超聲波檢測是目前工業中無損探傷的主要手段，利用凌華科技公司的PCI-9846數字化儀，設計了多通道的超聲波檢測系統，系統通過計算機進行控制，使用USB接口利用單片機統一進行調度，將反射的超聲波信號經過處理后，利用數字化儀進行變換，并設計了軟件系統進行數據的顯示和分析。試驗結果表明，該系統具有探測精度高、分析功能強、工作穩定可靠等優點，適合廣泛應用于工業自動化檢測領域。

一、概述

在壓力容器安全管理中，定期檢驗是防止壓力容器發生失效事故，特別是預防重大事故發生的必要手段，由于壓力容器在制造、使用上的特點，其機械結構上不可避免的會出現裂紋、空隙氣孔和焊縫缺陷等，對壓力容器進行無損檢測工程上意義重大。超聲波檢測是一種重要的無損檢測技術，由于它的穿透力強、檢測可靠準確又極方便易行，已經廣泛應用于工業及高技術產業中。

在早期的超聲波檢測中，利用模擬信號進行檢測探傷，其結果主要依靠經驗進行分析，存在著一致性差和準確性差等一系列問題。隨著計算機技術、信號處理技術等高新技術的應用，超聲波檢測數字化的研究日趨廣泛，數字化采集和分析已經成為超聲波探傷設備的發展趨勢。一般來說，分辨率是超聲波檢測的重要指標，它直接影響測量的準確度，并且對微小缺陷的發現能力更強，由于材料工藝的提高，壓力容器外殼厚度不斷減少，這就要求超聲波檢測的分辨率進一步提高。超聲波檢測實質上是測量超聲波在材料厚度方向上兩個表面反射波的時間差，通過計算可求出材料的厚度，對微小缺陷和薄壁而言，分辨率的提高主要是要求超聲波檢測有較高的探測頻率，這勢必為后續的信號采樣處理部分帶來較高的要求。因此，根據設計要求和凌華科技公司的PCI-9846多通道高速數字化儀的特點，選用PCI-9846數字化儀為核心，配合相關硬、軟件設計的四通道超聲波檢測系統，具有精度高、分析功能強等優點。

二、系統設計與構成

超聲波檢測系統由計算機、PCI-9846數字化儀、C8051F340單片機、電源、發射電路、程控放大電路組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 超聲波檢測系統框圖

測量過程由計算機發起，通過USB口控制單片機C8051F340，由單片機產生相關的開關信號，經過發射電路產生高壓窄脈沖，激勵發射探頭產生超聲波，接收探頭完成聲電轉換，將其轉換為接收電信號，經過由計算機設定的程控放大器后由PCI-9846數字化儀進行采樣，數字化儀和計算機使用PCI接口進行數據交換，由計算機顯示、分析處理。電源電路和單片機外圍電路包括看門狗、晶體振蕩器、復位電路等。根據設計要求，要求同時有四路探頭進行工作。

2.1 數字化設備的選擇

數字化儀從本質上來說就是一個A/D設備，配備相應的接口和軟件，成為單獨的設備，廣泛應用于信號采集和分析中。對本系統來說，要求其信號采集部分具有以下特點：

同時可以接收4路輸入并進行A/D變換。在本系統中，隨著工件在流水線上的行進，各工序同時完成，需要對4個主要位置同時進行探傷，從實效性上必須要求有4個輸入的數字化設備。

要求具有較高的采樣頻率。超聲波在鋼質品中傳播速度近于空氣的10倍，超聲波脈沖發射后接收端根據兩個反彈回波進行厚度測量。如果是進行探傷，頻率越高則采集后的信號越具有處理價值。根據發射探頭的成熟水平和應用需求，選取超聲波的頻率為5MHz，理論上需要10M的采樣率，但是實踐中要求采樣率30M以上。

具有較大的緩存。A/D變換后的數據要送到計算機進行處理，兩者利用PCI總線交換數據，本系統是4路同時采集的系統，采樣后的數據量很大，大容量的存儲可以降低計算機實時處理的要求。

易于開發使用。作為與計算機通信的設備，應該在軟件上有相應的驅動和多種軟件的支持。

綜合上述因素，從價格、性能等考慮，采用了凌華科技公司的PCI-9846數字化儀，主要原因在于自行設計電路開發周期長、驅動開發困難、成本高等。PCI-9846數字化儀［5］具有四路輸入，滿足輸入端子數的要求;每路都可以達到40MS/s的采樣速率，可以滿足數字化處理的要求;板載了512MB的內存，可以有效緩解設備間接口的異步問題，此外凌華科技公司還提供了Matlab、VC++、.net的開發驅動和開發包，可以讓用戶直接關注應用。