随着科学技术的发展,高温、高压、高速和高负荷已成为现代工业的重要标志,但它的实现是建立在材料高质量的基础之上的,为确保这种优异的质量,必须采用不产品原来的形状、不改变其使用性能的检测方法,对产品进行百分之百地检测,以确保其可靠性和安全性,这种技术就是无损检测技术。

随着科学技术的发展,高温、高压、高速和高负荷已成为现代工业的重要标志,但它的实现是建立在材料高质量的基础之上的,为确保这种优异的质量,必须采用不产品原来的形状、不改变其使用性能的检测方法,对产品进行百分之百地检测,以确保其可靠性和安全性,这种技术就是无损检测技术。

超声波检测在无损检测中占据着主要地位,广泛应用于金属、非金属材料以及医学仪器等领域。近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展,超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力,为了提高检测的可靠性和提高检测效率,研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声仪是当今无损检测领域发展的一个重要趋势。而传统的超声波检测仪存在准确性差、精度低、体积大、功耗大、人机界面不友好等问题。而超声波发射与控制电正是在一种基于ARM的超声波检测系统的基础上,以ARM微控制器为核心,使用C语言编程,方便地实现了发射频率与激励电压脉冲幅度的调节。

基于ARM超声波检测系统的总体结构框图,如图1所示。该系统主要由3部分组成：超声波前端发射接收电、DSP和ARM处理器。

超声波前端发射电负责产生激励脉冲电压和重复频率可调的超声波。接收电首先将反射回来的微弱信号经放大、滤波等电处理,然后通过A/D转换电对信号进行采集并将采集的信号经数据缓冲FIF0送入DSP。

DSP接收由A/D转换器经FIF0缓冲后的数据,主要完成计算结构复杂的信号处理算法,提高超声探伤仪器的精度和数据处理能力。

ARM处理器主要完成两部分功能：一是控制功能,调节激励脉冲的宽度和重复频率以及放大电的放大倍数;二是实现信号的实时显示、存储以及和外部的通信等功能。ARM微处理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微处理器S3C2440A。其内核频率最高为400 MHz,功耗低,体积小,集成外设多,数据处理能力好,因而可广泛应用于手持设备等。

根据被测件的材料、厚度等不同条件,所需的相应超声波探头的频率、发射电压也不同。发射的超声波频率一般为几MHz,高压激励脉冲一般为几十到几百伏,脉冲的上升时间不超过100 ns。根据频谱分析,激励脉冲宽度探头频率之间存在着最佳关系式,当脉冲宽度满足这一关系式时,接收探头的接收信号质量最好。该关系式即为：

式中,f0为探头频率,2a为脉冲宽度。本设计所选探头频率为2.5 MHz,由式(1)确定的脉冲宽度为600 ns,所以放电时间应尽量控制在600 ns。

超声波探伤法的种类很多,实际运用中,大部分选用脉冲反射法,其发射电多选用非调谐式,超声波发射电如图2所示。电由可调高压电源、电阻R1和R2、能量存储电容C、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)VQ、快速恢复型二极管VD1、VD2和探头组成,设二极管等效电阻为R3,开关等效电阻为R4。ARM微处理器的PWM模块产生频率和占空比可调的脉冲,经IGBT的驱动和电后送入开关管VQ的栅极形成控制脉冲V1。当V1为负脉冲时,IGBT关断,高压电源通过R1、VD2对电容C充电,充电时间为1=C(R1+R3)。当t51时,认为电容C充满。当V1为正脉冲时,IGBT开通,电容C通过开关管VQ、R2和二极管VD1对探头放电,放电时间为l=C(R2+R3+R4)。超声波探头收到高压负脉冲的激励后便产生一定频率的超声波。

1)电阻R1用来充电时高压电源对电容C的充电电流,即起到限流作用,并减小发射单元工作时对电源的影响,从这点考虑,要求电阻R1阻值越大越好。另一方面,电的重复频率f较高,为了使电容C在触发前能充满电,就必须满足CR11/5f。所以要选择合适的电阻R1的阻值。

2)电阻R2有2个作用：一是调节放电时间和发射功率,二是作为阻尼电阻,调节超声脉冲宽度。R2的阻值越小,发射功率越小,发射脉冲越窄;R2阻值越大,发射功率越大,发射脉冲越宽。

所研制的电板可激发探头产生0.5～10 MHz的超声波,激励脉冲电压最高可达830 V,脉冲的上升时间小于50 ns。

ARM嵌入式处理器是具有极低功耗、极低成本的高性能处理器,运算速度快、精度高,而且便于实时操作系统的移植,真正成为实时多任务系统。S3C2440A内嵌PWM脉冲模块含4通道16位定时器,占空比、频率、极性可编程,且具有自动重载和双缓冲功能。主频FCLK最高达400M-Hz,APB总线设备使用的PCLK最高达68 MHz。具体过程为：首先,自动重载功能,对PWM脉冲的各个参数通过PWM寄存器进行设置,如定时器配置寄存器(TCFGn),定时器控制寄存器(TCON),定时器计数缓存寄存器(TCNTBn),定时器比较缓存寄存器(TCMPBn),定时器计数观察计数器(TCNTOn)等的设置。其次,设置相应定时器的手动更新位,然后设置开始位,在等待时间后定时器开始倒计数,当TCNTn和TCMPn的值相同时,TOUTn的逻辑电平由低变为高。当TCNTn为0,TCNTn用TCNTBn的值自动重载。如果要重新设置TCNTn的初始值,则要执行手动更新。

通过使用TCMPBn来执行PWM功能,PWM的频率由TCNTBn来决定。双缓冲功能允许对下个PWM周期在当前PWM周期任意时间点由ISR或其他程序改写TCMPBn。

超声波发射电对激励电压脉冲要求较高,需要一定的幅值,而且脉冲宽度要求越小越好,且须有一定的发射功率,这决定了超声波探伤的灵敏度,还关系到工件探伤的深度。如果要穿透较厚的工件,就需将较大的电功率转换成声功率。发射功率为：

当放电时间确定后,放电时间和C即确定。所以加大发射电压是提高发射功率的主要途径,由放电电压公式可知,除电中的各个电阻影响外,高压电源的电压是一个主要因素。但电压又不能太高,否则会使压电晶片加速老化。一般发射电压不超过1 800 V。

这里采用美国Ultravoh公司的高压电源模块。其中"V"系列的型号为1V12-P0.4电源模块,能完全满足该设计的需求,其输入电压为12 V,输出电压为0～1 000 V,控制电压为0～5 V,功率为0.4 W。低功耗、体积小、重量轻,并带有输出电压监测和自电。高压电源控制电如图3所示。

ARM微处理器输出的控制信号经D/A转换后可输出0～5 V的控制信号V2,相应的高压电源模块即可输出0～1 000 V的电压。

为验证本设计是否能满足实验的需要,对电进行软件仿线s时认为充电电容充满,所以把开关频率设置为1kH-z。仿线 k,R2=100 ,C=0.01F,得到的激励脉冲约为600 V,宽度为600 ns。此脉冲满足本设计中超声波频率为2.5 MHz时,探头对激励脉冲宽度的要求。

由于带充电电阻器的高压直流电源效率不是很高,所以激励脉冲的电压也不能达到高压电源的电压。通过

ARM的PWM模块如何对激励脉冲宽度和重复频率进行调制。经验证。该电发射的超声波功率、脉冲宽度和重复频率均可调。能满足多种检测需求。