科普现场丨基于ARM如何搭建超声波无损探伤仪

一、 什么是超声波探伤仪

超声波探伤仪就是频率高于 20kHz 、超出人们耳朵辨别能力并且穿透性很强的声波。是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷 ( 焊缝、裂纹、折叠、疏松、砂眼、气孔、夹杂等 ) 的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。广泛应用在锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。

超声波探伤仪的应用有很多，比如用超声的反射来测量距离，利用大功率超声的振动来清除附着在锅炉上面的水垢，利用高能超声做成 " 超声刀 " 来消灭、击碎人体内的癌变、结石等。

二、 超声波探伤仪 原理

超声波探伤仪原理：运用超声波反射原理对于材料中的缺陷进行无损侦测 , 超声波在被检测材料中传播时 , 材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。

超声波探伤仪现在通常是对被测物体（比如工业材料、人体）发射超声，然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。

多普勒效应法 是利用超声在遇到运动的物体时发生的多普勒频移效应来得出该物体的运动方向和速度等特性；

穿透法 则是通过分析超声穿透过被测物体之后的变化而得出物体的内部特性的；

反射法 ，目前应用最多的通过反射法来获取物体内部特性信息的方法。反射法是基于超声在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以可以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，超声波探伤仪然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种介质的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息（其中反射回来的超声波的先后可以反映出反射界面离探测表面的距离，幅度则可以反映出介质的大小、对比差别程度等特性），超声波探伤仪从而判断出该被测物体是否有异常。

在这个过程中就涉及到很多方面的内容，包括超声波的产生、接收、信号转换和处理等。

其中产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给具有压电效应的晶体（比如石英、硫酸锂等），使其振动从而产生超声波；而接收反射回来的超声波的时候，这个压电晶体又会受到反射回来的声波的压力而产生电信号并传送给信号处理电路进行一系列的处理，超声波探伤仪最后形成图像供人们观察判断。

三、显示分类

根据图像处理方法（也就是将得到的信号转换成什么形式的图像）的种类又可以分为 A 型显示、 M 型显示、 B 型显示、 C 型显示、 F 型显示等。

其中 A 型显示是将接收到的超声信号处理成波形图像，根据波形的形状可以看出被测物体里面是否有异常和缺陷在那里、有多大等，主要用于工业检测；

M 型显示是将一条经过辉度处理的探测信息按时间顺序展开形成一维的 " 空间多点运动时序图 " ，适于观察内部处于运动状态的物体，如运动的脏器、动脉血管等；

B 型显示是将并排很多条经过辉度处理的探测信息组合成的二维的、反映出被测物体内部断层切面的 " 解剖图像 " （医院里使用的 B 超就是用这种原理做出来的），适于观察内部处于静态的物体；

而 C 型显示、 F 型显示现在用得比较少。

延展： A 扫描、 B 扫描、 C 扫描有什么区别

（ 1 ） A 扫描来源于英文单词 Amplitude ，即幅值的意思，也即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。

基于 A 扫的缺陷判定方式，当在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射 , 反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。如图 1 所示为缺陷的 A 扫描判定方式。

图 1 A 扫描显示方式

（ 2 ） B 扫描来源于英文单词 birightness ，亮度的意思，扫描图像以二维图像显示，屏幕显示的是与声速传播方向平行且与工件的测量表面垂直的剖面。其亮度信息，则是通过计算反射回来的超声波的强弱来确定。如图 2 所示为 B 扫描显示方式。

图 2 B 扫描显示方式

（ 3 ） C 扫描来源于英文 Constant depth ，意思是恒定的深度，是对某一深度的截面进行扫描，是二维平面内移动并选取 A 扫描特定深度的点的信号成像，显示的是水平截面的缺陷信息。如图 3 所示为 C 扫描显示方式。

图 3 C 扫描显示方式

上面所有的扫描方式放在一个示意图中可以表示为图 3 的更加形象的方式

图 4 超声 A 、 B 、 C 扫描显示方式

四、基于 ARM实现方案

ARM 后处理系统的硬件结构如下图所示。 ARM 的高性能的处理能力和较强的内存管理技术能有效完成数据的后处理，将探测结果多种显示模式直观的呈现出来。同时它还有丰富的片内外围设备接口，如网口、 USB 接口，非常适合便携式嵌入式系统的应用，大大简化了硬件的设计难度。

本方案可通过飞凌 FET335xD 核心板、 FETMX6Q-C 核心板、 FET6818-C 核心板实现。

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