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《西安石油大学》 2016年
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基于STM32的超声智能检测系统研究

赵雷  
【摘要】:石油天然气长输管道由于长期运行的原因,往往都存在腐蚀、变形等损伤,严重时还会造成管道的泄露甚至发生重大生产事故,因此定期对管道进行检查是保障其安全运营维护的重要措施。超声检测作为五大常规检测技术之一,广泛应用于石油管道探伤、材料测厚、航空航天无损检测等诸多领域,但传统的模拟探伤仪存在着精度不高、不能存储等缺点。针对上述问题,本论文以超声脉冲反射探伤理论为基础,借助ARM嵌入式系统和虚拟仪器的强大功能,设计了一套数字化超声智能检测装置。本系统采用模块化设计方案,方便系统功能的改进升级,且便于系统维护。首先根据超声波基本原理对系统方案进行了设计,完成了硬件电路的设计并对其可行性进行了仿真验证,实现进行信号发射与接收的实验装置,具体内容和成果主要体现在以下几方面:第一部分依据超声检测的原理对超声智能检测系统方案进行了设计,完成系统核心器件的选型及软件平台的选择。选用STM32作为主控芯片,不仅性价比高、功耗低,还具有诸多接口,可以实现对系统后期的拓展,提高了系统的灵活性;采用LabVIEW设计上位机软件,其程序设计简单,可以减少系统的开发周期以及成本。通过将STM32和LabVIEW有机结合,提高了系统的智能仪器化程度。第二部分主要完成了发射电路、接收电路以及电源的设计。发射电路采用MOSFET作为电路的核心,使用STM32产生触发信号,经驱动光耦隔离后驱动MOSFET使发射电路产生高压脉冲信号,以此激励超声波换能器产生超声波。信号接收电路设计完成了回波信号的限幅、放大、滤波以及采样等功能,接收电路中都选用了低噪声、低漂移、高精度、高可靠性的集成电路芯片以保证系统的可靠性。电源设计主要包括高压电源和芯片供电电源的设计:以UC3845为核心设计了反激式高压电源,为发射电路提供高压信号;芯片供电电压通过设计LM2596S-3.3、LM2596S-5.0及极性转换器电路得到。第三部分完成了系统软件的设计开发,其中包括STM32主程序以及LabVIEW上位机应用软件等。实现了STM32与LabVIEW之间的通信,完成了上位机系统检测和DAC曲线拟合的程序设计。最后对整个超声智能检测系统的电路进行了调试,依次对各个电路的进行了测试,研究了不同的参数以及不同信号对超声检测电路的影响,实验结果表明系统达到了预期的设计目标。
【关键词】:超声波 无损检测 STM32 串口通信 LabVIEW
【学位授予单位】:西安石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE973.6;TB559
【目录】:
  • 摘要3-4
  • ABSTRACT4-8
  • 第一章 绪论8-14
  • 1.1 超声无损检测的研究背景8-9
  • 1.2 国内外管道检测技术的发展9-11
  • 1.2.1 国外超声检测技术发展现状9-10
  • 1.2.2 国内超声检测技术发展趋势10-11
  • 1.3 研究的目的和意义11-12
  • 1.4 论文的主要结构12-14
  • 第二章 超声检测系统原理及方案设计14-23
  • 2.1 超声检测系统简介14-15
  • 2.2 超声检测相关技术15-16
  • 2.2.1 超声波特点15
  • 2.2.2 超声场中的基本物理量15-16
  • 2.3 超声场的结构16-17
  • 2.3.1 指向特性及其声压分布16-17
  • 2.3.2 超声波的反射与折射17
  • 2.4 超声检测的分类17-20
  • 2.4.1 脉冲反射法18-19
  • 2.4.2 脉冲穿透法19
  • 2.4.3 共振法19-20
  • 2.5 脉冲反射式超声检测装置20-22
  • 2.6 超声智能检测系统总方案的设计22
  • 2.7 本章小结22-23
  • 第三章 超声智能检测硬件系统设计23-40
  • 3.1 控制芯片的选型23-24
  • 3.2 超声检测硬件系统概述24
  • 3.3 超声波发射模块24-27
  • 3.3.1 超声波换能器24-26
  • 3.3.2 超声波发射电路26-27
  • 3.4 信号接收电路的设计27-37
  • 3.4.1 信号调理电路27-31
  • 3.4.2 带通滤波电路设计31-34
  • 3.4.3 A/D采样电路的设计34-35
  • 3.4.4 FIFO缓存电路35-36
  • 3.4.5 硬件电路的工作时序36-37
  • 3.5 辅助供电系统的设计37-38
  • 3.6 STM32外围电路38-39
  • 3.6.1 RS232串口电路38-39
  • 3.6.2 JTAG电路和复位电路39
  • 3.7 本章小结39-40
  • 第四章 超声波智能检测软件系统的设计与开发40-51
  • 4.1 STM32的程序设计40-42
  • 4.2 LabVIEW相关技术42-45
  • 4.2.1 VI组成43-44
  • 4.2.2 VI的设计44-45
  • 4.3 LabVIEW的软件编程45-50
  • 4.3.1 串口通信45-46
  • 4.3.2 LabVIEW中相关性测量46-48
  • 4.3.3 幅度—距离波幅曲线(DAC)48-50
  • 4.4 本章小结50-51
  • 第五章 超声智能检测系统实验结果与分析51-54
  • 5.1 发射部分的实验结果51-52
  • 5.1.1 高压电路51
  • 5.1.2 驱动电路51-52
  • 5.1.3 高压发射电路52
  • 5.2 接收电路实验结果52-53
  • 5.2.1 阻尼限幅电路52-53
  • 5.2.2 前置放大电路53
  • 5.3 本章小结53-54
  • 第六章 总结与展望54-55
  • 6.1 总结54
  • 6.2 展望54-55
  • 致谢55-56
  • 参考文献56-59
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及获奖情况59-60

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