專利名稱：分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及對鋼管、鋼板等金屬制品進行超聲波檢測的儀器，特別 是一種分布式多通道探傷超聲探傷系統(tǒng)。
背景技術：
利用超聲波進行探傷是目前無損檢測領域普遍應用的一種探傷手段。鋼 管、鋼板等金屬制品在制造過程會形成很多缺陷，如裂紋、氣泡等。有很多 內部缺陷人眼辨別不出來，需要用物理方法來檢測，超聲波檢測是很重要的 一項檢測手段，它利用超聲波在金屬中傳播速度快等特性，通過分析反射回 波來檢測判定缺陷。目前，國內超聲波檢測的儀器有很多，但現(xiàn)場的超聲超 聲波設備多為模擬式的，由分立元件和小規(guī)模集成電路組成，體積大、重量 大、耗電大，探傷檢測速度低的問題等未得到很好的解決，給用戶帶來很大 的不便。
發(fā)明內容
為解決以上問題，本實用新型的目的是提供一種判別缺陷準確可靠、探 傷速度高，體積小、重量輕、耗電小的分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng) 為了適應現(xiàn)代工業(yè)對無損檢測提出的高速度、高精度、高分辨力、高可靠性 以及現(xiàn)場使用方便等要求，實現(xiàn)了超聲檢測設備的自動化和儀器的小型化、 數字化。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案
分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)，包括顯示器、上位機、報警裝置、 打印機、以太網交換機、超聲波探頭、定位噴標模塊、外部定位噴 標裝置，該系統(tǒng)由多個超聲模塊組成，每個超聲模塊連接2-64個超聲波探頭，每個超聲模塊再通過以太網交換機與上位機連接，上位 機再分別與顯示器、打印機、報警裝置相連接；定位噴標模塊與其 中一個超聲探頭連接，定位噴標模塊連接外部定位噴標裝置。
所述的超聲模塊由超聲發(fā)射接收單元、回波可編程放大單元、
A/d采樣單元、1:PG實時處理單元、FPGA通訊處理單元、噴標和測
長接口單元、以太網接口組成，超聲發(fā)射接收單元連接回波可編程
放大單元，回波可編程放大單元連接A/D采樣單元，A/D采樣單元連接FPGA時處理單元，F(xiàn)PGA實時處理單元連接FPGA通訊處理單元、噴標和測長接單元，F(xiàn)PGA實時處理單元還連接超聲發(fā)
射接收單元、回波可編程放大單元，F(xiàn)PGA通訊處理單元連接以太網接口 。
本實用新型的工作過程是
每個超聲模塊以兩個FPGA(Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場可編程門陣列為控制核心，其中下層fpga實時處理單元觸發(fā)脈沖通過發(fā)射模塊給每個通道的超聲波探頭，通過超聲接收單
元模塊把每個通道超聲波探頭的回波信號通過回波可編程放大單元放大后送到模數轉換單元A/d采樣單元)，轉換的數字信號送到下層fpga實時處理單元，并配以專用判別缺陷的下層fpga軟件來實 現(xiàn)超聲波探傷檢測。上層fpga通訊處理單元主要傳遞下層fpga實 時處理單元的各種參數和波形數據，再通過以太網與上位機互相傳 遞各種參數和波形數據，上位機通過百兆網與上層fpga通訊處理單 元傳遞參數并根據傳來的波形數據，進行顯示各種波形，傷數據， 同時有傷報警并可以打印傷結果。
本實用新型是采用90nm工藝CYCLONE II系列FPGA芯片(制造工藝同P4處理器)組成嵌入式系統(tǒng)，運用;opcstemOnProgrammable Chip,簡稱為可編程片上系統(tǒng)作實時控制處理。模
擬、數字電路集成化統(tǒng)一構成超聲模塊，整套系統(tǒng)7 、有二種電路板
卡，全貼片元件焊接，更換維護方便集成化采用功能強大心片替
代多種元件，計算機無插卡結構，硬件連接點、優(yōu)化減少，連接端子
采用鎖定結構，結構簡單、中間環(huán)節(jié)少、故障率低網絡分布開放
式結構，不受計算機插卡收-數量限制系統(tǒng)發(fā)生故障時，音頻報警設
備、上位機等硬件可選擇各種民用產口 替代。如上位機可用筆記本電腦替代)?；谝陨纤?，如前所述實際探傷檢測中的問題，都可以得到很好的解決。
本實用新型與現(xiàn)有同類產品相比，具有探傷檢測速度快、判別缺陷準確，現(xiàn)場抗干擾能力強，在通道數多至上百通道的情況下，實現(xiàn)功能模塊化，可自由組合、連線簡便、功能可靠的特點，可實現(xiàn)現(xiàn)場365天不間斷運行，實時檢測。


圖l是本實用新型的整體結構圖；圖2是本實用新型超聲模塊的方框電路圖;圖3是本實用新型的超聲發(fā)射接收單元原理框圖；圖4是本實用新型的回波可編程放大單元原理框圖；圖5是本實用新型的A/D采樣單元原理框圖；圖6是本實用新型的FPGA實時處理單元原理框圖；圖7是本實用新型的FPGA通訊處理單元原理框圖；圖8是本實用新型的噴標和測長接口單元原理框圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的技術方案
見圖1，分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)，包括顯示器111、上位機 110、報警裝置112、打印機113、以太網交換機109、超聲模塊106、 超聲模塊107、超聲模塊108、超聲波探頭102、超聲波探頭103、超聲波探頭104、定位噴標模塊105、外部定位噴標裝置101，該系統(tǒng)由多個超聲模塊組成，每個超聲模塊連接2-64個超聲波探頭，每個超聲模塊再通過以太網交換機與上位機連接，上位機再分別與顯不器、打印機、報警裝置相連接；定位噴標模塊與其中一個超聲探頭連接，定位噴標模塊連接外部定位噴標裝置。
見圖2:，所述的超聲模塊由超聲發(fā)射接收單元1、回波可編程放大單元2、10 0MhHzA/D采樣單元3、FPGA實時處理單元4、FPGA通訊處理單元5、噴標和測長接口單元7、IOOM以太網接口6組成，超聲發(fā)射接收單元1連接回波可編程放大單元2，回波可編程放大單元連接100MhHz A/D采樣單元3， 100MhHz A/D采樣單元3連接 FPGA實時處理單元4， FPGA實時處理單元4連接FPGA通訊處理 單元5、噴標和測長接口單元7， FPGA實時處理單元4還連接超聲 發(fā)射接收單元l、回波可編程放大單元2， FPGA通訊處理單元5連 接以太網接6 口 。
顯示器lll采用液晶寬屏顯示器，符合人體工程學要求。
報警裝置112選用與顯示器集成一體的音箱，可模擬不同頻率 聲音提示探傷、耦合報警，可語音提示報警內容。
打印機1 1 3選用激光打印機，可隨時打出每根鋼管的探傷結果。
上位機1 1 0選用品牌機或服務器，無插卡結構降低故障率。 上位機外接鍵盤鼠標、顯示器、打印機，可實現(xiàn)人機對話，報警提示、檢測 結果打印輸出的功能，軟件用Vcc++語言編寫，運行在 WIN98/WIN2000/WINXP操作系統(tǒng)下。
以太網交換機 109連接多個超聲模塊通訊，保證單個模塊 100Mbit通訊速率。(10Mbit速率即可實現(xiàn)視頻傳送)
超聲模塊106控制超聲觸發(fā)脈沖的發(fā)射，接收處理超聲回波信 號，判傷識別后將數據通過以太網接口 ，送到以太網交換機109， 然后再傳送給上位機。根據系統(tǒng)要求可擴展到32個(每個模塊可 連接2-64個探頭)。
定位噴標模塊受1號超聲模塊控制，輸出噴標報警信號，接 收編碼器脈沖信號、探頭起落信號用于缺陷定位。
外部定位噴標裝置噴槍、外部探頭起落信號、電動機的轉速反饋脈沖 信號。這些信號通過噴標和測長接口送到噴標和測長定位模塊。
本實用新型是以超聲模塊為核心控制的，下面再詳細敘述其工
作過程
超聲發(fā)射接收單元l的多路發(fā)射電路發(fā)出激發(fā)超聲波探頭的高壓電脈 沖，通過聲電能量轉換接收超聲波探頭返回的電信號即回波信號，經過超聲 發(fā)射接收單元1內部的多路接收電路后，通過一個由時序方波控制切換的模 擬開關后轉換成一路分時輸出的回波信號。
回波可編程放大單元2是把超聲發(fā)射接收單元1產生的回波信號，通過
FPGA實時處理單元4的實時控制，經過回波可編程放大單元2放大波形， 放大范圍為-10 90dB，產生不同可編程放大量的波形。
100Mhz A/D采樣單元3把回波可編程放大單元2所產生的波形信號， 經過差動放大后，再經過A/D轉換器把模擬波形轉成數字信號的波形數據。 100Mhz A/D采樣單元3所產生的數字信號的波形數據連接到FPGA實時處 理單元4 。
FPGA實時處理單元4通過FPGA軟件，實時采集l OOMhz A/D采樣單 元3的數字信號波形，并送到不同通道的相應存儲位置，實時判別缺陷，實 時控制各個通道的放大量等參數，實時分析處理數據，從而達到探傷檢測速 度快，判別缺陷準確的工作特點。FPGA實時處理單元4通過控制噴標和測 長接口單元7得到當前缺陷的位置，并在相應的位置上通過噴標來做標記。 FPGA實時處理單元4把各個通道的波形數據、各個通道的缺陷位置及其他 參數傳遞給FPGA通訊處理單元5 。
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FPGA通訊處理單元5把各個通道的波形數據、各個通道的缺陷位置及 其他參數送到100M以太網接口 6 .
100M以太網接口6是把FPGA通訊處理單元5的數據通過以太網接口 送到以太網交換機的通道。
見圖3，超聲發(fā)射接收單元由發(fā)射脈沖轉換電路、脈沖驅動、發(fā)射單元、 接收單元、回波高阻轉換輸出電路組成。
發(fā)射脈沖轉換電路是把FPGA實時處理單元輸出的3.3V的脈沖信號連接 至八選一模擬開關輸入端。
脈沖驅動是八選一模擬開關八個輸出端5V的脈沖信號，經過專門的驅 動芯片7667，轉換成12V的觸發(fā)脈沖。
發(fā)射單元是超聲波的信號源，由脈沖驅動產生的脈沖信號可觸發(fā)高速高 壓開關管，高速高壓開關管具有400~500伏電壓輸入，當它導通時，將貯存 于高壓電容上的電能經超聲波探頭快速放電，從而激勱最多達8個超聲波探 頭，產生超聲波。高速高壓開關管的導通受觸發(fā)端控制，觸發(fā)瞬間即為超聲 波發(fā)射起始點，為單通道時序的起始點。
接收單元是指8個超聲探頭的回波信號，經阻抗匹配，通過兩個二極管 對輸入信號限幅的電路。
回波高阻轉換輸出電路用一個高阻具有放大和轉換開關功能的芯片 4141，代替了以前的多個分立元件組成的電路，放大倍數一般在2倍左右， 通過時序控制不同探頭的回波輸出。
見圖4，回波可編程放大單元2 —共有四級放大，其中前三級放大是受 可編程控制電路控制的，也就是這三級放大和可編程控制電路組成程控增益 單元，增益范圍在-10dB到90dB，這三級放大用的芯片是ANALOG DEVICE 公司的AD603 ，是 一 種低噪聲、電壓控制增益的新型運放，其傳輸帶寬 高達90MHz,增益最高可達51dB,最低達-11dB?？删幊炭刂齐娐分杏?的是MAX530，它是MAXI公司推出的低功耗12位并行DAC，通過 FPGA實時處理單元控制MAX530，實現(xiàn)增益調節(jié)。第四級放大采用 ANALOG DEVICE公司的AD 810，它是低功耗的運算放大器，通過它放大 兩倍。在第四級放大輸出后，通過選頻網絡控制進行選頻，選頻為低頻通 道和高頻通道。經過選頻后，再經過跟隨電路后，輸出波形.
見圖5， 100MhHzA/D采樣單元3是把可編程放大的波形送到差動放大 電路，差動放大電路中用的是高性能高速320MHz差分放大器，采用XFCB 雙極工藝，實現(xiàn)單端到差分放大器的轉換，從而簡化差分信號放大和驅動， 可調整共模輸出電壓，外部調整增益和低的諧波失真。A/D轉換器選用AD 公司AD9214完成模/數轉換，輸出信號送入FPGA實時處理單元。 AD9214，是 一 款10bit的ADC芯片，最高采樣速率為105Msps。最 高輸入數據速率可以達到100Msps。采用此芯片，系統(tǒng)所要接收的 寬帶信號就能實現(xiàn)用較高的速率進行采樣，最大限度地減少采樣速 率降低所造成的信噪比惡化。
見圖6， FPGA實時處理單元4是本系統(tǒng)的核心控制單元。它通 過現(xiàn)場可編程門陣歹U FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)控制的。FPGA 是專用集成電路(ASIC)中集成度最高的 一 種。核心控制芯片采用 EP2C8Q208C8， 它是ALTERA公司最新主流CycloneII芯片，具有 豐富接口和外設90nm， 8,256 Les，相當于20萬門規(guī)模，相對ASCI 和ASSP價格低廉具有可編程優(yōu)勢。
晶振控制電路是100M的外部晶振輸出通過FPGA時鐘輸入管 腳輸入至FPGA內部，形成FPGA的基本時鐘。
主動串行配置電路采用主動配置芯片EPCS1，來引導配置操作，在FPGA主動方式下，由目標FPGA來主動輸出控制和同步信號(包 括配置時鐘)，給Altera專用的配置芯片，在配置芯片接收到命令 后，就把配置數據發(fā)給FPGA，完成配置過程。
JTAG配置電路是通過JTAG接口下在FPGA的程序，并進行在線調試。
A/D轉換后的數據送到FPGA內，通過FPGA的程序進行實時采集，并根據釆集的數據進行數據分析處理。
雙口 RAM數據是FPGA實時處理單元和FPGA通訊處理單元之間聯(lián)系的紐帶，通過它進行數據傳輸。
邏輯控制信號輸出是通過FPGA內的程序控制，輸出的同步信號和通道切換信號，共四個信號A0、 Al 、 EN1和EN2。
觸發(fā)脈沖輸出也是通過FPGA內的程序控制，給發(fā)射接收單元提供的觸發(fā)脈沖信號。
噴標輸出測長定位輸出是通過FPGA內的程序控制，當有傷時輸出相應的噴標信號，同時FPGA實時讀出外部的X和Y方向的速 度信號，以及外部探頭的起落信號。
見圖7，F(xiàn)PGA通訊處理單元5是實現(xiàn)上位機與FPGA實時處理單元的通訊。它通過現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列) 實現(xiàn)控制的。核心控制芯片采用EP1C12Q240C8N，它也是ALTERA 公司最新主流芯片。
晶振控制電路是40M的外部晶振輸出通過FPGA時鐘輸入管腳輸入至FPGA內部，形成FPGA的基本時鐘。
主動串行配置電路采用主動配置芯片EPCS1，來引導配置操作， 在FPGA主動方式下，由目標FPGA來主動輸出控制和同步信號(包 括配置時鐘)，給Altera專用的配置芯片，在配置芯片接收到命令 后，就把配置數據發(fā)給FPGA，完成配置過程。
JTAG配置電路是通過JTAG接口下在FPGA的程序，并進行在 線調試。
數據存儲單元由FLASH芯片和SDRAM芯片組成，F(xiàn)LASH芯片釆用 AM29LV160 ， 2M 字節(jié)。SDRAM 芯片采用三星公司的 K4S641632F，容量為8M，提供程序運行區(qū)和緩沖區(qū)。
雙口 RAM數據是FPGA通訊處理單元和FPGA實時處理.單元之 間聯(lián)系的紐帶，通過它進行數據傳輸。從而把上位機的數據傳到 FPGA實時處理單元，同時把FPGA實時處理單元的數據傳到上位 機。
網絡控制電路LAN91C111 以太網芯片，支持10M和100M的 以太網速率。支持8位，1 6位和32位的總線。
網絡接口連接到以太網交換機，處理FPGA通訊處理單元與上 位機的通訊。
1見圖8，噴標輸出測長定位輸出是通過FPGA內的程序控制，當 有傷時輸出相應的噴標信號，經過噴標驅動電路，形成220V交流 電壓通過噴標接口送到外部的噴標裝置。同時外部的探頭起落和X 和Y方向的速度信號，經過光耦隔離電路，整形驅動電路后，在經 過并入串出電路，通過FPGA實時處理單元控制讀出外部的X和Y 方向的速度信號，以及外部探頭的起落信號。其中并入串出電路是 3個74HCT165芯片組連成的，通過FPGA實時處理單元的軟件進行 控制，讀出當前位置和探頭起落狀態(tài)。
權利要求1、分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)，包括顯示器、上位機、報警裝置、打印機、以太網交換機、超聲波探頭、定位噴標模塊、外部定位噴標裝置，其特征在于，該系統(tǒng)由多個超聲模塊組成，每個超聲模塊連接2-64個超聲波探頭，每個超聲模塊再通過以太網交換機與上位機連接，上位機再分別與顯示器、打印機、報警裝置相連接；定位噴標模塊與其中一個超聲探頭連接，定位噴標模塊連接外部定位噴標裝置。
2、 根據權利要求1所述的分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)，其特征在于，所述的超聲模 塊由超聲發(fā)射接收單元、回波可編程放大單元、A/D采樣單元、FPGA實時處理單元、FPGA 通訊處理單元、噴標和測長接口單元、以太網接口組成，超聲發(fā)射接收單元連接回波可編 程放大單元，回波可編程放大單元連接A/D采樣單元，A/D采樣單元連接FPGA實時處 理單元，F(xiàn)PGA實時處理單元連接FPGA通訊處理單元、噴標和測長接口單元，F(xiàn)PGA實 時處理單元還連接超聲發(fā)射接收單元、回波可編程放大單元，F(xiàn)PGA通訊處理單元連接以 太網接口。
專利摘要本實用新型涉及對鋼管、鋼板等金屬制品進行超聲波檢測的儀器，特別是一種分布式多通道探傷超聲探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個超聲模塊組成，每個超聲模塊連接2-64個超聲波探頭，每個超聲模塊再通過以太網交換機與上位機連接，上位機再分別與顯示器、打印機、報警裝置相連接；定位噴標模塊與其中一個超聲探頭連接，定位噴標模塊連接外部定位噴標裝置。本實用新型與現(xiàn)有同類產品相比，具有探傷檢測速度快、判別缺陷準確，現(xiàn)場抗干擾能力強，在通道數多至上百通道的情況下，實現(xiàn)功能模塊化，可自由組合、連線簡便、功能可靠的特點，可實現(xiàn)現(xiàn)場365天不間斷運行，實時檢測。
文檔編號G01N29/04GK201181291SQ20082001178
公開日2009年1月14日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權日2008年3月28日
發(fā)明者崔廣鐵, 李久營, 胡建華, 陳開云, 高光旭 申請人:鞍山長風無損檢測設備有限公司