专利名称：小型全数字化宽频带超声探伤仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于超声无损探伤技术领域。
超声探伤仪广泛用于众多工业及研究部门，用以发现不透明固体材料中可能存在的缺陷，例如空洞、夹杂、裂纹，并对缺陷的严重程度进行评估。
一般超声探伤仪包括主机和探头两部分，主机由发射器、接收器、显示器等部分组成，如
图1所示。其工作原理如下发射器输出一个电脉冲，此电脉冲激励探头中的声换能器，产生脉冲声波，并向被检测工件的内部传播。如果在传播路径中存在某种缺陷，声波就会被该缺陷反射，反射的声波被探头中的声换能器接收，产生一个回波电脉冲。于是，观察是否出现这种回波信号，并以此判断是否存在缺陷。回波信号对激励脉冲的时间延迟表征了缺陷与工件表面之间的距离，而回波的幅度则与缺陷的性质有关。
为了有效地观察回波信号，探头的输出被送入主机内的接收器。接收器完成限幅(防止后级放大器被激励脉冲损坏)，高频放大、检波、低频放大、衰减等主要功能，其输出信号波形就显示在主机内的显示器上，显示器一般采用示波管。
一般超声探伤仪的主要不足之处在于1、采用示波管作显示器件，体积、重量较大；2、所用的激励脉冲较宽，难于激励高频探头，其工作频率一般在25MHz以下，难于探测小尺寸缺陷；3、观察到的回波信号不能及时得到记录；4、采用模拟技术，难于对得到的回波信号进行后处理。
为克服一般超声探伤仪的某些不足之处，现已出现了采用数字技术的高级超声探伤仪。在上述仪器的基础上配置了外接计算机及其他外部设备，可以对回波信号进行后处理，可以接打印机打印测试结果，如图2所示。这种探伤仪价格昂贵，其体积和重量进一步增加，不适宜于在复杂环境下的现场操作，而且仍存在着一般探伤仪的某些不足，例如，工作频率一般也不超过25MHz。
本实用新型的目的在于为克服已有技术的不足之处，设计出一种新型、全数字化的超声探伤仪，使其具有小型化，整体性及宽频带应用的优点，可以方便地在各种现场环境下工作。
本实用新型设计出一种小型全数字化超声探伤仪，由主机和探头所组成，主机包括发射器、接收器，与接收器相连将模拟信号转变成数字信号的模／数转换器，其特征在于所说的主机还包括对数字信号进行处理的单片机控制板，分别与单片机相连的液晶显示器及微型打印机，所说主机全部器件组装在一个小型机箱内。
本实用新型所说的发射器、接收器可采用能产生单极性的高压窄脉冲和放大回波信号的通用发射／接收模块，所说的探头包括高频探头和低频探头。
本实用新型的主要区别特征在于回波信号经过模数转换进入一个单片计算机控制板，经过处理后结果显示在一块液晶显示器(LCD)上，而不用示波管，显示的内容用一个微型打印机输出；全部设备紧凑组装在一个小型机箱之中，可以实现手持操作；适合于各种复杂现场工作；由于发射器产生单极性极窄高压脉冲，使之可以配用很宽范围内的不同频率的探头，配用高频探头可检测微小的缺陷，又可以配用低频探头以增加探测深度，满足不同的探伤要求。
附图简要说明图1为已有的一般超声探伤仪组成示意图。
图2为已有的高级超声探伤仪组成示意图。
图3为本实用新型的一种实施例结构组成示意图。
图4为本实用新型实施例中的单片机控制板电路原理图。
图5为本实施例外形整体示意图。
图6为本实施例工作流程图。
本实用新型的一个实施例如图3～6所示，结合附图详细描述如下该实施例的结构组成如图3所示，包括发射器、接收器、模／数变换板、单片计算机控制板，液晶显示器(LCD)、微型打印机、及电源电路等组成部分。本例中的发射和接收采用由清华大学电子工程系生产的通用发射／接收模块。其中的发射器部分产生单极性的高压窄脉冲，脉冲幅度达400V(在50Ω负载止)，3db宽度小于8ns，可以有效激励工作频率10～100MHz的探头。接收器部分总增益120db，增益可电控。整个发射／接收模块的尺寸为110mm×55mm×45mm。接收器输出的回波模拟信号输入模／数(A／D)变换板进行模数变换。
模／数变换板的最高采样频率为80MHz，动态范围为0～2.5V，数字量的精度为7位，尺寸为130mm×80mm。
显示器采用MGLS－240128T型图形／字符液晶显示模块，其屏幕有效尺寸为108mm×58mm，象素数目为240(列)×128(行)。可以通过对任意一个象素置1或置零来显示任意图形，也可以利用其内藏的字符发生器直接在指定位置显示常用字符。
打印机采用μP－A40P型微型面板式点阵打印机，每行打印点数为240点，可以打印任意曲线或图形，也可利用内藏字库打印常用字符，其面板尺寸为111mm×62mm。
电源电路用以产生整机所需的各种工作电压，包括＋5V(全部TTL电路)，－5V(电控放大器)，0～24V可调(LCD)，本电源电路的输入电压可以来自主机内附的电池(6－MF－1.2型铅酸电池，，工作电压6V)，或来自整机之外的直流电源。
本实用新型的核心控制部分是单片机控制板，其详细电路图如附图4所示，其中U1是8031型单片计算机，U2是74LS373触发器，用以锁存地址的低8位，U3是8K字节可擦除只读存储器(EPROM)2764，用于存储程序，U4是8K字节静态随机存取存储器(RAM)6264，用以存储数据，U5是GAL16V8型门阵列，它将地址信号译码，产生各外部设备所需的控制信号。本控制板上有三个与外部设备相连的插座，分别是28线单排插座LCD，与液晶显示模块相连，26线双排插座PRINTER，与微型打印机相连，62线双排插座SOCKET1与模／数变换板相连，并通过此插座引入各种工作电压，单片机的P1输入／输出口的8根I／O线(P10－P17)也由此插座引出接到键盘的按键上，这样就可以通过按键与单片机通讯，对单片机进行所需的控制。
从附图4可见，单片机8031的外部设备模／数变换板、RAM、EPROM、液晶显示器及打印机等的数据线全都挂接在8031的数据总线(D0－D7)上，ROM和EPROM的地址线与8031的地址总线(A0－A15)相连。其中地址总线的高8位(A8－A15)由8031的P2口输出，低8位(A0－A7)由P0口输出并经过74LS373锁存，以实现P0的地址／数据分时复用。地址线中的A0、A1、A11－A15经过门阵列译码提供各外设的控制信号，其中LCDCE是LCD选通信号，LCDW、LCDR分别控制LCD的读、写，／RST使LCD复位。RAM是数据存储器6264的选通信号，PRINT是打印机选通信号，它选通触发器U6(74LS273)，使数据总线D0－D7中的数据进入打印机。A／DR用于启动A／D变换，A／DW用于将变换得到的数字量接入数据总线。
以上所有部分，包括发射／接收模块、A／D变换板、单片机控制板、LCD显示器、微型打印机及电源电路被组装在一个280mm(长)×180mm(宽)×90mm(厚)的小型机箱之内，其外形图如附图5所示。其上面板安装有液晶显示器1，LCD对比度调节旋钮3，LCD背光开关4，键盘5，电源开关6，电源选择开关7，激励脉冲输出插座9，射频输出插座10，检波输出插座11，其侧面板上安装有微型打印机2和外接电源输入插座8。
整机的工作过程如下接通电源时(附图4中VCC接＋5V)或整机复位时(按下附图4中的复位键KGY)，8031就开始执行EPROM2764中驻留的工作程序，全部工作过程均由此工作程序来控制完成。可以通过编制不同的程序软件来实现多种功能。以下描述本实施例采用的一种最基本的工作程序。该工作流程如图6所示。整机启动后，依次执行以下的子程序子程序“ADC”其操作是首先向发射器输入一个触发信号使之输出高压激励脉冲，从而接收器输出回波模拟信号；同时启动A／D变换，将变换得到的数字量写入RAM的一个单元中。A／D变换的采样频率为80MHz，共采集2K次，所得2K个数据依次存入RAM的2K个单元中，形成数字化的回波信号；子程序″MAX″由于LCD屏幕只有240×128个象素，不足以显示全部2K个数据，故每一个回波脉冲都只用LCD上的一条竖线来显示。为了显示这些竖线，只需要知道各个回波脉冲的幅值和对激励脉冲的时间延迟。子程序″MAX″处理RAM中的2K数据，找出其中的各最大值及其在RAM中的序号(即位于第几个单元中，序号与该最大值在时域上的位置成正比)；子程序″LCDM″此子程序显示得到的全部回波脉冲，方法是将各最大值的数字量(0－127)作为LCD的Y(行)坐标，其在RAM中的序号除以10作为X(列)坐标，在LCD屏幕上显示成一个点，此即一个回波脉冲的顶点。将此点以下同一列中的象素都显示出来，就得到一条竖线，其高度即为该回波脉冲的幅度，而它在X方向上的位置则表示了该回波脉冲的时间延迟。采用上述的办法，显然，幅度的相对测量精度为1／128，而时间上的测量精度则为12.5ns，总显示时间为25μs，相应于一般金属中70mm左右的探测深度。上述代表回波脉冲的竖线并不能显示该回波脉冲的形状。这是由于受到LCD在X(列)方向象素数目的限制，没有完全利用RAM中的全部数据。因此，为了提高时间测量精度，可以将最大值的准确时间延迟用字符直接显示在LCD上；为了显示回波的实际波形，可以采用″窗口模式″，将选定的某个回波脉冲在RAM中的全部数据以曲线的形式完全显示在LCD上，此时时间测量精度可以提高到10倍，而全部显示时间也下降为1／10。
完成″LCDM″的全景显示操作之后，单片机对它的一根I／O线P1.0进行测试，该I／O线接在一个标志为″冻结″的按键上，如果按键未按下，则P1.0是低电平，单片机就重新执行子程序″ADC″，只要″冻结″按键未按下，则LCD上的显示就不断更新，反映探头在试件上移动时回波的变化。一旦″冻结″按键被按下，单片机转而测试I／O线P1.1，该I／O线接标志为″打印″的按键。在此键未被按下时，单片机将不断测试P1.1，而LCD上显示的就一直是最后一次A／D变换得到的结果，从而实现图象冻结。
当“打印”键按下后，单片机执行打印程序“PRINT”，将RAM中的数据按指定的格式打印输出，测试结果得到永久的记录。
应该指出，以上的工作程序只是一个简单的例子，单片计算机的使用提供了巨大的灵活性，可以通过编制不同程序软件来实现复杂得多的功能。
本机可配用工作频率为10～100MHz范围内的各种探头，方法是用一根两端装有高频插头的柔性高频电缆，其一端的高频插头与探头连接，另一端的高频插头则与主机的激励脉冲输出插座(附图5中的9，Q9型)连接。主机上的射频输出插座和检波输出插座(附图5中的10，11，均为Q9型)输出接收器中检波前和检波后的回波信号，以便必要时用外接示波器来观察相应的波形。
权利要求1.一种小型全数字化超声探伤仪，由主机和探头所组成，主机包括发射器、接收器，与接收器相连将模拟信号转变成数字信号的模/数转换器，其特征在于所说的主机还包括对数字信号进行处理的单片机控制板，分别与单片机相连的液晶显示器及微型打印机，所说主机全部器件组装在一个小型机箱内。
2.如权利要求1所述的超声探伤仪，其特征在于所说的发射器、接收器采用能产生单极性的高压窄脉冲和放大回波信号的通用发射／接收模块，所说的探头包括高频探头和低频探头。
专利摘要本实用新型属于超声无损探伤技术领域。本装置由主机和探头两部分所组成，主机包括发射器、接收器、模/数转换器，单片机控制板、液晶显示器及微型打印机，主机全部器件组装在一个小型机箱内。本装置体积小、重量轻、可实现手持操作，适合于各种现场工作，可对探测结果进行数字化处理、存储、显示并打印，且可配用很宽范围内的不同频率的探头，满足不同的探伤要求。
文档编号G01N29/04GK2205968SQ94215489
公开日1995年8月23日 申请日期1994年7月8日 优先权日1994年7月8日
发明者乐光启, 苏公雨, 陈戈林, 胡思正, 郭艳林 申请人:清华大学