超声相控阵缺陷检测系统设计与应用

摘要

超声检测（UT）是工业无损检测的常用手段，而超声相控阵技术是该领域的重要研究方向。与传统超声检测相比，超声相控阵具有检测效率更高、信噪比更好、分辨力更强等显著优势，并且能够对复杂几何形状的工件进行检测。超声相控阵的关键技术包括超声延时激发、波束形成、多通道高速同步信号采集与处理、成像算法等等。如今，超声相控阵检测设备正向着更高集成度、更优成像算法、更强检测能力，更智能化的方向发展。
　　本文首先从理论上介绍了超声相控阵检测技术的基本原理、延时法则计算、成像算法，为自行设计超声相控阵检测系统奠定了理论基础。其次从硬件设计角度介绍了本课题所设计的64通道超声相控阵检测系统，包括超声换能器阵列的激发电路、高压电源设计、处理超声信号的模拟前端电路、FPGA数据采集与USB数据传输方案。本文所设计的系统最大支持64路发射控制，16路同步回波采集；最高采样率65Msps，采样深度4096点；发射电压0～90V可调，通道间延时范围0～2μs，延时精度2ns。另外还介绍了可提高性能的硬件改进方案。再次，从USB固件、FPGA程序设计、上位机LabVIEW程序设计三个方面介绍了系统软件设计，主要以状态转移图和流程图的形式说明系统工作过程。最后，对本课题设计的检测系统进行了调试与验证，检测了实际试块上的缺陷。另外，本文还提出了一种基于超声相控线阵的全聚焦缺陷三维成像方法，并且通过实验证明了其可行性。

目录

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第1章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2超声相控阵检测技术研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 超声相控阵检测技术简介

2.1超声相控阵缺陷检测原理

2.2线阵辐射声场理论

2.3声束形成

2.4超声相控阵成像技术

2.5本章小结

第3章 超声相控阵检测系统硬件设计

3.1硬件系统总体设计

3.2模拟前端设计

3.3 FPGA硬件设计

3.4电源与背板设计

3.5高压电源设计

3.6可用于改进的新设计

3.7 本章小结

第4章 超声相控阵检测系统软件设计

4.1 USB固件程序设计

4.2 FPGA程序设计

4.3 用户软件设计

4.4 本章小结

第5章 系统调试与应用

5.1高频模拟小信号采集试验

5.2发射试验

5.3 64通道实测

5.4基于超声相控线阵的全聚焦缺陷三维成像

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢