金属材料在各行各业中得到广泛的应用,从民用领域到军事领域,直至航天航空等尖端领域,都离不开它。由于材料内部的缺陷引起的各类事故时有发生,因此,金属材料的无损检测正受到越来越多的重视。特别是在那些和人身安全相关及大型投资工程中,如果不能及时地发现金属材料内部存在的某些缺陷,就可能给国家和人民的生命财产带来不可估量的损失。超声波检测作为一种非破坏性检测手段,可以检查和发现金属材料内部的缺陷。由于它能够及时发现缺陷,因而可以采取对应措施,防患于未然。
以大规模集成电路的发展为代表的信息技术在现代生活的许多领域中产生了巨大的影响,检测仪器和仪表正在向智能化方向发展。超声波检测技术由于其自身的特点,受到以微电脑技术为代表的新技术的影响。CUFD96电脑超声波探伤仪融合了数字电路技术、微电脑技术、超声波检测技术、汉字信息处理等技术。和传统的模拟超声波探伤仪相比,不仅它的检测精度高,定位准确,而且它可以提供客观的检测报告,大大提高了超声波检测的可靠性。
一、仪器工作原理
超声波是一种频率高于声波的机械波,在金属材料检测中,超声波的频率一般为1~ 10MHz。超声波的产生主要由超声换能器完成,超声换能器由压电陶瓷组成,它能够将电能转换为声能,也能够将声能转换为电能。我们知道,在均匀的金属材料中,超声波会一直向前传播,当材料内部存在缺陷时,由于缺陷处材料的声阻抗发生变化,就会出现反射波,当反射波再被换能器接收后,就可以在屏幕上显示出来。反射波和发射波之间的时间间隔可以确定缺陷的位置,反射波的幅度决定了缺陷的大小。一般地说,反射波幅度越高,缺陷越大。图1所示为超声波检测原理图。
传统的超声波检测仪器是在示波管上显示反射波,通过模拟开关和旋钮调节仪器,因此,检测的精度和可靠性不高,受人为因素的影响很大,使超声波检测技术的应用受到一定的制约。
电脑超声波探伤仪是超声波和电脑一体化仪器,它克服了传统超声波检测仪器的不足之处,大大提高了检测的可靠性和准确性。在研制电脑超声波探伤仪时,主要解决了几个关键问题:高性能CPU芯片;高速A/D转换器;大容量存储器;可编程程控放大和衰减器。图2表示电脑超声波探伤仪的系统框图。发射电路产生一高压脉冲,脉冲的宽度约为几十纳秒,电压为500V左右,用它可以激励超声波换能器。当换能器接收反射回波后,再将声能逆转换成电能。该信号经过放大、检波及整形后,供A/D转换器采样。
可编程衰减器和可编程放大器完成信号幅度调节作用。传统的超声波探伤仪设置了多级衰减器,这类衰减器采用电阻网络法来实现,总衰减量一般为100dB,最小调节步长为1dB。CUFD96采用计算机控制技术,由CPU输出控制码,经D/A转换后,加到放大器增益控制端,调节信号幅度,信号幅度的调节范围为110dB,最小调节步长为0.1dB。
模数转换器完成信号的变换。由于电脑只能处理数字信号,因此必须将模拟信号转换成数字信号。考虑到信号的使用频率,这里使用的A/D芯片的转换频率为24MHz,保证信号经过采样后不失真。CUFD96选取INTEL系列CPU芯片,与目前的个人电脑PC机采用同一系列。虽然在检测仪器上使用INTEL系列CPU芯片可能在某些方面没有单片机那样方便,但是它的视屏显示功能确是其它芯片无法相比,这一点对于显示实时信号波形尤其重要。除此之外,INTEL系列CPU兼容性好,便于升级,有大量的软件支持。
大容量存储器用于存储采样后的信号,而且它可以由一只充电电池供电,即使在关机的时候,它也能够足够长时间地保存数据,便于信号的后处理。
显示控制部分完成实时信号显示和检测结果的显示,采用CGA显示模式。实时显示的刷新频率为50MHz,,它刚好和电视的刷新频率相同,便于合成标准的全电视信号,通过录像机进行录象存储。仪器上的显示器为14cm平面直角监视器。
仪器配有打印机和RS232接口,既可以通过打印接口输出打印结果,提供硬拷贝输出,又可以通过RS232和外接计算机相连,实现数据通讯,便于数据的进一步保存和分析。
二、软件功能
仪器使用汇编语言编写监控和应用程序,程序运行效率高,运行速度快。汇编语言的编写环境为DOS下的宏汇编,程序编写完毕后,首先将程序固化到EPROM,再将EPROM插入到仪器上进行调试。仪器使用人机对话方式操作,共有24个键,采用功能键为主,辅之以菜单方式。对经常调节的参数和频繁使用的功能,采用功能键方式如:增益调节、水平扫描调节、声速调节、探头参数调节等;而对于那些不常用的较复杂的功能,则采用菜单方式,便于编程实现,如焊缝定量标准、锻件定量标准、文件存储等。通过这种实现方式,一方面仪器的操作和传统仪器相近,便于学习;另一方面便于仪器功能的扩充。仪器软件的主要功能有:
(1)自动定位和定量 CUFD96可以自动定量,计算缺陷的当量大小,同时可以计算出缺陷在工件中的位置。
(2)自动打印输出 CUFD96可以打印输出探伤结果。打印机使用普通的通用型(如EPSON兼容)打印机。考虑到探伤现场可能不便携带打印机,因此仪器准备了不掉电存储器,先将波形和检测结果存储,然后回到办公室后,再打印输出。
仪器可以存储100个文件,每个文件包含有波形数值、仪器当前参数及探伤检测结果。CUFD96设置了写文件、文件检索、文件删除等功能,共同管理文件。
(3)声速测定 CUFD96可以自动地测定超声波在金属材料中的传播速度。声速的准确性对于缺陷定位起十分重要的作用,这是因为在CUFD96中,信号的渡越时间是测量位置的基础。
(4)自动测定探头参数 不同探头具有不同的参数(如斜探头的入射角、探头内部声程等),即便是同一探头,随着使用时间,它的参数也会产生变化。自动测定探头参数可以克服由于探头参数的误差给测量带来的误差。
(5)自动实时校正 随着仪器使用中温度的变化,电子元件的工作特性会产生变化,定时进行实时校正,可以克服温度漂移对测量结果的影响。仪器设置了标准信号源,用于校正放大器的工作特性。
(6)自动绘制距离波幅—DAC曲线 在焊缝探伤和锻件探伤中,因为超声波在材料传播的过程中存在反射、折射及散射,所以超声波的幅度在传播过程中衰减,因此,对于不同深度的同一大小缺陷,其反射波幅度不同。使用DAC曲线后,能够克服这一不利于缺陷大小定量的因素。CUFD96可以制作并保存10条DAC曲线,以满足不同的探伤要求。
(7)动态包络功能 CUFD96具有实时动态包络功能,可以记录一个缺陷的反射波从产生到消失全过程中波形的包络,便于区别不同类型的缺陷,进行定性分析。
三、仪器技术指标及特点
1·仪器技术指标
(1)系统总增益110dB,最小调节步长0.1dB;
(2)探测灵敏度余量> 60dB;
(3)检测范围5 ~ 5000mm;
(4)水平线性误差< 1%;
(5)垂直线性误差< 4%;
(6)电源:交流110 ~ 240V;
(7)充电电池连续工作6.5h;
(8)外形120×250×260(mm);
(9)重量3.5kg。
2·仪器特点
在研制CUFD96的过程中,我们既参照了国内现有的传统模拟仪器,又参照了国外同类型的电脑超声波探伤仪,和它们相比,CUFD96具有下面几个优点:
(1)全数字控制 仪器所有工作都在电脑控制下完成,克服了传统仪器调节和定量时的误差,全部实现数字化。
(2)中英文显示 仪器采用中英文混合显示方式,既方便了国内用户,又可以满足国外用户的需求。
(3)模块化结构 CUFD96硬件和软件均采用模块化结构,便于功能的更新和仪器的维护。硬件采用插件式,软件采用积木式,可以方便地扩展仪器功能。
(4)用户友好 仪器集中体现了超声检测专业性,将超声检测技术和电脑技术紧密地融合起来。以操作人员的习惯为基础,兼顾传统仪器的操作方法。
(5)仪器标准化 CUFD96具有多种检测标准,如:JB1152-81、GB11345-89、SY4065-89、SDJ67-83、JB4730-94、DL/T5408-95、ASM/API美国国家标准、美国石油协会标准、锻件检测标准等,并且可以进一步扩展更多的检测标准。
四、结束语
CUFD96主要应用于金属材料的无损检测,它克服了传统探伤仪器定量不准、重复性差、不能提供原始检测结果等缺点,具有操作简便、体积小、重量轻等特点,可以在实验室和野外等多种现场作业,在许多工业领域里得到广泛应用。
参考文献
1 张福炎·IBM-PC微型计算机原理和应用·南京:南京大学出版社,1991
2 葛如顶·实用汇编语言工具库·南京:南京大学出版社,1992
3 全国无损检测技术委员会·无损检测标准文集,1994
本文作者：赵兴群 夏 翎 万遂人
