起重运输机械作为生产制造的重要组成部分,在很多领域中得到广泛应用。无论是在工厂车间,还是在车站、码头,人们到处都可以看到其承担着设备、成品、原材料、零部件和配件、加工件等各种物品的装卸、搬运工作,起着至关重要的作用。随着机械技术和电子技术的结合,将先进的微电子技术、自动化技术、人工智能技术、计算机技术,以及新材料、新工艺等现代技术应用到其中,使起重运输机械行业不断向大型化、节能化、智能化和成套化方向发展。与此同时,起重运输机械的可靠性、安全性就显得格外重要,因此无损检测技术就成为起重运输机械正常运行的有利保障,正在受到日益广泛的关注。
无损检测技术是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。应用这种方法的目的不仅是检测产品,更重要的是检测时对产品无破坏和损伤,弥补常规检验方法的不足。超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一,利用超声波与被测物质的相互作用,在不破坏和损伤被检物质的结构和性能的前提下,检测材料、构件或设备存在的内外部缺陷,并能确定缺陷的大小、形状和位置,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。
但是早期超声波检测仅限于模拟量信号的分析,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,人为因素对检测的结果影响较大,波形也不易记录和保存,不适宜完成精确化、自动化检测。然而便携式数字超声探伤仪的研制,不仅能迅速对缺陷进行判断,并且能及时保存探伤参数和缺陷波,可以避免人为因素的干扰,同时客观真实的记录探伤结果,实现了高效、准确的检测,为起重运输机械安全作业奠定坚实的基础。
1超声波探伤原理
超声波探伤的方法很多,按其原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。本系统采用脉冲反射法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内,根据反射波的情况检测试件缺陷的方法。机械振动和波动是超声探伤的物理基础,主要是应用反射、折射定律等几何声学知识,以及叠加、干涉等物理声学知识。
1·1超声波垂直入射到单一平界面时的反射与透射
界面上反射波声强Ir与入射波声强Io之比,称为声强反射率,用R表示。
式中Po———入射波的声压
Pr———反射波的声压
Pt———透射波的声压
r———界面的声压反射率
Z1———第1种介质的声阻抗
Z2———第2种介质的声阻抗
1·2超声波发射声场与规则反射体的回波声压
超声波探头(波源)发射的超声场,具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时,才有可能被发现。实际探伤中常用反射法,超声波探伤中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等,由于受篇幅限制,此处只分析平底孔回波声压。
式中P
———平底孔回波声压
Po———晶片起始声压
F———晶片的面积
F
———平底孔的面积
———平底孔直径
λ———波长
x———平底孔至波源的距离
2超声探伤系统
所设计的超声探伤系统可以分为2个主要部分:上位机系统和便携机系统,上位机和便携系统之间通过标准的串行口接口进行通信。上位机系统可以接收实时的探伤数据或者周期性的集中数据,通过探伤数据管理系统对探伤数据进行后期的分析、管理和打印。便携系统主要是基于PC/104系统,由扫描机构、超声发射以及对回波信号进行高速采集和处理,并对探伤结果进行显示、分析、存储和其他一些探伤要求的设置组成。系统结构框图如图1。
2·1便携式超探仪的硬件设计
2·1·1PC/104结构
PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线标准,被IEEE协会定义为IEEE-P996·1,其实质是一种紧凑型、小型化的IEEE-P996。其型号定义和PC/AT基本一致,是一种优化的小型堆栈式结构的嵌入式工业控制总线标准。采用PC/104系统的独立模块堆栈方式,模块是被用作全兼容的总线底板,但是不需要背板或插槽叠成,从而只用极小的空间就可实现几乎完整计算机系统。突出优点之一就是体积小,适用于紧凑的便携式设备之中。而且它可以使用普通的CPU,既降低了成本又提供了强大的计算能力。
2·1·2超声检测部分
整个硬件系统的结构设计分为2部分:第一部分为模拟设计,包括超声波发射电路、限幅电路、高频放大电路、带通滤波电路、以及阻抗转换及回波选择电路。数字电路部分主要完成逻辑控制功能及A/D转换电路和接口电路。在系统CPU的控制下,由探头发射超声脉冲,并由探头接收超声回波信号,经过限幅、高频放大、带通滤波、检波后送至采样电路进行A/D转换,结果放入高速RAM缓冲区, CPU读取高速RAM缓冲区结果,经过处理后存储、屏显、打印。同时可以通过与上位(PC机)进行通讯,实现波形、图表、文件的传输。
探伤仪硬件构成框图如图2。
由于系统中采用了PC/104模块,大容量的硬盘空间可存储多组仪器的参数设置、2 000幅以上波形及数据,同时显示和键盘也由PC/104控制,这样就节省了大量的程序空间。与以前仪器比较,可以将原来的FLASH、程序存储以及显示、键盘接口部分全部省略,预留口可为以后的功能扩展和性能完善做准备。
2·2便携式超探仪的软件设计
在数字式探伤系统中,软件的设计占有重要的地位。软件设计部分有以下几个任务,一是设计友好的人机界面,可以使操作者根据探伤要求方便地输入参数和输出(显示、打印)探伤结果;二是设计合理的数据分析处理程序,保证探伤的可靠性,这里指较好的应用程序;三是仪器的驱动程序的编写。系统软件设计方案如图3。
采用C语言编写下位机仪器软件,用VB高级语言在上位机编写超声探伤数据传输和文件管理系统。仪器软件采用模块化设计,由主程序、图形界面显示子程序、参数输入子程序、硬件子程序、数据存储/读取子程序、打印子程序、串行口通讯子程序等几部分组成。仪器软件系统由工作主界面、仪器参数设置模块、探头参数设置模块、闸门设置模块、距离幅度模块、特殊功能模块、记录操作模块7大部分组成,仪器软件功能模块图见图4。
上位机数据传输和文件管理系统主要由串行口数据接收和文件管理2部分组成。目前常用的计算机通信标准很多,如USB、IEEE1394、RS-232标准、RS-485标准。串行通信端口(RS-232)是计算机上的标准配置,在近距离、小数据的传输中使用方便、成本低廉,起着不可替代的作用。考虑到数据传输量不大,系统实时性要求不高,因此设计中仪器与上位机数据交换采用RS-232标准,接口电路采用芯片MAX232实现。仪器向计算机发送数据传输请求,数据通过RS-232实现向计算机传输探伤数据。上位机串行通信的功能在VB中通过设置MSComm控件实现,程序相对简洁容易实现。数据传送结束,文件管理系统根据内部自定义协议将数据自动按探测日期排序依次保存为探伤文件,并且能够生成标准Excel表格,便于日后进行数据显示、分析、打印。软件系统结构图如图5。
3结束语
该产品已于2005年上半年成功地在铁路、轨道运输系统及起重运输领域投入使用。事实表明,在复杂多变的作业环境中,采用精度高、速度快、微型化的PC/104为核心,可大大提高CPU的运算速度及植入操作系统和抗干扰能力,通过长时间的使用,数字超声探伤仪的实时性、稳定性和准确性都表现良好,在起重运输设备的相关行业应用广泛并发挥重要作用,成为安全作业和运行的有力保障。
