范文一:超声波原理图
使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。
1脚:超声信号输入端,该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚:该脚与地之间连接RC串联网络,它们是负反馈串联网络的一个组成部分,改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大,放大
倍数下降,反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性,一般在实际使用中不必改动,推荐选用参数为R1=4.7Ω,C1=1μF。
3脚:该脚与地之间连接检波电容,电容量大为平均值检波,瞬间相应灵敏度低;若容量小,则为峰值检波,瞬间相应灵敏度高,但检波输出的脉冲宽度变动大,易造成误动作,推荐参数为3.3μf。
4脚:接地端。
5脚:该脚与电源间接入一个电阻,用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大,中心频率越低。例如,取R=200kΩ时,f0?42kHz,若取R=220kΩ,则中心频率f0?38kHz。
6脚: 该脚与地之间接一个积分电容,标准值为330pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短。
7脚:遥控命令输出端,它是集电极开路输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,推荐阻值为22kΩ,没有接受信号是该端输出为高电平,有信号时则产生下降。
8脚:电源正极,4.5,5V。
范文二:超声波原理图
超声波发射电路图
超声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的,使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器(U1C与U1E并联组成一级)后送到超声波换能器的一个电极(T1的1脚);另一路经两级反相器(U1D为第一级,U1B和U1A组成第二级)后送到超声波换能器的另一个电极(T1的2脚)。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端,可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联,以提高驱动能力。上位电阻R1,R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果。
超声波接收电路图
超声波接收电路原理图如图所示,CX20106A是一款红外
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检测波接收 的专业芯片,常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用,电路连接简单,且减小了生产调试的麻烦。当CX20106A接收到40KHZ的信号时,会在第7脚产生一个低电平下降脉冲,这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。
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范文三:超声波检测
超声波检测
1 概述
超声波检测也叫超声检测,Ultrasonic Testing缩写UT,超声波探伤,是五种常规无损检测方法的一种。 无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下,对被检验不见的表面和内部质量进行检查的一种检测手段,Nondestructive Testing(缩写NDT)。机械振动在介质中的传播过程叫做波,人耳能够感受到频率高于20赫兹,低于20000赫兹的弹性波,所以在这个频率范围内的弹性波又叫声波。频率小于20赫兹的弹性波又叫次声波,频率高于20000赫兹的弹性波叫做超声波。次声波和超声波人耳都不能感受。
超声波的特点:1、超声波声束能集中在特定的方向上,在介质中沿直线传播,具有良好的指向性。2、超声波在介质中传播过程中,会发生衰减和散射。3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性,可以获得从缺陷界面反射回来的反射波,从而达到探测缺陷的目的。4、超声波的能量比声波大得多。5、超声波在固体中的传输损失很小,探测深度大,由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象,尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷(缺陷中有气体)或夹杂,超声波传播到金属与缺陷的界面处时,就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收,通过仪器内部的电路处理,在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。
超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害,能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观,探伤技术难度大,容易受到主客观因素影响,以及探伤结果不便于保存,超声波检测对工作表面要求平滑,要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验,使超声波探伤也具有其局限性。
超声波探伤仪的种类繁多,但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中,缺陷的存在将造成材料不连续,这种不连续往往有造成声阻抗的不一致,由反射定理我们知道,超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是A扫描式的,所谓A扫描显示方式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。譬如,在一个工件中存在一个缺陷,由于缺陷的存在,造成了缺陷和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收到,在显示器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波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。
超声检测(UT)可分为主动检测和被动检测两大类。在主动检
测技术中,超声波是用超声探头发射的;而在被动检测技术中,超声波是被测试件受载荷时自发的。通常把主动式检测称为超声检测技术,而把被动式称为声射技术。
UT技术具有被测对象范围少、检测深度人、定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场使用等优点。是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。利用UT结果能精确地描述被检测对象,并建立起完全符合客观实际的科学标准,微电脑或计算机及以计算数字为核心的数值仿真与数值模拟可以完全排除人为干扰,并自动、准确和迅速地将被检对象的大量信息综合起来进行全面分析,得到以动态图片显示的、接近于实际或完全符合实际的检测结果,达到对受检对象进行精确描述的的。从目前情况看,计算机系统在超声扫描等方法中的应用已日趋普遍。
UT是利用超声物理效应,从超声信号中抽取信息再推断出结论的过程,其检测结果具有问接性并不可避免地带有统计性质,即存在检出概率、漏检率及检出结果重复率等间题。探索检测的可能性和提高检出结果的可靠性始终是UT的核心问题。
UT技术是本世纪50年代后才迅速发展起来的一种检测方法。直到70年代以后,由于IC(集成电路)技术迅速发展使实用的UT技术得以迅速发展,80年代末和90年代初,计算机和信号处理技术的迅速发展,促进UT技术的研究和应用深度、广度的大力发展。近20年来, UT技术日趋成熟,几乎渗透到所有工业及医疗部门,如作为基础工业
的钢铁工业、机器制造业、建筑业、石油化工业、铁路运输业、造船业、航空航大业,高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业及医学诊断等重要部门、目前,超声检测相关理沦和方法及应用的基础研究正在逐步深人,在某些场合,如大型油罐的在役测试,超声技术已成为唯、可行的检测手段。我国超声检测技术的研究、应用和仪器研制队伍正在不断扩大,技术水平不断提高,表明我闰超声检测技术发展已经走出低谷,顶计随着新一代全数字化超声仪器和功能强大的信号处理软件的问世,尤其是人们对超声检测技术理论的更深层次的研究与认识,超声检测技术将经历一个更高层次的发展阶段和获得更 广泛的应用。
2研究领域及应用
(1)研究领域 在超声检测理论及相关技术方面开展的主要研究有脉冲超声波在固体中的传播特性,包括在均匀介质、多晶介质、板状介质、多层介质、随机介质等复杂介质中的传播特性;超声探头的脉冲激励特性和超声探头所发射的声场特性聚焦探头发射的声束特性;固体中的任意形状散射体,包括球体、柱体及裂缝对脉冲超声的散射特性;激光超声源的性质和激光干涉超声接收系统超声频谱应用研究;计算机化UT设备的原理;用户友好界面操作系统软件;超声数字信号处理 包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿;高 频超声检测技术;波形分析与基本理论、应力测量研究等;各种扫描成像技术,包括振幅距离聚焦成像(ALOK)、超声计算机层析成像(LCT);复合材料、各向异性材料的弹性常数超声测里研究;液压系
统超声检测的方法及仪器研究等。近20年来,取得了大量有关UT基础理论和方法、仪器仪表、设备、器材等研究成果,为UT技术的持续发展和走向成熟提供了可靠的保证。
(2)UT技术的应用 随着UT技术水平的提高,应用领域和频度也日益扩大。①目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在役检查。如钢板、管道、焊缝、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、核元件及集成电路引线的检测等。正确
的检测方法和技术是超声检测取得成功的关键、近20年来,国内外开发了许多有用的检测方法和技术,如美国国家航空航天管理局LEWIS研究中心采用0.25MHZ的激光聚焦束在高温材料sic/sic激发超声波,通过触点换能器得到超声波衰减信号来检测高温材料;美国国家标准和技术研究所发表论文“利用电磁超声技术(EMAT)测量机翼的受力状态”;美国EMAT-UT换能器公司利用EMAT换能技术对已经埋入地下的输气管环焊缝进行检测试验研究;美国国家标准和技术研究所利用EMAT技术预测沉淀硬化钢的强度 日本大阪大学大阪瓦斯公司利用 波的 技术监测管道的腐蚀。我国的钢板超声次重合探伤法,厚壁高压管焊口焊接高压止通超声波探伤法、多层粘接的超声波自动检测法与技术,复合材料UT技术,奥氏体不锈钢UT技术,电磁超声技术(EMAT),固体内超声,动态聚焦扫描技术及各种超声白动探伤法和超声成像检测法与技术等,日趋成熟。
②各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结
构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。如德国富郎霍夫研究所推出用超声波显微镜对金属包覆层材料压合特征的研究,为改进压合工艺提供了可靠参数;我国台湾新竹交大提出了用超声研究金属板与橡胶板粘合面的结合质量;日本KANSAI能源公司和TOUOKU大学提出了用超声波显微技术对球形样品疲劳破损的监测。
③非金属的检测。如混凝土、岩石、柱基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。
④大型结构、压力容器和复杂设备的检测。如不锈钢焊缝及堆焊层、厚壁高压管焊口、铝镁合金及高压螺栓等超声波探伤,裂缝自身高度和高温超声检测、铁路进口钢轨自动检测车超声自动检测系统等方面都有很大进展。与现代工业高速度、高精度、高分辨力、高可靠性等要求的超声检测设备的自动化和仪器的计算机化,已成为微机控制自动超声检测系统,许多企业已拥有我国白己设计和制造的大中小型多坐标、多通道的自动超声检测系统,满足特殊情况下的探伤、检测变速箱齿轮焊缝、钢轨自动检测等要求。许多厂家致力于将超声信号处理的研究成果融合到仪器中去,以逐步实现智能化,如我国汕头超声电子公司等厂生产数字式或全数字式超声探伤仪,应用缺陷模式识别和模糊聚类技术,100MHz高频超声检测仪可检测钦合金、结构陶瓷等材料数十微米级的缺陷。由于超声成像直观易懂,检测精度较高,因此,近儿年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的白动
扫描超声成像检测提供了有效手段。
⑤核电工业的超声检测。如板形元件的结合质量、板形元件组件的水道间隙、各种管道容器的焊缝、容器与焊管的交贯面等超声检测。我国已能按标准和业主的耍求,使用国际先进设备,执行国际通用法,完成核电厂和核设施的役前及在役检查
⑥其他方面的超声检测。如庆学诊断广泛应用超声检测技术;目前,人们正试图将超声检测技术用于开辟其他新领域和行业,如将超声检测技术用于液压控制系统进行系统作非接触检测、辨识、性能分析和故障诊断等。
3.问题和展望
20年来,我国的UT事业取得了巨大成就和发展,但与发达国家相比还有很大差跟当前应在以下方面大力开展工作。
(1) 超声检测基本理论和应用基础研究开展得较少,与此关联
的领域所进行的工作也较少。
(2) 对UT技术投入人力和经费较少。
(3) 计算机控制、数字式、智能式、神经网络和信号处理技术
等研究还不够深入。
(4) 各种UT设备、仪器和白动化超声检测系统应进一步广泛
开发和应用;超声成像系统将逐步完善并得以应用。
(5) 应发挥多学科交叉的优势,开展学术交流和国际合作,推动
我国UT技术的深人发展。
(6) 进一步拓宽超声检测技术应用领域开展的研究不够。UT
技术在其他领域研究和应用甚少,有的属于卒白,值得重视。随着UT对象的不断扩大,对UT的发展提出了许多挑战性的问题,如在液压系统的建模、辨识和性能分析及故障检测中,用UT技术对高压小管径的压力管路进行动态检测非常重要。液压系统状态监测和故障诊断以动态压力为特征信号,开发价廉、性能合适的非接触检测装置是人们函待解决的一个重要课题.如何提高测压方法的准确度,对压力信号进行在线数据处理与分析、排除十扰因素等,是UT技术应用在液压行业中的重要问题,具有广阔的开发和应用前景。
范文四:超声波检测
1.1研究的目的和意义
淡水鱼因其肉味鲜美,富含高蛋白,营养价值极高,深受广大消费者的喜爱。河湖纵横,海域宽广,水产品资源极为丰富。自80年代以来,中国淡水渔业迅展,鳃和鲡产量位居世界鱼种类年渔获量的前列,草鱼和鲤鱼也位居世界主要鱼种之列。然而鱼肉及其制品是一种不耐保藏的食品,极易发生腐败变质,食品当易发生食物中毒。非典和禽流感的出现,更增强了人们对健康食品的追求,卫生安全的重要性被提到了前所未有的高度上。随着生活水平的提高,消费者越关心食品的质量和安全性。消费者希望购买和食用新鲜和安全的水产品,然们对食品来源的信息却一无所知,因此需要加强卫生检验,确保食用安全。
新鲜度是鱼类或鱼类制品质量的一个重要指标,对最终产品质量是十分重要的。死亡后,鱼肉发生一系列的物理和化学变化,随着鱼贮存期的延长,会很快导生物繁殖,在内源酶作用下使蛋白质自溶分解,从而造成鱼肉腐败变质而不能。因此,快速、准确评价鱼肉新鲜度,关系着人们的切身利益,也对鱼肉及其的运输、储藏及加工过程有着重要的科学意义和应用价值。
现已发展了一系列的指标和方法来评价鱼肉新鲜度。传统的感官评价法应用范广,能及时提供鱼肉品质信息,但它需要专业培训的测评小组,易受测评人员和心理状况影响,具有较强的主观性(Dufour et al.2003;崔海英和曾名勇,2004董彩文,2004) 。实验室常用的化学方法以测量TM^(三甲胺) 、TVB-N (Totalvolatile Basic Nitrogen,挥发性盐基氮) 和K 值来评价鱼肉新鲜度(Olafsdottir et al.,1997) ,
方法测试结果准确,但操作费时耗力,属于破坏性检测。微生物方法采用测量总数或采用酶传感器进行鱼肉新鲜度检测,现有的活细胞计数方法复杂且费时,肉新鲜度判定中不实用(侯瑞锋等,2005) 。而正在发展的酶传感器,原料制备繁测试条件苛刻,电极使用时间短。运用气相色谱和气一质联用技术能得到精确的,但设备昂贵,检测系统复杂。以上检测方法都不能满足快速检测的要求,故快速、简便、准确的鱼肉新鲜度检测方法具有重要的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1淡水鱼新鲜度的检测方法
1. 感官评价法
鱼在腐败变质时,由于各组织成分的分解,鱼肉的感官性质发生了改变。这些 感官特征对消费者来说清晰可见,能够较快提供关于鱼肉品质的信息。国家对维鱼、卿鱼等淡水鱼的感官指标发布了卫生标准(GB-2736-81)。感官方面的检测主要是观测鱼的外表,眼睛、鳃、肌肉、腹部和肛门等指标,再对每一个指标的得分进行综合,得到总的感官指标(施宁,2003;Baixas-Nogueras et
al.20052005;Pounis et al. ,2005.Kim et al,2006;Goncalves et al.2007Oral et al,2008;Pantazi et al,2008)。感官评价法,发展了QIM(质量指标方法) 的方法,它包含10个感官指标,每个指标按照小3分进行评分,综合所有指标的得分从而评价鱼肉新鲜度(Triqui and Bouchriti.2003:Bonilla et al.2007:Gonealves et al.,2007) ,通过已建立的评价体系可对己知鱼种在冰上储藏的货架期进行预测,广泛应用于工业领域。感官评价指标也
常作为其它方法的标准,如Kent(Kent et al.,2004) 用开端同轴传感器测量介电特性和气体传感器测量挥发性物质的试验结果与QIM 指标对比来评价鲜鱼鱼糜的新鲜度。
2. 化学检测法
化学检测法是用定性或定量的方法测量蛋白质分解物,如氨、胺类、挥发性盐基氮(TVBN)、三甲胺(TMA)、k 值等,从而衡量肉的腐败
度(刘国艳等,2006) 。实验室经常采用的化学方法有挥发性盐基氮(TvBN)法、甲胺(TMA)法、PH 值法和k 值法等。挥发性盐基氮(TVBN)是国际上普遍采的指标,可以通过“半微量定氮法”和“微量扩散法”等方法进行测定。三甲胺(TM是在水产动物体内存在的氧化三甲胺经兼性厌氧菌的还原作用而产生的,其含量着鱼体新鲜度的下降而逐渐增加,日本许多学者把它作为海产鱼新鲜度的鉴定指国内外都有大量的用它作为新鲜度检测指标的报道(施宁,2003) 。鱼肉的酸碱性对鱼肉品质有一定影响,而PH 值可以很好地反映鱼肉的酸碱度。鱼类死后,肌糖分解成乳酸,导致Ph 值下降,以后随着自溶和腐败,pH 值逐渐升高,但鱼类pH 一般变化都比较小,适合作贝类等含糖分多的品种的新鲜度指标。1959年斋藤博士发表的文章提出用新的指标k 值作为新鲜度指标。鱼在氧气供应中断后,在三磷腺营酶的作用下,不断分解三磷酸腺普(ATP),使三磷酸腺昔(ATP)不断减少华中农业大学2008硕士学位论文:基十生物阻抗的淡水鱼新鲜度单J}·机检测系统次分解为二磷酸腺营(ADP)、磷酸腺普(AMP)、肌营酸(IMP),最后分解成次嚓吟核普(HxR)和次黄嗓吟(H)。分解过程如下:
TP0ADP 分A 初甲分从夕尸峥石阮尺,故斋藤博士提出把Hx 和HxR 积存数量的多 作为新鲜度的指标:
K %=HxR +ATP +ADP +AMP +HxR +Hx *100%
国外早在六十年代就开始进行与新鲜度变化有关的鱼体生化变化过程的基础理 研究,提出以k 值等能够正确反映鱼体死后生化变化的概念值,作为水产加工原理的新鲜度指标,从而为水产品新鲜度指标的判断提供较为确切的依据(吴成业等94) 。国内从90年代开始,万建荣、吴成业、李燕、关志苗、叶盛权等先后在将作为淡水鱼新鲜度检测指标方面做过相关研究,研究结果皆与感官评价一致(施宁,2003) 。k 值可采用高压液相色谱仪(HPLC)、柱层析、薄层层性等方法进行测,但是其样品的制备需要进行化学处理,操作复杂,且k 值测量法依赖于一系列变量,并仅仅适应于僵硬期,其应用存在一定局限性。同时要有(3)PH值法
保藏期间鱼肉pH 值会发生变化,原因是初期糖元酵解、三磷酸腺昔(ATP)和磷酸分解,产生酸性物质,造成pH 值下降; 保藏后期由于氨基酸等含氮物质分解,产生碱性含氮物使pH 值上升。其测量方法是用酸度计直接测定样品肉浸液pH 值(王太全,2002) 。鱼肉死后肌肉pH 值因鱼种而异,但变化规律类似(senaandBello,1988) 。如鲜活鳞鱼肌肉pH 值接近中性,约6.97左右,在储藏过程中曾一度下降,随着鱼肉自溶的进行,其pH 值又开始上升,自此以后接近于腐败初期,大多数细菌在中性条件下易生长,从而加快鱼肉腐败速度(Tavares et al. ,1997:邓德文,2001) 。pa 叫Pacquit 等(Pacquit et al.2007)尝试在鱼品包装上安装pH 指示剂,通过指示剂颜色变化反应出鱼体新鲜程度。但不同鱼种或同一鱼体的不同部位,其肌肉的pH 变化不同,故还须在实践中摸索出pH 作为鲜度判定标准的规律,并且鱼肉在储藏过程中,pH 变化是一个先减小后增大的过程,如图1一1所示,因此还需要确定测量的pH 落在那个区间,才能评价鱼肉状态(邓德文,2001) 。
4. 酶传感器法
根据鱼在腐败过程中可产生不同的化学物质和微生物,研究者们正在研究发展酶传感器(Karube et al.1954:Hemandez-Herrero et al.2002:Ohashi,2002:Okuma and Watanabe;2002;Chytiri et al.2004;Baixas-Ogueras et al.2005;Watanabe et al.,2005) ,其中有胺传感器,细菌传感器,次黄嚓吟酸传感器和测定K 值的传感器。水产动物死后,体内核酸即开始分解产生次黄嗓吟,且随时间的延长而不断增加。早在六十年代,国外就有人研究鱼类新鲜度指标次黄嗓吟浓度的测定,近十年来这一领域又有进一步的研究。国内罗颖华等(罗颖华和王立红,1990) 作了类似的工作,这些研究都充分显示了随着鱼类腐败程度的提高,次黄嗦吟的浓度明显地增加。采用酶生物传感器可以测定酶反应中氧气的消耗量或过氧化氢的产生量,从而推算出创门的含量。国内的沈莲清(沈莲清,1995) 、彭图治(彭图治等,1996) 等采用的固定化的黄嗓吟氧化酶生物传感器可以评价鱼肉新鲜度,但其样品制备繁琐,需要研磨粉碎鱼肉、溶解、过滤等操作,并需要在PH7.6和25℃条件下测量。酶传感器样品制备是使用有机溶剂萃取,制备手续非常繁琐耗时,电极需要使用后需放在18℃下保存,三周后,其灵敏度下降到初始值的一半。
5. 生物传感器
生物传感器是用固定化的生物材料识别元件(包括酶、抗体、微生物等生物活性 物质) 与适应的换能器件(如氧电极和场效应管等) 密切接触而构成的分析工具或系统。换能器件可将生化信号转换成可定量的电或光信号,从而实现对特定生物的快速检测。测定鱼新鲜度的微生物传感器由溶氧电极和微生物膜组成,将酵母或腐败细菌固定在膜拜上,贴在溶氧电极表面的透气膜上。当传感器浸入含有有
机物的样品液中时,渗到膜上的有机物被酵母或腐败细菌细胞同化吸收。在肉类的腐败过程中,由于肉类中的内源性蛋白酶或微生物产生的蛋白酶的水解作用,有机物(氨基酸和胺等) 逐渐增多。因此,根据肉表面或聚合物中的有机物的量随时间的变化测定肉的新鲜度。根据检测手段的不同,现已经出现的生物传感器主要有胺类传感器、细菌传感器、测定k ,值的传感器、IMP 传感器和H 、传感器等。生物传感器的测定一般还属于有损测量,需要在测量前作前处理,即制备用于测量的鱼肉取液,一般适合对样品进行抽检而不适合一般用户的使用(徐宝梁,1997; 施宁,2003; 董彩文,2004) 。
1.2.2超声检测技术的现状和发展
无损检测技术已经历一个世纪,尽管无损检测技术本身并非一种生产技术,但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示,经过无损检测后的产品增值情况大致是,机械产品为5%,国防、宇航、原子能产品为12%-18% ,火箭为20%。例如,德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后,整车运行公里数提高了一倍,大大提高了产品在国际市场的竞争能力:日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超过美国。德国科学家认为,无损检测验技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术,美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。
超声无损检测技术(UT)是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检橄技术相比,它具有被测对象范围广,检测深度大:缺陷定位准确. 检测灵敏度高:成本低,使用方便:速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。因此. 超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用颇率最高且发展较快的一种无损检测技术,体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段,体现在保证机器零件的可靠性和安全性上。世界各国出版的无损检测书籍、资料、文献中,超声探伤所占的数量都是首屈一指的。有关资料表明,国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料,全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45 %。前几届世界无损检测会议论文集收录的论文中有关超声检测的论文数遥遥领先于其它检测方法,特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议(WCNDT)收录的663篇论文中,超声检测就占250篇(2000年WCNDT 会议收录的论文分布情况) 。这些都说明超声无损检测的研究势头和其在无损检测中的重要地位。
1 超声无损检测技术
1.1 无损检测技术向高准确度、高可靠性方向发展
20世纪70 年代以来,超声检测的数宇化、自动化、智能化和图象化成为超声无损检测技术研究的热点,标志着超声无损检测的现代化进程。近年来,随着传感技术、电子技术、自动控俐技术、记算机技术的发展,现代无损检测技术已经进人到以计算机控制为主的信息加工时代。表现在:生产过程实时监控和产品运行过程的监督(如对轧钢的生产线的监控) 。对涂有各种厚度的防腐材料和保温层的工程检测技术:能自动扫描、自动定位与跟踪检测对象的各种检测机器人:对缺陷的自动识别与记算机模拟技术的深入研究等。其中计算机模拟或仿真技术就是可以不通过制造试件(顶埋有各种人工与自然缺陷). 获得各种缺陷信号。采用计算机软件方法模拟检测过程,要对检测系统的结构与缺陷参数建立准确的数学模型比较困难,所以在实际生产中应用还相当少。
国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI 和NDT 向NDE 过渡。无损探伤(Nondestruction Inspection NDI)、无损检测(Nondestrutuve testing NDT)和无损评价(Nondestruction Evauation NDE) 是无损检测发展的三个阶段。超声无损探伤是初级阶段,它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下,发现其人眼不可见的内部缺陷,以满足工业设计中的强度要求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语,它不仅要检测最终产品,而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声无损评价是超声检测发展的最高境界,不但要探测缺陷的有无,还要给出材质的定量评价,也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。 无损检测的另一个发展是从一般无损评价向自动无损评价和定量无损评价发展(即从NED 向ANED 和QNED 发展) 。逐步减少人为因素的影响,改用计算机进行检测和分析数据,以提高检测的可靠性。
1.2 超声检测仪器的应用与发展
超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性,其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入,一方面提高了设备的抗干扰能力,另一方面利用计算机的运算功能,实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代,新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世,标志着超声检测仪器进入一个新时代。
超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图象化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中,数字化、智能化、图象化超声仪最引人注目,显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krautraemer 公司、美国Panametrics 公司、丹麦Force Institutes 公司与美国PAC 公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况,而且可以运用频谱分析,自适应专家网络对数据进行分析,提
高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。
现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基础部分,检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来,出现的各种智能检测机器人,已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人,移动速度约60m/h ,重约140kg ,采用16个超声探头可以对运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK 公司研制的机器人借助管道内液体推力前进,可以测量输油管道腐蚀状况,其检测精度小于1mm 。丹麦Force 研究所的爬壁机器人,重约10吨,采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。
1.3 超声成象技术
超声成象技术是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来的,经历了一个漫长发展历程。早在20年代,人们就开始探索超声成象的原理及方法,使超声成象成为最早实现的超声无损检测技术。其后由于技术上的原因,早期的超声成象检测技术很快被其它超声无损检测技术所取代。20世纪60年代,激光的发明和光学全息技术的成就极大地刺激了人们对声象研究的兴趣。然而,在声学领域,简单地模仿光全息等光学成象方法遇到了极大的障碍,迫使人们在新技术基础上,根据声波的特点,发展出以扫描成象技术为主流的各种新成象方法。 在现代无损检测技术中,超声成象技术是一种令人瞩目的新技术。超声图象可以提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学性质,有着非常广阔的发展前景。现代超声成象技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成象系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图象化的进程。现代超声成象技术大多有自动化和智能化的特点,因而有许多优点,如检测的一致性好,可靠性、复现性高,存储的检测结果可随时调用,并可以对历次检测的结果自动比较,以对缺陷做动态检测等。总之,超声成象技术克服了传统超声检测不直观、判伤难,无记录的缺陷,减少了检测中人为干扰,有效地提高无损检测的可靠性,是定量无损检测的重要工具。
目前已经使用和正在开发的成象技术包括:超声B 扫描成象,超声C 扫描成象、超声D 扫描成象,ALOK(德文“振幅—传播时间—位置曲线”的缩写) 成象,
SAFT(合成孔径聚焦) 成象,P 扫描成象,超声全息成象,超声CT 成象等技术。
2 我国无损检测发展的现状
近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门,其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入,已经取得了许多具有国际先进水平的成果。许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。我国在这方面开展的主要研究有:计算机化超声设备;用户友好界面操作系统软件;超声数字信号处理,包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿等;高频超声无损检测技术:各种扫描成象技术:多坐标、多通道的自动超声检查系统:超声机器人检测系统:复杂构件的自动扫描超声成象检测(如5维以上多维探头调节结构等辅助设备的开发研究) 等。这其中许多成果已经达到国际先进水平,这些研究为我国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。
无损检测的标准化和规范化,检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准,而且引进了ISO ,ATSM 、DIN 、SS 、BS 、NF 、JIS 等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。
但是,我国超声无损检测事业从整体水平而言,与发达国家之间存在很大差距。具体表现在以下几个方面:
1. 检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小,极大阻碍了
超声无损检测技术自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结,而年轻的检测人员虽拥有丰富的计算机等现代技术,却缺乏切实的实践经验. 这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷,降低了检测的可靠性。特别像专家系统软件,以及有自动判伤。自动评定缺陷级别功能的软件编写应该引起足够的重视。组织一定的人力、才力对超声无损检测的现场经验进行收集和总结,不断充实检测理论和检测规范,把无损检测技术人员和计算机技术人员有机结合起来,才能开发出实用的无损检测软件。另外,应该树立对各类无损检测软件的正确观念,任何软件都是依靠正确的检测方法、检测状态和在一定的适用范围限制下得到的结果。
2. 专业无损检测人员相对较少,现有无损检测设备利用率低。我国无损检测
技术经过40年的发展,虽然应用已经遍及近30个系统领域,直接从事无损检测技术方面的人员已近20万左右,但是高技术专业人员较少。目前我国的投入不比日本少,国民生产总值只有日本的三分之一左右,这主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算,我国不良品的年损失约2000亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差,影响产品进入国际市场。我们调研的几个大型机械制造企业,都拥有为数不少的无损检测设备,但由于对无损检测重要
性认识不够,专门从事无损检测的人员缺乏等因素,无损检测在生产中并未发挥其应有的作用。无损检测方面的书籍缺乏,很不利于无损检测后继人员的培养。
3. 重视对无损检测技术领域的信息技术应用。当信息技术和无损检测结合以后,人们就可以最大限度地从检测过程中获取大量信息。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。目前国内已经建立的无损检测专业网站或涉及无损检测技术范畴内容的网站的初步估算超过50个,但是专业的无损检测技术资讯综合网站少,仅有无损检测资讯网(http://www.ndtinfo.net)几家,其余网站的内容大多局限于其自身的生产经营、服务业务等,范围相对比较狭窄。重视无损检测技术领域的信息技术应用,建立无损检测各类相关技术、设备仪器等方面的专业的、综合性的资讯网站,是当前无损检测技术发展所必须的。要使超声检测的专业队伍技术水平普遇得到提高,就要认识到信息技术应用必要性。 总之,当前迫切需要解决的问题是涉及实际工程应用中亟待解决的问题,如检测方法的规范化,判伤的标准化,检测和验收标准的制订,操作步骤的程序化. 检测技术领域的信息化。另外. 应该注重对无损检测人员资格进行全国统一的培训、鉴定和考核,力争使无损检测人员的培训与国际接轨。
2. 方案确定
作为一名大学生,从自身角度出发,尽量的将所学理论知识跟实践生活所结合。从而提出几种与现实颇接近的4种方案。淡水鱼新鲜度的检测方法可以考虑:1. 感官测试法2. 用ph 方法测量淡水鱼的新鲜度3,单片机检测系统检测鱼的生物阻抗 4.超声检测淡水鱼的新鲜度。
1. 感官测试法:感官鉴别主要是通过观察鱼体表、鱼眼、鱼鳃和鱼肉质情况判断。先用手翻开鱼鳃盖骨,观察鱼鳃,如果鱼鳃呈鲜红或暗红色,鳃丝完整,无粘液或少量粘液,说明鱼新鲜度好;如果鱼鳃腐烂甚至发黑,粘液较多,并闻有腥臭和腐败的味道,说明鱼不新鲜或已变质。然后看鱼眼,眼球饱满,眼睛透明无混浊状态,表示新鲜度高;如果鱼眼凹陷,眼睛混浊,鱼就不新鲜。再就是看鱼的体表,新鲜的鱼体表有光泽,而不新鲜的鱼体表没有光泽,颜色发暗。最好用手指按鱼肉,如果鱼肉有弹性,手指不会按陷下去,说明鱼新鲜。如果手指很容易按陷到鱼肉中,说明鱼新鲜度很差,鱼已变质。
2. PH 法鉴别是采用PH 试纸测定PH 值,根据鱼肉PH 值变化情况判断其新鲜度。在化学试剂商店购买PH5.4~9.0范围精密试纸。测试时,用干净的刀横切鱼肉,将一张PH 试纸的三分之二夹在鱼肉中5分钟,或者挤压鱼肉,将PH 试纸浸入渗出液中1秒钟。取出PH 试纸与标准比色板进行比较,即可知道鱼肉PH 值。根据
鱼肉的PH 值判断鱼肉的新鲜度。新鲜鱼的PH 值为6.5~6.8,次鲜鱼的PH 值为
6.9~7.0,变质鱼的PH 值在7.1以上。另外,“试纸法”还可以用来鉴别用工业烧碱、甲醛、磷酸钠等化学药品涨发的海产品,测其PH 值都在7.1以上,有的甚至高达9以上。
3. 单片机检测系统检测鱼的生物阻抗:以鳝鱼为研究对象,在一定温度下,用四电极法测量不同贮藏时间鲍鱼鱼体的
电阻抗特性值,同时采用化学方法(半微量定氮法) 测量鱼体内挥发性盐基氮(TVBN的含量,利用所测得的TVBN 值作为鲍鱼新鲜度的评价标准,确定鲍鱼电阻抗特性值与其新鲜度之间的关系,建立基于鲍鱼电阻抗特性值的新鲜度评价指标。并以此为理论基础,设计基于生物阻抗原理的淡水鱼新鲜度的单片机检测系统。最后,利用半微量定氮法检测鱼体内的挥发性盐基氮(TVBN)的含量作为新鲜度评价标准,标定淡水鱼新鲜度单片机检测系统的精度。
4. 超声检测淡水鱼的新鲜度:通过超声检测测出淡水鱼的含水量跟超声波的衰减信号建立方程,通过含水量自身跟新鲜度自身建立模糊方程。从而测出含水量即可大概估测出淡水鱼的新鲜度。
第一种方法它能及时提供淡水鱼品质的信息,但受人员生理和心理状态的影响,具有主观性,并且在腐败初期由于产生的化合物的浓度较低而很难被感觉到。经济上考虑,它实用性强,可以用做老百姓平时借鉴的方法用于平常生活使用,但如若用作专门人员检查,消耗经费人力过大,主观性太强,偏差大,准确性不高,经济适用性不强。
第二种方法用作使用也能较准确测出淡水鱼的新鲜度。但由于淡水鱼自身所来自的水源不同,水质内含的PH 值对鱼自身也有影响。对于结果检测有一定误差,但这种方法用起来比较方便,适合实验选择。同时现今市场上出现了PH 检测仪,抛开了水质等其他因素影响,这种方法简便可行。
第三种方法以生物阻抗原理为理论基础,利用551单片机为主芯片建立便携式淡水鱼鲜度检测系统,试验结果表明该系统具有较高的性价比,能够无损、准确测量淡华中农业大学2008硕1:学位论文:基十生物阻抗的淡水鱼新鲜度单J 乍机检测系统鱼的新鲜度,正确率为90%,且检测速度快,检测成本低廉。软件部分采用了C 语言和LabVIEW 来进行模块化设计,具有简单、直观、明了的特点,可以方便地进行修改和调用。同时,该装置提供了RS232数据传输接口,为后续研究提供可靠的数据显示和保存方式,为进一步开发研究奠定基础。
第四种方法以超声检测原理为理论依据,利用 超声检测检测淡水鱼的幅值跟淡水鱼的新鲜度建立方程。试验结果(见下)表明该检测仪有较高的适用性,能够无损,准确测量淡水鱼的新鲜度。
基于上述要求,第三种,第四种方法都值得推广,第四种仍处于探索阶段,所以
能够为以后推广做出薄弱的贡献。同时为以后工业上大批量的无人检验提供一定的想法和可实现性。
超声波检测原理
超声波在被检测物料中传播时,物料的声学特性和内部组织的变化会对超声波的传播发生一定的影响,通过对超声波受影响程度和状况的探测了解物料性能和结构变化的技术称为超声检测技术。超声无损检测技术是一门涉及多种学科的综合技术。超声波技术分为两种类型。一是利用高能量超声波破坏处理对象的结构和组织,像清洗设备和管道,破坏生物细胞,影响化学反应和胶体体系的乳化等操作,这种类型超声波的特征是频率较低(不超过100kHz ),能量较高,(少达10kW )和采用连续性操作。另一类技术是利用低能量超声波对处理对象进行无损伤检测(NDT ),其特点是频率较高(介于0.1~0.2MHz),能量较低(往往小于100mW )和大多采用脉冲性操作。因为能量低,所以声波通过时不会根本改变介质的物理和化学性质。
超声技术在工业,国防,医疗卫生和环境保护等部门得到了广泛应用。在工业方面,如超声工业检测,超声工业测量,超声焊接,超声加工及超声金属成型等;在医学方面,如超声诊断和超声治疗;在环保方面,如超声杀菌,超生化学处理和超声除尘等。从20世纪80你啊你带开始超声技术在农产品品质无损检测中得到了应用。
声波通过介质时大致表现为三种形式:压缩波,表面波和初变波。在NDT 应用中,较之其他两种形式,压迫波是最重要的考虑因素。压迫波在介质中的传递是通过介质的压缩和膨胀进行的,但这种介质质点在声波作用下以原点位置为远点所发生的振荡仍服从Hook, 定律,换言之,介质的结果在声波传递过程中未发生任何根本性的破坏。
超声波检测技术最为常用的两个测量参数是通过介质的声速和振幅衰减。超声波检测技术分为连续式和脉冲式。前者操作较复杂,仪器和技术要求较高,测量精度也相应较高,主要只用在一些专门的研究场所。工业上比较实用的是脉冲式技术,其优点是操作简单,快速,易于自动化,测量精度对农产品品质检测是足够的。下面简述的测量原理即属于脉冲式技术。
(1) 声速测定 当一个平面波通过介质时超声波性质与介质的物理性质可用一
个简单的数学式关联。
k ρ ()2= (5-16) ωE
式中,k =ω/C +i α是介质的复合波数;α是衰减系数;C 是超声波在介质中的声速;w =π2f 是角频率;f 是声波频率;E 是介质的弹性模量;ρ是介
质密度
声学均匀体系(如水,分子溶液或油脂类)的衰减很小(即衰减系数),介质的物理性质E 和基本上与声速频率无关,动态和静态测量的熟知相差很小。此时,上式简化为
C 2=
E
ρ
(5-17)
所以只要测出介质的声速,即可探知介质的物理性质。 对固态介质,其弹性模量可表达为 E =K +
4
G (5-18) 3
式中,K 是体积弹性模量;G 是刚性模量。
对液态介质,由于不具有刚性和刚性很小(如凝胶),此时从式(5-17)和式(5-18)得到
C 2=
K
ρ
即声速只取决于介质的体积弹性模量和密度。在已知(可单独测取或从文献查取)的情况下,声速的测量结果可直接反映介质的内部结构。
在超声波技术中,常使用绝热压缩率表示介质的弹性和结构特点,事实上,K=1/β,故
C 2=
1
βρ
(5-19)
由于不同介质(或介质在发生物理或化学变化反应前后)的组织结构不同,其绝热压缩率亦不同,因而其物理性质和超声波性质均所有区别,所以可通过检测超声波性质的区别或变化来定性或定量检测介质的物理性质甚至分子水平的变化。图为超声波检测技术的原理。
从信号发生器产生了一个具有一定频率和振幅的脉冲电子波,在传至发送探头的同时,也送至时间计数器记录开始时间t 1,脉冲电子波在发送探头被转化为相同频率的超声机械波通过样品压缩传递,被接收探头接收并再次转化为电子波,然后送至时间计算器记录停止时间t 2,则?t =t 2-t 1即为超声波通过样品的时间。而通过样品的距离(样品厚度,或柱型容器内径)d 已预先利用已知声速的无知准确厕纸,所以声速即可求出。
在两相的界面处,声波可能通过或反射,所以在测量中往往只使用一个探头(既
作为发送,亦作为接受使用)。此时测取的是声波到达某一选定界面后再反射折回探头的时间,即C=2d/?t. 。因为移动探头的位置是十分简便的操作(也可采用自动化操作),所以这种技术的操作费极低,而且非常适于不干扰生产的在线操作。具体的体系,式(5-17)有不同的表达式,即不同体系的物理性质与声速的关系已有诸多成熟的理论描述。有的结果可以直接使用,有的需校正。具体选择时可参考文献或通过实验自己建立模型。
(2) 衰减测定 当声波通过介质时,其振幅会出现减小。几乎所有物质均不同
程度地使超声波产生这种帅加你。这种声波衰减主要是由于传递过程中声波能量发出了吸收和散射。吸收的机理可能是声能在过程中转化为成了其他形式的能量(最终成为热能0。而散射则是当声波入射到介质的一个不连续出(如分散粒子的表面或其他两相界面)时,它会被散射而偏移入射波方向。不同于吸收机理的是散射机理中的超声波的能量形式并不发生改变,但由于被散射到其他方向以及相位发生了变化,所以接收器难以检测到这些能量。通常超声波在液态介质中的吸收变现为三种基本形式:热传导,黏滞耗散和分子弛豫。这些形式均反映了介质分子水平的性质及其相互作用,所以可从衰减的程度对这些性质进行研究。在不均匀体系中散射是一种十分重要的超声波现象,体系的微结构以及许多物理性质对超声波散射有特定的英系那个,例如在胶体体系中,胶粒的数量,大笑,聚集状态及其相互间的作用等都能反映到超声波散射的现象中。农产品加工中许多体系均不同程度地存在散射,通过检测吸收和散射可以探知这些体系的性质和内部结构。 衰减系数可以表述为
A=A 0e -αd (5-20)
式中,A 为声波通过介质后检测到的振幅;A 0为初始振幅;d 为声波通过的距离。衰减系数的测量与测量声速的原理相同,只不过此时测量的参数不是时间而是在示波器上相邻回波的振幅及其变化。
三,硬件设计
1. 系统设计方案
用超声波发射器发射一定频率的超声波,超声波通过鱼体后,再用超声波接收器接收通过鱼体的超声波,接收到的超声波经滤波、放大、整形后,输入到微处理器中进行处理后,最后淡水鱼的新鲜度由显示器实时显示。通过实验我们发
现,当超声波频率为40KHz 的时候,通过新鲜度不一的淡水鱼时,超声波有明显衰减。根据超声波检测原理,以8052系列的AT89C52单片机系统为核心,开发淡水鱼新鲜度超声检测系统。其硬件结构图如下图所示。
上图为硬件原理图。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分,整个系统有微处理器控制。由超声波的发射电路发射超声波,超声波透过鱼样品,透过鱼样品的超声波被接收传感器接收并转换成电信号,再经滤波、放大、整形后,输入到微处理器的外部中端口INT0处产生中断,微处理器经过分析处理并与发射的超声波波形进行比较,最后鱼的新鲜程度由显示电路显示。
它的各部分电路说明如下。
(1)AT89C52单片机系统是核心部分,主要任务有:发出40KHz 的脉冲信号,使其频率与超声波发射器的固有频率相同,使换能器能最大效率工作。 (2)超声波发射电路作用是将40KHz 的脉冲信号驱动超声波发射传感器,发射超声波。
(3)超声波接收电路主要包括微信号放大,电压比较中断信号输出等部分。它是用来对接收的回波进行放大和整形,即将回波信号转换成单片机的中断信号。
2. 接口与存储地址的表
AT89C52单片机简介
AT89C 系列单片机是Atmel 公司牛产的一款标准型单片机,其中数字9表示内含Flash 存储器,C 表不CMOS 工艺。A T89C52是ATMEL 公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机。片内含8Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256 bytes的随机存取数据存储器( RAM),器什采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器( CPU)和FLASH 存储单兀,功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C52有PDIP 、PQFP/TQFP及PLCC 等三种封装形式,以适应不同产品
的需求。
一、主要特性 兼容MCS51指令系统
8k 可反复擦写(>1000次)Flash ROM 32个双向I/O口 256×8bit 内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断
可编程UART 串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位
低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2
个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。
VCC :电源电压。 GND:接地。
P0: P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL 逻辑门电路,对端口P0写“l ”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH 编程时,PO 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:Pl 口是一个带内部上拉电阻的8位双同I/O口,Pl 口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写“l ”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL 。
P2 口:P2 口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I 、 U ,P2 口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑电路。对端口 P2写“l ”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX A @DPTR指令) 时,P2送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器,如执行MOVXA @Ri指令) 时,P2口输出P2锁存器的内容。FLASH 编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示:端口引脚第二功能
P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INT0(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 T0(定时/计数器0) P3.5 Tl(定时/计数器l )
P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通)
此外,P3口还接收些用于FLASH 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST :复位输入。当振荡器工作时,RST 引脚出现两个机器周期以上高电
平将使单片机复位。
ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许) 输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况卜,ALE 仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用丁定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。
对Flash 存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的DO 位置位。可禁止ALE 操作。该位置位后,只有一条MOVX 和MOVC 指令才能将ALE 激活,此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE 禁止位无效。
PSEN:程序储存允许PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN 有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN 信号。
EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为OOOOH-FFFFH) ,EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LBI 被编程,复位时内部会锁存EA 端状态。
如EA 端为高电平(接Vcc 端),CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 FLASH 存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源VPP ,当然这必须是该器件是使用l2V 编程电压VPP 。
XTAL1:振荡器反相放人器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。
四.软件设计
1. 应用系统模块关系
2. 各个模块的设计
由于超声发射跟超声接受模块是简单的输入,接受数据就不需要画图了。 超声发射模块
超声波发射模块上有一个40KHz 振荡器,当有电源到达时,振荡器就产生40KHz 脉冲,同一时间,超声波发射模块上的超声波传感器就会把电子讯号转变为机械振动讯号,并向外发射。 扩展功能模块程序流程图
信号调理模块
主程序程序流程图
3. 算法研究
模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学。所谓的模糊性主要是指客观事物差异的中间过渡界线的“不分明性”。
3.1简单讲, 模型识别就是根据研究对象具有的某些特征对其进行识别并归类。如采集的植物标本识别它属于哪个纲目; 又如拨打电话号码识别对应的电话机。这种模型识别具有2个本质的特征:
1. 事先已知若干标准模型(称为标准模型库), 模型具有明显的界线; 2. 有待识别归类的对象,并且它所属的类必然是若干标准模型之一。
对于这类模型识别问题,可据模型的界线对待识别对象进行归类,是标准集对标准集的识别。 2. 模糊模型识别
模糊模型识别是指标准模型库中的模型是模糊的(模型间没有明显的界线) 。 为了解决模糊集的识别问题,需要一个度量模糊集与标准模糊集靠近程度的指标,这就是下面要介绍的隶属度和贴近度: 贴近度及其择近原则 (1)贴近度
贴近度是描述模糊集之间彼此靠近程度的指标, 是我国学者汪培庄教授提出的, 由于研究的问题不同, 贴近度也有不同的定义形式, 它的一般定义为:
~~1~~~~
设A ,B 是论域U 上的两个模糊子集,则称σ0(A , B ) =[A B +(1-A ?B )]为A 与
2
B 的贴近度。
(2)择近原则
设论域U 上有m 个模糊子集构成一个标准模型库为待识别的对象。若存在i 0 ∈
m
~
{1, 2,?,m }使得: σ0(A i 0, B ) =∨σ0(A k , B ) 待识别对象归入Ai 0类。
k =1
(3)实用贴近度
实际工作中实用的几个贴近度计算公式:
m m
~~~~~~
σ1(A , B ) ∑(A (x k ) ∧B (x k )) /∑(A (x k ) ∨B (x k ))
k =1
k =1
m m
~~~~~~
σ2(A , B ) ?2∑(A (x k ) ∧B (x k )) /∑(A (x k ) +B (x k ))
k =1
k =1
1m ~~~~
σ3(A , B ) ?1-∑(A (x k ) -B (x k ))
m k =1
论域U ={淡水鱼新鲜度},淡水鱼新鲜度可分为A 、B 、C 、D ,构成标准模型库为:X =(A,B,C,D ) 。待识别淡水鱼的新鲜度为Y , 试据贴近度判定Y 的新鲜度。 实验
通过对淡水鱼的发射超声波检测其幅值得到的数据建立模糊算法。
此次实验用的100mv 电压,频率40kHz. 将买来的活鱼,每个3小时测其幅值。从而建立淡水鱼新鲜度模型数据。 11:30 1号鱼检测
11:30 2号鱼检测
3:30 1号鱼检测
3:30 2号鱼检测
6:30 1号鱼检测
6:30 2号鱼检测
9:30 1号鱼 检测
9:30 2号鱼 检测
12:30 1号鱼检测
12:30 2号鱼检测
过了12小时后检测 1号鱼检测
12小时后的检测2号鱼检测
从上数据可以知道,从鱼各个部得到的数据变化都比较明显。可用来建立淡水鱼新鲜度标准模型数据。
2对待识别储层的识别
计算待识别淡水鱼Y 与Xi ( i =A,B,C,D)的贴近度:
σ0(Xi , Y ) (i =A,B,C,D)
若σ0(Xk , Y ) 是其中最大者, 则认为待识别淡水鱼Y 的新鲜度与Xk 相同
4. 程序源码
信号调理模块
void gatadc (unsigned char a) {
adc_oe=0; adc_st=0;/**/ adc_st=1;/**/ adc_st=0;/**/ P0=0xff; while(adc_eoc=0){;} P0=0xff; adc_oe=1; adc_data=P0; adc_oe=0; EA=1; } 新鲜度检测模块 void FFT() {
int LH,nm,i,k,j,L; double p , ps ; int le,B,ip; struct compx w,t;
LH=N/2;
nm=N-2; j=N/2;
/*变址运算*/ for(i=1;i<=nm;i++)>=nm;i++)>
}
//基2FFT 变换 for(L=1;L<=m;l++)>=m;l++)>
le=pow(2,L); B=le/2; B=pow(2,L-1); for(j=0;j<=b-1;j++)>=b-1;j++)>
p=pow(2,M-L)*j; ps=2*pp/N*p; w.imag=-sin(ps); for(i=j;i<=n-1;i=i+le)>=n-1;i=i+le)>
ip=i+B; t=EE(x[ip],w);
x[ip].real=x[i].real-t.real; x[ip].imag=x[i].imag-t.imag; x[i].real=x[i].real+t.real;
if(i j=j-k;k=k/2; t=x[j];x[j]=x[i];x[i]=t; j=j+k; w.real=cos(ps); } } } x[i].imag=x[i].imag+t.imag; //这里是直接计算功率 for(i=0;i void amp_freq_initial( unsigned short n,unsigned char flsb) { unsigned short i; unsigned short j=0; for(i=0;i amp_freq_result[i].freq=i*53200/512; amp_freq_result[i].amp=result[j]; } 扩展功能模块 void LCD12864_Wbyte(uchar byte) { uchar i; j=j+flsb; } if(i==0) { result[i]=(pow(x[i].real,2)+pow(x[i].imag,2))/P_SCALE; } else { result[i]=(pow(x[i].real,2)+pow(x[i].imag,2))*2/P_SCALE; } } /****************************************************************** 名称:uchar LCD12864_Rbyte(void) 功能:从12864读出8位数据 指令: 调用:无 返回:sdat /******************************************************************/ uchar LCD12864_Rbyte(void) { uchar i,sdat,temp1,temp2; temp1 = 0; temp2 = 0; //==========12864 的 串 行 数 据 输 出 形 式 是 D7-D6-D5-D4-0-0-0-0-D3-D2-D1-D0-0-0-0-0,故要度两个八位整合 for(i=0;i<> { temp1=temp1 < 1;="" lcd12864_sclk="0;" _nop_();="" lcd12864_sclk="1;" _nop_();="" for(i=""><> { LCD12864_SCLK = 0; byte <= 1;="" _nop_();="" lcd12864_sclk="1;" lcd12864_sclk="0;">=> LCD12864_STD = CY; _nop_(); _nop_(); _nop_(); for(i=0;i<8;i++)>8;i++)> /****************************************************************** 名称:void LCD12864_busy( void ) 功能:读忙状态 指令: 调用:LCD12864_Wbyte();LCD12864_Rbyte() 返回:无 /******************************************************************/ void LCD12864_busy( void ) { } /****************************************************************** 名称:void LCD12864_W(bit dat_com,uchar byte) do LCD12864_Wbyte( LCD12864_R_COM ); while( LCD12864_Rbyte() & 0x80 ); { temp2=temp2 < 1;="" lcd12864_sclk="0;"> LCD12864_SCLK = 1; _nop_(); LCD12864_SCLK = 0; if( LCD12864_STD ) temp2|=0x01; } LCD12864_SCLK = 0; if( LCD12864_STD ) } temp1|=0x01; _nop_(); _nop_(); sdat = ((temp1 & 0xf0)|(temp2 >> 4)); return sdat; 功能:dat_com=0写指令,dat_com=1写数据 指令: 调用:LCD12864_Wbyte();LCD12864_busy(); 返回:无 /******************************************************************/ void LCD12864_W (bit dat_com,uchar byte) { } /****************************************************************** 名称:void LCD12864_Init(void) 功能:LCD12864初始化 指令: 调用:LCD12864_W(); 返回:无 /******************************************************************/ void LCD12864_Init(void) { LCD12864_PSB = 0; //======串口工作模式 ======= LCD12864_CS = 0; LCD12864_CS = 1; _nop_(); if(dat_com == 0) temp = LCD12864_W_COM; temp = LCD12864_W_DAT; else uchar temp; _nop_(); LCD12864_busy(); LCD12864_Wbyte(temp); LCD12864_Wbyte(byte&0xf0); LCD12864_Wbyte((byte<> } LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_COM_BASIC); LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_PLACE_ROLL); LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_REST_OFF); LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_CLEAR); //脱离随眠状态, 显示打开, 关光标, 反白关. //清屏指令. LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_CURSOR_RRF); //AC自动加一,光标右 移,整体显示不移动 /****************************************************************** 名称:void LCD12864_TXT_Clear( void ) 功能:LCD12864清文本 指令: 调用:LCD12864_W(); 返回:无 /******************************************************************/ void LCD12864_TXT_Clear( void ) { 合 } /****************************************************************** 名称:void LCD12864_WPoss(uchar x,uchar y,uchar *buff) 功能:LCD12864字符位置自定义显示 指令: 调用:LCD12864_W(); 返回:无 /******************************************************************/ void LCD12864_WPoss(uchar x,uchar y,uchar *buff) { for(i=0;i<> LCD12864_W(LCD12864_DAT,0x20); //字符编码0x20是空白字符 LCD12864_W(LCD12864_COM,0x80); //AC归起始位,DDROM 起始地址 LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_COM_BASIC); //8BitMCU,基本指令集uchar i; uchar addr,i=0; switch (x) { case 0:addr=0x80;break; case 1:addr=0x90;break; case 2:addr=0x88;break; case 3:addr=0x98;break; } addr=addr+y; LCD12864_W(LCD12864_COM,LCD12864_COM_BASIC); 合 LCD12864_W(LCD12864_COM,addr); while(buff[i]!='\0') { LCD12864_W(LCD12864_DAT,buff[i++]); if(++y==16) { y=0; if(++x==4) x=0; switch (x) { case 0:addr=0x80;break; case 1:addr=0x90;break; case 2:addr=0x88;break; case 3:addr=0x98;break; } addr=addr+y; LCD12864_W(LCD12864_COM,addr); } } } //8BitMCU,基本指令集//显示在自定义位置 uchar keyscan(void)//键盘扫描函数,使用行列反转扫描法 { uchar cord_h,cord_l;//行列值 P0=0x0f; //行线输出全为0 cord_h=P0&0x0f; //读入列线值 if(cord_h!=0x0f) //先检测有无按键按下 { Delay1Ms(5); //去抖 cord_h=P0&0x0f; if(cord_h!=0x0f) { cord_h=P0&0x0f; //读入列线值 P0=cord_h|0xf0; //输出当前列线值 cord_l=P0&0xf0; //读入行线值 P0=0xf0; while(P0!=0xf0);//等待松键 switch(cord_h+cord_l) { case 0x7e:return 0;//0 case 0x7d:return 1;//1 case 0x7b:return 2;//2 case 0x77:return 3;//3 case 0xbe:return 4;//4 case 0xbd:return 5;//5 case 0xbb:return 6;//6 case 0xb7:return 7;//7 case 0xde:return 8;//8 case 0xdd:return 9;//9 case 0xd7:return 0x0b;//11 case 0xee:return 0x0c;//12 case 0xed:return 0x0d;//13 case 0xeb:return 0x0e;//14 case 0xe7:return 0x0f;//15 default:return 0xff; } } } return(0xff); // } 五,结论 本课题用了 返回该值 参考文献 题目 姓名 班级 学号 摘要:超声波检测是依靠声学量的变化来检测缺陷的,超声波检测的优点,超声波在钢管混凝土的检测上的应用。 关键词:声学量、超声波探伤仪。 超声波检测原理:超声波探伤是使超声波与被检测工件相互作用,根据超声波的反射、透射和散射的行为,对被检测的工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其应用性进行评价的一种无损检测技术。 超声波的特点: 1、超声波声束能集中在特定的方向上,在介质中沿直线传播,具有良好的指向性。 2、超声波在介质中传播过程中,会发生衰减和散射。 3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特 性,可以获得从缺陷界面反射回来的反射波,从而达到探测缺陷的目的。 4、超声波的能量比声波大得多。 5、超声波在固体中的传输损失很小,探测深度大,由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象,尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷(缺陷中有气体)或夹杂,超声波传播到金属与缺陷的界面处时,就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收,通过仪器内部的电路处理,在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件中的深度、位置和形状。 超声波探伤优点及缺点 超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害,能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观,探伤技术难度大,容易受到主客观因素影响,以及探伤结果不便于保存,超声波检测对工作表面要求平滑,要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验,使超声波探伤也具有其局限性。 超声波探伤仪的种类繁多,但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中,缺陷的存在将造成材料不连续,这种不连续往往有造成声阻抗的不一致,由反射定理我们知道,超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。 反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。 脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是A扫描式的,所谓A扫描显示方式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。譬如,在一个工件中存在一个缺陷,由于缺陷的存在,造成了缺陷和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收到,在显示器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波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。 一 HS600型数字式超声波探伤仪 1.1 本机特点 ● 手持式结构,美观、牢固、密封性能好,具超强的抗干扰能力。 ● 高亮高清晰场致显示器,具有100%的显示线性度,并具有不受环境干扰的影响。 ● 高质量的电路系统,性能稳定可靠。 ● 超高速采样,使回波显示更保真、定位更准确。 ● 高精度定量、定位、解决远距离定位误差。 ● 实时全检波,正、负检波和射频波显示。 1.2 仪器主要部件名称 1 320×256像素的高分辨率显示器 2 电源指示灯、报警指示灯 3 触摸键盘 4充电插座 5 护手带 6 打印机及通讯插座 7 Q9插座 (发射) 8 Q9插座 (接收) 9 提手 二 超声波检测的应用 超声检测常用的是无损探伤,经常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。能发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。但是,,被探测物要求形状较简单,并有一定的表面光洁度。而在大企业,大的工厂里面,为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材,一般配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。 除探伤外,超声波还可用于测定材料的厚度,其原理与脉冲回波探伤法相同,可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。 混凝土的超声波检测 1 斜测法 当混凝土被测部位只能提供两个相对或相邻测试表面时,可采用斜测法检测。检测时,将一对T、R换能器分别耦合于被测构件的两个表面,两个换能器的轴线不在同一直线上。T、R换能器可以分别布置在两个相邻表面进行丁角斜测,也可以分别布置在两个相对表面,沿垂直或水平方向斜线检测。检测混凝土梁、柱的施工接槎、修补加固混凝土结合质量和检测混凝土梁、柱的裂缝深度多采用此方法。 2 钻孔测法 对于大体积混凝土结构,由于其断面尺寸较大,如直接进行平面对测,接收到的脉冲信号很微弱,甚至无法识别首波的起始位置,不利于声学参数的读取和分析。为了缩短测试距离,提高检测灵敏度,可在结构适当的位置钻一个或多个平行于侧面的测孔;测孔的直径一般为38~45mm,测孔深度视检测需要而定。结构的侧面采用厚度振动式换能器,一般用黄油耦合,测孔中用径向振动式换能器,用清水作藕合剂。 钢管混凝土的超声波检测 为了检测与评价武汉市江汉三桥钢管混凝土灌注质量,运用超声波检测原理对其钢管混凝土拱的有关截面进行无损检测。 (1)检测目的 检测钢管混凝土的均匀性,是否存在空管、空洞等缺陷。 (2)布点原则与范围 自每桁每端拱脚起往上量15m范围内只检测上弦管和上缀板,由各桁拱顶往两 侧量30m范围内,检查上弦管和上缀板,所有检测沿拱桁长每米内(法兰盘前后各一处)检测一个截面。弦管截面要求测两条线,若做不到测线相互垂直,可以适 当偏一点,但测线必须通过圆心,缀板截面则可在80 cm宽范围内布置测线两条。钢管混凝土截面测点如图2所示 图2 参考文献 [1] 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工.北京人民交通出版社.2000 [2] 刘贵民.无损检测技术.国防工业出版社.2009.10 [3] 周永厚、高峰混凝土无损检测技术[M]1北京:中国建材工业出版社,1996 [4] 超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS21:2000)[S]1北京:中国建筑工业出版社,2000 [5] 乔林,费广正1OpenGL程序设计[M]1北京:清华大学出版社,2000 范文五:超声波检测