CN101545888B - 分布式多通道超声探伤*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及对钢管、钢板等金属制品进行超声波检测的仪器，特别是一种分布式多通道探伤超声探伤***。该***由多个超声模块组成，每个超声模块连接2-64个超声波探头，每个超声模块再通过以太网交换机与上位机连接，上位机再分别与显示器、打印机、报警装置相连接；定位喷标模块与其中一个超声探头连接，定位喷标模块连接外部定位喷标装置。本发明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。

Description

分布式多通道超声探伤***

技术领域

本发明涉及对钢管、钢板等金属制品进行超声波检测的仪器，特别是一种分布式多通道探伤超声探伤***。

背景技术

利用超声波进行探伤是目前无损检测领域普遍应用的一种探伤手段。钢管、钢板等金属制品在制造过程会形成很多缺陷，如裂纹、气泡等。有很多内部缺陷人眼辨别不出来，需要用物理方法来检测，超声波检测是很重要的一项检测手段，它利用超声波在金属中传播速度快等特性，通过分析反射回波来检测判定缺陷。目前，国内超声波检测的仪器有很多，但现场的超声超声波设备多为模拟式的，由分立元件和小规模集成电路组成，体积大、重量大、耗电大，探伤检测速度低的问题等未得到很好的解决，给用户带来很大的不便。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供一种判别缺陷准确可靠、探伤速度高，体积小、重量轻、耗电小的分布式多通道超声探伤***。该***为了适应现代工业对无损检测提出的高速度、高精度、高分辨力、高可靠性以及现场使用方便等要求，实现了超声检测设备的自动化和仪器的小型化、数字化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

分布式多通道超声探伤***，包括显示器、上位机、报警装置、打印机、以太网交换机、超声波探头、定位喷标模块、外部定位喷标装置，其特征在于，该***由多个超声模块组成，每个超声模块连接2-64个超声波探头，每个超声模块再通过以太网交换机与上位机连接，上位机再分别与显示器、打印机、报警装置相连接；定位喷标模块与其中一个超声探头连接，定位喷标模块连接外部定位喷标装置；

所述的超声模块由超声发射接收单元、回波可编程放大单元、100MhHzA/D采样单元、FPGA实时处理单元、FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元、100M以太网接口组成，超声发射接收单元连接回波可编程放大单元，回波可编程放大单元连接100MhHz A/D采样单元，100MhHz A/D采样单元连接FPGA实时处理单元，FPGA实时处理单元连接FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元，FPGA实时处理单元还连接超声发射接收单元、回波可编程放大单元，FPGA通讯处理单元连接以太网接口。

所述的超声模块由超声发射接收单元、回波可编程放大单元、A/D采样单元、FPGA实时处理单元、FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元、以太网接口组成，超声发射接收单元连接回波可编程放大单元，回波可编程放大单元连接A/D采样单元，A/D采样单元连接FPGA实时处理单元，FPGA实时处理单元连接FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元，FPGA实时处理单元还连接超声发射接收单元、回波可编程放大单元，FPGA通讯处理单元连接以太网接口。

FPGA实时处理单元通过FPGA软件，实时采集100Mhz A/D采样单元的数字信号波形，并送到不同通道的相应存储位置，实时判别缺陷，实时控制各个通道的放大量等参数，实时分析处理数据；FPGA实时处理单元通过控制喷标和测长接口单元得到当前缺陷的位置，并在相应的位置上通过喷标来做标记。

本发明的工作过程是：

每个超声模块以两个FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列为控制核心，其中下层FPGA实时处理单元产生触发脉冲通过发射模块给每个通道的超声波探头，通过超声接收单元模块把每个通道超声波探头的回波信号通过回波可编程放大单元放大后送到模数转换单元(A/D采样单元)，转换的数字信号送到下层FPGA实时处理单元，并配以专用判别缺陷的下层FPGA软件来实现超声波探伤检测。上层FPGA通讯处理单元主要传递下层FPGA实时处理单元的各种参数和波形数据，再通过以太网与上位机互相传递各种参数和波形数据，上位机通过百兆网与上层FPGA通讯处理单元传递参数并根据传来的波形数据，进行显示各种波形，伤数据，同时有伤报警并可以打印伤结果。

本发明是采用90nm工艺CYCLONEII系列FPGA芯片(制造工艺同P4处理器)组成嵌入式***，运用SOPC(System On Programmable Chip，简称为可编程片上***)作实时控制处理。模拟、数字电路集成化统一构成超声模块，整套***只有三种电路板卡，全贴片元件焊接，更换维护方便。集成化采用功能强大芯片替代多种元件，计算机无插卡结构，硬件连接点优化减少，连接端子采用锁定结构，结构简单、中间环节少、故障率低。网络分布开放式结构，不受计算机插卡数量限制。***发生故障时，音频报警设备、上位机等硬件可选择各种民用产品替代。(如上位机可用笔记本电脑替代)。基于以上所述，如前所述实际探伤检测中的问题，都可以得到很好的解决。

本发明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。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明超声模块的方框电路图；

图3是本发明的超声发射接收单元原理框图；

图4是本发明的回波可编程放大单元原理框图；

图5是本发明的A/D采样单元原理框图；

图6是本发明的FPGA实时处理单元原理框图；

图7是本发明的FPGA通讯处理单元原理框图；

图8是本发明的喷标和测长接口单元原理框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案

见图1，分布式多通道超声探伤***，包括显示器111、上位机110、报警装置112、打印机113、以太网交换机109、超声模块106、超声模块107、超声模块108、超声波探头102、超声波探头103、超声波探头104、定位喷标模块105、外部定位喷标装置101，该***由多个超声模块组成，每个超声模块连接2-64个超声波探头，每个超声模块再通过以太网交换机与上位机连接，上位机再分别与显示器、打印机、报警装置相连接；定位喷标模块与其中一个超声探头连接，定位喷标模块连接外部定位喷标装置。

见图2，所述的超声模块由超声发射接收单元1、回波可编程放大单元2、100MhHzA/D采样单元3、FPGA实时处理单元4、FPGA通讯处理单元5、喷标和测长接口单元7、100M以太网接口6组成，超声发射接收单元1连接回波可编程放大单元2，回波可编程放大单元连接100MhHz A/D采样单元3，100MhHz A/D采样单元3连接FPGA实时处理单元4，FPGA实时处理单元4连接FPGA通讯处理单元5、喷标和测长接口单元7，FPGA实时处理单元4还连接超声发射接收单元1、回波可编程放大单元2，FPGA通讯处理单元5连接以太网接6口。

显示器111采用液晶宽屏显示器，符合人体工程学要求。

报警装置112选用与显示器集成一体的音箱，可模拟不同频率声音提示探伤、耦合报警，可语音提示报警内容。

打印机113选用激光打印机，可随时打出每根钢管的探伤结果。

上位机110选用品牌机或服务器，无插卡结构降低故障率。

上位机外接键盘鼠标、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/WIN2000/WINXP操作***下。

以太网交换机109连接多个超声模块通讯，保证单个模块100Mbit通讯速率。(10Mbit速率即可实现视频传送)

超声模块106控制超声触发脉冲的发射，接收处理超声回波信号，判伤识别后将数据通过以太网接口，送到以太网交换机109，然后再传送给上位机。根据***要求可扩展到32个(每个模块可连接2-64个探头)。

定位喷标模块：受1号超声模块控制，输出喷标报警信号，接收编码器脉冲信号、探头起落信号用于缺陷定位。

外部定位喷标装置：喷枪、外部探头起落信号、电动机的转速反馈脉冲信号。这些信号通过喷标和测长接口送到喷标和测长定位模块。

本发明是以超声模块为核心控制的，下面再详细叙述其工作过程：

超声发射接收单元1的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，经过超声发射接收单元1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。

回波可编程放大单元2是把超声发射接收单元1产生的回波信号，通过FPGA实时处理单元4的实时控制，经过回波可编程放大单元2放大波形，放大范围为-10～90dB，产生不同可编程放大量的波形。

100Mhz A/D采样单元3把回波可编程放大单元2所产生的波形信号，经过差动放大后，再经过A/D转换器把模拟波形转成数字信号的波形数据。100Mhz A/D采样单元3所产生的数字信号的波形数据连接到FPGA实时处理单元4。

FPGA实时处理单元4通过FPGA软件，实时采集100Mhz A/D采样单元3的数字信号波形，并送到不同通道的相应存储位置，实时判别缺陷，实时控制各个通道的放大量等参数，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。FPGA实时处理单元4通过控制喷标和测长接口单元7得到当前缺陷的位置，并在相应的位置上通过喷标来做标记。FPGA实时处理单元4把各个通道的波形数据、各个通道的缺陷位置及其他参数传递给FPGA通讯处理单元5。

FPGA通讯处理单元5把各个通道的波形数据、各个通道的缺陷位置及其他参数送到100M以太网接口6.

100M以太网接口6是把FPGA通讯处理单元5的数据通过以太网接口送到以太网交换机的通道。

见图3，超声发射接收单元由发射脉冲转换电路、脉冲驱动、发射单元、接收单元、回波高阻转换输出电路组成。

发射脉冲转换电路是把FPGA实时处理单元输出的3.3V的脉冲信号连接至八选一模拟开关输入端。

脉冲驱动是八选一模拟开关八个输出端5V的脉冲信号，经过专门的驱动芯片7667，转换成12V的触发脉冲。

发射单元是超声波的信号源，由脉冲驱动产生的脉冲信号可触发高速高压开关管，高速高压开关管具有400～500伏电压输入，当它导通时，将贮存于高压电容上的电能经超声波探头快速放电，从而激劢最多达8个超声波探头，产生超声波。高速高压开关管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。

接收单元是指8个超声探头的回波信号，经阻抗匹配，通过两个二极管对输入信号限幅的电路。

回波高阻转换输出电路用一个高阻具有放大和转换开关功能的芯片4141，代替了以前的多个分立元件组成的电路，放大倍数一般在2倍左右，通过时序控制不同探头的回波输出。

见图4，回波可编程放大单元2一共有四级放大，其中前三级放大是受可编程控制电路控制的，也就是这三级放大和可编程控制电路组成程控增益单元，增益范围在-10dB到90dB，这三级放大用的芯片是ANALOG  DEVICE公司的AD603，是一种低噪声、电压控制增益的新型运放，其传输带宽高达90MHz，增益最高可达51dB，最低达-11dB。可编程控制电路中用的是MAX530，它是MAXI公司推出的低功耗12位并行DAC，通过FPGA实时处理单元控制MAX530，实现增益调节。第四级放大采用ANALOG DEVICE公司的AD 810，它是低功耗的运算放大器，通过它放大两倍。在第四级放大输出后，通过选频网络控制进行选频，选频为：低频通道和高频通道。经过选频后，再经过跟随电路后，输出波形.

见图5，100MhHzA/D采样单元3是把可编程放大的波形送到差动放大电路，差动放大电路中用的是高性能高速320MHz差分放大器，采用XFCB双极工艺，实现单端到差分放大器的转换，从而简化差分信号放大和驱动，可调整共模输出电压，外部调整增益和低的谐波失真。A/D转换器选用AD公司AD9214完成模/数转换，输出信号送入FPGA实时处理单元。AD9214，是一款10bit的ADC芯片，最高采样速率为105Msps。最高输入数据速率可以达到100Msps。采用此芯片，***所要接收的宽带信号就能实现用较高的速率进行采样，最大限度地减少采样速率降低所造成的信噪比恶化。

见图6，FPGA实时处理单元4是本***的核心控制单元。它通过现场可编程门阵列FPGA(现场可编程门阵列)实现控制的。FPGA是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。核心控制芯片采用EP2C8Q208C8，它是ALTERA公司最新主流CycloneII芯片，具有丰富接口和外设90nm，8，256Les，相当于20万门规模，相对ASCI和ASSP价格低廉具有可编程优势。

晶振控制电路是100M的外部晶振输出通过FPGA时钟输入管脚输入至FPGA内部，形成FPGA的基本时钟。

主动串行配置电路采用主动配置芯片EPCS1，来引导配置操作，在FPGA主动方式下，由目标FPGA来主动输出控制和同步信号(包括配置时钟)，给Altera专用的配置芯片，在配置芯片接收到命令后，就把配置数据发给FPGA，完成配置过程。

JTAG配置电路是通过JTAG接口下在FPGA的程序，并进行在线调试。

A/D转换后的数据送到FPGA内，通过FPGA的程序进行实时采集，并根据采集的数据进行数据分析处理。

双口RAM数据是FPGA实时处理单元和FPGA通讯处理单元之间联系的纽带，通过它进行数据传输。

逻辑控制信号输出是通过FPGA内的程序控制，输出的同步信号和通道切换信号，共四个信号A0、A1、EN1和EN2。

触发脉冲输出也是通过FPGA内的程序控制，给发射接收单元提供的触发脉冲信号。

喷标输出测长定位输出是通过FPGA内的程序控制，当有伤时输出相应的喷标信号，同时FPGA实时读出外部的X和Y方向的速度信号，以及外部探头的起落信号。

见图7，FPGA通讯处理单元5是实现上位机与FPGA实时处理单元的通讯。它通过现场可编程门阵列FPGA(现场可编程门阵列)实现控制的。核心控制芯片采用EP1C12Q240C8N，它也是ALTERA公司最新主流芯片。

晶振控制电路是40M的外部晶振输出通过FPGA时钟输入管脚输入至FPGA内部，形成FPGA的基本时钟。

主动串行配置电路采用主动配置芯片EPCS1，来引导配置操作，在FPGA主动方式下，由目标FPGA来主动输出控制和同步信号(包括配置时钟)，给Altera专用的配置芯片，在配置芯片接收到命令后，就把配置数据发给FPGA，完成配置过程。

JTAG配置电路是通过JTAG接口下在FPGA的程序，并进行在线调试。

数据存储单元由FLASH芯片和SDRAM芯片组成，FLASH芯片采用AM29LV160，2M字节。SDRAM芯片采用三星公司的K4S641632F，容量为8M，提供程序运行区和缓冲区。

双口RAM数据是FPGA通讯处理单元和FPGA实时处理单元之间联系的纽带，通过它进行数据传输。从而把上位机的数据传到FPGA实时处理单元，同时把FPGA实时处理单元的数据传到上位机。

网络控制电路LAN91C111以太网芯片，支持10M和100M的以太网速率。支持8位，16位和32位的总线。

网络接口连接到以太网交换机，处理FPGA通讯处理单元与上位机的通讯。

见图8，喷标输出测长定位输出是通过FPGA内的程序控制，当有伤时输出相应的喷标信号，经过喷标驱动电路，形成220V交流电压通过喷标接口送到外部的喷标装置。同时外部的探头起落和X和Y方向的速度信号，经过光耦隔离电路，整形驱动电路后，在经过并入串出电路，通过FPGA实时处理单元控制读出外部的X和Y方向的速度信号，以及外部探头的起落信号。其中并入串出电路是3个74HCT165芯片组连成的，通过FPGA实时处理单元的软件进行控制，读出当前位置和探头起落状态。

Claims (2)

1.分布式多通道超声探伤***，包括显示器、上位机、报警装置、打印机、以太网交换机、超声波探头、定位喷标模块、外部定位喷标装置，其特征在于，该***由多个超声模块组成，每个超声模块连接2-64个超声波探头，每个超声模块再通过以太网交换机与上位机连接，上位机再分别与显示器、打印机、报警装置相连接；定位喷标模块与其中一个超声探头连接，定位喷标模块连接外部定位喷标装置；

所述的超声模块由超声发射接收单元、回波可编程放大单元、100MhHzA/D采样单元、FPGA实时处理单元、FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元、100M以太网接口组成，超声发射接收单元连接回波可编程放大单元，回波可编程放大单元连接100MhHz A/D采样单元，100MhHz A/D采样单元连接FPGA实时处理单元，FPGA实时处理单元连接FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元，FPGA实时处理单元还连接超声发射接收单元、回波可编程放大单元，FPGA通讯处理单元连接以太网接口。

2.根据权利要求1所述的分布式多通道超声探伤***，其特征在于，所述的超声模块由超声发射接收单元、回波可编程放大单元、A/D采样单元、FPGA实时处理单元、FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元、以太网接口组成，超声发射接收单元连接回波可编程放大单元，回波可编程放大单元连接A/D采样单元，A/D采样单元连接FPGA实时处理单元，FPGA实时处理单元连接FPGA通讯处理单元、喷标和测长接口单元，FPGA实时处理单元还连接超声发射接收单元、回波可编程放大单元，FPGA通讯处理单元连接以太网接口；

FPGA实时处理单元通过FPGA软件，实时采集100Mhz A/D采样单元的数字信号波形，并送到不同通道的相应存储位置，实时判别缺陷，实时控制各个通道的放大量等参数，实时分析处理数据；FPGA实时处理单元通过控制喷标和测长接口单元得到当前缺陷的位置，并在相应的位置上通过喷标来做标记。

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