Page 115 - 无损检测2023年第九期

马加涛, 等:

四通道差分式超声应力检测仪的设计与实现

中, 应力仪将两个接收探头接收到的临界折射波信
号在屏幕上进行显示, 该显示界面如图3所示, 调整
闸门大小和位置框选头波信号后, 仪器分别获取闸
门内信号幅值出现的时间, 得到所需的声时差 Δ t ,
同时显示和记录测量得到的应力值 σ 。

图2 基于 FPGA 的超声应力检测仪结构框图

度快的 BSZ42DN25NS3-G , 场效应管 Q2 型 号 为
TP2424 。 所 选 用 场 效 应 管 驱 动 器 型 号 为
UCC27524 , 包含两个驱动通道, 能够提供驱动场效
应管 Q1 、 Q2所需的大电流。设计的超声激励电路

在输出端可以输出最大幅值为 400V 的负方波信
号, 同时可以通过 FPGA 控制电路使负方波的脉冲 图3 四通道应力仪界面

宽度( 可调) 为25~1000ns 。 2.4 四频率发射探头的设计与制备
临界折射纵波信号经过被测介质通过接收探头 设计并制备了适配检测仪的四频率组合式超声
进入信号处理电路。为了将接收到的信号中的高压 发射探头, 该探头的结构和实物如图4所示。其主
信号与放大电路隔离, 保护放大电路, 利用二极管的 要包括匹配层、 4 个并列排布的不同频率的压电晶
单向导电性, 在放大电路的输入处设置了双向限幅 片( 晶片频率分别为0.50 , 2.25 , 5.00 , 7.50MHz )、 吸

电路。接收到的超声信号电压幅值一般为毫伏级 声材料、 阻尼块、 电缆线和外壳等, 探头封装后的探
别, 为了避免其淹没在环境噪声中, 需要放大电路对 头尺寸为20mm×13mm×16mm ( 长×宽×高)。

其进行放大。放大电路由3个 AD603放大器组成, 在实际应力检测工程应用中, 探头的各晶片频率和

AD603单片可调最大增益为 42dB , 可以通过外界 尺寸可以根据实际结构的厚度和深度要求进行设计

电阻改变带宽和增益大小。为实现所需0~110dB 与调整。文章所设计0.50MHz主要用于验证应力
仪在低频范围的激励效果, 为工程实践中厚板应力
的增益, 前两级放大电路程控增益调节范围为0~

40dB , 第三级程控增益调节范围为0~30dB 。 测量提供技术支撑, 而2.25 , 5.00 , 7.50MHz为超声
应力检测要求高采样率以满足微小渡越时间的 检测的常用工作频率。在测量过程中, 应力仪分别
测量, 该仪器选用 ADC08D 的 AD 转换器进行信号 激励该探头的4个晶片, 能够在不更换探头的前提

采集, 其采样率高达1GHz , 能将模拟信号转化为分 下使被测介质内产生不同频率的临界折射纵波, 避
辨率为8bit 的数字信号。由于 ADC08D 为差分采 免应力测量过程中更换探头所导致的位置和耦合误

集, 因此还需利用差分放大器 AD8330 设计单端转 差。
差分放大电路, 从而将经过高通和低通滤波电路的
3 检测系统测试与结果分析
单端信号转变为差分信号。
2.3 应力仪程序设计 3.1 不同频率临界折射纵波的激励
应力仪的程序设计包括硬件逻辑程序和操作软 对仪器的硬件与软件整体调试之后, 则需要对
件两 部 分。硬 件 逻 辑 程 序 使 用 硬 件 描 述 语 言 4个不同频率的临界折射纵波进行激励和测试, 通
Verilo g 进行编写, 开发软件为 Quartus , 同时可作 过标准拉伸试验对不同材料的应力系数进行标定,
为硬件电路驱动部分硬件, 包括脉冲激励、 AD 转换 再对应力测试结果进行分析, 以评估检测仪的整体
器和显示屏等。操作软件由 C++ 编写, 用来控制 性能。为保证探头的准直和耦合, 文章设计和制作
所有的硬件设备, 并实现应力检测功能。检测过程 了相应滑轨和夹持装置, 该装置可以根据工件尺寸
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2023年 第45卷 第9期
无损检测