基于DSP56F805的便携式多功能超声波检测系统

引言
无损检测在工程领域应用越来越广，超声波检测是无损检测的主要方法之一，主要应用在测距、探伤、测厚等领域。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大能量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用该特性，可以实现超声测距和超声探伤。超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、方便、对人体无损害和易于做到实时控制等优点。

图1   系统框图

系统框图及电路分析
系统框图如图1所示。
超声波发射电路
信号发射部分包括发射电路和探头。探头由超声波换能器组成，可以是收发同体的换能器，也可以是发射和接收分开的。本电路采用的是收发分开的探头，这样可以减少发射余震信号的影响，即可减小盲区。针对测距和探伤对超声波频率要求不同，探头可以更换。
发射电路产生激励探头发射超声波所需的高压窄脉冲，不同探头要求的谐振频率不同，所以要求激励脉冲宽度可调。发射电路如图2所示，先由DSP提供宽度可调的低压脉冲，再由发射电路转换成高压脉冲加到换能器上。发射电路的阻尼情况由R0决定。R0小，阻尼大，发射脉冲强度低；R0大，阻尼就小，发射强度高。
信号接收电路
超声回波信号非常微弱，一般是毫伏级，所以必须放大，为了与超声波换能器的高阻抗匹配，前置放大器也设计成高阻抗输入。在探头和前置放大器之间加一级衰减器是为了防止由于某些原因，回波电压过大，容易对仪器造成损害。滤波电路设计成带通滤波，由于探头的频率范围比较宽，不同探头发射频率不同，所以要求带通滤波的中心频率可调，由DSP来控制。这一级要求高信噪比和高品质因数，经过带通滤波器后，回波信号得到放大，而其它噪声被削弱，同时，为下一级的程控放大提供了具有更高信噪比的输入信号。程控放大器主要是针对测距的远近两档来设计的，由于换能器发射能量一定，当测量近距离时，回波信号能量大，这时接收器放大倍数应该小些，而测量远距离时，回波信号能量小，接收放大倍数就应该大些。程控放大器由DSP来控制放大倍数，使得测距时远近两档放大后的信号幅值保持在一个数量级。另外，在探伤时，不同的介质对超声波能量的衰减也不同，可通过手动或自动方式来调整放大器的放大倍数，以达到回波信号的正确接收和显示。
信号采样和显示电路
显示探伤回波信号时有两种显示方式，一种是直接显示回波声压波形的射频显示(即不检波显示)，另一种是经过检波的回波声压波形的视频显示(即检波显示)。
射频显示信号直接由程控放大器进入A/D采样电路，射频显示能比较真实地反映出超声波脉冲在介质中的传播情况，有利于分析回波的波形特征，并且为进一步的数字信号处理以判别缺陷的性质及材质的变化奠定了基础。由于缺陷回波尖峰脉冲很窄，所以A/D转换电路要求有较高的采样速率。本系统选用的高速ADC为MAXIM公司的MAX1426，MAX1426为10位单通道输入ADC，转换速率为10Msps，输入电压范围为-2V~+2V，供电电压为4.75V~5.25V。

图2  发射电路

视频显示则显示波形的包络，图形比较清晰，这有利于信号峰值采样，能够确定缺陷当量，同时可通过门限检测来判断缺陷的位置。两路信号由模拟开关来控制。测距时，信号检波后直接送到门限检测。门限检测主要是为了对信号进行峰值采样，设置一个门槛，防止非回波信号进入DSP，这一步对测距和定位缺陷信号非常重要。
幅度门限主要是为回波信号设置一个幅度门槛，该门限由比较器构成，比较器一端输入回波信号，另一端输入由回波信号经过衰减及加上一直流信号后得到的信号，即为门槛信号，只有高于门槛值的信号才能引起比较器的输出。第二级脉宽门限是一时间门槛，设置该门限主要是考虑到信道中的各种干扰及电路中的噪声经过放大后幅度变大，有的甚至超过回波信号的幅度，这时，单有幅度门限是不够的。脉宽门限由一触发器构成，通过幅度门限的信号只有脉宽达到设定的宽度才能通过第二门限进入DSP。
显示模块采用EL场致显示屏来显示仪器的功能菜单以及各个测量结果，包括距离、面积、体积、缺陷位置、回波波形和回波频谱图等。该模块要求实时显示测量结果，并且针对便携式仪器的特点，该部分应满足低功耗要求。
数据存储电路
数据存储器用来存储回波信号数据，为64K