基于嵌入式技术的手持式智能超声检测仪的研制
2010/4/1 14:10:00
1 引言
超声检测法是检测飞机、发动机结构件缺陷的主要方法，由于它对疲劳裂纹和亚表面腐蚀缺陷非常敏感，灵敏度高，可达性好，所以在飞机原位检测中，常作为“第一”检测方法应用。我部在役飞机的原位无损检测工作是从有了超声探伤仪开始的，CTS—22、EHOPE220、KK30超声检测仪的研制成功对检查飞机发动机结构件的完好性做出了贡献。
飞机、发动机的许多结构件探伤空间较小，如发动机叶片、起落架仓内结构件、机翼结合螺栓等。而我部现有的CTS－22型、EHOPE220型、KK30型超声检测仪体积较大，为过去概念的“便携式仪器”，检测及其不便。如检查涡喷型发动机叶片，由于进气道空间狭窄探伤员和仪器不能全部进入，以往的做法是一人爬入进气道用探头扫查叶片，另一人在外边观察仪器显示来原位检测；再如原位检测直升机尾桨叶、旋翼以及运输机发动机螺旋桨叶,由于这些部位位置高，检测时也需两人配合，这样做的结果使得漏检率较高，严重威胁着飞行安全。基于这些方面的考虑，主要借助于MCU、EPLD的控制研制一个智能化的便携式超声波检测仪。
2 仪器的结构及工作原理
仪器的基本结构分两部分，一部分是硬件结构，一部分是软件结构。图1为手持式智能超声检测仪的结构框图。
图1 仪器的结构框图
仪器的硬件结构大体分为电源部分、模拟部分、数字部分和显示部分。硬件部分要实现超声波的发射、接收、模数转换、数据传输以及整个电路工作的协调控制等功能。用软件对各种数据进行分析处理，显示波形和结果，实现损伤识别和锁定等多种功能，完成超声检测的全部操作[1]。
3 硬件设计
硬件系统结构以高性能CPU为中心，分为电源部分、模拟部分、数字部分和显示部分。
3.1 电源部分
硬件系统中的电源部分由电池管理、DC/DC转换等模块单元组成，此部分功能主要是提供整个系统中各部分运行所需电源。电源部分有两种供电方式：仪器自带内藏充电电池、外接220V交流电。电源电路受EPLD控制，分时响应待机工作状态和短暂的检测工作状态，极大地降低了仪器功耗[2]。能实现1.5小时快速充电，可供连续工作8小时，较好地解决了外场检测电源不方便的难题。
3.2 模拟部分
硬件系统中的模拟部分由脉冲发射接收电路、缓冲电路、可控增益放大电路及检波滤波电路组成，如图2所示，它们都是数字可控的，即其功能由CPU来直接进行选择调节。此部分功能主要是信号发射、接收以及处理，其信号流程如下：脉冲发生模块产生电脉冲，电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波，当仪器从探头接收到回波电信号后，对其进行缓冲、放大、检波、滤波等信号处理过程。
图2 模拟部分结构框图
3.3 数字部分
硬件系统中的数字部分由CPU、程序存储器、数据存储器、显示适配及驱动、打印通讯接口、显示驱动，高速A/D及数据处理器组成，它们都在时序电路的协调下工作。其中CPU是控制中心及处理单元，高速A/D是数字部分与模拟部分的连接点，完成模拟信号到数字信号的转换。此部分功能主要是数据的存储、读取以及处理，同时还对模拟部分的各模块的工作状态进行控制。高速A/D用当今国际先进和成熟的集成电路技术，如FPGA和EPLD以及专用DSP等技术，不仅极大提高了仪器的技术性能，完善了数字与模拟部分的连接点，优化了模拟信号到数字信号的转换。
图3 数字部分结构框图
3.4 显示部分
硬件系统中的显示部分由显示屏、显示驱动模块等部分组成，此部分功能主要是将仪器的相关信息及检测相关数据显示出来。采用国际最先进的技术和高亮度场致发光（EL）显示屏，强光下无需遮光罩，且屏幕亮度可调，使检测更方便。
3.5 硬件方面的改进和提高
3.5.1 高度集成化
采用嵌入式技术，如FPGA和EPLD以及专用DSP等技术，不仅大大提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定可靠性，还降低了功耗，减小了体积和重量。
3.5.2 高速采样
采用高速采样器件、高速数字信号处理器及相关电路，大大缩短信号采样、运算周期，保证回波波形的实时显示、完整和峰值不丢失。
3.5.3 低噪声设计
完善的电路设计，模拟部分与数字部分、一般元件与敏感元件有效地隔离，解决了噪声干扰问题，使仪器的灵敏度余量大大增加，超过62dB。
3.5.4 模块化设计和制造
采用模块化设计，仪器的生产、维修和升级方便、可靠。
4 软件设计
软件是仪器的核心，它完成整个系统的控制，数据采集和处理以及图像显示等功能，实现检测智能化。仪器的软件系统按“操作轻松、使用方便，广泛适用”的指导思想进行设计，借助于Visual C++和MAX PlusⅡ的VHDL语言开发。
手持式智能超声检测仪的软件包括系统软件和探伤软件两大部分，软件系统采用全程汉字屏幕显示引导方案。系统软件的主要功能包括：工作界面显示、超声检测操作、参数设定、缺陷回波数据信息存储、回波图形显示、与检测仪或计算机之间的通讯、对EPLD进行功能管理、对电源电路控制等[3]。探伤软件是该仪器的最大特点，由智能探伤软件和常规探伤软件组成。智能探伤软件是针对技术水平相对不高的操作人员，应用仪器所提供的智能操作功能达到轻易驾驭仪器的目的。智能操作软件为操作人员提供了全中文的人机对话环境，将操作人员使用仪器的步骤减少到最低程度，每个操作步骤均有提示，图形存贮过程中仪器自动设置，不需操作者输入任何参数，真正做到了智能化。除智能操作外，仪器提供了具有先进水平的常规探伤应用软件，最大限度地发挥仪器硬件所能提供的优良检测性能，为探伤人员检测智能探伤工艺中没有涉及的工件和摸索探伤方法时使用，尤其为高级检测人员服务。
5 抗干扰措施
手持式智能超声检测仪目前主要应用于航空维修中外场和内场的飞机、发动机等零部件的探伤，由于工作在机场，其使用环境比较恶劣，故对各种干扰信号处理和排除噪声影响的要求比较高。采用硬件与软件抗干扰技术相结合的方法，可大大提高仪器工作的可靠性。
（1）硬件抗干扰。硬件抗干扰是应用措施中最基本和最重要的抗干扰措施[4]，在硬件抗干扰处理中采用了PCB技术、接地技术和隔离技术。在进行电路板设计时，微处理器及其辅助电路要尽量靠近在PCB上，要远离强电压电路，PCB输入端使用100 pF电容进行容性滤波，紧靠并联一只0.01μF陶瓷电容。仪器的频带范围为0.4-15MHz，采用单点接地和多点接地相结合的接地技术，同时，输入级的接地线也可缩短，使受干扰的可能性减少。在两个电路间加入隔离变压器，可以把外来的干扰通道切断，同时起到抑制漂移和安全保护的作用。
（2）软件抗干扰。软件抗干扰性能是可靠性的重要指标之一[5]，将软件与硬件抗干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑将大大提高仪器的可靠性，在软件抗干扰处理中采用了数字滤波和软件陷阱技术。
6 检测实例
仪器硬制成功后，结合我部飞机与发动机的定检工作，对在役的某型直升机尾桨叶大梁、某型运输机螺旋桨叶和某型歼击机涡喷型发动机叶片等零部件进行了检测，较好地解决了常规仪器对可达性差的高空和空间狭小部位原位检测的难题。2007年12月，用表面波法对某型运输机螺旋桨叶进行检测时，在距叶尖182mm处发现有缺陷迹象存在，经砂纸打磨及复查，确认有腐蚀坑存在。
7 结论
（1）采用嵌入式技术，模块化设计和制造，大大提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定可靠性，降低了功耗，减小了体积和重量。
（2）把硬件和软件有机地结合起来，运用多种抗干扰方法，提高了仪器运行的稳定性和检测结果的可靠性。
（3）仪器满足了我部航空维修无损检测的需要，解决了对高空和空间狭小部位原位检测的难题，实现了探伤工作快速、机动、高效，为飞行安全提供了强有力的技术保障。
参考文献
[1] 沈大鹏，高扬杰.基于虚拟仪器的超声探伤系统[J].无损检测，2002，24（2）：64-77.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.
[3] 马宏伟，李健等.智能化便携式超声波检测仪的研制[J].仪器仪表学报，2005，26（8）：439-447.
[4] 徐捷，蔡捷.抗干扰技术
超声检测法是检测飞机、发动机结构件缺陷的主要方法，由于它对疲劳裂纹和亚表面腐蚀缺陷非常敏感，灵敏度高，可达性好，所以在飞机原位检测中，常作为“第一”检测方法应用。我部在役飞机的原位无损检测工作是从有了超声探伤仪开始的，CTS—22、EHOPE220、KK30超声检测仪的研制成功对检查飞机发动机结构件的完好性做出了贡献。
飞机、发动机的许多结构件探伤空间较小，如发动机叶片、起落架仓内结构件、机翼结合螺栓等。而我部现有的CTS－22型、EHOPE220型、KK30型超声检测仪体积较大，为过去概念的“便携式仪器”，检测及其不便。如检查涡喷型发动机叶片，由于进气道空间狭窄探伤员和仪器不能全部进入，以往的做法是一人爬入进气道用探头扫查叶片，另一人在外边观察仪器显示来原位检测；再如原位检测直升机尾桨叶、旋翼以及运输机发动机螺旋桨叶,由于这些部位位置高，检测时也需两人配合，这样做的结果使得漏检率较高，严重威胁着飞行安全。基于这些方面的考虑，主要借助于MCU、EPLD的控制研制一个智能化的便携式超声波检测仪。
2 仪器的结构及工作原理
仪器的基本结构分两部分，一部分是硬件结构，一部分是软件结构。图1为手持式智能超声检测仪的结构框图。
图1 仪器的结构框图
仪器的硬件结构大体分为电源部分、模拟部分、数字部分和显示部分。硬件部分要实现超声波的发射、接收、模数转换、数据传输以及整个电路工作的协调控制等功能。用软件对各种数据进行分析处理，显示波形和结果，实现损伤识别和锁定等多种功能，完成超声检测的全部操作[1]。
3 硬件设计
硬件系统结构以高性能CPU为中心，分为电源部分、模拟部分、数字部分和显示部分。
3.1 电源部分
硬件系统中的电源部分由电池管理、DC/DC转换等模块单元组成，此部分功能主要是提供整个系统中各部分运行所需电源。电源部分有两种供电方式：仪器自带内藏充电电池、外接220V交流电。电源电路受EPLD控制，分时响应待机工作状态和短暂的检测工作状态，极大地降低了仪器功耗[2]。能实现1.5小时快速充电，可供连续工作8小时，较好地解决了外场检测电源不方便的难题。
3.2 模拟部分
硬件系统中的模拟部分由脉冲发射接收电路、缓冲电路、可控增益放大电路及检波滤波电路组成，如图2所示，它们都是数字可控的，即其功能由CPU来直接进行选择调节。此部分功能主要是信号发射、接收以及处理，其信号流程如下：脉冲发生模块产生电脉冲，电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波，当仪器从探头接收到回波电信号后，对其进行缓冲、放大、检波、滤波等信号处理过程。
图2 模拟部分结构框图
3.3 数字部分
硬件系统中的数字部分由CPU、程序存储器、数据存储器、显示适配及驱动、打印通讯接口、显示驱动，高速A/D及数据处理器组成，它们都在时序电路的协调下工作。其中CPU是控制中心及处理单元，高速A/D是数字部分与模拟部分的连接点，完成模拟信号到数字信号的转换。此部分功能主要是数据的存储、读取以及处理，同时还对模拟部分的各模块的工作状态进行控制。高速A/D用当今国际先进和成熟的集成电路技术，如FPGA和EPLD以及专用DSP等技术，不仅极大提高了仪器的技术性能，完善了数字与模拟部分的连接点，优化了模拟信号到数字信号的转换。
图3 数字部分结构框图
3.4 显示部分
硬件系统中的显示部分由显示屏、显示驱动模块等部分组成，此部分功能主要是将仪器的相关信息及检测相关数据显示出来。采用国际最先进的技术和高亮度场致发光（EL）显示屏，强光下无需遮光罩，且屏幕亮度可调，使检测更方便。
3.5 硬件方面的改进和提高
3.5.1 高度集成化
采用嵌入式技术，如FPGA和EPLD以及专用DSP等技术，不仅大大提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定可靠性，还降低了功耗，减小了体积和重量。
3.5.2 高速采样
采用高速采样器件、高速数字信号处理器及相关电路，大大缩短信号采样、运算周期，保证回波波形的实时显示、完整和峰值不丢失。
3.5.3 低噪声设计
完善的电路设计，模拟部分与数字部分、一般元件与敏感元件有效地隔离，解决了噪声干扰问题，使仪器的灵敏度余量大大增加，超过62dB。
3.5.4 模块化设计和制造
采用模块化设计，仪器的生产、维修和升级方便、可靠。
4 软件设计
软件是仪器的核心，它完成整个系统的控制，数据采集和处理以及图像显示等功能，实现检测智能化。仪器的软件系统按“操作轻松、使用方便，广泛适用”的指导思想进行设计，借助于Visual C++和MAX PlusⅡ的VHDL语言开发。
手持式智能超声检测仪的软件包括系统软件和探伤软件两大部分，软件系统采用全程汉字屏幕显示引导方案。系统软件的主要功能包括：工作界面显示、超声检测操作、参数设定、缺陷回波数据信息存储、回波图形显示、与检测仪或计算机之间的通讯、对EPLD进行功能管理、对电源电路控制等[3]。探伤软件是该仪器的最大特点，由智能探伤软件和常规探伤软件组成。智能探伤软件是针对技术水平相对不高的操作人员，应用仪器所提供的智能操作功能达到轻易驾驭仪器的目的。智能操作软件为操作人员提供了全中文的人机对话环境，将操作人员使用仪器的步骤减少到最低程度，每个操作步骤均有提示，图形存贮过程中仪器自动设置，不需操作者输入任何参数，真正做到了智能化。除智能操作外，仪器提供了具有先进水平的常规探伤应用软件，最大限度地发挥仪器硬件所能提供的优良检测性能，为探伤人员检测智能探伤工艺中没有涉及的工件和摸索探伤方法时使用，尤其为高级检测人员服务。
5 抗干扰措施
手持式智能超声检测仪目前主要应用于航空维修中外场和内场的飞机、发动机等零部件的探伤，由于工作在机场，其使用环境比较恶劣，故对各种干扰信号处理和排除噪声影响的要求比较高。采用硬件与软件抗干扰技术相结合的方法，可大大提高仪器工作的可靠性。
（1）硬件抗干扰。硬件抗干扰是应用措施中最基本和最重要的抗干扰措施[4]，在硬件抗干扰处理中采用了PCB技术、接地技术和隔离技术。在进行电路板设计时，微处理器及其辅助电路要尽量靠近在PCB上，要远离强电压电路，PCB输入端使用100 pF电容进行容性滤波，紧靠并联一只0.01μF陶瓷电容。仪器的频带范围为0.4-15MHz，采用单点接地和多点接地相结合的接地技术，同时，输入级的接地线也可缩短，使受干扰的可能性减少。在两个电路间加入隔离变压器，可以把外来的干扰通道切断，同时起到抑制漂移和安全保护的作用。
（2）软件抗干扰。软件抗干扰性能是可靠性的重要指标之一[5]，将软件与硬件抗干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑将大大提高仪器的可靠性，在软件抗干扰处理中采用了数字滤波和软件陷阱技术。
6 检测实例
仪器硬制成功后，结合我部飞机与发动机的定检工作，对在役的某型直升机尾桨叶大梁、某型运输机螺旋桨叶和某型歼击机涡喷型发动机叶片等零部件进行了检测，较好地解决了常规仪器对可达性差的高空和空间狭小部位原位检测的难题。2007年12月，用表面波法对某型运输机螺旋桨叶进行检测时，在距叶尖182mm处发现有缺陷迹象存在，经砂纸打磨及复查，确认有腐蚀坑存在。
7 结论
（1）采用嵌入式技术，模块化设计和制造，大大提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定可靠性，降低了功耗，减小了体积和重量。
（2）把硬件和软件有机地结合起来，运用多种抗干扰方法，提高了仪器运行的稳定性和检测结果的可靠性。
（3）仪器满足了我部航空维修无损检测的需要，解决了对高空和空间狭小部位原位检测的难题，实现了探伤工作快速、机动、高效，为飞行安全提供了强有力的技术保障。
参考文献
[1] 沈大鹏，高扬杰.基于虚拟仪器的超声探伤系统[J].无损检测，2002，24（2）：64-77.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.
[3] 马宏伟，李健等.智能化便携式超声波检测仪的研制[J].仪器仪表学报，2005，26（8）：439-447.
[4] 徐捷，蔡捷.抗干扰技术
投诉建议
提交
查看更多评论
其他资讯
助力企业恢复“战斗状态”：MyMRO我的万物集·固安捷升级开工场景方案
车规MOSFET技术确保功率开关管的可靠性和强电流处理能力
未来十年, 化工企业应如何提高资源效率及减少运营中的碳足迹?
2023年制造业“开门红”，抢滩大湾区市场锁定DMP工博会
2023钢铁展洽会4月全新起航 将在日照触发更多商机