超声波探伤仪系统设计与研究硬件电路与回波信号处理

论文摘要

近年来,随着列车速度的不断提升和列车运载重量的不断增加,铁路的运营安全越来越重要,相应地对无损检测（NDT）的要求也越来越高。为了解决传统探伤仪器的实时性较差和智能化程度较低等问题,满足现代工业发展对检测仪器的高效性和实时性要求,本文提出了一种基于高速信号处理和智能控制的超声波探伤解决方案及相关实施方法。通过对超声波回波信号特性的研究,按照模块化的设计思想,设计了基于现场可编程门阵列（FPGA）的回波信号处理模块,实现了回波信号的数字滤波和簇极值查找功能；并进一步提出了基于ARM微处理器的系统智能控制模块,实现了分屏显示、智能判伤、自动报警等检测需求；本文提出的超声波探伤方案包含的电路模块有：超声波收发电路模块,信号处理与核心控制模块,键盘控制模块。基于FPGA高速信号处理和ARM智能控制的超声波探伤系统,在实时信号处理方面,由于系统采用100MHz的信号处理频率,各检测通道时分复用同一个数据处理模块,使得信号处理延迟非常小,系统能够在下一个检测通道选通之前,把上一个通道数据处理完毕；在智能信号处理方面,系统采用单通道曲线拟合的实施方法,可以识别并显示出钢轨中存在的螺孔、过线孔或断面等非缺陷信息：在终端图形显示方面,通过QT画图工具创建图形界面窗口,可以使用户同时获取脉冲显示和图形显示两种探伤结果。试验测试及统计数据表明,本系统的最大水平线性度误差不超过0.97%,最大垂直线性度误差不超过4.9%；总衰减量不低于80dB；探头的阻塞范围不超过15mm；抑制最小时,系统的动态范围不低于20dB；采用标准试块GTS-60对系统的缺陷检测能力指标进行测试,失检率不超过12.5%。系统具有较好的实时性和较高的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 超声波探伤仪系统设计方案
• 1.1 超声波检测理论
• 1.1.1 超声波检测技术的发展概述
• 1.1.2 超声波检测原理分析
• 1.1.3 超声波检测的优点和缺点
• 1.1.4 超声波探伤的辅助工艺
• 1.2 超声波探伤仪系统设计方案
• 1.2.1 设计理念研究
• 1.2.2 系统整体设计
• 2 硬件部分设计与实现
• 2.1 超声波收发板电路原理
• 2.1.1 超声波收发基本原理
• 2.2 信号处理与核心控制板电路设计
• 2.2.1 信号处理模块基本原理
• 2.2.2 信号处理模块相关元器件选型
• 2.2.3 信号处理模块硬件电路设计
• 2.2.4 核心控制模块基本原理
• 2.2.5 核心控制模块相关器件选型
• 2.3 键盘控制板电路设计
• 2.3.1 键盘控制基本原理
• 2.3.2 键盘控制相关元器件选型
• 2.3.3 电源转换电路设计
• 2.3.4 按键扫描电路设计
• 2.3.5 串行接口电路设计
• 2.3.6 液晶显示调节电路设计
• 3 软件部分设计与实现
• 3.1 FPGA回波信号处理软件设计
• 3.1.1 需求分析
• 3.1.2 程序设计
• 3.1.3 测试结果
• 3.2 ARM核心控制软件设计
• 3.2.1 需求分析
• 3.2.2 程序设计
• 3.2.3 测试结果
• 3.3 键盘控制软件设计
• 3.3.1 需求分析
• 3.3.2 程序设计
• 3.3.3 测试结果
• 4 系统集成及测试
• 4.1 系统的集成
• 4.2 用户界面说明
• 4.3 探伤参数的设置
• 4.4 波形的分析及判伤原则
• 4.5 系统预置指标
• 4.5.1 总体指标
• 4.5.2 具体指标
• 4.6 现场测试
• 4.6.1 现场测试环境
• 4.6.2 试块的选取
• 4.6.3 测试过程及测试结果
• 4.6.4 分析实验数据
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢