喷水穿透超声C扫描自动检测系统的研制

　　1　系统设计

　　1.1　总体方案设计

　　该喷水超声C扫描自动检测系统主要用于复合材料层板和蜂窝夹层结构件的检测,最大检测尺寸为2 m×1 m,检测方法主要为超声喷水穿透法,需要时亦可采用超声喷水反射法。系统主要由机械扫描器、电机控制单元、超声探伤仪及探头、计算机控制与成像软件四部分组成。系统原理见图1所示。

　　系统基本工作原理:根据检测的要求,调整好超声探伤仪的参数,计算机通过运动控制卡控制三个电机带动自动扫查系统,按照设定的扫查路径,实现双探头在扫查平面上的同步运动。超声探伤仪发射高频脉冲信号给发射探头,并接收从接收探头穿透的超声信号,经过对闸门信号的峰值保持,送入数据采集卡进行峰值采样,计算机根据采样值进行数据处理并成像。系统各部分的原理分别介绍如下。

　　1.2　机械系统设计

　　机械扫描器是完成扫查零件的机械装置,要求运行灵活、平稳、准确,机械系统原理示意见图2所示。因零件尺寸大,故设计为零件不动,探头运动。系统采用立式U型开口结构以适应检测零件尺寸的要求,将超声探头装在一个上端开口的U支架两臂(即双Z轴)上,探头能随U支架在X方向上运动。探头的Z方向运动,靠两根Z轴方向的滚珠丝杠,从而保证了运行精度。U型开口结构能在保证机械结构稳定性的同时减轻结构重量,优化结构设计。

　　1.3　控制系统原理

　　本系统的电机选用了三台步进电机,一台用于X轴的驱动,两台用于双Z轴的驱动。步进电机的细分驱动器完全消除了电机的低频振荡,提高了电机的输出转矩,在运动精度和速度上能够满足本系统的需求。电机控制采用运动控制卡+PC机的形式,选用固高公司GT-400-SP运动控制卡,控制三轴步进电机。

　　扫查过程中,X轴为扫描轴,Z轴为步进轴。Z1轴和Z2轴分别携带发射探头和接收探头,必须保持发、收探头始终在同一轴线位置,即要求Z1轴和Z2轴运行同步,才能保证接收探头准确接收发射探头发射的超声信号。通过运动控制卡提供的电子齿轮运行模式,实现了这一功能。设定Z1轴为主动轴,Z2轴为从动轴,齿轮跟随比为1∶1。

　　1.4　超声信号采集与处理

　　超声C扫描成像上每一个像素点的颜色对应于工件上该点所接收超声信号的幅值大小。由于复合材料对超声信号的衰减较大,本系统采用美国STAVELEY公司的SONIC 138-900V高能超声波探伤仪。超声波探伤仪从接收探头接收到穿透的超声信号后,对该信号进行放大处理与峰值保持,并通过其模拟输出口输出0 V～5 V的模拟直流电压,对应波形幅值的0%～100%。数据采集卡采集该回波幅值信息,控制软件根据回波幅值信息,按不同的调色板进行成像处理。