本发明属于工业用超声波探伤仪,它带有超声探头、超声波发射与接收电路、计算机控制系统和荧光屏。 一般的超声波探伤仪的计算机控制系统都是利用波形存贮器进行峰值采样,其接口电路结构复杂,造价很高,要求计算机存贮容量大,由于这种接口电路这些特点,而使人们无法制成便于携带的小型超声波探伤仪。
张寿柏、王怡之等同志合写的论文:《用微处理机处理超声波探伤结果的方法》,一九八四年九月登在《中国机械工程学会无损检测学会第三届年会论文选集》上,他们运用TRS-80微处理机控制波形存贮器,采用了波形存贮器采样。由TRS-80微机向波存发出采样指令。波存即以8MHz(0.125μs/点)的采样频率将超声波探伤检测的缺陷回波图形记入波存。待波存容量满(1024点共需128微秒,若以声速为5850米/秒计,则最大检测深度为374毫米)后,由微机和波存之间进行信息交换,将1024个数据送入微机。
很明显,这种接口电路有无法克服的缺陷。首先是波存问题,单就国产波形存贮器其单价就为2万元,其次是要以8MHz的速度采样,然后存入,则所用的A/D转换器的转换速度也必须高于0.125μs。这样的高速转换器的价格高得惊人。即使用2MHZ采样(即0.5μs/点),在我国也远远不是现实问题,转换速度为10μs以上的A/D转换器的市场价格为几百元,转换速度为15μs的A/D转换器已超过200元。所以上述已有技术仅在条件优越的高级研究室中才可配备,另外在检测深度上也远远不能满足需要。
与原有技术相比,本发明是以这样的任务为基础的,在保证超声波探伤仪器具有良好的使用性能的前提下,使其在经济性和实用性上具有突出的优点。本发明通过设计一种全新的计算机控制系统中的接口电路来实现这一目的。
附图1就是从原理到设计完全不同于原有技术地一个全新的模拟接口电路,它包括开门电路、关门电路和取峰值电路。
根据附图1将其原理简述如下:
开门电路:图1中上面部分探头的激发脉冲通过衰减、射极跟随器隔离和倒相,经控制电路送到与非门(1)的输入端,控制电路的作用是当计算机发出读数讯号后才让讯号经过。与非门(1)的4端起关门作用,它平时为“1”,到被测讯号到来后它就是“0”。另外从计数器输出端返回一根线,平时为“1”,所以在计算机发出讯号前,只有2端为低电位,与非门封锁,计数器不动作,只有当计算机发出讯号激发脉冲进来后,2端为高电位,与非门打开,晶振脉冲进入计数器,计数器计数。当关门讯号来后,停止计数,经三态门送入计算机输入端口。如探头得不到反射脉冲,那么记数到一定值后,自动关闭与非门(1),由输入端5控制。计数器计到最大。
关门电路:图1中下面部分
开始时RS3的输出端8为“1”,D触发器的输入端为“1”,当开门脉冲来后,经延时,使D输入变为“0”,延时的长短由激发脉冲的宽度决定,当下一个脉冲即反射波脉冲出现后经射极跟随器隔离、三极管倒相后,使D触发器置“0”,输出负脉冲,使后面的触发器翻转,输出低电平,关掉与非门(1)。
取幅值电路:图1的中间部分
要取的信号为波宽较窄的三角波脉冲,我们先让它给小电容C1充电到幅值,充电电路为R1C1,R1为20Ω,C1为500Pf,然后经运放给C2充电,经射极跟随器输出,如T1与T2的性能相同(b、e结压降一样)则B、D点电位相同,电荷在C2上可维持较长时间,当计算机读完数后,通过放电电路使它放掉,这由触发器RS3输出经延时后由RS2控制,放电电路还受开门讯号控制,由延时后的开门讯号把它打开,准备接受充电,图中R2为1MΩ,当输入低于电容C2上的电压时,运放输出为负,给它一个通路。在T1的基极还有一个开关电路,其作用是开门讯号经一定延时后,才能让它打开,让反射讯号过去,而当关门讯号来了以后,经一段时延,保证峰值过去后,把它关掉,不让后面的讯号再通过。
开门电路的控制器我们用了一只JK触发器和一个D触发器(作RS触发器用),当计算机发出信号使J置“1”后,第一个晶片激发信号使Q置“1”后面一个触发器翻转,把门打开。关门讯号不但关闭了与非门,而且也关闭了前二级,保证了可靠的关门。
所有的延时电路全采用74LS93,从晶体分频后输入。
A/D转换器的起动脉冲由74LS74供给,当被测讯号进入关门电路后,触发器翻转,经延时输出一个正脉冲,作A/D的起动讯号。
这线路是取激发脉冲后面的第一个反射脉冲信号的幅值。若要取第二或第三个,也同样原理。例如,我们要取第二个脉冲幅值,这时只要控制B点的开关电路,让它由第一个反射脉冲延时后打开而不是由激发脉冲延时后打开,然后,由第二个脉冲延时后关掉。这在某些场合需要取出头两个反射波时用到。
本发明的优点是显而易见的,它可以从持续时间很短的序列脉冲中取出其中的任意一个脉冲的幅值,计算机只要一次读数即可。线路结构很简单,元件质量要求低,即使参数配合不严格也不要紧,我们用实验找出反射波信号的幅值与计算机读数之间的一一对应关系,然后列出数学回归方程。让计算机在计算当量时进行补偿。这样做,不但补偿了峰值电路的误差,而且也补偿了放大线路的误差。不但降低了对线路设计的要求,而且也保证了准确度。
由于采用了这个线路,使得结构大大简化,仅使用很少几个电气元件,即使最贵的A/D转换器也不超过40元,整个控制系统非常紧凑,把计算机和发射及接收线路合在一起,做成一个新型的探伤仪,完全适合于生产实用。
附图4是直探头和斜探头的计算机程序软件框图,根据不同类型的计算机可按框图设计出不同的程序。
采用本发明制成的超声波探伤仪可使用于不同探头、不同耦合介质和不同材质(不同声速与不同声能吸收)。它不但可以在荧光屏上显示出缺陷反射波的高低、出现的时间,而且还可以用数字将缺陷的当量和坐标位置显示出来,用斜探头时,可任意指定显示多少次反射波以内的缺陷。
缺陷显示情况如附图2及附图3。图中的水平横线代表饱和线。垂直线代表反射波高。图2中反射波直线的横坐标代表缺陷相对于工件厚度的位置。数字150代表缺陷深度为15.0mm,20代表缺陷当量为直径2.0mm的平底孔。如遇到倾斜等缺陷,没有反射波,就出现一小横线。图3为斜探头情况,表示缺陷水平位置在离声速入射点3.0mm处,深度为1.5mm,当量为1.5mm横孔。在探头扫查过程中,反射波逐渐增加,到达最大位置时,马上给出数字值,显示约五秒钟,开始下一次扫查。
发明的实现及进一步完备是:
将软件固化制成一种专用微机,并用小型显象管代替示波管,加上超声波发射和接收电路,整机设置在一个盒内制成新一代便携式超声波探伤仪。
-把显象管用数码管来代替,探伤时只要一发现缺陷,就显示出坐标位置和当量,从而使仪器更小型化、轻便、经济、实用、耗电少、携带方便。
-可单独生产控制系统部分,为现有的A型探伤仪配套。因为我国已有数万台A型探伤仪正在实际工作中使用,而且很多工厂还在继续生产,因此予以配套能大大改善这些探伤仪的使用性能。
-也可以在现有的A型探伤仪上加装数码管配合数字显示,从而使读数更方便、准确、可靠、精确,如果只要求显示声程,则可以取接口电路的一部分,一个数码管。