基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计.doc

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基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计

目 录
摘要
Abstract
第1章 绪论 1
第2章 企业文化的内涵 5
2.1 文化和企业的定义 5
2.1.1 企业组织的法律形态 5
第3章 企业文化对组织创新的影响 6
3.1 组织创新的内容 7
3.2 企业文化对组织创新的影响 8
3.2.1 影响组织结构创新 9
3.2.2 影响组织流程创新 10
3.2.3 组织制度创新 11
第三章 结论 12
致谢 12
参考文献 13
附录 13

基于单片机和虚拟仪器技术的超声波探伤仪的设计
摘要
本文利用单片机技术和LabvIEW技术实现超声波探伤仪的设计，本系统主要包括基于单片机的超声波探伤仪的硬件设计和软件设计以及基于LabVIEW的上位机的设计。本文所设计的超声波探伤仪的下位机以单片机为控制核心，并搭载超声波采集和发生信号电路，通过串口传输到上位机上，上位机以LabVIEW为软件平台，开发了超声波探伤仪的上位机程序。

关键词：超声波；单片机；LabVIEW；探伤仪
英文论文题目
Abstract
In this paper, the use of chip technology and LabvIEW technology ultrasonic flaw detector design, the system includes LabVIEW design and software design and PC-based design of microcontroller-based ultrasonic flaw detector hardware. This article is designed ultrasonic flaw of the next crew to the microcontroller core, and equipped with an ultrasonic signal acquisition and generation circuits, serial transmission to the host computer, the PC with LabVIEW software platform developed ultrasonic flaw detector PC program.

Key Words: Ultrasound,SCM, LabVIEW, flaw

第1章 绪论
2.1 研究背景
随着社会的发展、科技的进步以及现代检测水平的逐步提高，各种方便于检测的系统开始进入了工业检测。随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。
由于超声波无损探伤设备在不同的应用场合，其对探头的要求不同，对接收的回波信号的处理算法也不同，因此某一类的无损探伤设备，通常只能适应于一种或几种应用场合。为使超声波探伤设备具有更好的应用范围、更高的处理算法和更快的更新周期，可采用虚拟式超声波无损探伤设备。虚拟超声探伤系统是利用计算机显示器的功能来模拟传统探伤仪的控制面板，以多种形式输出检测结果，利用软件功能来实现数字信号的运算、分析和处理。利用输入输出(I/O)接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的超声无损探伤系统。该系统是虚拟仪器技术与传统超声探伤系统相结合的产物。在设计虚拟数字超声系统时，结合传统超声探伤系统中模拟通道的设计，因为任何一个超声探伤系统都必须包括超声波的发射电路、接收电路和信号调理电路才能进一步进行后续的处理工作，这些电路的设计将直接影响到整个超声探伤系统工作的可靠性和测试精度。
2.2 研究意义
在无损检测过程中不但要完成是否存在缺陷的判断，而且要实现一些工艺参数的测量，进而对被检测的材料或工件进行性能的评估。对于超声检测而言，其应用中的硬件电路具有很大的相似性，因而如何灵活、准确的从通过介质的超声波中提取包含被检测物体特征的信号成为关键，它对系统的数字信号处理能力和灵活性提出了很高的要求。数字化的超声检测仪采用了单片机或者DSP作为数据处理单元，可以实现一定的数据处理能力，但其硬件或固化的软件的开发形式缺乏灵活性，不利于用户二次开发升级。随着科学技术的不断进步，虚拟仪器应运而生并得到了广泛的应用，利用虚拟技术可以充分发挥计算机的处理和分析的功能，把数据采集和发送放在单片机内进行，数据的处理和分析放在计算机内进行，分工明确同步进行，可以加快开发周期，降低设计风险和成本。
2.3 超声波检测技术的发展现状
高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。
我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。
五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。
五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。
1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便携式超声仪。
1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。
超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。
八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。
目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。
随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。
目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。
2.4 研究内容和论文安排
本论文主要研究基于单片机和虚拟仪器技术的超声波探伤仪的设计和应用。主要介绍超声波探伤仪的原理、结构组成、单片机的硬件设计和软件设计以及LabVIEW的上位机设计。
第一章 绪论 主要介绍了超声波探伤仪的发展状况，以及目前的现状和前景。
第二章超声波探伤仪的系统结构 主要介绍了超声波探伤仪的原理方法、系统结构、系统实现和开发环境等
第三章 基于单片机的探伤仪的设计 主要介绍系统各组成单元方案设计(包括发射接收电路设计报警电路设计、晶振电路设计、复位电路设计等)。并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。
第四章 基于LabVIEW的探伤仪的上位机设计 主要介绍LabVIEW的上位机的组成和各个模块的详细功能。
第五章 结论 对本设计进行详细地总结。
第2章 超声波探伤仪的系统结构
2.1 超声波探伤的原理和方法
超声波在被检材料（金属、非金属）中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探测其内部各种缺陷（如裂纹、气泡、夹杂物等）的大小，形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门，已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声探伤按其方法和目的可分为如下诸种：
一、脉冲反射法
把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波，这种探伤方法称为脉冲反射法。它是超声探伤中最基本的方法。在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法；根据探头个数和作用可分为单探头法和双探头法；根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。
二、穿透法
利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法称为穿透法。穿透法有连续波穿透法，脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件；由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料；探伤图形直观，只要定好检查标准就可以进行作业；易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探测灵敏度一般比反射法低，难以检查较小缺陷。
三、共振法
把频率连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中的分层和进行材质判定。
四、声阻法
声阻法是利用被测物件的振动特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测的一种无损检测法。它多用于检测物体表面的成层情况，例如用来检查基体材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作频率范围一般都较低（如几千赫兹）。用这种方法工作时，把探头和被测件直接接触，使被测件和探头结合在一起构成一个共振体，探头一方面是振动源，同时也是检测部件，当被测件的有效厚度不同时（例如，若膜片未粘上，则有效厚度仅为膜片的厚度，若已完好的粘接上，则有效厚度包括膜片和基体材料的厚度），该共振体频率特性就不同，从而可根据其频率特性来判定膜片在某个小区域的粘接情况。
2.2 系统结构
虚拟超声探伤系统的总体结构如图3.1所示。该系统以AT89C52单片机为核心控制器件，主要由主机控制、发射电路、信号调理电路、探头、上位机显示等部分组成。数据采集由AT89C82单片机结合LabVIEW串口通讯函数完成,然后结LabVIEW应用软件进行探伤系统的面板设计和部分功能的设计，对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。
2.3 LabVIEW开发环境
2.3.1 LabVIEW简介
LabVIEW是美国国家仪器（National Instruments，NI）公司开发的一种图形化编程语言（通常称为G语言），它的全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，即实验室虚拟仪器集成环境。LabVIEW并不像一般传统的文本编程语言，它基本上不用写程序代码，而是用图标、连线构成程序框图，类似于一个搭积木的过程。这种易于识别的LabVIEW图形符号，使得使用者不必像学习其他语言一样，花费过多的时间去了解编程语法等基础知识，因而即使只有很少编程经验的人也能很快学会LabVIEW的基本操作。
LabVIEW中术语、图标和概念都是工程师们所熟知的，因此被工程师看作为标准的工业开发环境。它不仅具有图形化编程方式专有的灵活性和直观性，它还专门为测试、测量与自动化控制应用设计进行了方便的配置，因此被广泛应用于数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等等领域。
LabVIEW和虚拟仪器有着紧密的联系，虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统的仪器技术不同，虚拟仪器技术是指在包含数据采集设备的通用的计算机平台上，根据需求可以高效率的构建形形色色的测量系统。在LabVIEW中开发的程序也被称为虚拟仪器，所有的虚拟仪器都包括了前面板和程序框图两部分。
LabVIEW代码直观，简单易用，但在功能完整性和应用灵活性上不亚于任何一种高级语言。它同样定义了数据类型、结构类型和模块调用规则等一般编程语言的基本要素，使用者完全可以用它来设计专业的、功能强大的程序。LabVIEW不仅提供了遵从GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCP\IP、ActivX等软件标准的库函数。利用它结合NI公司的其他硬件，用户可以很方便地建立自己的虚拟仪器。LabVIEW软件可以广泛应用于各种台式、移动、工业级计算机和嵌入式系统中，以其强大的图形化编程界面为工程师和科学家提供直观的编程语言。虚拟仪器可以应用了多种领域，是因为他可以与多种物理控制和采集单元连接，于此同时虚拟仪器必须应用到计算机的控制，用于虚拟仪器的软件也是虚拟仪器设计的关键。LabVIEW是面向设计、控制与测试的LabVIEW图形化开发平台，被广泛应用于嵌入式设计与原型构造、工业监控、自动化测试测量、滤波器设计/DSP、高级控制、HMI/SCADA、数据记录与NVH通信测试系统、原型构造、工业控制（PID）机器视觉与运动等领域。LabVIEW可以在计算机/硬件终端使用例如台式机、工控机、移动设备和嵌入式设备。
2.3.2 LabVIEW特点
LabVIEW平台的特点可归结为以下几个方面：
基于图形化的编程方式，其编程十分简洁方便，是真正的工程师的语言；
提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数；
提供传统的程序调试手段，如单步执行、设置断点，同时提供设置探针、显示数据流动画等独具特色的调试方法；
继承传统编程语言结构化和模块化的优点，这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的；
囊括了PCI, GPIB, PXI, VXI, RS232/485, USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器；
提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等；
具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测量仪器的开发。
第3章 基于单片机的超声波探伤仪的设计
3.1 AT89C52单片机
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。EA端接+5v电源选中内部存储器。
单片机单元电路连接图如图3.2所示：

图3.2 单片机单元电路
3.1.1时钟电路
计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作。单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。因此选择了内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图3.2所示，外接晶振时，C17和C16值通常选择为30PF左右。C17，C16对频率有微调作用。晶体的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
3.1.2 复位电路
由图3.2可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与电源接通。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。
3.2发射电路
超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分，对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。调谐式电路中有调谐线圈，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。非调谐式电路发射一尖峰脉冲，脉冲的频带较宽，可以适应不同频带范围的探头，此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。本设计采用非调谐式发射电路。
发射电路在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高压脉冲信号。图3-2为其原理图。图3.3中输入端为超声波发射的控制信号，由主机单元产生，是宽度为500 n s、重复频率为200 Hz 的脉冲信号。经三极管Q1、Q2、Q3 驱动后送到Q4 的控制极，该设计选用双向晶闸管BTl36 -600，该晶闸管具有600 V的反向峰值电压和4 A的额定平均电流。Q 4 漏极经R6 接高压。在常用的超声检测系统中，Vch电压在数十伏至几百伏的范围内，为充分激发探头的压电性能，本设计中采用600v高压直流电源。当Q 4 截止时, 电容器C4在600V电源的作用下, 经R6充电到600V；当Q4导通时, C4经Q4，R7放电, 在R8上产生激励探头的高压。可变电阻R8为10kΩ决定了电路的阻尼情况，可以通过改变R8的阻值来改变发射的强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器的分辨力低，适合探测厚度大，对分辨率力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。

图3.3 发射电路
3.3信号调理电路
3.3.1 限幅单元
当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。而由于探头是收发一体的，发射信号很强，它同时作用于接收电路，而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅，限幅电路如图3.4所示。图中电阻R9相对于发射电路中的可调电阻R8要足够大，选取阻值50KΩ，用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。选用具有较大正向电流的二极管(如2K61701)D2和D3构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在士0.7 V左右，可以达到该电路的预期效果。

图3.4 超声波限幅电路
3.3.2衰减放大电路
限幅之后，便是放大电路，为了能够测量幅度的变化值，在回波信号进入放大器之前，先经过已校准的衰减器，以便于对信号幅度定量调节，以适应不同的信号范围。该设计选AD(ANALOG DEVICES)公司推出的压控增益放大器AD603进行程控增益放大电路模块的设计。AD603具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点，其高达50 MΩ的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。AD603程控增益原理图如图3.5所示，其管脚说明如表3-1所示。

表3-1 AD603管脚说明
AD603提供精确的、可由管脚选择的增益，且其增益线性可变，而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，增益变化范围40 dB，增益控制转换比例25 mV/dB，相应速度为40 dB，变化范围所需时间小于1μs。如图3.5所示，AD603内部包含一个七级R一2R梯形网络组成0~ -40dB的可变衰减器和一个固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。AD603的这种可变增益功能是其他运算放大器所不能比拟的。

图3.5 AD603增益控制原理
超声回波信号由VINP进入衰减器衰减后，再通过定增益放大器放大。衰减器的增益控制由控制电压VG完成，VG是差动输入的增益控制电压，即GPOS与GNEG之差，范围是-0.5～+0.5 V。定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。
(1)当 AD603 输出端VOUT与反馈端FDBK短接时，Gain(dB)=40VG+10；此时增益范围为-10～+30 dB，带宽为90 MHz。
(2)当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK接上反馈电阻时，Gain(dB)=40VG+20；此时增益范围为0～+40 dB，带宽为30 MHz。
（3)当反馈端FDBK接地时，Gain(dB)=40VG+30；此时增益范围为10～50 dB，带宽为9 MHz。
  由此可见，AD603的增益控制是相当灵活的。在实际的使用过程中，可以将多片AD603串联来实现更大的放大和动态范围控制。本设计使用了两片AD603串联使用作为自动增益放大。缓冲放大器如图3.6所示：

图3.6 缓冲放大电路（两级串联）
如图3.6所示，在设计中将输出端VOUT和反馈端FDBK之间用电位器R13连接，可以灵活地选择增益范围。通过调节电位器R14，可以调整GPOS与GNEG间的电压在0～0.5 V之间，如果将电位器R13的阻值调至0，则使得放大器的增益变化范围是10～30 dB。
3.3.3缓冲检波电路
AD810是低功耗、视频运算放大器, 具有高速度( 转换速率为1 kV/µs)、宽频带(80MHz, 3dB, G=1) 、失真小( 微分增益误差0.02% , 微分相位误差0.04°)、低噪声(输入噪声2.9nV/()) 等特点, 是超声波缓冲放大器的理想选择。美国TI公司的LH033也是缓冲器, 其输入阻抗达 , 宽频带(DC～100MHz ) , 输出电阻为6Ω, 转换速率高(1 kV/µs) , 而且跟随范围大。
缓冲检波电路如图3.7所示。检波前的缓冲由AD810构成,它是一个同相放大器, 其高输入阻抗(100MΩ)保证了AD603 的衰减精度。检波后的缓冲由LH033 和AD810 两部分组成。AD810是一个同相放大器,其输入除了接收LH033 的输出外, 还有一个由-5V电源产生的直流偏移电压, 其作用是调节噪声对显示基线的影响
图3.7 缓冲检波电路
用AD8036 作为全波整流。AD8036 本来是一个前位放大器， 具有卓越的前位性能， 表现在: 精度高(3 mV ) , 恢复时间短(1.5 ns) ，非线性范围小，宽频带(DC～ 240MHz) ，钳位输入范围宽(±3.9 V)。AD8036 作为增益为1 的反相放大器, 输入送到反相输入端 ， 同时也送到低电平钳位端VL ，高电平钳位端悬空, 不起作用。它能工作到20MHz, 由于AD8036不像二极管检波那样从正向偏置迅速切换到反向偏置, 它的非线性失真比二极管检波要显著减小，尤其是高频段。在输入信号只有40 mV 时,AD8036仍能线性检波。
3.3.4 A/D转换电路
ADC0809是一种8位逐次逼近式的A/D转换器 。其由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作，START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器，把转换后的结果送到DB．AT89C52与ADC0809的连接如图3.8所
图 3.8 ADC0809与AT89C52的接口电路图
工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中；此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器；START上升沿将逐次逼近寄存器复位；下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，结果数据已存入锁存器。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
ADC0809的时钟由单片机提供，经由ALE取得，如果信号频率过高，可采用分频电路进行分频。同时，ADC0809有3种工作方式：查询方式、中断方式和等待方式。不同的工作方式采用的硬件电路也有所区别，这里采用最简单的等待方式来实现A/D转换。
3.3.5串行传输电路
测量仪采用了常用的RS232以及MAX232芯片来实现串行传输，其与单片机的接口电路如图3.9所示：

图3.9 串口传输电路
3.4 600V电源电路

此600V电源加在发射电路中的Vch端。在常用的超声检测系统中，VH电压在数十伏至几百伏的范围内。为充分激发探头的压电性能，采用了600 V的高压直流电源模块。高电压升压电源电路:交流220V转直流600V电源电路如图3-10 所示：

图3.10 交流220v转600v直流电源
规格：
输入电压= 220V±10% 50/60Hz
输出电压= 0-600Vdc 0.25A
开关频率：70-100kHz
电压检测电压等级限制FAN7554数据是1.5V。
3.5 5V电源电路、
3.5.1 +5V电源产生电路
此+5v电源为硬件电路图中的各种器件提供电源电压，如图3-11所示，为+5v电源产生电路：

图3.11 5v电源产生电路
规格：
输入电压= 220V±10% 50/60Hz
输出电压= 0-5600Vdc 0.25A
开关频率：70-100kHz
3.5.2 -5V电源产生电路
此-5v电源产生的直流偏移电压加在缓冲检波电路中， 其作用是调节噪声对显示基线的影响。如图3-12所示，为-5v电源产生电路：

图3.12 -5v电源产生电路
3.6 系统的软件设计
基于单片机的超声波探测的软件设计主要包括系统初始化、超声波发出信号、超声波采集、A/D转换、信号处理、串口通信。基于单片机的超声波探测仪的系统流程图如图所示。经过以上软件的处理就能把基于单片机的超声波探测仪采集到的探伤信号通过串口传送到计算机中，利用计算机中的探伤处理软件获取探伤信息。

第4章 LabVIEW上位机设计
4．1程序结构
超声波探伤系统是基于LabVIEW编写，主要实现超声波数据的采集、处理、分析、显示和存储。超声波信号通过基于单片机的超声波探伤系统，通过串口传输到计算机中。在计算机中利用LabVIEW实现超声波探伤的检测。在本系统中为了增加软件的操作权限，本设计还增加了用户登录功能，只有相应权限的操作者使用相应的密码才能登录系统，对系统进行操作。整个系统主要包括系统初始化、用户登录、串口通信、信号显示、信号比较、探伤显示和信号保存，整个系统的流程如图8所示。

图 8 流程图
4．2程序界面
超声波探伤系统的界面如图9所示，可见利用LabVIEW开发的系统界面具有良好的人机交互界面，非常美观。以用LabVIEW创建超声波探伤系统没有使用一个代码，所有的控件都是通过拖动的形式进行创建的，这样既能简单方便的创建人机交互界面，又能降低难度。从图9中可以直观的看出界面主要分为信号显示区、报警区、数据保存区和系统操作界面区。每一区都具有自己响应的功能，不同区的作用在下面进行详细的介绍。

图 9 系统界面
信号显示区如图10所示，主要是实现超声波波形的显示曲线，此外在界面还有波形的实时显示控件，显示实时振幅。这些数据的采集和显示，都只是通过控件对应的面板的变量实现的，并没有通过一句代码，所有的数据操作都是通过连线的方式进行的。

图 10系统显示
探伤线束区如图11所示，主要包括探伤位置的显示和伤痕幅度的显示。

图11系统报警
数据保存区如图12所示，主要包括保存路径和保存确定按钮，在确定要保存数据时确定需要保存的路径，点击保存按钮系统就会把采集到的数据自动保存在txt文档中。

图12 系统保存
系统操作区如图13所示，主要包括登录和系统退出按钮，系统登录时需要选择用户名和输入密码，只有两者正确才能进入界面。
图13 系统操作
4．5系统软件
超声波探伤系统的系统软件如图14所示，LabVIEW是图形化的语言，他把代码转化为图形化的控件函数，可以明了直观的为编程人员提高编程环境。利用LabVIEW进行系统的编程，可以简单直观地在程序面板中添加系统需要的函数，这样可以轻松地创建程序结构。超声波探伤系统的程序后面板部分就是实现用户界面中系统设置、信号显示系统和系统按键的操作的控制。为了实现各个按键的控制，超声波探伤系统的按键控制部分采用了事件结构。
 LabVIEW的事件结构在一定程度上提高了CPU的效率，但是事件结构具有三大黄金法则，时间结构必须放在循环结构中，事件结构外的循环必须有单独的结束操作，事件结构内不能放置循环结构。但是本系统具有数据采集功能，而数据的采集必须放置在循环结构中。为了发挥事件结构的优点和避免在事件结构中放置循环结构，本论文设计的电化学测控系统采用了基于事件结构的生产者消费者循环结构，系统的软件框图如图14所示。这样既保留了使用事件结构的优点，也能够使用循环结构采集数据。

14 软件框图
从图中可以看出基于LabVIEW设计的超声波探伤系统的程序框图是图形话的编程语言，它主要包括事件的捕捉和事件的处理。在此程序中主要是响应登陆按钮的事件，当登陆按钮按下时，系统就会在事件结构中捕捉到按钮的按下。当登陆安妮按下时，登陆对话框就会弹出，此时需要在登陆对话框中选择登陆名和密码，若选择的用户名与系统设置的密码对应起来系统就会登陆成功，系统登陆后就会通过基于消费者生产者循环的结构发出登陆的消息，消息经过系统的判断就会如系统的数据的采集、处理、分析、操作和数据的显示以及数据的保存。
结论
本本文利用单片机技术和LabvIEW技术实现超声波探伤仪的设计，本系统主要包括基于单片机的超声波探伤仪的硬件设计和软件设计以及基于LabVIEW的上位机的设计。本文所设计的超声波探伤仪的下位机以单片机为控制核心，并搭载超声波采集和发生信号电路，通过串口传输到上位机上，上位机以LabVIEW为软件平台，开发了超声波探伤仪的上位机程序。
致谢
本论文是在XXX老师的
参考文献
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