合电路实时将模拟信号转换成数字信号，并配以专用判别缺陷的软件来实现超声波探伤检测。如前所述实际探伤检测中的问题，都可以得到很好的解决。
本实用新型全数字化超声波探伤仪内容如下本实用新型由以下部分组成工业控制计算机I(1)、网络接口卡2、上位机通讯卡3、高速采样卡4、键盘鼠标5、计算机显示器6、打印机7、工业控制计算机II(8)、下位机通讯卡9、测速卡10、报警选道卡11、单片机信号采集控制部分12、报警卡13、主机接收部分14、前置接收部分15、模拟显示部分16、超声探头部分17。
其特征在于
8～256个超声波探头17连接1～32个前置接收单元15，1～32个前置接收单元15连接1～32个主机接收单元14，1～32个主机接收单元连接1～32个单片机信号采集控制卡12、显示箱16、高速采样卡4，显示箱16、报警卡13连接报警·选道卡11，1～32个单片机信号采集控制卡12、下位机通讯卡9、测速卡10、报警·选道卡11与工业控制计算机II(8)连接，网络接口卡2、上位机通讯卡3、高速采样卡4与工业控制计算机I(1)连接，工业控制计算机I(1)与键盘鼠标5、显示器6、打印机7连接。其中工业控制计算机I(1)可通过网络接口卡2、上位机通讯卡3扩展成多个相同单元组合，工业控制计算机II(8)可通过下位机通讯卡9扩展成多个相同单元组合。
8-256个超声波探头通过同轴电缆与1～32个前置接收单元连接，前置接收单元多路发射电路发出激发超声波探头的高压电脉冲，通过声电能量转换接收超声波探头返回的电信号即回波信号，经过前置单元内部的多路接收电路后，通过一个由时序方波控制切换的模拟开关后转换成一路分时输出的回波信号放大后送给对应的主机接收单元。这样处理可使信号长线驱动抗干扰能力大大提高。高电压+400V由前置接收单元输入的±12V和振荡方波经过振荡电路逆变整流后产生+400V左右的高电压。时序电路由一些数字集成电路和可编程门阵列组成，接收主机接收单元的时序数字信号，以达到主机接收单元与前置接收单元，前置接收单元与前置接收单元之间的时序同步，即同时发射、接收超声波信号。
1～32个主机接收单元通过同轴电缆、屏蔽电缆与1～32个前置接收单元相连接，传递时序信号、回波信号。主机接收单元接收回波信号后经过一可编程增益放大电路放大波形，放大范围为50～60dB，经过检波抑制电路后分成两路，一路经过波形放大，电平移位分送至高速采样卡和显示箱。另一路经过两个受控的单路模拟开关被分时选出一部分波形，经过模拟数字混合电路，可产生表示超声波发射多长时间的高电平有效的脉冲信号，及表示回波幅值高低的一段直流电压信号。控制两个模拟开关的脉冲为设定的高电平有效的缺陷波闸门和反射回波闸门，由单片机信号采集卡控制，在此有效电平范围内的波形即假定为缺陷波或反射回波，由此产生的直流电压和高电平脉冲送给单片机信号采集控制卡来采集识别。可编程增益放大电路由87C196MC单片机及高频放大器和相关芯片组成，87C196MC通过并行信号线接收单片机信号采集控制卡传送过来的数字信号分时控制各个通道的放大倍数、及报警电平、抑制电平。时序电路由可编程门阵列和数字集成电路组成，协调整个仪器的时序同步，即单片机信号采集卡、主机接收单元、前置接收单元、显示箱四者之间的时序同步。
显示箱接收主机接收单元选出时序信号和波形信号、报警选道板送出的选道信号，实现可受计算机控制选择显示各个通道回波波形的功能。
报警卡接收报警选道卡发出的报警信号，输出可驱动2W/8Ω喇叭的脉冲方波和驱动喷枪的交流36V、220V的电压信号。
工业控制计算机II通过ISA总线与下位机通讯卡、测速卡、报警选道卡、单片机信号采集控制卡之间传输数据来达到控制与反馈的功能。其中测速卡外接电动机的转速反馈脉冲信号可测知电机转数从而使仪器可测知当前位置。下位机通讯卡与上位机通讯卡通过并行总线连接可达到工业控制计算机I、工业控制计算机II之间的数据通信，及多台工业控制计算机II和一台工业控制计算机I之间的数据通信。
工业控制计算机II主要执行实时判别缺陷，实时控制各个通道的放大量等参数，软件运行在DOS环境下用C语言编写，因DOS是单任务执行方式，因此可实时分析处理数据，从而达到探伤检测速度快，判别缺陷准确的工作特点。
工业控制计算机I通过ISA、PCI总线与网络接口卡，上位机通讯卡，高速采样卡连接传递数据，高速采样卡采集主机接单元送来的回波信号后送计算机显示。网络接口卡可实现工业控制计算机I的扩展连接。
工业控制计算机I外接键盘鼠标、显示器、打印机，可实现人机对话，报警提示、检测结果打印输出的功能，软件用Vcc++语言编写，运行在WIN98操作系统下。
本实用新型与现有同类产品相比，具有探伤检测速度快、判别缺陷准确，现场抗干扰能力强，在通道数多至上百通道的情况下，实现功能模块化，可自由组合、连线简便、功能可靠的特点，可实现现场365天不间断运行，实时检测。
图2是本实用新型的前置接收单元原理图A(发射电路)图3是本实用新型的前置接收单元原理图B(接收电路)图4是本实用新型的前置接收单元原理图C(电源电路)图5是本实用新型的主机接收单元数字信号产生原理图见附图
2，发射电路包括1TR1、1TR2、1TR3、1TR4组成的四级触发器，四级触发器单元输出连接至IC1八选一开关输入端，IC1八选一模拟开关八个输出端的其中一个连接至PR1电路单元的1TR5高压开关管输入控制端。1TR5高压开关管输出端连接电容、电阻、二极管组成的触发微分电路。IC1八选一模拟开关连接时序电路的CLOCK信号(a、b、c)输出。最多有PR1～PR8八个电路单元输出连接PROBE-1～PROBE-8八个超声探头。
发射电路是超声波的信号源，1个发射电路最多可有8个通道，由IC1模拟开关切换，可触发如1TR5的高压开关管，从而激劢最多达8个超声波探头PROBE-1～PROBE-8，产生超声波。
1TR5是高速高压开关管，具有400～500伏电压输入，当它导通时，将贮存于C9上的电能经超声波探头快速放电，从而激励超声波探头产生高频机械振动即超声波。
TR5的导通受触发端控制，触发瞬间即为超声波发射起始点，为单通道时序的起始点。来自时序电路的Fd触发脉冲信号(1K～100KHZ周期)被1C1、1R1微分，再经TR1、TR2、TR3、TR4放大反相，组成瞬间触发器经模拟开关选择串行转并行分时触发TR5。
其中1R2、1 R3、1R4、1C2、1TR1组合起到第一级反相放大作用，1C4、1R6、1D1、1TR2、1R8、1R7、1P1、1D2组成微分、反相、放大电路，1R11、1C5、1TR3、1R9、1TR4、1R13、1R12、1R10、1C6、1C7组合成两级反相放大触发电路。1R14、1C8、1R15、1D3、1D4组合形成高压负脉冲产生电路。1C1八选一模拟开关可受时序电路的a、b、c控制，可作到一路输入，两路、四路、八路三种输出方式。
见附图3，接收电路包括T1及周边元器件组成的阻抗匹配电路T2、T3、T4、T5及周边元器件组成的放大驱动电路。(1～8)路输入回波信号连接阻抗转换电路，阻抗转换电路连接IC1八选一模拟开关输入端，模拟开关输出连接放大驱动电路输出以及连接时序选择控制信号CLOCK。
ECHO-1～ECHO-8为8个超声探头回波信号，可分别接U1～U8阻抗转换电路，其中D1、D2两个二极管起到对输入信号限幅作用，R1、R2、C1、R3、R4、R5、C2、T1、R6、R7、C3、R8组合成阻抗转换电路对输入信号起到无衰减传送。C4、R9为电路耦合传送信号电路，接至模拟开关输入端，模拟开关受时序选择信号控制，轮流循环选通八个输入端与输出端导通。(具体循环周期，循环范围由时序选择信号控制)，SW1为跳线开关，可选择T2放大频率，L1、C5、R1 2和L2、C6、R13是两种不同频率的组合，R11、D4、D3、R10、R15、P1、R16、T2组成放大电路，放大倍数一般在30倍左右由P1电位器调节。C11、T3、R17、R18、T4组合成驱动电路，R21、R20、R19、T5、R22、R23组合形成驱动射级输出电路，经放大后的信号经过以上两级电路后输出送给对应的主机接收单元，最后可有8路分时串行输出波形信号。如有N个(N＝1～32)接收电路就会最多有N×8个超声探头的波形输出。
见附图4，U1A、U1B、U1C等元件组成RC振荡电路连接于信号反相电路，信号反相电路连接正反相方波振荡电路，正反相方波振荡电路连接于逆变器，逆变器连接整流电路。
U1A、U1B、U1C、R1、R2、C1、R3组成RC振荡电路，可自振荡产生占空比约50％的方波信号，D1、U1E、R4、C2、R5、U1D、C3、D2、U1F组成信号反相电路，输入的方波信号被分成相位相反的两路输出，R6、R8、C4、R10、TR2、R12、R14、TR3、D3和R7、R9、R11、C5、TR1、R13、R15、TR4、D4分别为波形放大驱动电路，它们接收相位相反的两种方波信号放大驱动生成±12V电压幅值相位相反的方波后送至逆变变压器，逆变变压器升压输出交流电压后经R16、C6整流后输出400V左右高压。
见附图5，放大波形连接至模拟开关SW1，经T1、T2、T3三级移位放大电路后经二极管、电容充电后经T4、SW2充放电转换后输出直流电压，另一路经比较器与固定电平比较输出触发脉冲和Fd电路触发脉冲组合控制IC2触发器输出时间方波信号。
SW1为单路模拟开关，受GATE信号即伤波闸门或底波闸门脉冲信号控制导通与截止，选通一部分波形后送至后级放大电路。C1、R13、T1、R2、R1、D1、R3、C2、P1、T2、R4、D2、R5组合形成波形放大电路，P1电位器可调节放大倍数。C3、R6、R7、P2、T3、R9、C4、R8组合形成电平移位电路，P2电位器可调节载波电平值，经过放大移位后的波形一路经D3、C5、SW2、R19、C11、R11、R10、C6、T4、R12、C7、R14、C8组合形成可受控充放电的直流电压产生电路，SW2为单路模拟开关可控制直流电压的放电，从而可产生一段时间内直流电平信号送给单片机采集控制卡去采集。另一路经R15、R16、C9、C10、R17触发电路后与V-IN电平比较由IC1比较器输出+5V幅值的触发脉冲，经D4、R21形成触发尖脉冲复位IC2触发器。Fd IN信号经反相器分两路由C12、R20和C13、R18、D5分别置位和复位IC2触发器，IC2触发器受控触发输出时间方波，具体触发过程如下在Fd信号边沿(Fd信号为发射脉冲起始信号)即发射起始点置位，保持高电平，直到被SW1模拟开关选通的波形触发复位变为低电平，此一段高电平时间即为超声波回波距发射的时间。此电路即为模拟波形转换成数字信号电路，可将超声回波转换成表示其幅值的电压信号和表示其时间宽度的高电平方波，单片机信号采集控制卡读取这两种信号后经A/D转换和高电平时间采集，转换成二进制数据送给工业控制计算机II，通过分析超声波回波的特征量，回波时间及回波幅值后，累计分析处理后判别缺陷。
权利要求1.全数字化多通道探伤仪，由工业控制计算机、网络接口卡、上位机通讯卡、高速采样卡、键盘鼠标、计算机显示器、打印机、工业控制计算机、下位机通讯卡、测速卡、报警选道卡、单片机信号采集控制部分、报警喷标卡、主机接收部分、前置接收部分、模拟显示部分、超声探头部分组成，其特征在于8～256个超声波探头连接1～32个前置接收单元，1～32个前置接收单元连接1～32个主机接收单元，1～32个主机接收单元连接1～32个单片机信号采集控制卡、显示箱、高速采样卡，显示箱、报警卡连接报警选道卡，1～32个单片机信号采集控制卡、下位机通讯卡、测速卡、报警选道卡与工业控制计算机连接，网络接口卡、上位机通讯卡、高速采样卡与工业控制计算机连接，工业控制计算机与键盘鼠标、显示器、打印机连接，其中工业控制计算机可通过网络接口卡、上位机通讯卡扩展成多个相同单元组合，工业控制计算机可通过下位机通讯卡扩展成多个相同单元组合。
2.根据权利要求书1所述的全数字化多通道探伤仪，其特征在于发射电路包括1TR1、1TR2、1TR3、1TR4组成的四级触发器，四级触发器单元输出连接至IC1八选一开关输入端，IC1八选一模拟开关八个输出端的其中一个连接至PR1电路单元的1TR5高压开关管输入控制端，1TR5高压开关管输出端连接电容、电阻、二极管组成的触发微分电路；IC1八选一模拟开关连接时序电路的CLOCK信号a、b、c输出，最多有PR1～PR8八个电路单元输出连接PROBE-1～PROBE-8八个超声探头；1个发射电路最多可有8个通道，由IC1模拟开关切换，其中1R2、1R3、1R4、1C2、1TR1组成第一级反相放大电路，1C4、1R6、1D1、1TR2、1R8、1R7、1P1、1D2组成微分、反相、放大电路，1R11、1C5、1TR3、1R9、1TR4、1R13、1R12、1R10、1C6、1C7组合成两级反相放大触发电路，1R14、1C8、1R15、1D3、1D4组合形成高压负脉冲产生电路；IC1八选一模拟开关可受时序电路的a、b、c控制，可作到一路输入，两路、四路、八路三种输出方式。
3.根据权利要求书1所述的全数字化多通道探伤仪，其特征在于接收电路包括T1及周边元器件组成的阻抗匹配电路T2、T3、T4、T5及周边元器件组成的放大驱动电路，1～8路输入回波信号连接阻抗转换电路，阻抗转换电路连接IC1八选一模拟开关输入端，模拟开关输出连接放大驱动电路输出以及连接时序选择控制信号CLOCK；ECHO-1～ECHO-8为8个超声探头回波信号，分别接U1～U8阻抗转换电路，R1、R2、C1、R3、R4、R5、C2、T1、R6、R7、C3、R8组合成阻抗转换电路；C4、R9为电路耦合传送信号电路，接至模拟开关输入端，L1、C5、R12和L2、C6、R13是两种不同频率的组合，R11、D4、D3、R10、R15、P1、R16、T2组成放大电路，放大倍数一般在30倍左右；C11、T3、R17、R18、T4组合成驱动电路，R21、R20、R19、T5、R22、R23组合形成驱动射级输出电路，最后可有8路分时串行输出波形信号。
4.根据权利要求书1所述的全数字化多通道探伤仪，其特征在于U1A、U1B、U1C、R1、R2、C1、R3元件组成RC振荡电路连接于信号反相电路，信号反相电路连接正反相方波振荡电路，正反相方波振荡电路连接于逆变器，逆变器连接整流电路；U1A、U1B、U1C、R1、R2、C1、R3组成RC振荡电路，D1、U1E、R4、C2、R5、U1D、C3、D2、U1F组成信号反相电路，R6、R8、C4、R10、TR2、R12、R14、TR3、D3和R7、R9、R11、C5、TR1、R13、R15、TR4、D4分别为波形放大驱动电路。
5.根据权利要求书1所述的全数字化多通道探伤仪，其特征在于单路模拟开关SW1连接三级移位放大电路，C1、R13、T1、R2、R1、D1、R3、C2、P1、T2、R4、D2、R5组合形成波形放大电路，C3、R6、R7、P2、T3、R9、C4、R8组合形成电平移位电路，D3、C5、SW2、R19、C11、R11、R10、C6、T4、R12、C7、R14、C8组合形成可受控充放电的直流电压产生电路，R15、R16、C9、C10、R17组成触发电路。
专利摘要本实用新型涉及对钢管钢板等金属制品进行超声波检测的仪器，全数字化多通道探伤仪。本实用新型是采用两台工业控制计算机为控制核心，单片机信号采集控制卡实现数字信号与计算机实时数据转换，特设前置信号接收单元来接收多路超声探头的一次回波信号，数字模拟混合电路实时将模拟信号转换成数字信号，并配以专用判别缺陷的软件来实现超声波探伤检测。具有探伤检测速度快、判别缺陷准确，现场抗干扰能力强，在通道数多至上百通道的情况下，实现功能模块化，可自由组合、连线简便、功能可靠的特点，可实现现场365天不间断运行，实时检测。
文档编号G01N29/04GK2596358SQ0321132
公开日2003年12月31日 申请日期2003年2月10日 优先权日2003年2月10日
发明者倪福清, 高光旭, 王红, 陈开云, 崔广铁 申请人:鞍山长风无损检测设备有限公司