[發明專利]輪軸檢測專用超聲波探頭角度自動測試系統及測試方法

有效

• 申請號: 201910182707.1
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN109884185B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 周翔;宋偉;王勤勤;鄧川;祁帥
• 申請（專利權）人: 南通友聯數碼技術開發有限公司
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/30
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 陳亮亮

1.一種輪軸檢測專用超聲波探頭角度自動測試系統的測試方法，輪軸檢測專用超聲波探頭角度自動測試系統包含FPGA模塊、超聲發射模塊、超聲接收模塊、信號調理模塊、AD采樣模塊、閘門位置控制模塊、閘門寬度控制模塊，MCU模塊和人機接口模塊；超聲發射模塊與探頭連接用于超聲波的發射；超聲接收模塊與探頭連接用于接收超聲回波；信號調理模塊與超聲接收模塊連接用于將接收的超聲回波進行放大；AD采樣模塊與信號調理模塊連接用于將模擬信號轉換為數字信號；FPGA模塊與超聲發射模塊和AD采樣模塊連接用于數據采樣、最值查找、數據緩沖、數據壓縮和數據存儲控制；閘門位置控制模塊和閘門寬度控制模塊分別與FPGA模塊連接用于與FPGA模塊內部的最值查找模塊一起工作確定最高回波在采樣點序列中的索引，由此來確定傳輸時間；MCU模塊與FPGA模塊連接用于控制整個系統；人機接口模塊與MCU模塊連接用于進行人機對話，查看波形，設置參數，按鍵操作，所述測試方法包含以下步驟：

步驟一：用戶通過人機接口模塊設置系統參數，完成電路初始化；

步驟二：進行小角度探頭角度測試；

探頭置于TZS-R試塊B面，當閘門內A面下棱角回波最高時，按確認鍵系統自動計算并記錄當前時間數值；

探頭置于TZS-R試塊B面，當閘門內A面上棱角回波最高時，按確認鍵系統自動計算探頭零點；

當小角度入射角在9°-12°時，系統程序自動計算角度值并顯示結果；

當小角度入射角在6°-8°時，探頭置于TZS-R試塊C面，閘門內A面上棱角回波最高時按確認鍵，系統程序自動計算角度值并顯示結果；

小角度探頭角度測試具體過程為：

探頭置于TZS-R試塊B面，A面下棱角回波最高時，從發射到A面下棱角傳播時間的為t₁；

探頭置于TZS-R試塊B面，A面上棱角回波最高時，從發射到A面上棱角傳播時間為t₂；

得到超聲波在探頭晶片中傳輸的時間T＝2×t₁-t₂；

當小角度入射角在9°-12°時，得到公式

當小角度入射角在6°-8°時，探頭置于TZS-R試塊C面，A面上棱角回波最高時，從發射到A面上棱角傳播時間為t₃，得到公式

其中：θ為探頭折射角，C為超聲波在試塊傳播聲速；

步驟三：進行斜探頭角度測試；

探頭置于LG-R試塊上探測R100圓弧面，前后移動探頭并保持探頭與試塊側面平行，直至R100圓弧面反射波達到最高，按確認鍵系統自動計算探頭零點；將探頭置于車輪踏面，閘門內人工孔回波最高時，按確認鍵，系統自動計算角度值并顯示結果；

斜探頭角度測試具體過程為：

探頭置于LG-R試塊上探測R100圓弧面，前后移動探頭并保持探頭與試塊側面平行，直至R100圓弧面反射波達到最高，從發射到圓弧面時間為t₄；

超聲波在探頭晶片中傳輸的時間T＝t₄-100/C×1000；

探頭置于車輪踏面，超聲波遇到人工孔會產生回波，此時從發射到人工孔傳輸時間為t₅；

設車輪半徑為R，人工孔徑為r，探頭折射角為θ，超聲波在工件中聲速為C，人工孔中心點B至車輪外壁的距離為h，建立如下數學模型，由探頭入射點A，車輪中心點O和人工孔中心點B構成的三角形OAB中，由余弦定理得到AO²+AB²-2×AB×AO×cosθ＝BO²，

求得θ＝arccos((AO²+AB²-BO²)/(2×AB×AO))

其中，θ為探頭折射角，C為超聲波在試塊傳播聲速，AO＝R，AB＝C×(t₅-T)/1000+r，BO＝R-(h+r)。

2.按照權利要求1所述的測試方法，其特征在于：所述步驟一具體為系統上電后，用戶通過人機接口模塊設置系統參數，并由通信接口傳到MCU控制模塊中，MCU控制模塊將參數傳輸給FPGA模塊完成電路的初始化。

3.按照權利要求2所述的測試方法，其特征在于：所述系統參數包括閘門寬度、閘門位置、試塊中聲速C、采樣聲程和采樣點壓縮比。

4.按照權利要求1所述的測試方法，其特征在于：所述回波最高確認的具體過程為，

開始采樣后，計數器開始工作并從零開始計數，每采樣一個點計數器值加1；

從閘門位置時間開始處，每一次經過AD轉換后的當前值都會送入到比較器的a[7:0]端與b[7:0]端的數據進行大小比較；b[7:0]端數據由最值寄存器的輸出端提供，最值寄存器中保留閘門寬度范圍內采集的最大值；

系統中最值寄存器的加載過程受信號Signal1的控制；信號Signal1為比較器的輸出信號，表示當前輸入的AD數字信號量大于最值寄存器內的值，該信號將使最值暫存器把當前的新值載入最值寄存器中，更新最值寄存器中數值；

最值索引寄存器加載過程受信號Signal2控制，表示當前輸入的AD數字信號量大于最值寄存器內的值，該信號將計數器當前值載入最值索引寄存器中，更新最值索引寄存器的值；

經過閘門寬度時間后，計數器和比較器停止工作；系統獲取最值索引寄存器中的值MaxIndex，即為最大幅值的位置，AD采樣模塊的采樣頻率為100MHz/8bit，每間隔10ns采樣一個點，超聲波從發射到達缺陷的傳輸時間為：10×MaxIndex/1000μs，保存到存儲器中供計算使用；

回波信號采集完后，FPGA模塊將經AD采樣模塊采樣后的數據進行壓縮并存儲到FIFO緩沖區中，最后由MCU模塊讀出并送至顯示器顯示；當屏幕出現最高回波時，MCU模塊獲取人機接口模塊中用戶通過鍵盤給出的確認命令，調用程序自動計算角度值。