引言

無損檢測(cè) (NDT) 是用于識(shí)別材料、元件或結(jié)構(gòu)中瑕疵、不一致性或缺陷的非侵入式方法。這些方法可以非常簡(jiǎn)單，例如目視檢查，也可以非常復(fù)雜，例如使用 X 射線、紅外熱成像和超聲波技術(shù)。NDT 方法用在多種工業(yè)、汽車和軍事應(yīng)用中。NDT 領(lǐng)域已采用超聲波測(cè)試。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)論述了超聲波 NDT 方法的基礎(chǔ)知識(shí)、所需元件以及如何設(shè)計(jì)高性能超聲波 NDT。

超聲波 NDT 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

超聲波系統(tǒng)會(huì)發(fā)送高頻聲波、處理返回的任何回波并發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)頻率高于 200kHz 時(shí)，這些聲波超出了人的可聽范圍。除了識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷，超聲波系統(tǒng)還可以通過多普勒或飛行時(shí)間等技術(shù)測(cè)量流量、距離并進(jìn)行濃度分析。這些高頻聲波可以穿透各種介質(zhì)，而不會(huì)造成任何傷害。

圖 1 超聲波系統(tǒng)工作原理的簡(jiǎn)要方框圖

典型的 NDT 超聲波系統(tǒng)包括換能器陣列、發(fā)送器（脈沖發(fā)生器）電路、接收器電路以及后端硬件和軟件，用于捕獲、分析和顯示測(cè)量到的超聲波信號(hào)。如圖 1 所示，在該過程的開始，由用戶決定發(fā)射波形分布。發(fā)射波形的頻率以及振幅由系統(tǒng)的穿透深度和性能要求所決定。一旦生成高壓波形，數(shù)字脈沖發(fā)生器就會(huì)通過發(fā)送/接收 (T/R) 開關(guān)以連續(xù)波 (CW) 或時(shí)間增益補(bǔ)償 (TGC) 模式驅(qū)動(dòng)換能器。需要使用 T/R 開關(guān)來促進(jìn)發(fā)送和接收之間的切換，從而使高壓波形不會(huì)進(jìn)入低壓接收路徑。換能器與表面直接接觸，將波形轉(zhuǎn)換為高頻無線電波。一旦波到達(dá)表面、邊界或開口，部分波就會(huì)作為“回波”發(fā)送回去。換能器接收此回波并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓。模擬電壓作為接收器的電壓輸入，并經(jīng)過信號(hào)處理以增強(qiáng)所需的信號(hào)并改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍。該模擬信號(hào)將進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換、波束成形、解調(diào)和進(jìn)一步處理，以在用戶屏幕上生成清晰的圖像，然后用于分析材料。

NDT 系統(tǒng)中超聲波發(fā)送器的要求

用于 NDT 應(yīng)用的超聲波系統(tǒng)需要具有大量通道的發(fā)送器來生成發(fā)射波形。波形的波束形成取決于各種換能器元件的勵(lì)磁，每個(gè)波形傳輸都具有不同的延遲值，以指示傳輸方向。發(fā)送器可受益于內(nèi)置的 T/R 開關(guān)，以在傳輸高壓（50V 至 100V）無線電波時(shí)保護(hù)低壓系統(tǒng)的其余部分。發(fā)送器必須制定安全協(xié)議，以便在發(fā)生錯(cuò)誤配置或 SPI 寫入錯(cuò)誤時(shí)保護(hù)系統(tǒng)。

圖 2 TX7516 方框圖

例如，TX7516 是一款 16 通道超聲波發(fā)送器，包含片上發(fā)射波束形成和一個(gè)用于 16 通道輸出中每個(gè)輸出的內(nèi)置 T/R 開關(guān)。通過內(nèi)置安全協(xié)議和錯(cuò)誤檢測(cè)，TX7516 減少了創(chuàng)建超聲波系統(tǒng)所需的器件數(shù)量，并實(shí)現(xiàn)了更加無縫的集成。圖 2 顯示了 TX7516 的詳細(xì)方框圖。

超聲波 NDT 系統(tǒng)中接收器的要求

與超聲波發(fā)送器類似，用于無損測(cè)試的超聲波接收器必須具有大量的輸入通道才能接收回波。通過使用放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)，接收器必須能夠從所測(cè)試的每個(gè)角度增強(qiáng)模擬波形，同時(shí)更大限度地減少并濾除噪聲。通過將每個(gè)通道配置為 TGC 或 CW 模式，接收器可以按深度成比例增加接收信號(hào)的強(qiáng)度，從而降低波衰減的影響，或者同時(shí)發(fā)射并接收波多普勒以計(jì)算梯度、壓力或流量。便攜性是創(chuàng)建 NDT 超聲波的關(guān)鍵，因此為了保持低功耗水平，接收器必須具有低功耗以及高速度和高分辨率。圖 3 顯示了 AFE5828 16 通道超聲波接收器的方框圖。

圖 3 AFE5828 方框圖

AFE5828 等接收器包含一系列復(fù)雜的濾波器和放大器，可確保對(duì)波形進(jìn)行處理并為分析做好準(zhǔn)備。這可以在盡可能降低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?AFE5828 可以根據(jù)采樣率更改功率調(diào)節(jié)。

針對(duì)超聲波 NDT 系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器的建議

圖 4 顯示了 64 通道 NDT 系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)具有四個(gè) 16 通道超聲波發(fā)送器 TX7516 和四個(gè) 16 通道超聲波接收器 AFE5828。TX7516 的 16 個(gè)集成脈沖發(fā)生器、16 個(gè) T/R 開關(guān)、片上波束形成和圖形發(fā)生器與低噪聲 16 通道接收器 AFE5828 相結(jié)合，使用戶能夠構(gòu)建高性能、低成本的超聲波 NDT 系統(tǒng)。有關(guān)德州儀器 (TI) 超聲波發(fā)送器和接收器的更詳細(xì)產(chǎn)品系列，請(qǐng)參見此處。

圖 4 超聲波 NDT 系統(tǒng)中的德州儀器 (TI) AFE5828 和 TX7516

隨著航空航天、汽車、電力和油氣市場(chǎng)的發(fā)展，人們?cè)絹碓叫枰踩行У臏y(cè)試方法。由于工業(yè)實(shí)踐對(duì)公共安全具有很高的要求，超聲波技術(shù)在 NDT 中的應(yīng)用越來越廣泛。