嵌入式复合无损检测系统的设计

嵌入式复合无损检测系统的设计

摘要本文结合嵌入式系统成本低、功耗低、性能优越等优势，以软硬件平台作为实现各种检测技术的基础，设计具有超声检测、涡流检测功能的嵌入式复合无损检测系统。实现对材料表面、内部缺陷的全面检测。实验结果表明，该系统检测结果可靠，具有良好的检测性能。

关键词嵌入式系统；超声检测；涡流检测

中图分类号tp3 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）

84-0200-02

0 引言

随着计算机技术、微电子技术与图像识别技术的不断发展，检测技术向着功能多样化，数字化，集成化的方向发展[1]。嵌入式复合检测系统的研究，为材料的表面、内部以及应力集中等缺陷的检测提供了解决方法。本文基于嵌入式系统设计的集超声检测、涡流检测于一体的复合无损检测系统对实现材料的全面质量检测具

有重要的意义。

1 检测系统硬件设计

复合式无损检测系统的功能包括超声检测、涡流检测，检测系统的功能通过软件与fpga进行重构设定。fpga内部具有dsp模块，ram存储器模块，各个模块之间可以实现完全的互连结构，检测系统的结构如图1所示，本文采用嵌入式cpu＋fpga＋sdram的设计方案，cpu作为主控单元负责系统管理、网络接口、人机界面，fpga

作为数据处理单元完成各种系统功能。复合式检测系统包括有超声波的发射和接收、涡流的激励与接收、可编程硬件fpga、cpu、对外接口、电源等。

tgc时间增益控制； agc自动增益控制； lpf低通滤波器

图1 复合式检测系统结构图

1.1 激励电路设计

1）超声高压脉冲发生电路

本文设计的高压脉冲发生电路，如图2所示。系统设计要求尽可能简单可靠，通过调整t1、t2的导通时序和电路中各元件的参数，就可以在probe处输出200v～600v的高压脉冲到超声换能器，电路简单、可靠，体积小、功耗低。

图2高压脉冲发生电路

2）涡流检测任意波形激励设计

采用基于查找表的直接数字合成（direct digital synthesizer -dds）原理设计了具有任意波形激励功能的涡流信号源，如图3所示，由d/a转换器输出的阶跃信号会产生高频杂波[2]。采用六阶cauer无源滤波器对输出信号的杂波进行抑制，其电路图如所示。

（a）（b）

图3 涡流检测信号源

（a）基于dds的涡流检测任意波形激励；（b）六阶cauer无源低通滤波器

1.2 信号接收电路设计

1）超声信号前置放大

超声检测探头接收的回波信号动态范围很宽（1v～1uv）当信号很微弱的时候，接收信号的前置放大对于整个系统的性能影响很大。前置放大器要求低噪声、低失真、高速、高带宽、恢复时间短等[3]。本设计采用的超低噪声前置放大器（low noise

amplifier-lna）为analog device生产的ad8099实现信号的前置放大。

2）涡流检测输出信号的前置放大

涡流检测要求前置放大系数要尽可能高，同时传感器输出为差分信号，而后续信号调理为单端信号所以需要进行差分/单端的转换[4]。设计采用analog device生产的ad8129实现电磁检测输出信号的前置放大。

探头接收信号经过前置放大器放大以后，然后送入a/d转换器进行数字化，供后续数字信号处理。如图4所示，信号调理转换电路中，ad8111为16×8模拟矩阵开关，lmh6505为可变增益放大器，ad8331为可变增益放大器，ad5328为8通道12位d/a转换器，8路d/a输出分别控制lmh6505和ad8331的增益实现增益调解，

ad9226为4通道12位串行输出a/d转换器，采样频率为50msps。

图4 信号调理转换电路

2 焊缝试样检测实验

对焊接加工的焊缝试验样品进行超声波检测、涡流检测，验证复合式检测系统可以达到全面质量监控。焊接加工过程中容易出现

各种各样的缺陷，包括表面、内部缺陷以及应力集中等，影响焊接加工的质量，需要对其进行全面检测。实验样品分别进行超声波检测、涡流检测，其中涡流检测样品表面1mm的区域，超声检测2mm 以外区域。

2.1 超声波检测

超声波检测采用k=1的斜探头，其接收的缺陷信号如图6所示，焊缝样品的厚度为探头底波与底面回波之间声程的 /2倍，所测缺陷与表面的距离为探头底波与缺陷波声程的 /2倍 [5]。在试样内部存在气孔、未焊透缺陷，由于探头底波的影响，在距探头声程

0-6mm的区域的缺陷很难识别出来。

图6 复合式检测的超声缺陷信号

2.2 涡流检测

涡流检测采用100khz的正弦波激励，接收信号经过滤波以后得到幅值和相位。如图7所示，分别是涡流检测探头接收的原始信号、滤波后的信号、检测信号的幅度、检测信号的相位信息。根据幅值、相位以及滤波信号来判断焊缝表面的缺陷，从图中可以看到，试验样品表面存在裂纹、腐蚀等[6]，在图中标记了缺陷的位置。

图7 涡流检测单通道信号

3 实验结论

复合式检测过程中各种检测方式的检测结果如表1所示。通过超声、涡流复合检测对焊接加工过程中产生的未焊透、气孔、裂纹、夹渣等缺陷进行全面检测，实现焊接过程的全面质量监控。实验结

果表明，该系统检测结果可靠，具有良好的检测性能。

表1 复合式无损检测结果

参考文献

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[2]高军哲，罗飞路，潘孟春，冯婷婷.基于dds技术的模块化多频涡流检测系统设计[j].仪表技术与传感器，2009（10）：

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[3]刘镇涛.超声无损检测与评价中的信号处理及模式识别[j].无损检测，2001，1（23）：32-34.

[4]张俊哲.无损检测技术及其应用[m].北京：科学出版社，2010：55-58.

[5]于建军.焊缝的超声波检测技术研究[d].新疆农业大学2005，51-55.

[6]高军哲，潘孟春，罗飞路，何赟泽等.脉冲涡流检测的谱分析方法与缺陷分类识别[j].中国电机工程学报，2011，10（31）：154-159.