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超声波腐蚀监控系统技术研究报告.doc

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  • 卖家[上传人]:mg****2
  • 文档编号:207631150
  • 上传时间:2021-11-04
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    • .超声波腐蚀监控系统技术研究研究目标、研究容与考核指标一、研究目标超声波腐蚀监控系统是通过超声技术对船体的腐蚀情况进展监控,技术手段是通过超声发射电路发射超声波,然后通过接收电路以及数据采集电路对超声回波进展接收,根据处理后的超声数据计算船体的厚度变化,从而到达对船体的监控效果二、研究容1、腐蚀监控系统的检测方法研究腐蚀监控系统在实际的生产中具有较高的实际意义,因此针对腐蚀监控系统,具有不同的实际实现方法其中包括厚度变化检测法、探针检测法、电化学检测法以及 PH 浓度检测法等 2、超声波的实际检测原理研究超声波检测的过程是,通过特定频率的激发脉冲对超声探头进展激发,从而在超声探头中产生固定频率的超声波,通过实际的耦合剂,超声波会在介质中进展传播,耦合剂的选择对系统的性能具有一定的影响性,如果耦合剂的效果较好,那么超声波的大局部能量会在介质中进展传播,如果耦合剂的效果不佳,那么在第一次超声波传输的过程中,会有能量的衰减,这种能量的衰减会对超声系统产生一定的影响。

      在介质中传播的超声波,如果遇到介质中有缺陷,那么会产生反射的现象,反射的波形会被接收端的接收器进展接收,接收器对超声回波进展处理,同时对数据进展转化和分析,从而判断出实际的缺陷的情况超声波腐蚀检测的过程即是对超声回波信息进展实时地分析,从而通过超声回波的实际信息对管道腐蚀情况进展检测通过超声波的幅度信息可以判断出腐蚀的具体情况,通过回波之间的时间间隔信息可以判断出腐蚀的具体位置和腐蚀的具体大小在实际的检测系统中,控制单元会实时地对超声的回波数据进展处理和分析,从而使得系统可以对腐蚀的实际情况进展监控,同时超声波腐蚀监控系统常配有显示单元,可以对检测的实际结果进展显示,及时地通知工作人员进展合理的操作超声波回波数据还需要进展定期的保存,从而方便用户对系统的合理监控,同时对未知的腐蚀情况进展推测3、高速数据采集技术研究为了对超声回波信号进展实时地接收,系统需要设计数据采集电路,数据采集电路的主要作用是对检波后的超声回波进展接收,从而对数据进展处理,通过接收到的超声数据,可以实时监控船体的实际腐蚀情况,从而完成对船体的腐蚀监控效果三、拟采取的研究方向及途径1、研究方案系统总体方案系统的核心控制器选用单片机,单片机的主要特点是控制能力较强,同时性价比拟高,具有较好的实用价值。

      同时,单片机的硬件设计简单,程序移植性强,在实际的工业场合具有较好的应用价值通过单片机作为超声腐蚀监控系统的核心控制器,单片机的主要作用是对整个系统进展控制以及对数据进展采集和显示根据实际应用场合,单片机根据一定的时间间隔,向驱动电路发送脉冲信号,脉冲信号的主要作用是通过发射电路,转换成高压脉冲信号,从而控制超声探头产生超声波驱动电路要求具有较高的驱动能力,同时驱动电路中驱动芯片的选取需要考虑芯片具有较小的上升时间、下降时间以及延迟时间,驱动芯片性能的优劣将直接影响后续的发射电路的发射强度驱动电路通常选用集成驱动芯片,通过集成驱动芯片,可以减少电路板的面积,同时集成驱动芯片具有较好的驱动效果,对整机性能的提高具有较为突出的效果通过驱动电路之后的脉冲信号,具有较好的驱动能力,可以直接控制发射电路产生高压负脉冲信号,高压负脉冲信号经过超声波探头,可以产生超声波信号,从而完成超声波发射的过程在超声波发射电路中,需要配有高压电路,超声波电路中的高压可以通过集成模块获得,也可以通过电路的形式获得,实际的应用过程中,集成高压模块性能较高,但是价格较贵,同时体积较大,不利于对电路板的设计,另外也不满足便携式仪器的设计要求,因此在本方案中,通过电路的设计产生超声波发射电路中所需要的高压,通过电路的设计,可以将系统的供电电压转化为所需要的高压信号,同时,减小了电路板的设计面积,有利于便携式超声波监控系统的设计,根据器件的实际参数,高压电路可以满足超声波腐蚀监控系统的实际要求。

      接收电路局部主要是对超声回波信号进展接收和处理,由于系统设计的时候,选用收发为一体式超声波探头,因此,为了防止发射电路中的高压脉冲对接收电路产生干扰和破坏,实际设计的过程中,需要在接收电路的前端设计限幅电路,从而对接收电路进展保护,限幅电路设计的过程中,需要考虑实际的限幅数值大小,如果设计的限幅数值过大,高压脉冲会对后续的接收电路产生影响,如果实际设计的限幅数值较小,那么将无法完整接收超声回波信号,从而使得超声接电路的性能不完善,实际的电路设计中,通过仿真手段,最终确定限幅电路的主要参数放大电路的主要作用是对超声回波信号进展放大,由于超声回波信号的幅度较小,因此无法对超声回波信号进展数据采集和处理,因此需要设计放大电路,使得超声回波的幅度可以满足数据采集的采集要求,从而进展超声回波的实际采集由于超声回波信号的频率较高,因此放大电路需要具有较高的带宽在放大电路的实际设计过程中,选用高速运算放大器作为放大电路的核心器件,从而使得放大电路对超声回波信号具有较好的放大效果经过放大电路之后的超声回波,需要经过滤波电路的处理,从而保证超声回波具有较好的波形稳定性在超声电路的实际设计过程中,由于发射电路的激发脉冲较大,会对超声接收电路的性能产生一定影响,而超声回波的幅度较小,很容易受到外界以及电路板自身的干扰,因此需要设计滤波电路,从而保证超声回波信号具有较好的稳定性。

      超声接收电路中的滤波局部需要设计带通滤波器,通频带的中心频率应设计为超声回波的频率,从而对超声回波进展滤波处理,滤波后的超声回波具有较好的性能,可以提供应后续电路进展处理为了保证数据采集电路可以对超声回波信号进展采集,系统的硬件设计中,设计检波电路,检波电路的实际作用是通过电路对回波信号的包络进展检波,从而方便后续的数据采集电路对超声回波进展处理,数据采集电路对超声回波的包络进展采集,从而复原出回波的实际检测情况 数据采集电路的主要作用是对超声回波信号进展采集,数据采集的电路的稳定性和准确性是超声检测系统的重点在本方案设计中,数据采集电路主要是对超声回波的包络进展采集,通过将超声回波信号的包络转化成数字量,从而可以计算出管道的实际腐蚀情况,进而到达对金属管道的腐蚀情况进展实时合理地监控数据采集电路要求具有较高的采集速度,从而可以满足对超声回波的采集要求,由于数据采集电路具有较高的采集速度,为了保证数据采集电路的实时性,系统设计 FPGA 电路,FPGA 具有较高的工作频率,可以满足工业现场的数据采集要求FPGA 为数据采集电路提供较高的采集频率,在该采集频率下,高速数据采集电路可以对超声回波信号的包络进展实时地采集,从而完成数据采集要求。

      由于 FPGA 的工作频率较高,同时数据采集电路的采集频率也较快,因此系统的核心控制器单片机无法实时地对采集到的数据进展读取,因此硬件设计的过程中,设计 FIFO 局部,从而对数据采集电路采集到的超声回波的包络数据进展存储,保证数据的实时性和完整性单片机控制器在需要的时候,可以读取FIFO 中的数据,并且对数据进展合理的处理,完成信号的采集和处理过程 为了增加系统的人机交互性能,系统在硬件设计的过程中,设计了键盘控制电路和显示电路键盘控制电路的主要作用是对系统的参数进展设定,显示器的主要作用是对系统的运行状态进展实时地显示,同时可以对测量结果进展显示,从而使得用户可以实时地了解系统的测量情况2、技术途径超声波腐蚀监控系统的软件局部主要包括激发脉冲的时序控制程序、显示控制程序、AD 采集程序、数据存储程序以及结果计算程序等 激发脉冲的时序控制程序的主要作用是通过软件延时,产生可以激发超声波探头的短暂脉冲信号,该脉冲信号要求脉冲宽度较窄,同时稳定性较强,从而可以有效地激发超声波探头显示程序的主要作用是通过程序,将实时的检测结果显示在显示器上,从而使得用户可以及时观察到仪器的工作状态和仪器的测量结果,增加了仪器的人机交互性能,保证了仪器的整体功能。

      AD 采集程序的主要作用是通过 FPGA 可以控制高速 AD 接收到的超声回波进展数据采集,AD 采集程序对实时性要求较高,因此需要 FPGA 对 AD 变换器提供较高频率的时钟,从而保证 AD 采集的高速性和实时性,通过 AD 采集程序,可以实时地对超声回波信号进展数据采集数据存储程序的主要作用是通过软件将数据采集局部得到的超声回波数据进展合理地存储,从而使得控制器在进展数据处理时,可以对回波数据进展调用,由于 FPGA 控制 AD 采集的采集频率较高,因此如果不增加数据存储局部,那么主控制器无法保证数据的处理速度,数据存储的过程是通过 FPGA部的 FIFO 完成的结果计算程序的主要作用是通过控制器,对数据采集的结果进展比拟和计算,从而计算出回波的时间点位置,进而计算出金属管道的实际厚度值,对金属管道的腐蚀情况可以进展合理地监控超声腐蚀监控系统的整体软件设计流程图如图 4.1 所示仪器上电后,首次运行时,需要进展软件的自检,软件的自检过程主要是保证系统各个组成局部没有异常,可以进展正常的超声腐蚀监测工作自检完成后,单片机需要通过软件程序产生超声系统所需要的激发脉冲信号,激发脉冲信号的脉冲宽度较窄,因此实际的软件设计过程中,采用延时程序产生超声激发脉冲信号,延时程序的速度快慢主要取决于系统的外接时钟大小,如果外接的系统时钟频率较高,那么延时程序的时间分辨率较大,同时产生的超声激发脉冲的稳定性也较高。

      超声激发脉冲也可以通过软件定时器产生,但是由于超声激发脉冲的宽度较窄,因此通过定时器较难到达实际的脉冲宽度,故实际软件设计时,不采用定时器产生器超声激发脉冲,而是采用软件延时的方法产生超声激发脉冲在超声波鼓励脉冲产生的同时,软件程序需要不断地判断超声波鼓励脉冲完毕的时间点,如果超声波激脉冲没有完毕,那么程序会进展等待操作,如果超声波鼓励脉冲完毕,那么需要进展数据采集程序,即对超声回波数据进展采集数据采集程序主要是通过 FPGA 控制高速 AD 变换器完成的,根据高速 AD变换器的时序要求,FPGA 可以产生相应的控制信号,从而保证高速 AD 变换器可以完成数据采集的要求在单片机完成超声鼓励脉冲之后,单片机的软件程序需要提供应 FPGA 一个开场信号,该开场信号的主要作用是通知 FPGA 进展高速的数据采集因此在没有进展数据采集的情况下,单片机的控制引脚为低电平,而需要进展数据采集的时候,通过软件程序,将控制引脚的状态变为高电平,从而使得 FPGA 可以开场进展数据采集,这种单片机控制 FPGA 的数据采集方式可以降低系统功耗,同时可以保证数据采集的实时性FPGA 在控制高速的 AD变换器的时候,可以根据实际的需要,对采集的时钟频率进展控制,从而调整数据采集的实际速度,使得数据采集的实际效果到达最优的状态。

      数据采集程序进展的同时,需要对数据进展缓存,数据的缓存是通过 FPGA部的 FIFO 进展的根据 FIFO 的实际工作时序,可以将高速 AD 变换器采集到的数据进展合理的存储FIFO 的实际工作情况通过 FPGA 部 FIFO 决定,当数据缓存完毕之后,可以对缓存中的数据进展统一的调用和处理在 FIFO 存满之后,可以对外输出一个标志信号,控制根据该标志信号,可以判断 FIFO 的实际状态,从而保证系统在软件上的灵活性 FPGA 在控制高速 AD 变换器的同时,不断地将采集到的数据存储在 FIFO中,如果 FIFO 中的数据存储满,那么单片时机接收到其数据接收完全的标志,从而开场对 FIFO 中的数。

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