超声检测技术研究与工程实现

论文摘要

超声检测是一种重要的广泛应用于科学、工程和医学的无损检测方法。作为一种重要的无损检测方法,它能在不损坏工件的情况对其进行检测。由于其具有操作简单、可靠性高等特点,在材料和产品的检测中得到了广泛的应用。目前铁路机车轮轴和钢轨探伤大都使用超声检测,而国内的数字探伤仪普遍存在数据采集频率低、信号处理能力差、数据管理功能不完善等弊端。本课题针对这些问题设计实现了更为高效准确的基于PC机、FPGA和USB的ZTY-1型数字超声波轮轴探伤仪,并在修改驱动程序和软件的基础上实现了适用于钢铁材料探伤及缺陷分析的高速超声探伤实验系统,其可实现17Mbyte/s的高速稳定数据传输。本课题还设计了基于ARM和FPGA的多通道超声钢轨探伤系统方案,实现了前端模拟电路完成了系统联调。论文首先简要介绍了课题背景、超声理论和超声检测的基本原理,在此基础上设计了一套基于PC机、FPGA和USB的机车轮轴超声探伤系统。在系统中使用了FPGA（Field Programmable Gate Array）及USB（Universal Serial Bus）接口芯片,以加强对回波数字信号的处理能力,提高数据传输速度。本次设计中采用Verilog语言实现了FPGA程序,使系统的性能得到了很大的提升。采用GPIF（General Programming Interface）接口模式及中断传输方式完成了USB固件驱动程序的编写,使系统的数据传输速度得到显著提高。多通道钢轨探伤系统是一套基于ARM和FPGA的专用钢轨探伤仪,本课题在以前设计经验的基础上设计并实现了此系统的前端部分,实现了系统联调。实践表明机车轮轴超声探伤系统方案是正确可行的,对系统的跟踪调试使系统的性能得到显著提高,目前轮轴超声探伤系统已经应用于实际中取得了很好的经济效益和社会效益,钢铁材料超声探伤系统也已成功应用于实践中。同时多通道钢轨超声探伤系统也已经完成了功能调试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声检测技术简介及国内外研究现状
• 1.3 数字式超声探伤仪的特点及其发展趋势
• 1.4 论文主要内容
• 第2章 超声检测原理及探伤系统整体设计
• 2.1 超声波检测的主要优点
• 2.2 超声波检测的原理与方法
• 2.2.1 脉冲反射法
• 2.2.2 脉冲透射法
• 2.3 轮轴探伤仪系统结构
• 2.3.1 轮轴探伤仪整体结构及指标要求
• 2.3.2 轮轴探伤仪硬件电路板结构
• 2.4 多通道钢轨探伤仪方案设计及系统结构
• 2.4.1 多通道钢轨探伤仪整体结构及技术指标
• 2.4.2 多通道钢轨探伤仪硬件电路板结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 超声探伤系统前端设计
• 3.1 轮轴超声探伤系统前端设计
• 3.1.1 高压发射电路
• 3.1.2 探头及通道切换电路
• 3.1.3 限幅稳压电路
• 3.1.4 可变增益放大电路
• 3.1.5 后级放大及滤波电路
• 3.2 多通道钢轨探伤仪前端方案设计
• 3.3 多通道探伤仪前端电路设计
• 3.3.1 发射电路
• 3.3.2 通道切换电路
• 3.4 本章小结
• 第4章 轮轴探伤系统后端设计
• 4.1 轮轴探伤仪后端电路整体设计
• 4.2 FPGA设计
• 4.2.1 FPGA程序设计
• 4.2.2 基于DCM的高速信号采样方案
• 4.3 基于FPGA的超声数字信号处理方法研究与设计
• 4.3.1 FIR数字滤波器设计
• 4.3.2 中值滤波技术
• 4.4 USB设计
• 4.4.1 EZ-USB FX2 系列CY7C68013 芯片简介
• 4.4.2 固件驱动程序设计
• 4.4.3 WDM 型USB 驱动程序结构
• 4.4.4 动态链接库设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 超声探伤系统调试
• 5.1 超声探伤系统前端调试
• 5.1.1 轮轴探伤仪前端发射接收环节调试
• 5.1.2 轮轴探伤仪前端模拟滤波环节调试
• 5.1.3 多通道钢轨探伤仪前端调试
• 5.2 轮轴探伤系统后端及FIR滤波器调试
• 5.3 电路板及系统的可靠性和抗干扰设计
• 5.3.1 可靠性设计
• 5.3.2 抗干扰设计
• 5.4 高速USB数据传输的调试实现
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢