超声相控阵检测系统接收装置的设计

摘要

超声相控阵检测技术是近年来无损检测领域研究的热点之一，可实现在不移动或少移动换能器的情况下对机械结构及材料的损伤进行高速、全方位多角度的快速扫查，是解决结构损伤检测可达性差和空间限制问题的有效手段。国内研究大多局限于声场理论的探讨和对国外产品的仿制，缺少新的检测技术、检测方法以及检测系统设计方面的研究。在超声相控阵接收装置方面几乎都未考虑等强度控制。同时，国内现有的接收装置都是采用上位机进行算法运算，下位机执行相应控制指令，上下位机通过总线进行通信的设计方式。这种方式的缺点是成本高、系统庞大、集成度低，便携性和实时性较差。
　　 本文对超声相控阵检测系统接收装置进行了以下研究：第一，介绍了超声相控阵检测原理及其关键技术，以及超声波传播过程中的衰减规律；第二，重点对超声相控阵延时接收算法与等强度接收算法进行了详细分析，建立相应的数学模型，将DSP Builder软件应用到算法的实现当中，编写了延时接收算法和等强度接收算法的VHDL语言程序，并通过实验数据验证了程序的正确性；第三，设计了8通道超声相控阵检测系统接收装置的各部分硬件电路，制作了接收装置数据采集卡；第四，以QuartusⅡ软件为开发平台，选择A1tera公司CycloneⅡ系列FPGA芯片作为装置的主控芯片，采用模块化设计方式运用VHDL语言设计和编写了接收装置各部分控制程序，并进行了时序与功能仿真，将延时接收算法程序和等强度接收算法程序与系统各部分控制程序下载至一块FPGA芯片中，实现算法与控制的单片集成，脱离了上位机，大大地缩小装置总体积，提高便携性和运算速率。
　　 最后，通过示波器、信号发生器、PC机等工具测试了整个接收装置，证明其工作良好，设计达到了预期效果，为进一步深入研究打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景与意义

1.3超声相控阵无损检测技术的发展与研究现状

1.3.1超声相控阵无损检测技术的发展

1.3.2超声相控阵无损检测技术国外研究现状

1.3.3超声相控阵无损检测技术国内研究现状

1.4本课题的主要研究工作

1.5论文章节安排

第二章超声相控阵检测技术理论与关键技术

2.1超声波探伤基本原理

2.1.1超声波声学基础

2.1.2超声波无损检测方法

2.2超声相控阵技术原理

2.2.1相控发射与接收

2.2.2相控超声衰减

2.3超声相控阵检测关键技术

2.3.1阵列换能器(Array Transducer)

2.3.2多通道超声发射/接收系统

2.4本章小结

第三章超声相控阵延时接收与等强度接收算法

3.1延时接收算法

3.2等强度接收算法

3.3本章小结

第四章超声相控阵接收装置硬件设计

4.1接收装置总体设计

4.2采集卡硬件电路设计

4.2.1程控放大电路

4.2.2带通滤波电路

4.2.3 A/D模数转换电路

4.2.4 D/A数模转换电路

4.2.5电源电路

4.2.6程控放大器与D/A转换器的连接与调试

4.3本章小结

第五章接收装置FPGA主控芯片设计

5.1 FPGA及其开发流程

5.1.1 FPGA及Quartus Ⅱ软件介绍

5.1.2 FPGA开发流程

5.2 FPGA主控芯片功能模块构成

5.3 FPGA主控芯片功能模块设计

5.3.1基于DSP Builder的延时接收算法的实现

5.3.2基于DSP Builder的等强度接收算法的实现

5.3.3 PLL时钟管理模块设计

5.3.4数据缓冲模块(FIFO)设计

5.3.5延时缓存模块设计

5.3.6延时控制模块设计

5.3.7 A/D、D/A芯片控制模块设计

5.4本章小结

第六章超声相控阵接收装置的验证实验

6.1延时接收与等强度接收算法程序的验证

6.1.1延时接收算法程序的验证

6.1.2等强度接收算法程序的验证

6.2超声相控阵接收装置数据采集实验

6.2.1实验目的与过程

6.2.2 SignalTap Ⅱ逻辑分析仪简介

6.2.3实验结果

6.3超声相控阵接收装置数据延时实验

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

致 谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文及参与的科研项目