传感器课程设计

东北石油大学

课  程  设  计

 

20##年7 月 16日

任务书

课程                        传感器课程设计

题目                     超声波探伤应用电路设计

专业         姓名           学号                      

主要内容：

本设计主要完成超声波探伤应用电路。系统的硬件主要由发射、接收、滤波检测和A/D模数转换等电路模块组成。在单片机的控制下，利用发射电路产生电脉冲信号，该信号使多功能探头中晶片振荡，发出频率特定超声波。当遇到缺陷或分界面时，一部分超声波会发生反射和透射。反射回波进入超声波探头，引起晶片振荡，产生电信号。此电压信号非常微弱，进入接收电路进行放大，再由检波电路检波后转换成电信号进入单片机引起中断，通过中断程序可计算出从发射到接收超声波所需的时间。通过单片机判断及计算缺陷的存在，通过示波器进一步观察缺陷特性。 

基本要求：

1、按照技术要求，提出本设计方案的优缺点及与其它方案进行比较，确定方案。

2、利用超声波探伤传感器及电路等设计一种探伤应用功能电路。

3、说明所用传感器的基本工作原理、用protel画绘制完整的电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数。

主要参考资料：

[1] 沈小丰．电子技术实践基础[M]．北京：清华大学出版社，2005.09．130-141．

[2] 刘镇清．超声无损检测中的导波技术[J]．无损检测，2001(21)：67- 70．

[3] 何希才．传感器及其应用电路[M]．北京：电子工业出版社，2001．20-59．

[4] 张毅刚．单片机原理及应用[M]．北京：高等教育出版社，2003．50-190．

完成期限   2013.7.12—2013.7.16    

指导教师                         

专业负责人                    　

20##年 7 月 12 日

摘 要

超声波无损探伤检测由于不破坏被检测物体和对人体无害而广泛应用于工业检测中。本设计系统的硬件主要由发射、接收、滤波检测和A/D模数转换等电路组成的超声波探伤应用。在单片机的控制下，利用发射电路产生电脉冲信号，该信号使多功能探头中晶片振荡，发出频率为1MHz的超声波。当遇到缺陷或分界面时，一部分超声波会发生反射和透射。反射回波进入超声波探头，引起晶片振荡，产生电信号。此电压信号非常微弱，进入接收电路进行放大，再由检波电路检波后转换成电信号进入单片机引起中断，通过中断程序可计算出从发射到接收超声波所需的时间。通过单片机判断及计算缺陷的存在，通过示波器进一步观察缺陷特性。 

关键词：探伤；超声波；无损检测；单片机

目 录

一 、设计要求...................................................... 1

1、超声波探伤的背景功能与用途.................................. 1

2、超声波探伤的发展现状及意义.................................. 1

3、国内外超声波探伤发展现状.................................... 2

二、设计方案及其特点............................................... 2

1、方案一...................................................... 2

2、方案二...................................................... 3

3、方案三...................................................... 3

三、传感器工作原理................................................. 4

1、超声波特性原理.............................................. 4

2、脉冲反射式超声波检测原理.................................... 4

四、电路的工作原理................................................. 5

五、单元电路设计、参数计算和器件选择............................... 7

1、单元电路设计................................................ 7

2、参数计算................................................... 13

3、器件选择................................................... 13

六、总结.......................................................... 15

参考文献.......................................................... 16

超声波探伤应用电路设计

一 、设计要求

1、超声波探伤的背景功能与用途

超声探伤技术是无损检测领域中的重要的方法，在冶金、勘探、生产控制，质量管理、和安全监测中有着广泛的应用。随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。无损检测就是通过各种技术方法，在不损害被检测对象未来用途和功能的前提下，为了探测、定位、测量和评价缺陷，评估完整性、性能和成分，测量几何特征，而对材料和零件所进行的检测。己被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障，尤其是半导体产业。因此研究一种高性能的超声波探伤系统关系着我国工业生产力的全面提高，对促进我国的工业的各个领域的快速发展意义长远而重大。^[1]

2、超声波探伤的发展现状及意义

超声波探伤技术是当今工程和生产中无损检测技术领域的一种非常重要的手段和方法。制造业中的无损检测与评价技术，对于改进产品质量，保证材料、零部件、产品的可靠性和生产过程的安全性，以及提高劳动生产率等都起着关键作用。由于超声波无损探伤设备在不同的应用场合，其对探头的要求不同，对接收的回波信号的处理算法也不同，因此某一类的无损探伤设备，通常只能适应于一种或几种应用场合。因为任何一个超声探伤系统都必须包括超声波的发射电路、接收电路和信号调理电路才能进一步进行后续的处理工作，这些电路的设计将直接影响到整个超声探伤系统工作的可靠性和测试精度。

超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠。检测结果对检测人员的依赖性都还很强，并且目前还都存在着一些难以克服的困难和缺陷。^[2]

3、国内外超声波探伤发展现状

国外早在三四十年代就开始了超声波探伤方面的研究。第二次世界大战后，由于雷达技术和电子技术的发展，才使超声波检测技术真正进入工业应用领域。到20世纪50年代，A型脉冲反射式超声波探伤仪已广泛应用于先进国家的钢铁、机械制造和造船等工业领域。近年来，超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。进入90年代后，在世界无损检测会议上发表的论文中有关超声检测方面的所占比例最高。随着数字技术和计算机技术的发展，现代超声波检测技术已经进入到以计算机控制为主的时代其表现为：生产过程的实时检测控制；合并软硬件提高检测的信噪比和抗干扰能；整合了模式识别和仿真技术的智能扫描、自动定位与跟踪检测；对所测信号波的实时处理和后处理，可对信号进行时域分析、频域分析和图像分析处理，以提高检测的可靠性。^[3]

就当前国内的超声波检测技术应用情况来看，超声波无损检测诊断技术虽然已经被广泛地应用于各种领域和场所。但是，其主要的应用发展方向还是在不断扩展的，而且它的重要作用还有赖于无损检测技术方法选择的正确和检测结果是否可靠，产品发展前景广阔。

二、设计方案及其特点

目前超声波探伤法的种类很多，类型主要根据声波传播方式可分为反射法和透射法。按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。超声波按探伤常用设计可分为下面三种不同的设计方案： 

1、方案一

穿透法，材料的非连续性是超声波传输的障碍，超声波通过障碍时只能透射一部分声能。Sokolov首先提出用超声波探查金属物体内部缺陷的方法。甚至只要有几分之一微米的细裂纹，在无损检测中即可用以构成超声波不可透射的阻挡层。在检测时，把超声发送探头置于试件的一侧，而把接收探头置于试件的另一侧，保证探头与试件之间有良好的声耦合，并使两个探头在一条直线上。这样，简单地监视接收到的超声波强度就可以得到检测结果了。

在超声检测的历史上，穿透法曾经是第一种可行的方法，但由于其精度比较低。所以目前，它的应用只限于精度要求不太高且能采用较简单系统的场合，或材料特性使得脉冲回波技术不可能应用的场合。

2、方案二

谐振法又称共振法。当用一定频率的正弦信号激励超声探头中的压电晶片时，压电晶片将向材料中发射相同频率的超声波。当材料的厚度为声波的半波长的整数倍时，就会在材料内部引起共振。在检测板材或片材时，谐振现象可得到很好的利用。谐振方法检测方法不完善，只是用某种特定频率敲击试件，细听自试件发出的振铃音调。在有了一些实践经验之后，检测人员就能听出良好试件和有缺陷试件的音调差别。^[4]

应用谐振检验的主要领域是在生产阶段检验板材、片材和管壁的厚度，以及指示是否存在夹渣．其精度也不是很高。只有在一些特殊的检测课题中，才必须要用到谐振法。例如：检测低至75μm左右的很薄的截面；查找金属板后面橡胶或塑料的缺陷(脱粘)；检测多层结构。

3、方案三

脉冲反射法是应用最广泛的一种超声检测方法。在实际检测中，最常用的是直接接触脉冲反射法，它又可按波型分为：单探头的纵波法、检波法、板波法、表面波法；双探头的双直探头纵波法、双斜探头检波法。 脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上会发生反射的，且反射回波的幅度和相位等参数携带信息进行检测。采用发射和接受电路，接收信号将采用示波器显示。根据缺陷及底面反射波的大小 有无及其在时基轴上的位置来判别缺陷的大小 有无及深度。纵波脉冲反射法是应用最广泛的一种超声波检测方法。

与穿透法相比，脉冲反射法有以下优点：灵敏度和精度高、适用范围广、操作方便。缺点是由于存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不适用、容易露检、材料衰减太大不适用。^[5]

通过方案比较，由于脉冲反射法的抗干扰能力较强，精度较高、操作方便、适用范围广。较好满足设计要求，故选用方案三脉冲反射法。

该系统以AT89C52单片机为核心控制器件，主要由主机控制、发射电路、信号调理电路、显示等部分组成。数据采集由AT89C52单片机完成,对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。系统的总体结构如图1所示。

图1超声探伤仪系统总体框图

三、传感器工作原理

1、超声波特性原理

超声波是机械波的一种，是指频率大于20KHz，并且能在连续介质中传播的弹性机械波，是无损检测技术中一种非常重要的方法。超声波的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播，超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。超声检测的工作频率远高于声波的频率，具有很高的能量。被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为广泛应用超声波检测的基础。遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声探伤工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。超声波在介质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。^[6]

2、脉冲反射式超声波检测原理

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。

由于超声波在介质的波速是一定的且，

                  　            (1)

若知道工件长L的大小，则可以根据发射波到反射波与发射波到底波的时间的比值，来确定缺陷距探头的距离。

若不知道L的大小，则可以根据声束和声波在介质中传播至缺陷所需时间和波速来定位缺陷。

                         　    (2)

式中C为材料中的声速，为声波遇到缺陷时的来回传播时间。

四、电路的工作原理

本设计中系统的硬件电路结构主要由发射电路、接收电路、检波电路、限幅电路和电源电路、A/D模数转换电路、示波器(CRT)等部分组成。超声波探伤应用总电路设计如图2所示：

图2 超声波探伤应用总电路设计

电源电路给整个模块供电，把两个探头分别置于试件的两个正相对面，在AT89C52单片机的控制下，发射电路可控硅导通，发出一个脉冲信号。该脉冲信号使多功能探头中晶片振荡发出频率为1MHz的超声波，由Emission探头发出的超声波通过工件表面进入其内部时，由于超声波的反射特性，超声波遇到缺陷裂纹时，其中一部分会发出第一次反射回波，这时会有反射回波传入Receive探头，反射的超声波经探头中压电晶片的压电效应作用，转换成为电信号(回波信号)，经接收CX20106集成电路进行滤波放大、限幅电路、缓冲检波电路等电路的处理和作用后，得到检波信号。而其余部分继续在固体中传播。在固体中继续传播的超声波到固体另一侧表面时，由于固体另一侧是气体，在气体固体的交界面上产生第二次反射回波，当反射回波进入超声波探头时，引起晶片振动，产生电压信号，该电压信号进同样处理后送人单片机，这时计时器就记下了超声波从发射到接收的传播时间T0和T1，由公式可计算出探头到缺陷的位置。根据超声波的声程推算，就可以将缺陷信号和底波信号区分开。

最终输入到示波器电子示波管的垂直偏转板上。输入信号引起垂直偏转板电压瞬时改变，电子束则在垂直方向发生跳跃，因而在示波管上形成脉冲波型。若被测工件有缺陷，在示波管上形成缺陷反射信号；若工件没缺陷当超声波到达工件的相对底面时，会有声波反射回去在电子示波管上形成完整规则的脉冲波型。据此就可以显示、判断工件中是否有缺陷的存在。

五、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

（1）AT89C52单片机

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。单片机用P1.1端口输出超声波转化器所需的1MHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号^[7]。单片机最小系统单元如图3所示：

图3 单片机单元电路

（2）发射电路

超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分，对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。调谐式电路中有调谐线圈，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。非调谐式电路发射一尖峰脉冲，脉冲的频带较宽，可以适应不同频带范围的探头，此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。本设计采用非调谐式发射电路。

发射电路在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高压脉冲信号。输入端为超声波发射的控制信号，由主机单元产生，是宽度为500 n s、重复频率为1MHz 的脉冲信号。经三极管驱动后送到控制极。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器的分辨力低，适合探测厚度大，对分辨率力要求不高的试件。电阻小时阻尼大分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。如图4所示：

图4 发射电路

（3）接收电路

接收头采用与发射头配对探头，使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db，选频后将1MHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于1MHZ的有用信号（发射机信号），输出端高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C的容量是否偏差太大。电路工作电压5V，静态电流小于20mA。以下是CX20106A的引脚注释。 

1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。 

2 脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将 使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性。 

3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作。  4脚：接地端。

 5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 

7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 

8脚：电源正极，4.5～5V。如图5所示：

图5接收电路

（4）信号限幅调理电路

当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅。连接电阻相对于发射电路中的可调电阻要足够大，选取阻值50KΩ，用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。选用具有较大正向电流的二极管构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在±0.7 V左右，可以达到该电路的预期效果。限幅电路如图6所示。

图6 超声波限幅电路

（5）缓冲检波电路

AD810 是低功耗、视频运算放大器, 具有高速度( 转换速率为1 kV/µs)、宽频带(80MHz, 3dB, G=1) 、失真小、低噪声等特点, 是超声波缓冲放大器的理想选择。检波前的缓冲由AD810构成,它是一个同相放大器, 其高输入阻抗(100MΩ)保证了AD603 的衰减精度。检波后的缓冲由LH033 和AD810 两部分组成。AD810是一个同相放大器,其输入除了接收LH033 的输出外, 还有一个由+5V电源产生的直流偏移电压, 其作用是调节噪声对显示基线的影响。用AD8036 作为全波整流，AD8036 本来是一个钳位放大器，具有卓越的钳位性能。由于AD8036不像二极管检波那样从正向偏置迅速切换到反向偏置, 它的非线性失真比二极管检波要显著减小，尤其是高频段。在输入信号只有40 mV 时,AD8036仍能线性检波。缓冲检波电路如图7所示。

图7 缓冲检波电路

（6）A/D转换电路

ADC0809是一种8位逐次逼近式的A/D转换器 。其由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR和三态输出锁存器等组成。模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入A、B、C的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。START上升沿将逐次逼近寄存器复位；下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，结果数据已存入锁存器。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作，START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效。OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器，把转换后的结果送到DB。^[8]

ADC0809的时钟由单片机提供，经由ALE取得，如果信号频率过高，可采用分频电路进行分频。ADC0809有3种工作方式：查询方式、中断方式和等待方式。不同的工作方式采用的硬件电路也有所区别，本设计采用等待方式来实现A/D转换。ADC0809原理图如图8所。

图8 ADC0809电路原理图

（7）电源电路

电源为硬件电路中的各器件单元提供电源。如图9所示。^[9]

图9 电源产生电路

（8）超声波探伤显示

本设计超声波探伤结果,将在示波器荧光屏上显示波形。在同步电路触发射电路产生高频电脉冲的同时，扫描电路也开始同步工作。此时，扫描电路发生与时间成正比的扫描电压加到电子射线管的水平偏转板上，从而使电子束所形成的光点在荧光屏上自左向右以一定的速度均匀移动。移动的轨迹就形成了水平扫描线。光点移动的距离，正比于超声波在工件中的传播距离。因此，即可显示出被探伤是否存在缺陷。

2、参数计算

超声波的频率、波长和声速之间的关系如下: 

                                                  (3)

式中为超声波的波长、c为超声波在介质中的的波速、为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。

探头频率参数选择，超声波探伤频率在0.5-10MHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素。由于波的绕射，使超声波灵敏度约为λ/2，因此提高频率，有利于发现更小缺陷；频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。^[10]

                                                 (4)

可知，频率高，波长短，则版扩散角小，声束指向性好，能量集中，由利于发现缺陷并对缺陷定位；

示波屏上的波高与声压成正比,既 :

   (1NP=8.68dB 1dB=0.115NP)      (5)

声强反射率R和投射率T分别为：

 ，               (6)

由以上几式得：                                       (7)

当时间基线按水平距离调整时，缺陷的水平距离L可由缺陷最大反射波在荧光屏上的位置直接读出；缺陷的深度H可通过计算或作图求出。 

奇次波              ,N=1、3...                    (8)

偶次波                 ,N=2、4...                     (9)

 3、器件选择

超声波探伤应用电路元器件清单如下表1所示：

表1  元器件清单

六、总结

经过紧张而又忙碌的学习工作，完成了此次课程设计，感谢老师在此期间对我的教导和帮助。思想、学习上，我都取得了很大收获。本设计中系统的硬件电路分为发射电路、放大电路和接收电路等。软、硬件均采用的模块化设计方案。这样的方案和方法，有利于各个击破，大大缩减了仪器的开发周期；模拟、数字信号系统的分离设计，很大程度上减少了相互之间的信号干扰，确保了仪器的稳定性和可靠性，基本实现了预定的各项基本功能。

随着现代工业和科学技术的发展，超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上会发生反射的，且反射回波的幅度和相位等参数携带信息进行检测。根据缺陷及底面反射波的大小 有无及其在时基轴上的位置来判别缺陷的大小 有无及深度。纵波脉冲反射法是应用最广泛的一种超声波检测方法。与其它检测方法相比，脉冲反射法有灵敏度和精度高、适用范围广、操作方便等优点。但是它存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不适用、容易露检、材料衰减太大不适用。

当然，由于时间和本身技术水平所限，课程设计还存在一定不足，需要进一步的完善。在超声波检测模块中，信号的放大、滤波功能还可以进一步提高。受CPU的功能所限，数据处理能力还不够强大，对回波数据信息还可以进一步提高二次开发能力。还可以在此设计基础上添加数据存储功能，存储一定量的检测结果进行比较。

参考文献

[1] 沈小丰．电子技术实践基础[M]．北京：清华大学出版社，2005.09．130-141．

[2] 张旭辉，马宏伟．超声无损检测技术的现状和发展趋势[J]．无损检测，2002(20):24—26．

[3] 刘福顺，汤明．超声波无损检测基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．50-100．

[4] 刘润华，刘立山．模拟电子技术[J]．自动化仪表．2005(6)：21-23．

[5] 刘镇清．超声无损检测中的导波技术[J]．无损检测，2001 (21)：67- 70．

[6] 何希才．传感器及其应用电路[M]．北京：电子工业出版社，2001．20-59．

[7] 张毅刚．单片机原理及应用[M]．北京：高等教育出版社，2003．50-190．

[8] 刘书明．高性能模数与数模转换器件[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2003．80-150．

[9] 胡烨，陈明．Protel 99SE原理图与PCB设计教程[M]．北京：机械工业出版社， 2005．23-99．

[10]刘福顺，汤明．无损检测基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．18-96．

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