多通道数字化仪PCI-9846在超声波检测系统中的应用

　　图3所示为产生的高压脉冲，测量时在示波器加一个纯阻性25倍衰减头，图中纵轴为2V/格，横轴为100ns/格，使用瞬态电平激发同步，可见产生的脉冲幅度在近200V左右，脉冲宽度为300ns左右。

图3 产生的高压脉冲信号

　　3.2 程控接收电路

　　经过超声波接收探头接收换能后的电信号幅度很小，基本上都是数微伏左右，满足不了数字化的需要，必须进行放大处理。此外为了适应各种场景的探伤要求以及自动测试的需求，该电路放大倍数应该由计算机控制。

　　目前各种集成运算放大器很多，但是针对本应用，其主要处理中心频率5MHz的信号，因此，选择放大器的带宽应该大于5MHz，这里选择了TI公司的OPA2300，该芯片包含两个运算放大器，并且每一路都有禁止端，其增益带宽积达到150M，完全满足此时信号放大的需要，噪声系数为3nV/Hz，能够满足低噪声放大的需求，其供电采用单+5V供电，不必使用双路电源供电。

　　增益放大的调整可以通过选择其增益环路的电阻进行，由于控制信号是计算机给出的数字信号，因此需要一片DAC完成数字模拟信号的转换，DAC选择8位D/A转换芯片AD7524，由单片机给AD7524输入8位数据，经过变换后，选通相应的二极管，控制增益电阻实现增益调整。

　　3.3 系统控制的选择

　　整个系统由计算机发起测试，但是要同时控制四个探头，特别是要保证四个探头发出的探测信号保持特定的时序关系，此时必须有一个外部控制设备连接计算机和探头设备，这里采用单片机完成这一工作。

　　目前计算机和单片机的连接常用的有RS-232接口。但是随着技术的发展，USB接口逐渐成为了主流，它速率高，可扩展性好，采用总线供电方式，支持即插即用等功能。因此，这里使用Silicon公司的C8051F340单片机作为外部控制设备，与计算机使用USB进行通信。

　　C8051F340单片机是与8051兼容的新型单片机，具有低功耗、高性能、高速流水线结构等优点，内部包括了64K的flash，4352字节RAM，对本应用来说不需要再外接存储设备。该单片机包含四个16位计数器，能够满足同时控制四个探头采集时序的要求，支持16位中断，可以满足本应用中的采集控制的需要。具有40个I/O线，可直接与+5V进行连接，不需要接口电平转换。特别是该型号单片机集成了USB控制器并提供相应的开发软件，具有开发简单的特点。

四、软件设计

　　系统软件主要包括控制部分、数据接收部分和信号分析部分三个部分，控制软件决定整个系统的运行，它一方面通过USB口与总控的单片机进行通信，统一控制整个系统的发射、接收等过程，同时通知数据接收软件进行数据接收并显示。数据接收软件则只负责将PCI-9846采样的数据存储到指定位置，信号分析软件则完成采样信号的显示、分析处理等过程。整个程序框架如图4所示。

图4 系统实现的软件程序框架

　　单片机软件开发包括上位机部分和单片机部分，上位机使用KeilV3进行开发，主要完成对C8051F340的控制等功能，开发使用C语言进行，开发中要注意的是USBXpress设备驱动软件，在头文件中包含相应的固件库，并调用相应的动态链接库以使用其提供的API函数。其主要函数包括USB设备中断、设备初始化、数据读取/写入、打开/关闭USB设备等。

　　数据接收、图形显示和信号分析使用.net进行开发，首先要安装PCI-9846提供的驱动，特别是DAQPilot驱动。ADlink（凌华科技公司）专门提供了针对.net开发所使用的例程，在此基础上直接对应用进行调用就能完成数据读入的过程。信号分析则主要包括幅度波形分析、FFT分析、门限设定以及缺陷成型、缺陷位置等，主要目的是对信号回放进行整理记录，并对工件的状态进行评估。

　　图5所示是利用超声波探测系统得到的信号显示的界面，显示的是四个探头对同一测试工件进行探伤的结果。采用液体介质，此时使用1号发射探头发射，接收则由四个探头进行接收，可见接收到的信号除了时间上略有差异外，幅度和波形基本相同。探头2整体、探头3在后半段的噪声略微大一些，这主要是由于探头2和探头3处于工件的后半端，接近于加工设备。对此信号进行分析，可以将裂缝所在的详细位置计算显示。此外利用该数字化平台，还可以对探伤信号进行后续的谱分析、缺陷预测等，有效实现缺陷成因、缺陷预测等理论分析。

图5 探头接收的信号

五、结论

　　根据本系统设计，其应用于某型检测系统中，具有电路实现简单、性能稳定、操作方便和高精度测量等特点。借助于PCI-9846数字化仪的高采样率、高精度的特点，该系统能够准确地对内部的裂纹和缺陷进行探测，特别是配合后续的数据处理软件，能够根据被测件的形状，在计算机上准确给出裂纹在工件中的位置，其信号分析的方法也为定量预测工件中的微小缺陷提供了手段。