（精密儀器及機(jī)械專業(yè)論文）高集成度超聲相控陣檢測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究.pdfVIP

中文摘要 超聲相控陣技術(shù)是近年來無損檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過對(duì)超聲陣列換能器 中各個(gè)陣元施加獨(dú)立的相位控制，可實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。它可以靈活地采用 多種掃描方式進(jìn)行檢測，檢測速度快，靈敏度、分辨力與信噪比高，能檢測形狀 復(fù)雜的物體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來超聲相控陣檢測設(shè)備朝著高精度、 數(shù)字化、智能化以及小型化方向發(fā)展。本文基于超聲相控陣原理，針對(duì)超聲相控 陣檢測系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。 首先，根據(jù)超聲相控陣的聲場特性，對(duì)1 6 通道檢測系統(tǒng)的輻射聲場進(jìn)行仿 真研究，分析了線陣換能器的陣元尺寸及檢測角度對(duì)聲束旁瓣和柵瓣影響，得出 在實(shí)際檢測中選擇以及設(shè)計(jì)線陣換能器的原則；探討了延時(shí)精度對(duì)系統(tǒng)對(duì)比度分 辨力和空間分辨力的影響。 其次，以小型化、數(shù)字化為目標(biāo)，提出4 通道超聲相控陣檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方 案。選用高集成度的芯片搭建系統(tǒng)電路；完成4 通道超聲相控陣檢測系統(tǒng)中高壓 脈沖發(fā)射部分的調(diào)試，可通過上位機(jī)傳遞延時(shí)參數(shù)及通道切換參數(shù)給f p g a 控制 中心，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式時(shí)間延遲控制，延遲精度為2 5 n s 。 再次，根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)電源模塊，包括6 路正負(fù)雙極性高壓電源及多路低 壓電源。高壓電源主要采用b o o s t 與b u c k b o o s t 電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升壓，1 2 v 直流輸 入，可為系統(tǒng)產(chǎn)生7 5 v 方波脈沖供電。 另外，針對(duì)經(jīng)過放大、濾波及a d 變換后的回波信號(hào)，提出多路信號(hào)在f p g a 中的聲束形成方案，包括l v d s 數(shù)據(jù)接收、半帶濾波數(shù)值內(nèi)插、c i c 濾波數(shù)值抽 取以及動(dòng)態(tài)聚焦等，并通過仿真驗(yàn)證了方案的可行性。 關(guān)鍵詞：超聲相控陣線陣換能器相位延時(shí)升壓電路數(shù)字波束形成f p g a a b s t r a c t u l t r a s o n i cp h a s e da r r a y ( u p a ) t e c h n i q u eh a sr e c e n t l yb e e nh i g h l yr e c o g n i z e di n t h ef i e l do fn d t t h eb e a mf o c u s i n ga n dd e f l e c t i o nc a nb ea c h i e v e db ye x c i t i n ge a c h e l e m e n to fa nu l t r a s o n i ca r r a yt r a n s d u c e rw i t hi n d e p e n d e n tp h a s ed e l a y d i f f e r e n t k i n d so fs c a n n i n gm o d e sc a nb et a k e nf l e x i b l yf o ri n s p e c t i o n a sar e s u l t ，t h e r ea r e r e m a r k a b l ea d v a n t a g e si ni n s p e c t i o ns p e e d ，d e t e c t i o ns e n s i t i v i t y , r e s o l u t i o n ，s n ra n d a b i l i t yt oi n s p e c tc o m p o n e n t o fc o m p l e xg e o m e t r y u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni n s t r u m e n ti s b e i n gd e v e l o p e d i nt h ed i r e c t i o no fh i g h - p r e c i s i o n ，d i g i t i z a t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n d m i n i a t u r i z a t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h i st h e s i ss t u d i e st h e k e yt e c h n o l o g i e so nu p ai n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h et h e o r yo fu p a f i r s t l y , t h eu l t r a s o n i c f i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e16 - c h a n n e ll i n e a ru p aa r e s t u d i e db ys i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ef i e l dt h e o r y t h ei m p a c t so ft h es i z eo fp r o b e e l e m e n ta n di n s p e c t i o na n g l eo nt h es i d e - l o b ea n dg r i d - l o b eo fa c o u s t i cb e a ma r e a n a l y z e d ，w h i c hs u p p l i e st h ep r i n c i p l e s o fs e l e c t i n ga n dd e s i g n i n gl i n e a rp r o b e b e s i d e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e l a yp r e c i s i o na n dr e s o l u t i o ni sd i s c u s s e d s e c o n d l y , a n4 - c h a n n e lu p ai n s p e c t i o ns y s t e mp r o g r a ma i m e da tm i n i a t u r i z a t i o n a n dd i g i t i z a t i o ni sp r o p o s e d h i g h l yi n t e g r a t e dc h i p sa r es e l e c t e df o rb u i l d i n gt h e s y s t e mc i r c u i t t h ed r i v ep u l s ep a r to ft h es y s t e mi sf i n i s h e dd e b u g g i n g c h a n n e l s w i t c hp a r a m e t e r sa n dt i m ed e l a yp a r a m e t e r sc a nb et r a n s m i t t e df r o mp ct of p g a a l l - d i g i t a lc o n t r o lo ft i m ed e l a yi sa c h i e v e d t h ep r e c i s i o no fw h i c hi s2 5 n s t h i r d l y , as p e c i a lp o w e rm o d u l ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s6 - c h a n n e lp o s i t i v en e g a t i v eb i p o l a rh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y a n dm u l t i c h a n n e ll o w - v o l t a g ep o w e rs u p p l y h i g h - v o l t a g ep a r ti sd e s i g n e dw i t h b o o s ta n db u c k b o o s tc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n i tc a ns e r v et h en e e d so fg e n e r a t i n g + 7 5 vs q u a r ew a v ep u l s ef o rt h es y s t e mw i t h12 vd ci n p u t i na d d i t i o n ，am e t h o do fd i g i t a lb e a m f o r m i n gb a s e do nf p g ai sp r o p o s e d ， i n c l u d i n gl v d sd a t ar e c e p t i o n ，h a l f - b a n df i l t e ri n t e r p o l a t i o n ，c i cf i l t e rd e c i m a t i o n ， d y n a m i cf o c u s i n ga n ds oo n i ti sp r o v e df e a s i b l eb ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cp h a s e da r r a y , l i n e a rp h a s e da r r a yp r o b e ，p h a s e dd e l a y , s t e p u pc i r c u i t ，d i g i t a lb e a m f o r m i n g ，f p g a 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 番系彳， 簽字日期：夕哆年月尹同 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)墨鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：髫，孽膏 導(dǎo)師簽名 簽字同期：聲研年多月尹日 簽字同期： ， ， 刎年 | 毛a r 第一章緒論 第一章緒論 1 1 本課題的研究背景及意義 在現(xiàn)代社會(huì)，工業(yè)產(chǎn)品已深深滲透到人類工作、生活的每個(gè)角落，并帶來了 極大便利。于此同時(shí)，工業(yè)產(chǎn)品的安全性越來越受到人們的關(guān)注。如何檢測材料 的缺陷，或測定材料的某些物理量、性能、組織狀態(tài)等，同時(shí)又不對(duì)其造成損傷 是科技工作者所致力解決的領(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng)域我們稱之為無損檢測，也即n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y ) 。隨著無損檢測技術(shù)體系的發(fā)展，它已不 僅涉及成品部件的試驗(yàn)評(píng)價(jià)，也與設(shè)計(jì)、制造工藝直接相關(guān)。通過定量掌握缺陷 與強(qiáng)度的關(guān)系，評(píng)價(jià)構(gòu)件的允許負(fù)荷以及壽命；通過檢測在制造過程中產(chǎn)生的結(jié) 構(gòu)不完整性及缺陷等情況，以改善制造工藝。常用的無損檢測技術(shù)有：射線檢測 法( i 盯) 、超聲波檢測法( u t ) 、磁粉檢測法( m t ) 、滲透檢測法( p t ) 和渦流檢測法 ( e d 。 現(xiàn)代無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是從對(duì)材料的定性檢測到高精度、高分辨率的 定量檢測，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備更加準(zhǔn)確的無損評(píng)價(jià)在無損檢測領(lǐng)域，近年來的 一個(gè)研究熱點(diǎn)就是超聲相控陣檢測技術(shù)【l 】。這是一種多聲束掃描成像技術(shù)，超聲 探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，陣列的單元在發(fā)射電路激勵(lì)下以可控的相 位激發(fā)出超聲波，并使超聲聲束在確定的聲域處聚焦，超聲回波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)也 以可控的相位合成，實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測【2 】。超聲相控陣檢測技術(shù)具有如下特劇】： 超聲相控陣系統(tǒng)使用的探頭盤體積小、重量輕； 突破了傳統(tǒng)機(jī)械聚焦只能形成固定焦點(diǎn)的局限性，不需要復(fù)雜的掃查裝置， 不需要更換探頭，通過設(shè)置軟件參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)心區(qū)域的多角度、多 方向掃查，使整個(gè)檢測系統(tǒng)具有更大的靈活性； 通過對(duì)發(fā)射和接收單元的組合實(shí)現(xiàn)聲場的控制，可以在保證檢測靈敏度的 前提下實(shí)現(xiàn)高速檢測； 可掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，是解決可達(dá)性差和受空間限 制的探傷問題的最佳解決方案； 可以對(duì)焦柱長度、焦點(diǎn)尺寸、聲束方向進(jìn)行優(yōu)化控制，提高了缺陷分辨率、 信噪比及缺陷檢出率； 方向難以辨別的缺陷可檢測性增強(qiáng)，波束的聚焦增加了信噪比，在扇形掃 第一章緒論 查中，大量的a 掃數(shù)據(jù)增加了每個(gè)角度的分辨率，從而增強(qiáng)了檢出率； 完全車載作業(yè)，檢測數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)輔助檢測人員進(jìn)行分析、標(biāo)定，可節(jié) 省檢測人員的工作時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度： 適用范圍廣，能實(shí)現(xiàn)對(duì)表面為非平面及具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體的缺陷檢測； 儀器可以通過軟件的調(diào)整或升級(jí)，不斷適應(yīng)新的檢測要求。 相比傳統(tǒng)的超聲探傷儀，超聲相控陣無損檢測系統(tǒng)具有信噪比高、缺陷分辨 力強(qiáng)、有效探傷范圍寬及工作效率高等特點(diǎn)。 超聲相控陣檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在醫(yī)療領(lǐng)域有b 超儀、超聲多 普勒檢測儀等；在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用涵蓋了核電、石油化工、機(jī)械制造、國防和航 空航天工程：比如汽輪機(jī)葉片根部應(yīng)力腐蝕裂紋的檢測和定量、奧氏體小徑管焊 縫探傷、管道應(yīng)力腐蝕裂紋檢測、承壓設(shè)備對(duì)焊縫檢測、密封墊下的法蘭腐蝕檢 測、軸類工件的裂紋檢測、復(fù)合材料檢測等嶺】。 1 2 超聲相控陣無損檢測技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展來源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。早在1 9 5 9 年，t o m b r o w n 在k e l v i n 和h u g h e s 注冊(cè)了一項(xiàng)環(huán)形動(dòng)態(tài)聚焦探頭的專利，后來被稱為相 控陣。初期主要應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)超聲成像中用相控陣換能器快速移動(dòng)聲束 對(duì)被檢器官成像，利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熱t(yī)治癌癥。 由于固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性以及對(duì)多晶片探頭進(jìn)行快速激發(fā)所需的計(jì)算 能力和對(duì)掃查產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)文件處理能力的不足，早期在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用 受到一定限制。二十世紀(jì)六十年代美 w h i t t i n g t o n 和c o x 利用相控陣技術(shù)控制聲 束，檢測管道中的缺陷。b e c k e r 和c r o w ，設(shè)計(jì)了另一套相控陣系統(tǒng)，這套系統(tǒng)包 含了12 0 個(gè)發(fā)射單元，分成l6 組，能夠以4 5 度和6 0 度發(fā)射超聲1 6 j 。八十年代s t a n f o r d 大學(xué)的k i n o 和他的同事在結(jié)合孔徑聚焦理論方面的研究對(duì)相控陣的發(fā)展也有重 要意義。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，相控陣探傷儀從模擬系統(tǒng)走向了數(shù)字系統(tǒng)。加拿 大r dt e c h 公司從1 9 8 9 年開始，先后開發(fā)了5 代超聲相控陣檢測設(shè)備，其中前 面4 代產(chǎn)品采用模擬聲束合成，只有最后的o m n i s c a n 采用了數(shù)字聲束合成。1 9 9 8 年，瑞典u p p s a l a 大學(xué)s t e p i n s k it 將相控陣技術(shù)用于對(duì)核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全 自動(dòng)檢測，研發(fā)了軟件工具，可進(jìn)行b 掃成像顯示【7 】。19 9 9 年l a m a r r e 等使用相 控陣系統(tǒng)針對(duì)航空飛行器的焊縫( f s w ) 進(jìn)行檢測，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波束控制、電 子扇形掃描、電子聚焦、圖像處理和顯示，該儀器得到了美國通用航空公司的認(rèn) 定【8 1 。2 0 0 0 年，德國b a m 學(xué)院的e r h a r da 等利用相控陣系統(tǒng)的聚焦特性對(duì)奧氏體 第一章緒論 焊縫進(jìn)行檢測1 9 】。韓國s o g a n g 大學(xué)h w a n gj s 和s u n h k y u n k w a n 大學(xué)s u n g - j i n s o n g 等采用數(shù)字化技術(shù)研制了具有動(dòng)態(tài)孔徑聚焦發(fā)射及動(dòng)態(tài)聚焦接收特性的相 控陣系統(tǒng)【1 州。法國原子能委員會(huì)( c e a ) 2 0 0 0 年研制了具有1 5 m m 曲率半徑的 彎曲探頭，適用于非平面、復(fù)雜表面的物體檢測，在此基礎(chǔ)上研制了“f a u s t ” 系統(tǒng)【l2 1 。此外，c e a 還開發(fā)了c i v a 相控陣建模與仿真工具，它能處理具有復(fù)雜 幾何形狀的檢測界面、任意形狀的探頭和任意波形的激發(fā)脈沖，對(duì)工件中的聲場 分布進(jìn)行定量預(yù)測；能對(duì)各種缺陷進(jìn)行超聲波的散射分析和計(jì)算，并預(yù)測發(fā)射聲 束的聲場分布或確定來自缺陷的超聲回波的位置i 】引。另外，一些單位小型化超聲 相控陣檢測系統(tǒng)，基于v x i 網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究1 1 4 1 5 。近幾年，超聲 相控陣技術(shù)發(fā)展尤為迅速，在相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)與測試和應(yīng)用等 方面已取得一系列的進(jìn)展，如采用新的復(fù)合材料壓電換能器改善電聲性能，奧氏 體焊縫、混凝土和復(fù)合材料等的超聲相控陣檢測掣1 6 j 。r dt e c h ，s i e m e n s 及 i m a s o n i c 等公司己推出商品化的超聲相控陣檢測系統(tǒng)及相控陣換能器。而動(dòng)態(tài) 聚焦相控陣系統(tǒng)，多維陣列、自適應(yīng)聚焦相控陣系統(tǒng)，表面波及板波相控陣換能 器和基于相控陣的數(shù)字成像系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用及完善已成為研究重點(diǎn)【l7 1 。 目前，國內(nèi)在超聲相控陣技術(shù)上的研究應(yīng)用尚處于起步階段，主要集中于醫(yī) 療領(lǐng)域。在工業(yè)無損檢測上的研究主要集中于高校及科研院所。中科院聲學(xué)研究 所于2 0 0 0 年研制了超聲相控陣換能器動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)精密動(dòng)態(tài)聚焦試驗(yàn) 1 1 8 ；2 0 0 8 年，研究了凹面相控陣聚焦聲場在液固界面上的反射和折射【1 9 】。北京 航天航空大學(xué)2 0 0 2 年研究了超聲相控陣檢測成像技術(shù)在電子束焊縫檢測中的應(yīng) 用【2 0 1 。2 0 0 3 年中國石油天然氣集團(tuán)公司管道科學(xué)研究院聯(lián)合天津大學(xué)等科研單位 研制成功p w a o l 管道環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲相控陣檢測設(shè)備1 2 1 2 2 j 。清華大學(xué)側(cè)重于 相控陣在復(fù)合材料膠接層質(zhì)量評(píng)估方面的應(yīng)用，研究超聲聚焦的數(shù)字合成原理及 相位的數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)1 6 通道超聲相控陣檢測系統(tǒng)1 2 3 2 4 】；在2 0 0 6 年，研 究了超聲相控陣基于2 維陣列的3 維成像【2 5 1 。上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所聯(lián)合上海 市計(jì)算技術(shù)研究所和上海師范大學(xué)，在2 0 0 3 年研制了管道超聲相控陣檢測系統(tǒng) 側(cè)重于算法的研究和實(shí)現(xiàn)1 2 酬。上海交通大學(xué)的金建華等在國家“8 6 3 ”計(jì)劃資助 下，針對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，采用超聲相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的 缺陷檢測【27 1 。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2 0 0 8 年研制了超聲相控陣實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，通過 u s b 傳輸檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像顯利孫j 。 1 3 本研究的主要工作 雖然超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，而且檢測效果好，但是在國內(nèi)的應(yīng) 第一章緒論 用還沒有得到普及，其中重要原因是其高昂的檢測成本。目前國外已有商品化的 相控陣檢測設(shè)備出售，但其售價(jià)要上百萬人民幣，在國內(nèi)普及應(yīng)用難度較大。 課題組2 0 0 3 年參與研制的p w a 0 1 管道環(huán)焊縫超聲相控陣檢測設(shè)備，存在 著很多不足。設(shè)備包含1 2 8 個(gè)高壓脈沖發(fā)射單元，每個(gè)單元由多個(gè)元件組成，系 統(tǒng)體積龐大。此外，設(shè)備采用模擬延遲線實(shí)現(xiàn)延時(shí)，延時(shí)精度及穩(wěn)定性差，控制 不靈活。限制了設(shè)備在檢測中的進(jìn)一步推廣。 因此，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高集成度、減小體積，提高控制的靈活性以及檢測 的精度，可以減小檢測人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。同時(shí)，這對(duì)我國研制先 進(jìn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超聲相控陣檢測設(shè)備，提升無損檢測水平，也有重要意 義。 本研究主要針對(duì)工業(yè)超聲相控陣檢測設(shè)備的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。主要包括以下幾 個(gè)方面： 根據(jù)超聲相控陣的聲場特性及聲束的指向性函數(shù)，分析了1 6 通道檢測系統(tǒng) 中換能器陣元尺寸及檢測角度對(duì)波束旁瓣和柵瓣影響，得出在實(shí)際檢測中 選擇以及設(shè)計(jì)換能器的原則。另外，分析了延時(shí)精度與系統(tǒng)對(duì)比度分辨力 和空間分辨力的關(guān)系，得出延時(shí)精度與分辨力成正比，通過計(jì)算得到2 5 n s 精度下系統(tǒng)的分辨力大小。此外，推導(dǎo)了各通道延時(shí)量及動(dòng)態(tài)聚焦延時(shí)量 的計(jì)算方法。 以小型化、數(shù)字化為目標(biāo)，提出超聲相控陣檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。選用高 集成度的芯片搭建控制處理電路、脈沖發(fā)生電路及信號(hào)接收處理電路。完 成4 通道超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)的調(diào)試，可通過異步串口由上位機(jī)傳遞延時(shí) ，參數(shù)及通道切換參數(shù)給f p g a 控制中心，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式時(shí)間延遲控制，延 遲精度為2 5 n s ，控制方式靈活方便。 根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)電源模塊，包括6 路正負(fù)高壓電源及多路低壓電源。高 壓電源主要采用b o o s t 與b u c k b o o s t 電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升壓，1 2 v 直流輸入， 可為系統(tǒng)產(chǎn)生7 5 方波脈沖供電。 針對(duì)經(jīng)過放大、濾波及a d 變換后的回波信號(hào)，提出多路信號(hào)在f p g a 中 的聲束形成方案，包括l v d s 數(shù)據(jù)接收、半帶插值濾波提高采樣率、尋址 電路實(shí)現(xiàn)接收聲束信號(hào)2 5 n s 延遲、c i c 抽取濾波壓縮數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)聚焦， 并通過仿真驗(yàn)證方案的可行性。 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 超聲波是指頻率在2 k h z 至2 5 m h z 范圍的聲波。它是一種機(jī)械波，其實(shí)質(zhì) 是以應(yīng)力波( 橫波、縱波、表面波) 的形式傳遞振動(dòng)能量，其兩個(gè)必要條件是： 振動(dòng)源和能傳遞機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。超聲波具有方向性好：能量高；能在界面 上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換；穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播 特性( 聲速、衰減、反射、聲阻抗等) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量( 如密度、濃度、溫度、流 速、厚度、缺陷等) 的測定，超聲無損檢測技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的一種無損檢測技 術(shù)。探傷所用的頻率一般在0 5 1 0 m h z 之間，金屬材料檢驗(yàn)一般在1 5 m h z 之 間。 超聲波相控陣檢測技術(shù)基于超聲理論，主要涉及到幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)中的 一些基本定律和概念。如幾何聲學(xué)中的反射、折射定律及波形轉(zhuǎn)換，物理聲學(xué)中 波的疊加、干涉、衍射、及惠更斯原理等。本章主要根據(jù)這些理論分析相控陣超 聲的聲場特性，研究超聲相控陣的核心技術(shù)數(shù)字時(shí)間延遲技術(shù)。 2 1 超聲檢測應(yīng)用的理論 2 1 1 聲場特征值 超聲波傳播所涉及到的空間范圍稱為超聲場。超聲場具有一定的空間大小和 形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場的物理量即特 征值主要有聲壓、聲阻抗和聲強(qiáng)。 聲壓p 是指某一點(diǎn)有無超聲波存在時(shí)的壓強(qiáng)差。成像a 掃的波高與聲壓成 正比。 p = p c u ( 2 - 1 ) 聲阻抗z 是指聲壓與振動(dòng)速度之比。聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理 量，超聲波在兩種介質(zhì)界面上的反射和透射情況與聲阻抗緊密相關(guān)。 z = p 甜= p c( 2 2 ) 聲強(qiáng)，：單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能。超聲傳播時(shí)，能量周期性變 化；聲強(qiáng)與頻率的平方成正比，超聲聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波；同一介質(zhì)中聲強(qiáng)與聲 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 壓的平方成正比。 ，：上勱z ：三 22z厶；zo 前面3 個(gè)式子中，p 為介質(zhì)的密度，c 為介質(zhì)的聲速，“為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度。 2 1 2 聲波的反射與折射 ( 2 - 3 ) 超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)，稱反射波；一部 分能量透過界面在另一介質(zhì)中傳播，稱透射波。當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光 滑平界面時(shí)，在界面上聲能( 聲壓、聲強(qiáng)) 的分配和傳播方向的變化都將遵循一 定的規(guī)律。聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)【2 9 | 。 當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，除了產(chǎn)生與入射波同類型的反射波與折射 波以外，還會(huì)產(chǎn)生與入射波不同類型的反射波與折射波，此現(xiàn)象稱為波形轉(zhuǎn)換， 如圖2 1 所示。波形轉(zhuǎn)換只發(fā)生在斜入射的界面，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的狀態(tài)有 關(guān)。 縱渡l l 反 s 反 、 。 v 一渺 ，介質(zhì)1 岔 根據(jù)折射、反射定律： 圖2 1 波形轉(zhuǎn)換示意圖 查絲：坐墮：皇喧：三盟：里監(jiān)= = ；= - - - = = = = = q ，q ，g 。q ：g ： ( 2 4 ) 可以得到第一臨界角：嘶= a r c s i n 是，( q ： q ，；尻= 9 0 0 ) ( 2 - 5 ) 第二臨界角：口i i = a r c s i n 凈( g 2 q 1 ；屈= 9 0 。) ( 2 6 c - $ 2 一般超聲探頭產(chǎn)生縱波，波束從低聲阻抗向高聲阻抗傳播，當(dāng)入射角小于第 一臨界角時(shí)，折射波包括縱波和橫波；當(dāng)入射角大于第一臨界角并且小于第二臨 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 界角時(shí)，折射波中只有橫波；當(dāng)入射角大于第- - 1 1 每界角，則沒有折射波。因此在 超聲檢測中，超聲波垂直入射的多使用縱波檢測，傾斜入射的多使用橫波檢測。 2 2 超聲相控陣的基本理論 2 2 1 基本原理 超聲相控陣?yán)碚摶诔Ｒ?guī)超聲與惠更斯理論，它的原理是：由多個(gè)換能器陣 元排列成一定形狀構(gòu)成超聲陣列換能器，每個(gè)陣元都可以獨(dú)立發(fā)射或接收超聲 波，分別調(diào)整每個(gè)陣元發(fā)射接收的相位延遲，產(chǎn)生具有不同相位的超聲子波束 在空間疊加干涉，達(dá)到聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的效果。它的優(yōu)點(diǎn)是采用電控方式聚焦， 不僅能非常靈活、便捷地控制探頭產(chǎn)生聲束的軸線、偏轉(zhuǎn)方向、聚焦位置和焦點(diǎn) 尺寸等參數(shù)，而且精度容易保證。在無損檢測中超聲相控陣技術(shù)能提高信噪比、 檢測靈敏度及檢測效率。相控陣探頭波束發(fā)射和接收的基本法則如圖2 2 。 一叵乎砸捌頭 圖2 2 相控陣探頭波束發(fā)射和接收的基本法則 超聲陣列換能器按陣元的排列形狀，超聲相控陣換能器主要分為四類：l 維 線陣、l 維環(huán)陣、2 維線陣、2 維切割環(huán)陣。雖然幾何形狀不同，但超聲相控陣 具有共同的特點(diǎn)：作為一個(gè)單探頭，能提供高度靈活的超聲聲束，在不移動(dòng)探頭 的情況下擴(kuò)大了超聲束的掃查范圍。目前，應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的是沿著一根 軸線，陣元依次并行排列的1 維線陣，因?yàn)樗脑砗唵危瑢?shí)用性強(qiáng)。而2 維 超聲相控陣列正處于研究和探索階段，是今后的發(fā)展方向。本文的研究對(duì)象是1 維超聲相控線陣。 2 2 2 掃查方式 如果改變被激發(fā)的陣元，更改各個(gè)陣元的激勵(lì)時(shí)間，則各陣元發(fā)射的超聲波 會(huì)疊加形成新的波陣面 ，從而使發(fā)射聲束具有偏轉(zhuǎn)特性或聚焦特性。各個(gè)陣元 所遵從的延時(shí)規(guī)則，稱為聚焦法則( f o c a ll a w ) 。當(dāng)聚焦法則滿足線性關(guān)系時(shí)， 波 陷 射 缺 入 、y ? 渡 陷 射 缺 反 五時(shí)，石d 2 圖2 - 8 近場區(qū)示意圖 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 這個(gè)值為波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值的點(diǎn)至波源的距離，也稱為近場長 度( n ) 。x n 的區(qū)域，其軸線上的聲壓隨距離的增加而減小。x 3 n 時(shí)，干涉現(xiàn)象可 忽略，聲壓與距離成反比。為避免近場干涉產(chǎn)生的干擾，常規(guī)超聲需要在遠(yuǎn)場區(qū) 進(jìn)行檢測。而超聲相控陣檢測與常規(guī)超聲檢測最大的不同就是，相控陣檢測要在 近場區(qū)利用干涉來進(jìn)行檢測。超聲相控陣探頭近場長度為： 一一a 2 n 4 元 ( 2 1 2 ) 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 式中，彳為探頭陣列長度。 2 3 21 維線陣探頭聚焦聲場的聲壓 對(duì)于一個(gè)有限尺寸的矩形陣元，可以將其看作是一個(gè)面聲源，由無限多個(gè)小 面元組成。每個(gè)小面元都可以近似看作是鑲嵌在無限大障板上的活塞振動(dòng)聲源。 基于惠更斯原理，求解聲源輻射聲場的過程，實(shí)際上就是計(jì)算聲源各面元發(fā)出的 聲波到達(dá)觀察點(diǎn)時(shí)的干涉結(jié)果。因此對(duì)每個(gè)面元的聲壓進(jìn)行積分，便可求得單個(gè) 陣元聲場中的聲壓p 1 | 。 對(duì)于l 維線陣探頭，在其聲場中的一點(diǎn)的聲壓是各個(gè)陣元產(chǎn)生的聲壓的疊 加。圖2 - 9 為線陣聲場計(jì)算柱坐標(biāo)系，相控陣陣元寬度為w ，長度為，陣元間 距為d ，空間任意一點(diǎn)p 與z 軸的夾角為y ，旋轉(zhuǎn)角為西，點(diǎn)p 為點(diǎn)p 在平面x o y 上的投影。 h 獺濘t t ? 7 7 ? 拙uu 紲蚪艾 相關(guān)文獻(xiàn)己推導(dǎo)出線陣聲場中聚焦點(diǎn)的聲壓公式： # 一p c u ，絮碧絮挈 e x p ( 刪一托) 乏n - i e x p ( 爿 一砌：) ( 2 m ) 。 舯一= k d s i n7 c o s 塒一篇( - 1 ) ，肛矗 式中，j 2 = 1 ，k 為波數(shù)，k = o g c = 2 a f c = 2 r d 2 ，為超聲頻率，a 為聲波在介質(zhì)中的 波長，c 為聲波在介質(zhì)中的波速，p 為均勻或各項(xiàng)同性介質(zhì)密度，z i 為陣元的振 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 速，為焦距。 2 3 3 指向性函數(shù) 超聲輻射聲場的空間分布是由換能器的輻射特性及空間傳播特性決定的。對(duì) 均勻傳播空間，換能器一旦確定，它的聲場空間分布就確定t t 3 3 1 。為了獲得良好 的檢測效果，需要使主聲束，即聲軸為偏轉(zhuǎn)軸的聲束的聲壓最大，而在其他方向 的聲壓值最小，為此引入指向性函數(shù)d 限州。 圖2 1 0 指向性函數(shù)計(jì)算坐標(biāo)系 如圖2 1 0 所示，設(shè)換能器聲波發(fā)射表面位于x o y 平面，聲場空問位于x o z 的正半空間，主聲束在x o z 平面上。指向性函數(shù)是指距離聲源0 為，的球面上 q 點(diǎn)的聲壓幅值p ( ，：只咖) 與主聲束上距離聲源0 為r 的球面上q 點(diǎn)的聲壓幅值 p o s , 回之比，表達(dá)式如下： d ( o ，) = ( 2 - 1 4 ) 式中，風(fēng)是指主聲束偏轉(zhuǎn)角。 指向性函數(shù)實(shí)質(zhì)上表示的是聲場中距離聲源為，處的某點(diǎn)的聲壓與最大聲 壓的比值，反映了波束傳播的質(zhì)量。根據(jù)( 2 - 1 4 ) f f i 偏轉(zhuǎn)聚焦聲場聲壓公式( 2 1 3 ) ， 可得相控線陣偏轉(zhuǎn)聚焦聲場的指向性函數(shù)的表達(dá)式為： d ( o ，矽) = x w s i n 皖 五 豳( 半) d 1 ( 口，) 砬( 口，矽) ( 2 1 5 ) 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 一式中，日( 口，) = d 2 ( 口，) = s i n ( 眺1 學(xué)乞 7 r l s i n o s i n 五 s i n ( 刪薊警印 z r w s i ne c o s 矽 五 _ 一1 ， 砌d ( s i n o c o s 矽一s i n 2 ) 砌( n - 1 2 ) ，d 2c 。s 2 釀i 砌2 d 2 2 ，c o s 2 幺、 y e x p 。 j ，一 ) n = o n l f m 2 d 2c o s 2 諺k n ( n - 1 ) d ：c o s ：見 ) e x p 2 f2 ， 月= 0 【 當(dāng)旋轉(zhuǎn)角妒= 0 、戶0 0 時(shí)，可得到x o z 平面上相控線陣的指向性函數(shù)圖。大 量理論與實(shí)踐表明【3 3 州】：陣元數(shù)量多，則旁瓣小、指向性好，但相應(yīng)的探頭造 價(jià)高、儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在應(yīng)用中，大多采用1 6 通道進(jìn)行檢測，它具有比較高的 性價(jià)比。由式( 2 1 5 ) 可以看出，陣元的尺寸對(duì)指向性也有很大影響，陣元寬度對(duì) 指向性的影響如圖2 1 l 所示，通道數(shù)取1 6 ，材質(zhì)為鋼( 橫波聲速3 2 3 0 m s ) ，探 頭頻率5 m h z ，檢測偏轉(zhuǎn)角4 5 。圖中d 表示陣元間距，可見間距越小，旁瓣越 大、柵瓣越?。幌喾?，間距越大，則柵瓣越大；當(dāng)間距大于0 5 5 2 時(shí)，將產(chǎn)生柵 瓣，影響系統(tǒng)的檢測分辨力。 ( a ) d = 0 2 5 k ( b ) d = 0 弱 。1 ，。、 、廠、j仉 卸0卯 偏轉(zhuǎn)角度廣 i i n 也。：1 i ，l 卅妒 圖2 1l 不同陣元寬度的2 維指向性函數(shù) 另外，主聲束的偏向角度也影響系統(tǒng)的指向性，如圖2 1 2 所示，陣元間距 d = 0 5 5 2 。當(dāng)主聲束偏轉(zhuǎn)角大于4 5 。時(shí)，將產(chǎn)生柵瓣。因此，一般檢測都在4 5 。 范圍內(nèi)，通過增加楔塊擴(kuò)大檢測范圍。 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 壓l 矗 應(yīng)i 匿 圖2 1 2 不同偏向角的2 維指向性函數(shù) 當(dāng)f 取有限值，由式( 2 - 1 5 ) 可得空間3 維指向性甬?dāng)?shù)圖，對(duì)上面薄元間距為 o5 5 2 的1 6 通道系統(tǒng)，當(dāng)聚焦在近場長度處，其3 維指向性函數(shù)圖如圖2 1 3 所 示。 n 自 如 口： 2 一1 33 維指向性函數(shù) 綜上可知，為避免出現(xiàn)挪瓣，陣元間距相對(duì)于i 要小、偏轉(zhuǎn)角度也要小。但 在實(shí)際檢測中，要考慮檢測的深度與角度范圍，這是選擇探頭的出發(fā)點(diǎn)。對(duì)1 6 通道檢測系統(tǒng)，檢測深度，即近場長度由z 與陣元間距d 決定?？上扔蓹z測角度 求出d 與 的關(guān)系，再由近場公式( 2 - 1 2 ) 求得2 的值，進(jìn)而確定陣元間距d 。相應(yīng) 的，頻率越低，無柵瓣近場長度越長，檢測范雷大：但頻率低會(huì)影響檢測精度。 因此，在滿足檢測范圍要求的情況下盡量提高檢測頻率。另外，也并非都不允 許柵瓣的產(chǎn)生，例如對(duì)大尺寸片狀缺陷柵瓣對(duì)檢測結(jié)果的影響很小。 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 2 4 數(shù)字時(shí)間延遲技術(shù) 過去超聲成像設(shè)備如醫(yī)用b 超，大多采用l c 網(wǎng)絡(luò)組成的多抽頭延遲線直接 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行時(shí)間延遲，用電子開關(guān)來分段切換以獲得不同的延時(shí)量。這種方 式有以下缺點(diǎn)1 3 5 37 j ： 體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。模擬延遲線由l c 元器件組成，再加上為產(chǎn)生多種延 時(shí)值，必須采用延遲線陣列，系統(tǒng)十分笨重。 延時(shí)量不能精細(xì)可調(diào)，只能實(shí)現(xiàn)分段聚焦，難以實(shí)現(xiàn)各種探測對(duì)象所需的不 同掃描參數(shù)。 電氣參數(shù)難以穩(wěn)定，延時(shí)量會(huì)發(fā)生溫漂，時(shí)漂，波形容易被噪聲干擾。 而數(shù)字時(shí)間延遲則沒有上述缺點(diǎn)，它精度高、控制方便、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn) 定性好；延時(shí)值可根據(jù)不同工件的需要靈活可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工件及復(fù)雜形 狀工件的檢測，提高超聲相控陣成像質(zhì)量。 2 4 1 相控陣發(fā)射延時(shí)量計(jì)算 如圖2 1 4 所示，以檢測中心陣元為參考點(diǎn)，點(diǎn)p 為探頭的發(fā)射聚焦點(diǎn)，偏 k r i 一o | _ 婦”8 了。i 圖2 一1 4 延時(shí)量計(jì)算坐標(biāo) 轉(zhuǎn)角為0 ，聚焦深度為f 。由圖可知，第玎個(gè)陣元相對(duì)于中心陣元的延時(shí)量為： ：f-i(2-16) c 根據(jù)圖示關(guān)系，可知： ，：抓7 = 五f i 瓦i 面 ( 2 1 7 ) 式中，刀取1 ，2 ，+ _ n 2 ，胛為與探頭陣元數(shù)相關(guān)的量， 改為n + 0 5 。由上面兩式可得： 崢至二正互匭亞 陣元為偶數(shù)時(shí) ( 2 1 8 ) 第二章超聲相控陣檢測技術(shù)理論 a t 為負(fù)表示提前，為正表示滯后。若對(duì)式( 2 1 7 ) 展開成冪級(jí)數(shù)的表示形式，則 有： m 1 - n d s i n 秒+ 譬f 一型8 f 粵+ 憫3 2 2 2 iifji i ：f 一刀d s i n 口+ ( n d ) 2 c o s 20 2 f 小。( 等) 3 若刀水 用高集成度芯片搭建一個(gè)4 通道1 6 陣元的超聲相控陣檢測硬件平臺(tái)，包括 相控超聲波發(fā)射與接收單元、相控?cái)?shù)據(jù)分析處理單元和電源模塊。 為保證檢測精度及檢測靈敏度，各陣元間的相位延遲通過數(shù)字方式精確控 制，對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲精度為2 5 n s 。 為適應(yīng)不同的探頭及檢測條件，要求激發(fā)脈沖頻率、通道選擇、放大增益、 采樣頻率、激勵(lì)電壓等可以靈活控制?？蓪?shí)現(xiàn)電子掃查、扇形掃查和動(dòng)態(tài)聚 焦三種基本的掃查方式。 電源采用直流穩(wěn)壓適配器統(tǒng)一供電，高壓電源幅值可調(diào)，使用方便。 相控陣超聲發(fā)射利用了聲場的疊加干涉原理，調(diào)整饋送到各個(gè)陣元的電激勵(lì) 第三章超聲相控陣檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 信號(hào)的延時(shí)，使得各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，形成所需的聲束聚 焦和偏轉(zhuǎn)效果【4 1 1 。相位延遲是實(shí)現(xiàn)超聲相控陣技術(shù)的基本環(huán)節(jié)，在檢測當(dāng)中，需 要精確控制相位延時(shí)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦、偏轉(zhuǎn)、聲束形成等各種相控效果。 本系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：16 陣元超聲換能器陣列、超聲波發(fā)射以及超聲 回波信號(hào)接收與處理的核心電路、上位機(jī)控制與成像單元以及電源模塊。4 通道 系統(tǒng)功能示意圖如圖3 1 所示。 圖3 1 總系統(tǒng)功能示意圖 發(fā)射與接收核心電路包含高壓脈沖產(chǎn)生、通道選擇、信號(hào)放大、帶通濾波、 a d 轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)處理等部分。近幾年芯片技術(shù)日新月異，性能 與集成度都有了很大的提高。通過比對(duì)篩選，最終選取了四通道的高壓脈沖產(chǎn)生、 放大和a d 轉(zhuǎn)換芯片，8 通道的通道選擇芯片。這種高集成度芯片所需的外圍器 件也比較少，這樣可以大大縮小系統(tǒng)的體積，減小設(shè)計(jì)的難度。系統(tǒng)涉及到大量 的控制邏輯和數(shù)據(jù)傳輸與處理，f p g a 是最合適的選擇，并且它具有開發(fā)靈活， 可反復(fù)使用，開發(fā)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。 另外系統(tǒng)需要通過上位機(jī)獲取控制參數(shù)，需要向上位機(jī)傳送大量檢測數(shù)據(jù)， u s b 接口具有傳輸速度快、可熱插拔、使用方便特點(diǎn)，很適合本系統(tǒng)。不過本 文尚未完成這一部分，暫由串口代替?zhèn)鬏斂刂茀?shù)。 系統(tǒng)不僅需要多種低壓電源，對(duì)于系統(tǒng)中高壓脈沖與高壓開關(guān)，需要高壓直 流電源供電。為了減小系統(tǒng)體積，提高使用便利性，設(shè)計(jì)了一套1 2 v 直流輸入， 產(chǎn)生高低壓多路輸出的開關(guān)電源。 第三章超聲相控陣檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 3 2 高壓激勵(lì)脈沖電路 在超聲檢測中，窄脈沖激勵(lì)具有較大的帶寬，因而檢測分辨力高；寬脈沖激 勵(lì)帶寬窄，因而分辨力低。另外，激勵(lì)脈沖寬度與超聲發(fā)射能量有直接的關(guān)系【4 2 1 ， 當(dāng)激勵(lì)脈沖寬度為瓦l 為超聲換能器晶片的固有頻率) 時(shí)，換能器的發(fā)射功 率最大。當(dāng)脈沖寬度過窄，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射超聲波振幅過小，無法實(shí)現(xiàn)檢測，因此并 非脈沖越窄越好，如圖3 2 所示。 2 t s8 t s t a ) t = t s 4 2 t s8 l ( b ) - f = t s 2 ( c ) 1 = 3 t “4 ( d ) = t s 圖3 2 激勵(lì)脈沖寬度與超聲發(fā)射能量 超聲波的產(chǎn)生基于壓電效應(yīng)，激勵(lì)電壓高，超聲波振幅大，激勵(lì)電壓低，超 聲波振幅小。在超聲波檢測中，一般激勵(lì)電壓需達(dá)到1 0 0 v 以上。由上一章分析 可知，各陣元需要延時(shí)精度達(dá)到納秒級(jí)別的脈沖激勵(lì)，以保證系統(tǒng)的檢測分辨力。 傳統(tǒng)的超聲波激勵(lì)電路多采用分立的場效應(yīng)開關(guān)管加上r c 電路組成，這樣 的電路體積很大，而且其脈沖寬度很難精確控制。在本系統(tǒng)中，采用了s u p e r t e x 公司的專用超聲波窄脈沖發(fā)生芯片h v 7 4 8 來搭建脈沖發(fā)射模塊。極大地提高了 系統(tǒng)的集成度。h v 7 4 8 是一款4 通道、高速的集成高壓脈沖發(fā)生芯片，由邏輯 控制接口、邏輯電平轉(zhuǎn)換、m o s f e t 門驅(qū)動(dòng)和p 溝道小溝道m(xù) o s f e t 開關(guān)輸出 級(jí)組成。芯片采用h v c o m s 技術(shù)，功耗小，輸入電阻大，脈沖邊沿陡峭；工作 頻率可達(dá)2 0 m h z ；輸出電壓為0 7 5 v ，輸出峰值電流可達(dá)1 8 a 。門驅(qū)動(dòng)采用 與v p p 和v n n 壓差為9 v 的浮動(dòng)電源供電，這種方式不僅可省去輸出端的高壓耦 合電容，也使得p c b 布線更為容易。芯片的開關(guān)時(shí)序圖3 3 。當(dāng)邏輯控制端p l n x 為高時(shí)，輸出正高壓，當(dāng)n i n x 為高時(shí)，輸出負(fù)高壓。一對(duì)p i n x 和n i n x 可組 成雙極性高壓激勵(lì)脈沖。芯片上升時(shí)間與延遲時(shí)間均為n s 級(jí)。 第三章超聲相控陣檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 一n 門 。竺n 竺廠 圖3 - 3h v 7 4 8 控制時(shí)序圖 高壓脈沖發(fā)射電路如圖3 4 所示。在輸出端將一對(duì)p i n x 、n i n x 與高速雙二 極管芯片b a v 9 9 相接，即可輸出高達(dá)正負(fù)7 5 v 的寬度可控的窄脈沖。通過改變 芯片的高壓電源供電，可靈活控制脈沖電壓。 圖3 - 4 高壓脈沖產(chǎn)生電路 3 3 發(fā)射接收通道切換電路 相控陣換能器具有很多陣元，常見的有6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 個(gè)等。對(duì)1 6 通道6 4 陣元的檢測系統(tǒng)，即每次只使用其中相鄰的1 6 個(gè)陣元，需要且只需要使用1 6 個(gè) 脈沖激勵(lì)，通過模擬開關(guān)選擇不同的1 6 個(gè)陣元，可分時(shí)激勵(lì)換能器各陣元，減 少大量驅(qū)動(dòng)激勵(lì)單元。 模擬開關(guān)可分為低壓模擬開關(guān)和高壓模擬開關(guān)。傳統(tǒng)的通道選擇單元多采用 第三章超聲相控陣檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 低壓模擬開關(guān)選通低壓控制信號(hào)，這樣只是節(jié)省了控制管腳的使用，而不能節(jié)省 高壓脈沖產(chǎn)生單元；若使用高壓模擬開關(guān)，不僅節(jié)省了控制管腳資源，還節(jié)省了 3 4 高壓脈沖產(chǎn)生單元。對(duì)本系統(tǒng)，采用不同的方式的所需的資源區(qū)別如圖3 5 所示，圖中線上的數(shù)字表示連線的數(shù)量。采用高壓模擬開關(guān)可降低成本與減小系 統(tǒng)體積。不僅如此，換能器回波信號(hào)亦可通過同組模擬開關(guān)選擇通道，省去了接 收部分的多路模擬開關(guān)。在本系統(tǒng)中，我們采用同樣來自s u p e r t e x 公司生產(chǎn) 的h v 2 0 2 2 0 高壓模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)通道切換。 髏1 6 槽6 1 6 陣 一 兀 1 6 選4 控制信號(hào) ( b ) 使用高壓模擬開關(guān) 圖3 5 使用低壓模擬開關(guān)與高壓模擬開關(guān)的區(qū)別 h v 2 0 2 2 0 是8 通道、高壓、低電荷注入的模擬開關(guān)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖3 - 6 所示，由8 位移位寄存器，鎖存器，電平轉(zhuǎn)換和輸出開關(guān)四部分組成。 墟 圖3 - 6 模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)圖 邏輯控制端是串行輸入，伴隨輸入時(shí)鐘移進(jìn)移位寄存器，l e 控制鎖存器的 開關(guān)，當(dāng)l e 為高，鎖存開關(guān)的狀態(tài)；反之，開關(guān)狀態(tài)受邏輯控制。此開關(guān)還能 進(jìn)行串聯(lián)，組成1 6 通道，乃至更多通道的開關(guān)。通過將第一個(gè)開關(guān)的d o u t 連 接到第二個(gè)開關(guān)的d i n ，輸入數(shù)據(jù)將移進(jìn)第二個(gè)開關(guān)的