基于FPGA的超聲波束成型器的研究.pdf

1、超聲檢測(cè)信號(hào)由超聲換能器及其激勵(lì)信號(hào)共同決定。因此，除探頭本身外，激勵(lì)信號(hào)的類型與特性對(duì)超聲檢測(cè)也有明顯的影響。由于被檢測(cè)工件種類各異，缺陷類型及檢測(cè)深度不一，往往需要不同的檢測(cè)波形，要實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)技術(shù)的一體化就要求超聲檢測(cè)系統(tǒng)可以隨需求發(fā)射不同頻率、不同脈寬、不同個(gè)數(shù)以及不同類型的激勵(lì)脈沖。為此，本文設(shè)計(jì)了一種具備多種波形輸出功能（單脈沖、正弦脈沖串、調(diào)頻信號(hào)、時(shí)域窗調(diào)制包絡(luò)）的數(shù)控超聲波束成型器，以滿足各主要超聲檢測(cè)方式下對(duì)超聲發(fā)射

2、波形提出的不同要求。
　　為設(shè)計(jì)超聲波束成型器，本文對(duì)探頭響應(yīng)的等效模型及響應(yīng)特性做了研究分析，通過MATLAB仿真，對(duì)比了超聲探頭對(duì)各種典型激勵(lì)信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)，分析不同檢測(cè)材料、檢測(cè)方法下，要實(shí)現(xiàn)最佳檢測(cè)所需要的波形。
　　根據(jù)波形需求分析結(jié)果，設(shè)計(jì)的超聲波束成型器有4個(gè)功能模塊:常見脈沖切換模塊、正弦脈沖串產(chǎn)生模塊、調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、時(shí)域窗調(diào)制包絡(luò)產(chǎn)生模塊。本文根據(jù)直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)輸出波形頻率與相

3、位可控，可任意波形輸出等突出特點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控超聲波束成型器的軟、硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，并在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中加入MSP430模塊以簡(jiǎn)化控制電路，單片機(jī)與FPGA之間的通信則通過UART協(xié)議串口通信電路來實(shí)現(xiàn)。
　　同時(shí)，本文對(duì)超聲波束成型器做了兩方面的測(cè)試:
　　其一是對(duì)超聲波束成型器的各項(xiàng)基本功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析;其二是進(jìn)行相關(guān)超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的超聲波

4、束成型器具有單脈沖、正弦脈沖串、調(diào)頻信號(hào)、時(shí)域窗調(diào)制信號(hào)四類波形輸出功能，頻率輸出范圍在0～10MHz，調(diào)頻分辨率＜1Hz，脈沖重復(fù)頻率0Hz～10kHz范圍內(nèi)可調(diào)，時(shí)域窗類型可選、脈沖串脈沖連續(xù)個(gè)數(shù)可控。
　　研究對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　方波等寬帶窄脈沖縱向分辨率優(yōu)于調(diào)制信號(hào)，但回波信號(hào)振蕩時(shí)間更長(zhǎng)，當(dāng)檢測(cè)細(xì)裂紋或小缺陷時(shí)，以采用高頻單脈沖信號(hào)為宜;提高脈沖連續(xù)輸出個(gè)數(shù)可增強(qiáng)回波信號(hào)能量。當(dāng)檢測(cè)缺陷較深或檢測(cè)工件衰減較大時(shí)