超声探伤仪检定装置数字化研究

贺 涛,唐薇薇,刘夏茹

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

超声探伤仪检定装置数字化研究

贺 涛,唐薇薇,刘夏茹

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

针对ZJ-2A型超声探伤仪检定装置的数字化研究，通过探讨在检定装置内部采用数据采集、编码和传输等方法，外部采用虚拟仪器和数据处理等方法，设计一种对检定装置进行实时状态监测、数据传输、计算机波形显示以及数据处理的检测系统。研究表明，该系统设计合理，状态稳定可靠，达到预期效果。

超声探伤仪；装置；数字化；检测系统

0 引 言

超声探伤仪计量的可靠性和准确性涉及到产品质量和安全生产。目前国内外普遍采用多台仪器设备及适配器组合对超声探伤仪技术参数进行测量，这将带来诸如仪器的适配系统误差增加、计量系统构架繁复、人为因素较多、在线计量困难等问题。

ZJ-2A型超声探伤仪检定装置由中国测试技术研究院辐射研究所自主研发，实现了该类计量标准器具的猝发音信号发生器、标准衰减器一体化设计。能够对超声探伤仪的电性能指标进行校准测试，完全满足JJG 746-2004《超声探伤仪》计量检定规程各项电性能指标的技术要求。

但是，由于技术手段的不足，利用该装置计量时，人为因素的影响依然存在，而且数字化超声探伤仪现已占据了绝大的市场份额，必然需要相应的测试手段。在这种大环境下，有必要对ZJ-2A型超声探伤仪检定装置进行数字化研究。

1 系统组成、工作原理及要求

（1）组成、工作原理。包括机电一体化系统、脉冲信号的采集、数据处理、数据通信和实时处理的研制、测量系统的研发等。

装置选择规程要求的工作频率，连接超声探伤仪输出端口，将发射脉冲输入到装置，经过装置的数

据采集、触发系统、脉冲信号采集系统的采集、触发后，输入到控制单元，再到信号发生器单元，然后输出猝发音信号，最后经过标准衰减器输出，将该信号输出到计算机，并在显示屏上显示该猝发音信号列（组成和原理见图1）。

（2）要求。对检定装置进行实时状态监测、数据传输、计算机波形显示以及数据处理等。数据更新率＞50Hz，波形幅度准确度优于0.5%。

2 系统设计

硬件电路设计都是基于复杂可编程逻辑器件（complex programable logic device，CPLD）进行设计开发[1]。CPLD是一种复杂的、整合性较高的逻辑元件，许多个逻辑方块（logic blocks）组合而成，逻辑方块间的相互关系则由可变的连线架构，合成整个逻辑电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统[2-3]。

2.1 数据采集

2.1.1 衰减量采集

精密可调衰减器是该超声探伤仪检定装置的重要部件，它采用精密电阻网络串联的方式，实现回波信号的衰减以及利用该信号对被测超声探伤仪的部分指标进行测试。衰减[4]器分4挡（×20 dB、×10 dB、×1 dB、×0.1dB），总衰减值达81dB。

为了同步获取衰减器的衰减值，并确保采集电路不对衰减值产生影响，在原衰减器的波段开关旋轴上加装同轴取样开关，并通过并行编码方法，实现对衰减量波段开关簧片位置的检测，从而同步获取衰减值，并对3挡衰减值分别采用16线转4位BCD码的方式进行编码[3，5]。实现框图见图2。

2.1.2 频率采样

检定装置输出的信号频率从200 kHz～16MHz，波形为脉冲组方式，脉内波数为5～40个。如果用脉冲调制后的输出信号测频，不仅会造成测频不连续，而且测量值不准确，因此需要从超声波信号产生电路中取样。

测频采用计数器方法[6-8]，由80MHz高稳定晶振产生计数的闸门时间（0.1s），超声波信号经过整形、分频，送进计数器，最后将计数器产生的20bit数字信息送入寄存器，供后续接口电路使用。频率采样的硬件实现框图见图3。

根据计数式频率计的原理分析，频率计的误差来自于晶振误差和量化误差两个方面。通常晶振的误差可以通过选用稳定性高的晶振来减小，而量化误差则是由于不确定计数信号的上升沿何时来而引起的，量化误差总是存在的，且等于±1。被测信号频率记为f，脉冲个数为N，计数基准周期为T，因为晶振一般比较稳定，所以忽略晶振误差，则由量化引起的误差为±1/N。为减小量化误差可以选用倍频单元，将时基信号扩大后，这样测得脉冲数N变大，以此减小量化误差。

这里将计数器的位数增加至24bit，输入信号的分频比减小10倍，取数据时取前20bit数据，这样相当于将量化误差减小了10倍。检定装置输出的信号频率从200kHz～16MHz，要求的精度为kHz级，采用上述方法处理后，频率计的最大频率偏差为

完全满足规程技术指标的要求。

2.1.3 脉冲宽度采样

检定装置的脉冲宽度为0.3～200μs，通过信号变

换，形成计数器的阀门信号、锁存信号和清零信号，采用80MHz晶振作为计数器的时钟，计数误差为12.5ns，计数输出[8]最大值达16 000，因此采用16 bit数字信号输出，可以满足测量要求。脉冲宽度采样硬件实现框图见图4。

2.1.4 脉内波数

检定装置采用脉冲调制的正弦波，其脉内波数可由装置面板的3×3键盘输入，输入值包括5～10以及20，30，40。脉内波数测量[9]的硬件实现框图见图5，其方法是将键盘按键的10根离散线进行BCD编码，并通过锁存信号将数据存入锁存器内。

2.2 数据接口

为实现检定装置与计算机的数据传输，采用标准RS-232串口通信的方式[10]，其硬件实现框图见图6。由80MHz晶振分频产生38.4kHz的数据时钟信号，数据端口将上述电路搜集的衰减量、工作频率、脉冲宽度和脉内波数的数字信息进行编码、驱动，可以将数据传到监控计算机进行数字化处理。

检定装置与计算机之间RS-232串口通信传输遵循低位先发送、波特率为38.4kb/s、数据有效位为10位（含1位起始位，8位数据位，1位停止位）的原则，TS-232通信协议如表1所示。

2.3 软件设计

本研究利用计算机软件平台，通过采用“虚拟仪器技术”，实现数据处理、存储、转换、显示等功能。软件设计接口协议如表2所示。通过图形化的操作界面，可形成类同“示波器”的操作功能，包括信号幅度放大、减小，扫描时间增长、减小，以及脉冲信号幅度显示等。

在软件设计中，利用C语言良好的可移植性和强大的数据处理能力[11]，编写“检定装置波形监控程序”，用于对检定装置超声信号波形的虚拟显示，其软件流程见图7，波形显示见图8。图8是典型的猝发音信号，其测试框图见图9。在软件设计中，充分考虑了装置运行状态，对猝发音的幅度、时间实时可调。

2.4 数据处理

利用该检定装置对被测设备进行检测，利用Excel表格，人工输入检测数据，并根据JJG 746-2004《超声探伤仪》计量检定规程的计算方法，在表格中置入公式编辑，对测试数据进行计算，最后通过Excel-Word数据“超链接”转换，完成检定证书的自动生成。

3 结束语

对该装置的数字化研究，实现了该装置的实时状态监控、数据传输，装置猝发音个数的测试及原始记录、证书的自动生成，为实现超声探伤仪的自动化检测做了有益的探讨和尝试，可以促进该领域测试技术手段的发展。

对超声探伤仪的测试，最终能实现数字化自动测试，有赖于超声探伤仪技术的进步、测试手段和方法的不断完善和提高，这也是以后研究的方向和最终目的。

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Digital research on equipment of ultrasonic inspection detectors

HE Tao，TANG Wei-wei，LIU Xia-ru
（Nation Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

This paper is about a digital research on equipment of ultrasonic inspection detectors（Type ZJ-2A）.It is an exploration to design a detection system for monitoring the status in real time，transmitting status data，displaying computer waveform in real-time and processing data of the inspection detector equipment.The design of this detection system is by means of data collecting， coding， and transmission inside the inspection detector equipment， and virtual instrumentation and data processing outside of the inspection detector equipment.The research shows that this system is of rational design as well as stable and reliable running status.It thus achieves expected effect.

ultrasonic flaw detector；device；digitalization；detection system

TB559；TG115.289；TN911.7；TM930.113

：A

：1674-5124（2014）04-0111-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.028

2014-03-11；

：2014-05-08

贺 涛（1964-），男，四川成都市人，高级工程师，主要从事工业超声无损检测及其量值溯源研究。