概述

一些基于PC的组件和外部组件组成每个超声波测试系统。 其中的每个组件都有其独特的特性和注意事项。 一些注意事项限于组件本身而其他依赖于系统中各种组件。 本文档描述了系统中每个组件你应该考虑的问题的一些特性,以及这些组件如何一起构建一个定制的,灵活的超声波测试系统。

目录

1. 组装一个超声波测试系统
2. 超声换能器
3. 脉冲发生器/接收器
4. 数字化仪
5. 运动控制
6. 切换
7. 应用软件

1、 组装一个超声波测试系统

超声波测试系统可以采取多种形式,但最常见的自动化测试是浸水测试。 为了实现有效的耦合剂之间的声阻抗匹配和UUT免费范围UUT的整个表面,许多测试系统使用一个浸满水的槽。

这些测试系统使用一个或多个超声波传感器,这是移动的表面被测部件(UUT)。 随着传感器表面移动,它是脉冲和接收回声从各种表面。 这个过程被重复很多次,有时超过50000次每秒(> 50千赫)。 有几个件的测试系统,必须共同努力,得到预期结果。 下面的列表包括的步骤和相应的硬件和软件,需要一个脉搏和随后的回应:
1. 应用软件——用户与应用程序交互软件设置测试和显示参数。
2. 运动控制——超声换能器在UUT的适当的区域移动。
3. 沟通——脉冲发生器/接收机操作参数,如脉冲能量、脉冲阻尼和带通滤波。通常为RS232或USB通信路径。
4. 脉冲发生器/接收器这个装置产生超声换能器所需求的高压脉冲。
5. 超声换能器——脉冲传感器,发送一个超声波。 随后的回声产生一个电压转换器,它发送回脉冲发生器/接收器。
6. 脉冲发生器/接收器——超声波传感器的模拟信号放大和过滤之前送回电脑内的数字化仪。
7. 数字化仪-脉冲发生器的波形发送/接收从电压转换为位使用模拟-数字转换器。
8. 应用软件——数字化仪的数据处理进行了分析,并提出了根据用户定义的参数。
如果你有多个传感器,结合数字化仪、脉冲发生器、接收器的组合,您必须使用开关。
几个硬件和软件组件必须有效地互动甚至最简单的超声波测试系统正常工作。 装配定制超声波测试系统时,有几个因素需要考虑,包括如何彼此交互的组件。 超声换能器部分详细描述了测试系统的每个组件以及超声检测所需的重要特性。

2、 超声换能器

超声波传感器是基于压电陶瓷振动频率在超声波频率的电压时,并生成电压震动。 你可以包各种外壳的压电陶瓷,这取决于你如何使用它们。 例如,超声波传感器用于现场服务通常接触传感器,并经由表面检查。 这些传感器都有特殊的磨损和处理要求,因为他们是如何使用的。
这些传感器执行根据两个主要参数:分辨率和灵敏度。 解决一个特定的传感器是由其分辨能力两个不连续的。 传感器有足够的决议停止响,从第一个不连续或振动,从第二个不连续接收回波。 如果陶瓷没有停止响第二个回波接收之前,第二个回波是蒙面的测试系统。 超声换能器的灵敏度是指传感器检测小断层的能力。 参考块与标准尺寸的缺陷是用来衡量一个特定的传感器的灵敏度。
换能器的频率选择基于所需的灵敏度和渗透深度。 记住,频率越高,灵敏度越好，但渗透深度反之。

非接触超声波传感器——Ultran集团

标准的超声波传感器,由Panametrics-NDT联系

浸入式超声波传感器,Panametrics-NDT标准化

3、 脉冲发生器/接收器

    这些设备提供所需的高压脉冲超声换能器以及信号调节在模拟信号传递到数字化仪。 使用一个自动化的测试系统,计算机可编程脉冲发生器/接收器应该通过标准PC总线RS232或USB等。 设备通常是程序开始时一次测试设置的脉冲电压水平、脉冲重复频率、阻尼、带通滤波的设置,和其他几个参数。这些参数设置后,这些设备都是被动的,不发送任何信息到操作电脑。
    运动控制器、数字转换器和脉冲发生器/接收器必须作为一个紧密的单元测试期间的运营以确保结果的准确性和简洁的测试时间。 脉冲发生器/接收器可以作为系统的主时基，可以作为数字转换器的运动控制器。 在实现运动控制的应用程序时,这通常是系统最慢的一部分,因此,充当主时基。

采用脉冲发生器/接收器- Panametrics-NDT

采用脉冲发生器/接收器- Imaginant

4、 数字化仪

    这部分的测试系统使用一个模拟-数字转换器(ADC)将返回的回波波形超声波换能器转换成数字信息。在选择系统的数字化仪时应考虑以下因素:
· 采样率
· 带宽
· 垂直分辨率
· 触发功能
· 内存
· 总线类型
    对于应用程序来说,它需要形状规整的时域波形。在这些应用中,传感器的谐振频率5 MHz需要50 MS / s准确代表信号的形状。 然而,对于应用程序来说，需要更少的振幅和echo-timing准确性,共振频率是可以接受的四到五倍。
     垂直分辨率建立最低电压电压范围内步长。 16位相当于65536(2 ^ 16)步骤。 当一个16位ADC应用于0 ~ 10 V的电压范围,最低电压步长是0.153 mV(10 V / 65536)。 然而,当一个八位ADC应用于相同的范围,最低电压大小39步mV(10 V / 256)。 在超声波,电压振幅成正比的能量响应由不连续或缺陷组成。 UUT的正面和背面通常反映了大部分能量,而缺陷反映少得多。 能源反映小缺陷,传感器必须被放大的信号或数字转换器必须有高分辨率。 放大的信号来检测一个小缺陷会导致前表面和后表面反射电压波动电压范围以外的数字转换器。 另一方面,使用额外的决议,可以放大小缺陷没有扭曲主要表面反射。 高分辨率也放松放大P / R组件所需的水平。

  数字转换器通常充当时间在一个超声波测试系统,而运动控制器或脉冲发生器/接收器充当主时基。 内部或外部时间的灵活性是超声波测试应用程序所必需的。 可编程延迟触发超声波测试也是一个有用的功能。 在浸泡测试,超声波必须穿过一个重要UUT的水到达之前的距离。 如果这个距离是已知的,可以实现触发延迟最小化不必要的记录和存储的数据量。
    可以简化时间和触发多个设备之间使用总线时,集成测试系统的设计。 PXI利用PCI总线的高速数据传输的时间和触发线。 时间和触发线在PXI否定需要外部布线,从而减少错误和混乱。 这种能力也降低了整体的测试时间,因为所有I / O硬件同步,最大限度地减少浪费时间与软件时机。 了解更多的体系结构和优势PXI。
    因为高频率的超声波测试,你收集的数据量可以是惊人的。 你可以处理这些数据在许多方面都取决于您所使用的计算机总线和数据收集率。 例如,一种总线标准公共汽车可以实际处理80 MB / s(或40 MS / s 16位)连续数据吞吐量的电脑内存。 如果您的应用程序需要一个多40 MS / s采样率,必须考虑机载设备内存或主板信号处理。 数据传输速率必须考虑由于慢速总线上传输数据,如USB 1.0 10 MB / s,可以很容易地两倍或三倍UUT测试所需的时间。
    最有效的方法来改善你的总线性能与现代技术是减少数据流计算机内存使用车载信号处理。 现场可编程门阵列(fpga)是软件可编程硬件,可以使系统设计师重新配置硬件完成定制的结果。 在超声检测中,FPGA编程进行波束形成和聚焦算法,以前上执行主机电脑。 通过完成这些计算在硬件,你不再需要流完整的模拟数据集电脑但只有合成数据从测试算法。 国家仪器为非破坏性创造了一个前端适配器模块,超声波测试,基于PC的FPGA模块。
    使用上面介绍的信息，为您的应用程序选择正确的工具。

5、运动控制

   大多数自动化超声波测试系统使用运动控制收集多个数据点用一个传感器。 例如,获得B -或扫描需要运动的超声波传感器UUT表面创建一个地图。 超声波测试运动控制必须具有一些基本的特征,如伺服和步进控制,multiaxis控制、位置反馈界面,等等。 然而,一些功能可以使超声波测试更快和更有效率。 因为运动控制系统通常充当主触发,触发灵活性是关键,以确保互操作性和效率与您的特定的测试需求。 结合位置、速度和加速度触发,通常被称为断点,需要确保测试是准确和可重复的。 同时,共享运动的能力与其他I / O没有外部电缆断点,PXI,保证所有I / O线同步以可重复的方式。

6、 切换

   超声波的应用程序有一个数字化仪和脉冲发生器/接收机为多个超声波传感器,开关需要正确路由的信号。 这种拓扑是常见的应用程序中使用的传感器阵列来创建图像。 阵列超声波传感器在生物医学和无损检测应用程序常见因为声音能量可以在无需移动传感器阵列的多个方向引导。在速度测试 Multitransducer应用程序也是一个问题。
    在选择开关超声波应用的三个主要因素为额定电压,带宽,并切换拓扑。 常见的开关拓扑结构包括矩阵和多路复用。 大型测试系统通常使用一个矩阵的拓扑连接多个仪器与多个测试点。 在超声波的应用程序中,使用多路复用是更常见的拓扑结构,连接一个数字化仪/脉冲发生器/接收器组合多个传感器。 NI提供多路复用开关,范围从4 x1线256 x1线。
    超声波脉冲发生器/接收器可以创造很高的电压。 如果是这样的话,你的开关设备应该有间隙和爬电必要承受这些瞬态电压。 开关设备也应该适当数量的带宽比摘要建立了阻抗匹配到的超声换能器,应该系统的其余部分。 如果开关没有足够的带宽,脉冲发生器产生的信号从传感器或回声返回。 适当的阻抗匹配,一般50Ω,需要减少反射,信号保持清洁。
   NI提供了一系列的开关以超声波所需的射频带宽和瞬态电压保护的应用程序。

7、 应用软件

    超声波测试应用软件结合了许多类型的I / O,分析算法,并演示技术形成一个软件接口。 应用软件由三个基本部分:采集/控制、分析和展示。 采集/控制是指应用软件和硬件之间的接口,为超声应用程序组装。 大多数的灵活性,随着测试参数的变化,确保各种硬件支持的应用程序软件。
   超声波测试一些必需的分析算法的峰值检测,基于材料特性计算距离,波整流,统计数据,快速傅里叶变换(FFT),平交路口,过滤。 这些算法很简单,而有些密集型计算比较复杂。 计算密集型算法优化应用软件中,尤其是在超声的应用程序,演示图形密集型。 确保应用软件不限制您的应用程序,确保分析图书馆将与您的应用程序需求增长。
     有几种方法可以从TOF表面扫描查看超声波测试数据。 最常见的扫描被称为A -,B -和扫描。 TOF扫描,或扫描,类似于一个示波器上显示,显示电压振幅与深度。 深度计算的速度乘以声音通过介质的飞行时间。

下面的例子中使用的UUT是一个长方体。 形状各异的四个特性被加工成在不同深度这一块。

 在上面的扫描中,第一个回波是材料的前表面，第二个回波是材料的后表面。 使用上面的信息,您可以简单地计算材料的厚度。 如果有一个缺陷在材料,你会看到一个小峰介于前壁和后壁之间。
     想象中的电压峰值来回移动扫描·。 这个运动是由不同厚度引起的UUT的传感器表面移动。 在许多应用程序中,图/表面缺陷的材料,收集数据的运动控制中发挥着关键作用。 把所有的人在一起,结果是一个快扫描图像。 下面的快显示回波峰值随着时间的移动。 沿着UUT B-scans显示深度与线性位置。

看着C-scan类似于通过一个不透明材料的方向超声波。 扫描显示x和y的位置而颜色代表深度。

UUT的图形表示
     无损检测的主要趋势之一,特别是超声波测试,自动化测试。 自动化不仅包括自动化数据收集和展示,也为任何特定的UUT通过/失败的自动化。 设置——通过/失败模板,B -和增加扫描统计精度和消除了大部分常见的主体性在执行无损检测。 其中一个方法你可以使用扫描blob分析。 使用blob分析,可以分析对象在你的图像和对象进行分类根据大小、位置和数量。 这种类型的分析,和很多人一样,是可用的NI视觉构建器自动检查。
    由于超声波测试的各种各样的需求,很难找到交钥匙使用硬件组件的软件,专门的算法,和独特的应用程序需要显示。 替代交钥匙软件应用程序开发软件,或编程。 使用自定义应用程序开发,你可以组装的所有硬件、分析和展示您的应用程序需要的组件。 此外,图形应用程序开发环境,如倪虚拟仪器,让新手程序员创建先进的超声波测试程序容易和迅速。
    虚拟仪器功能连通性成千上万的仪器,无论总线连接或仪器类型。 此外,您可以使用软件包等NI视觉构建器自动检查, NI运动助理,虚拟仪器FPGA模块交互式地配置您的超声波测试,随后生成虚拟仪器代码用于您的自定义应用程序。
    虚拟仪器有几百个分析和数学函数，包括FFT、峰值检测和希尔伯特转换。另外，如果您的应用程序所需要的不仅仅是一个超声波测试部分，虚拟仪器还可以扩展到其他类型的测试和控制。关于虚拟仪器的演讲能力，所有的A,B和上面的C-Scan数据中创建虚拟仪器；然而，他们被称为图形、图表、强度和强度图。虚拟仪器是一个通用的测试盒测量工具，也适用于超声波测试，无论是采集、控制、分析、演示。
下载虚拟仪器超声波Starter Kit。 ——这个starter kit包含示例程序,B -和扫描功能的构建块,包括常见的分析和演示的对象,让你在构建自己的超声应用程序时更有生产力。

有关更多信息,请参见超声波无损检测(NDT)