摘 要:本文介绍了一种基于声发射技术的动态探伤系统的设计。本系统主要针对金属裂纹的实时检测而提出,文中对动态检测系统的总体方案及其相应的硬件组成和软件处理算法进行了详细地分析阐述,并对所设计的系统进行了试验验证。试验结果表明,此检测系统具有良好的性能,能满足动态探伤的应用需要。
1 引 言
轴类工件经热处理工序后,由于受热应力的影响会出现变形的现象。为了提高工件的质量和生产效率,有必要对此类工件实行校直修正。但在校直的过程中,工件有时会因受过量校直修正而产生裂纹,使工件损伤。若不及时将裂纹检测出来,将对产品成本、整机性能及研制周期造成重大的负面影响。为避免断裂影响,有必要对裂纹进行检测。即便可在加工过后对工件进行裂纹检测,也将降低生产效率。因此,针对金属裂纹的动态探伤系统的设计具有显著的意义。
常规的探伤手段主要有超声探伤、射线探伤、涡流探伤等。上述探伤手段的共同原理是以某种方式向被测对象发出特定信号,然后再由仪器检测被测对象对该信号的反应,从中识别缺陷存在。这类的探伤手段只能在加工结束后再对工件进行检测,无法在加工过程中进行动态探伤。
声发射检测技术的原理是通过采集和分析工件内部发出的应力波信号强弱来判断工件是否损伤。相对于常规的无损检测方法,声发射法具有以下的优点:检测时需对设备外加应力,是一种动态检测,可更客观地评价运行中设备的安全性和可靠性;声发射灵敏度高,检查覆盖面积大,不会漏检,可以远距离监测;检测可在设备运行状态中进行。
为提高设备的可靠性、安全性和生产效率,本系统采用声发射技术,通过检测伴随材料变形、断裂应力改变而放出的声发射波,对其相关参数进行分析评价,来判断工件是否合格。
2 动态探伤系统的总体方案
本动态探伤系统配合自动轴类校直机使用。当自动轴类校直机准备对一个工件进行校直时,给动态探伤系统发出开始检测信号,动态探伤系统收到信号后开始对工件进行在线实时裂纹检测。声发射传感器采集的电信号经过前置放大器放大后,先进行滤波,滤波后的信号通过AD进入DSP数字信号处理系统,经过数字滤波、特征参数提取和对参数的分析评价等一系列数字信号处理后,判断工件是否出现裂纹。若分析评价的结果是出现裂纹,向校直单元发出停止校直的指令,同时通过扬声器进行报警。若没出现裂纹,当完成对一个零部件的校直后,校直单元向动态探伤系统发出停止检测指令,动态探伤系统停止工作,复位。同时通过液晶显示和键盘实现人机交互。通过液晶显示屏实时显示设备的工况、工作参数的设置和检测所得的相关特征参数;通过键盘输入设置可调的参数。
本动态探伤系统可实现如下功能:
(1)完成在线实时检测的任务。声发射信号的采集、传输、放大和量化;声发射信号的滤波去噪;声发射信号特征参数的提取;声发射信号特征参数的分析评价;发现裂纹的实时报警及给校直机停止信号;与上位机及其它控制模块进行工作数据的交换。
(2)完成参数调整的任务。频率范围可调(数字滤波器参数可调);检测精度可调。
(3)完成人机交互的任务。液晶输出显示;键盘输入。
3 动态探伤系统的硬件组成
基于声发射技术的动态探伤系统的硬件结构如图1所示。
数字信号核心处理芯片采用TI公司最新生产的32位浮点DSP———TMS320F28335,其主频最高能达到150MHz(6·67ns的时钟周期),片上有256K*16位的FLASH,34K*16位的SARAM,8K*16位的BOOT ROM和1K*16位的OTPROM。同时,芯片内部有看门狗、串行通信接口、CPU定时器、各类计数器等丰富的外设,其处理速度和内部的存储器容量能满足本方案数字信号处理的要求
AD转换器选择ADI公司的AD7865。
AD7865是一款14bits快速A/D转化芯片,其采样周期为2·4μs,可通过软件或硬件方式选择转换的通道,具有可选择的信号输入范围:±10V,±5V,±2·5V, 0V-5V, 0V-2·5V,其高速并行输出接口可与3V数字信号处理器的接口直接相连。
硬件滤波器选用美国MAXIM公司的MAX275,它内含两个独立的二阶有源滤波电路,可分别同时进行低通和带通滤波。硬件滤波器主要实现两个功能:一是先用硬件的方式对声发射信号进行第一次的粗滤波,消除一部分噪声;二是由于对数据的采样需满足香农定理,因而硬件滤波器也作为AD转换器的抗混叠滤波器。
系统采用符合RS-232标准的驱动芯片MAX3232与TMS320F28335串行通信接口(SCI)进行串口通信。同时,通过光耦进行3.3V与24V之间的电平转换,实现系统与PLC单元的接口。
液晶显示模块用于显示动态探伤系统的工况、工作参数的设置和检测所得的相关特征参数,选用了深圳市彩晶科技有限公司的CM320240-8液晶显示模块,该显示模块是具有文字模式和绘图模式的点阵型液晶显示模块,内置12Kbyte的ROM字库,可以显示中文字型、数字符号、英日欧文等字母,并且内建双图层的显示内存。在文字模式中,可接收标准中文文字内码,直接显示中文,而不需要进入绘图模式以绘图方式描绘中文,可以节省许多微处理器时间,提升液晶显示中文处理效率。在接口上支持8080/6800系列CPU以及4-Bit数据总线接口,内部控制器为RA8803。
键盘用于对动态探伤系统工作模式、指令及参数的设定。共设置八个键,分别是参数设置、滤波上限、滤波下限、检测阈值、上、下、运行及停止。八个按键接入DSP控制器的通用IO口,并通过扫描方式进行确认键的按下。
4 动态探伤系统的软件设计
软件滤波单元、特征参数提取单元和特征参数分析评价单元都在DSP中通过软件实现。图2为DSP数字信号处理系统的软件流程图。
由于金属裂纹所在的频率段较高,在数字信号处理中,为满足奈奎斯特定律,采样频率必须很高。因此,在软件设计过程中,数字信号处理速度是首要的考虑因素。本系统的软件系统总体框架用嵌入式C语言实现,同时为提高数字信号处理的速度,滤波模块和参数分析评价模块用汇编语言实现。
5 总 结
基于实时动态检测的考虑,本文提出了一种基于声发射技术的动态探伤系统的设计。硬件上主要以TI公司最新生产的32位浮点DSP———TMS320F28335为核心数字信号处理平台;为提高系统的实时性,软件上采用C语言和汇编语言相结合的嵌入式软件开发方式。试验结果表明,本文设计的系统具有良好的性能,能满足实际的应用需要。本文介绍的系统设计思想对相关的工程设计具有一定的参考意义。
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本文作者：刘伯坤 王世忠 郑耿峰 梁 伟
