科普現(xiàn)場丨基于ARM如何搭建超聲波無損探傷儀
一、 什么是超聲波探傷儀
超聲波探傷儀就是頻率高于20kHz、超出人們耳朵辨別能力并且穿透性很強的聲波。是一種便攜式工業(yè)無損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷(焊縫、裂紋、折疊、疏松、砂眼、氣孔、夾雜等)的檢測、定位、評估和診斷。既可以用于實驗室，也可以用于工程現(xiàn)場。廣泛應(yīng)用在鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、海洋石油、管道、船舶制造、汽車、機械制造、冶金、金屬加工業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)、鐵路交通、核能電力、高校等行業(yè)。
超聲波探傷儀的應(yīng)用有很多，比如用超聲的反射來測量距離，利用大功率超聲的振動來清除附著在鍋爐上面的水垢，利用高能超聲做成 "超聲刀"來消滅、擊碎人體內(nèi)的癌變、結(jié)石等。
二、 超聲波探傷儀 原理
超聲波探傷儀原理：運用超聲波反射原理對于材料中的缺陷進(jìn)行無損偵測,超聲波在被檢測材料中傳播時,材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲檢測。
超聲波探傷儀現(xiàn)在通常是對被測物體（比如工業(yè)材料、人體）發(fā)射超聲，然后利用其反射、多普勒效應(yīng)、透射等來獲取被測物體內(nèi)部的信息并經(jīng)過處理形成圖像。
多普勒效應(yīng)法是利用超聲在遇到運動的物體時發(fā)生的多普勒頻移效應(yīng)來得出該物體的運動方向和速度等特性；
穿透法則是通過分析超聲穿透過被測物體之后的變化而得出物體的內(nèi)部特性的；
在這個過程中就涉及到很多方面的內(nèi)容，包括超聲波的產(chǎn)生、接收、信號轉(zhuǎn)換和處理等。
其中產(chǎn)生超聲波的方法是通過電路產(chǎn)生激勵電信號傳給具有壓電效應(yīng)的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動從而產(chǎn)生超聲波；而接收反射回來的超聲波的時候，這個壓電晶體又會受到反射回來的聲波的壓力而產(chǎn)生電信號并傳送給信號處理電路進(jìn)行一系列的處理，超聲波探傷儀最后形成圖像供人們觀察判斷。
三、顯示分類
根據(jù)圖像處理方法（也就是將得到的信號轉(zhuǎn)換成什么形式的圖像）的種類又可以分為A型顯示、M型顯示、B型顯示、C型顯示、F型顯示等。
其中A型顯示是將接收到的超聲信號處理成波形圖像，根據(jù)波形的形狀可以看出被測物體里面是否有異常和缺陷在那里、有多大等， 主要用于工業(yè)檢測；
M型顯示是將一條經(jīng)過輝度處理的探測信息按時間順序展開形成一維的"空間多點運動時序圖"，適于觀察內(nèi)部處于運動狀態(tài)的物體，如運動的臟器、動脈血管等；
B型顯示是將并排很多條經(jīng)過輝度處理的探測信息組合成的二維的、反映出被測物體內(nèi)部斷層切面的"解剖圖像"（醫(yī)院里使用的B超就是用這種原理做出來的），適于觀察內(nèi)部處于靜態(tài)的物體；
而C型顯示、F型顯示現(xiàn)在用得比較少。
延展： A掃描、B掃描、C掃描有什么區(qū)別
（1）A掃描來源于英文單詞Amplitude，即幅值的意思，也即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。
基于A掃的缺陷判定方式，當(dāng)在一個鋼工件中存在一個缺陷，由于這個缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個界面之后，就會發(fā)生反射,反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。如圖1所示為缺陷的A掃描判定方式。
圖1 A掃描顯示方式
（2）B掃描來源于英文單詞birightness，亮度的意思 ，掃描圖像以二維圖像顯示，屏幕顯示的是與聲速傳播方向平行且與工件的測量表面垂直的剖面。其亮度信息，則是通過計算反射回來的超聲波的強弱來確定。如圖2所示為B掃描顯示方式。
圖2 B掃描顯示方式
（3）C掃描來源于英文Constant depth，意思是恒定的深度，是對某一深度的截面進(jìn)行掃描，是二維平面內(nèi)移動并選取A掃描特定深度的點的信號成像，顯示的是水平截面的缺陷信息。如圖3所示為C掃描顯示方式。
圖3 C掃描顯示方式
上面所有的掃描方式放在一個示意圖中可以表示為圖3的更加形象的方式
圖4 超聲A、B、C掃描顯示方式
ARM后處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示。ARM的高性能的處理能力和較強的內(nèi)存管理技術(shù)能有效完成數(shù)據(jù)的后處理，將探測結(jié)果多種顯示模式直觀的呈現(xiàn)出來。同時它還有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備接口，如網(wǎng)口、USB接口，非常適合便攜式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，大大簡化了硬件的設(shè)計難度。
本方案可通過飛凌FET335xD核心板、FETMX6Q-C核心板、FET6818-C核心板實現(xiàn)。
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