科普現(xiàn)場(chǎng)丨基于ARM如何搭建超聲波無(wú)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(qiáng)的聲波。是一種便攜式工業(yè)無(wú)損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無(wú)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(cè)、定位、評(píng)估和診斷。既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于工程現(xiàn)場(chǎng)。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(chē)、機(jī)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(lái)測(cè)量距離，利用大功率超聲的振動(dòng)來(lái)清除附著在鍋爐上面的水垢，利用高能超聲做成 "超聲刀"來(lái)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(yùn)用超聲波反射原理對(duì)于材料中的缺陷進(jìn)行無(wú)損偵測(cè),超聲波在被檢測(cè)材料中傳播時(shí),材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過(guò)對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測(cè)了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱(chēng)為超聲檢測(cè)。
超聲波探傷儀現(xiàn)在通常是對(duì)被測(cè)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(lái)獲取被測(cè)物體內(nèi)部的信息并經(jīng)過(guò)處理形成圖像。
多普勒效應(yīng)法是利用超聲在遇到運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)發(fā)生的多普勒頻移效應(yīng)來(lái)得出該物體的運(yùn)動(dòng)方向和速度等特性；
穿透法則是通過(guò)分析超聲穿透過(guò)被測(cè)物體之后的變化而得出物體的內(nèi)部特性的；
在這個(gè)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換和處理等。
其中產(chǎn)生超聲波的方法是通過(guò)電路產(chǎn)生激勵(lì)電信號(hào)傳給具有壓電效應(yīng)的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲波；而接收反射回來(lái)的超聲波的時(shí)候，這個(gè)壓電晶體又會(huì)受到反射回來(lái)的聲波的壓力而產(chǎn)生電信號(hào)并傳送給信號(hào)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(lèi)
根據(jù)圖像處理方法（也就是將得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成什么形式的圖像）的種類(lèi)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(hào)處理成波形圖像，根據(jù)波形的形狀可以看出被測(cè)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(cè)；
M型顯示是將一條經(jīng)過(guò)輝度處理的探測(cè)信息按時(shí)間順序展開(kāi)形成一維的"空間多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖"，適于觀察內(nèi)部處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體，如運(yùn)動(dòng)的臟器、動(dòng)脈血管等；
B型顯示是將并排很多條經(jīng)過(guò)輝度處理的探測(cè)信息組合成的二維的、反映出被測(cè)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(lái)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(lái)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(cè)材料中的傳播時(shí)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(gè)鋼工件中存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個(gè)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(gè)界面之后，就會(huì)發(fā)生反射,反射回來(lái)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(huì)顯示出來(lái)一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷在被檢測(cè)材料中的深度。這個(gè)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(lái)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(cè)量表面垂直的剖面。其亮度信息，則是通過(guò)計(jì)算反射回來(lái)的超聲波的強(qiáng)弱來(lái)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(lái)源于英文Constant depth，意思是恒定的深度，是對(duì)某一深度的截面進(jìn)行掃描，是二維平面內(nèi)移動(dòng)并選取A掃描特定深度的點(diǎn)的信號(hào)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(gè)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(qiáng)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(cè)結(jié)果多種顯示模式直觀的呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)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(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)難度。
本方案可通過(guò)飛凌FET335xD核心板、FETMX6Q-C核心板、FET6818-C核心板實(shí)現(xiàn)。
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