医学超声内镜中同步编码激励技术的设计与实现

为了提高医学超声内镜系统中的探测深度、分辨率及成像质量,在超声内镜成像系统中采用编码激励技术,首次将普遍用于开关电源电路设计中的"半桥"电路引入超声内镜编码激励电路.在只有正电压电源供电的情况下产生正负高压激励脉冲,利用电机转动的编码信号,设计了基于CPLD的同步编码激励电路,在保证与超声内镜主机FPGA同步的基础上,简化了超声内镜系统内信号的传递.实验中,同步编码激励电路发射的编码激励信号与理论码型一致,通过人体体模实验,获得的回波波形幅度达1.0Vpp,噪声20×10-3VPP~30×10-3Vpp,信噪比高达34 dB,波形与仿真结果一致.     

基于DDS和FPGA的数字式多脉冲激励超声检测系统设计

针对现有超声波检测系统发射脉冲单一、设计复杂等不足,设计一个以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的数字式超声检测系统。采用直接数字合成(DDS)技术,通过可编程方式控制超声波激励信号的产生。检测系统能够针对不同检测需要,灵活设置和选择不同波形、频率、脉冲宽度和脉冲数的激励信号,从而提高检测能力和适应性。试验结果表明:多脉冲激励方式能够在较低的激励电压下,获得更强的超声回波信号,实现工件内部更深范围内缺陷的有效检出。     

管道腐蚀超声波在线检测技术

提出一种用于管道在线腐蚀检测的方法,基于超声波脉冲反射法检测原理,依据超声波在介质中的传播特性,研究系统的超声波发射电路和程控放大电路。实验结果表明:发射电路产生的高压负脉冲信号能够有效激励超声探头;程控放大电路可以解决回波信号因深度增加能量衰减的问题,获得的信号达到技术要求。系统能够完成管道在线腐蚀检测的需要,具有良好的应用价值。     

一种超声手术刀推挽激励换能器的研究

设计了一种超声手术刀用的新型推挽激励换能器。它是在夹心式单晶堆压电超声换能器的经典构造基础上,把原先激励一组压电陶瓷晶片堆的方式,改为同时施加反相激励的前后两组晶堆。利用有限元方法,对该推挽激励换能器进行模态分析和频率响应分析。在相同大小的电压激励下,相对单晶堆换能器,推挽激励换能器可以获得更高的工作带宽和机电耦合系数,提高了换能器的电声转换效率。按照仿真结果加工推挽激励换能器,实现良好的动力学和电学特性,满足设计要求。     

脉冲电压信号测量系统

随着电子技术的发展,半导体开关元件的切换频率不断提高。为了检测开关元件在快速切换开关时产生的脉冲电压信号,本文讨论了窄脉冲信号检测的原理和方法,设计并实现了脉冲测量电路。该电路分别采用高速ADC和DDR2存储器进行波形采集和存储,并在FPGA中设计检测电路,通过信号同步触发的形式实现窄脉冲信号的实时检测。实验表明:系统能够有效捕获到脉宽为100纳秒级的信号,且具有较高的幅度精度以及良好的实时性。同时,预触发长度可以通过编程实现。     

一种五相Boost矩阵变换器研究

研究了矩阵变换器的控制方法,针对传统矩阵变换器"虚拟逆变部分"拓扑大多是推挽式、半桥式和全桥式结构,因而电压传输比较低的情况,提出了一种五相Boost矩阵变换器的结构。该结构整流侧采用传统的矩阵整流电路,其控制策略采用无零空间矢量调制,虚拟逆变部分则采用Boost逆变电路,该逆变电路具有升压特性,能提高矩阵变换器的电压传输比,其电压传输比可以达到1.0甚至更高。对该矩阵变换器的滑模变结构控制策略进行了研究,而且通过仿真和样机实验验证了其理论的正确性,为矩阵变换器的工业应用提供了一定的理论基础。     

电磁超声脉冲激励电路的设计

为了解决电磁超声能量转化效率较低、信号微弱的问题,设计了一种电磁超声脉冲激励电路。过零检测电路和单片机实现磁场强度与涡流激发的同步以及脉冲个数的控制;UCC3895芯片产生全桥电路的驱动信号,控制脉冲的频率和占空比;MOSFET管IRFP450构成全桥电路实现信号的功率放大。试验结果表明：该系统的稳定性好,可调节磁场强度,能有效地提高电磁超声能量转化效率。     

小管径超声波测压发射电路分析设计

超声波发射电路是超声测量系统的重要组成部分,直接影响系统的测量精度.在简单分析现有典型超声波发射电路的基础上,设计了基于电感的低功耗发射电路,通过模型分析推导出了电路产生的高压脉冲信号的表达式和模拟图型.实验表明调试后的电路可以产生幅值为668.6V、脉宽为2μs的高压脉冲信号,此信号能够有效激励超声换能器产生幅值为312.5V、脉宽为3μs的超声波.设计的电路可以广泛应用于小管径超声测压、测流、探伤中.     

脉冲反转技术在金属疲劳损伤非线性超声检测中的应用

材料性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为,从而引起超声波传播的非线性,即高频谐波的产生。研究了利用脉冲反转技术测量金属材料超声学非线性系数的实验方法和信号处理算法,发展了一套可靠的测试实验系统,在相同条件下测量了同一试样在不同输入电压下的二次谐波和基波幅度,二次谐波幅度和基波幅度的平方近似成线性关系,表明实验系统是可靠的。利用该系统进行了一组LY12铝合金疲劳试样非线性超声检测实验。实验结果表明,超声非线性系数可以表征镁合金的疲劳早期退化,脉冲反转技术能够有效提取二次谐波时域信号,增强二次谐波的幅度,抑制主要由实验系统所产生的奇次谐波分量,为材料和结构早期力学性能退化的无损检测和评价提供一种有效的方法。     

伪随机码超声扩频测距发射与接收电路设计

针对单脉冲回波方式的超声测距方法存在的缺陷,借鉴雷达中的脉冲压缩技术,介绍了基于伪随机二进制序列(m序列)的超声扩频测距实现方法。针对超声换能器带宽特性和单脉冲回波特点,对m序列参数设计及其与超声载波的调制方式作了分析。为提高超声波的作用距离,还研究了发射电路的优化设计问题。     

超声波在水中衰减的频率效应及其对脉冲回波的影响

超声波在传播中会发生幅值衰减,该衰减不仅与超声波传播的距离有关,还与超声波的频率有关。为了研究高频超声波衰减的频率效应,本文通过脉冲回波法分析脉冲超声波在水中传播反射回波的幅值和频谱变化,研究了超声波在水中传播时幅值衰减与传播距离及其与超声频率之间的关系,通过测量脉冲超声波在水中传播不同距离时的反射回波,并对其进行傅里叶变换,分析了超声波传播衰减的距离效应和频率效应。研究发现:超声波在水中的传播衰减随距离呈指数规律,且不同频率超声波的衰减系数不相同,频率越高,衰减越大,衰减的频率效应可有效解释反射法高频脉冲超声检测中回波脉冲信号的中心频率远低于换能器标称中心频率的现象。     

新型箝位式压电电机的设计研究

针对传统箝位式压电电机在谐振态下工作时,方波振动的箝位部分结构设计复杂问题,提出一种新型箝位式压电电机。该电机箝位部分与驱动部分均由同频正弦电压驱动实现正弦振动,通过定子对动子的箝位接触,实现动子单向输出运动。相较于传统箝位式压电电机和超声电机,该电机的定子结构设计无需采用模态简并,结构设计难度降低。利用有限元仿真确定定、动子结构参数,制造样机并搭建实验平台。对箝位部分分别采用正弦波与方波做激励,再对驱动部分进行波形对比,表明正弦波亦能达到预期效果。实验结果表明:准静态时,激励电压频率为250Hz、电压峰峰值Vp-p为10V时,步进距离为0.5μm,步进速度0.13mm/s;谐振态时,激励电压频率为540Hz、电压峰峰值Vp-p为70V时,步进距离为32μm,步进速度16.9mm/s;该电机可兼顾低频高分辨率和高频高速输出以实现跨尺度工作。     

一种实用的超声振动监测器

通过对大功率超声波声场及普通电压表工作原理的分析，利用普通电压表表头作为监测器可以直观地监测超声波机械振幅的相对变化，而且后续处理电路简单，仪器输出与超声振幅的平方成正比，该监测器实用，简单，可靠。     

Chirp signal matching and signal power optimization in pulse-echomode ultrasonic nondestructive testing

Chirp pulse compression is a signal correlation technique that uses frequency modulated pulses as transmitted signals. Usually, signals with linear frequency modulation are applied. They can be generated rather easily, but their spectra are not totally matched to the transfer function of ultrasonic systems. In pulse-echo mode operation, with signal duration and consequently the time-bandwidth product being critical parameters, waveforms should be applied which make full use of the available power and bandwidth resources. We report here two methods to improve the overall efficiency of an ultrasonic pulse-echo system. Transmitter signals with constant amplitude level and nonlinear frequency modulation can be generated in such a way that they are spectrally matched to the system. A formula for the calculation of such a matched nonlinear chirp signal is presented. This modulation scheme also leads to a side-lobe level reduction of the compressed pulses. The application of square wave chirps derived from sine type chirps yields an additional gain of echo signal amplitude. Moreover, the complexity of the signal generation hardware is reduced. The methods are illustrated by an example     

基于动态可变阈值的低功耗单声道气体超声波流量计

为克服气体涡轮流量计存在压损和需定期校准的缺点,研制了耐高压低功耗单声道气体超声波流量计.针对换能器因阻抗不匹配造成的回波信号质量差的问题,分析了回波信号的特征,提出了动态可变阈值和过零检测的数字信号处理方法.该方法可精准定位回波信号特征点.研制了以STM32为核心的低功耗气体超声波流量变送器.变送器采用了新的激励方式...     

基于高低压电源切换的双环恒流控制电磁流量计励磁控制系统

为了提高电磁流量计高频方波励磁性能,基于励磁恒流控制仿真分析,采用外环高低压电源切换和内环电流微调的双环励磁恒流控制方式,以保证电磁流量计高频方波励磁时一次仪表输出信号零点稳定、电源利用效率高。设计方波励磁控制系统,以实现高频方波精确励磁。仿真结果表明,高压源电压越高越有利于拓宽励磁频率范围。实验结果表明,系统在高频方波励磁时,励磁电流响应速度快且电磁流量计传感器输出信号零点稳定。     

8YSZ双层热障涂层缺陷演变与微裂纹水浸超声宏观检测

采用PASCAN-64型水浸超声设备并配合扫描电镜对8wt %Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)双层热障涂层热震过程中内部组织结构演变进行了检测。结果表明, 当超声波从垂直陶瓷层方向入射至粘结层反射所获得的回波信号影像主要反映了陶瓷层组织结构演变, 从垂直基底方向入射至粘接层/陶瓷层界面处反射所获得的回波信号影像主要反映了热生长氧化物层组织结构演变, 从垂直陶瓷层方向透射整个试片所获得的回波信号影像综合反映了整个涂层组织结构演变。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率<11%、最大横向尺寸<50 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为致密的α-Al₂O₃时, 回波信号的幅值dB<0, 反映在影像中的信号分布均匀, 表明涂层处于良好状态。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率>44%、最大横向尺寸>100 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为具有稀疏结构且厚度>5.2 μm的Cr、Co氧化物时, 回波信号的幅值dB>0的区域连接成片, 则预示着涂层即将失效或已失效。可见, 水浸超声技术能够较准确地反映热障涂层内部组织结构演变, 是一种较好的热障涂层内部缺陷的无损检测方法。     

利用非线性表面波评价材料疲劳损伤

采用非线性Rayleigh表面波检测方法,实现了不同疲劳阶段下钢试样拉伸和腐蚀疲劳损伤的测试与评价;基于楔块\换能器激发与接收声波方式,搭建非线性Rayleigh波检测系统,测量了不同激励水平下基波幅值平方与二次谐波幅值间的线性关系以及Rayleigh表面波二次谐波的累积效应;分别在拉伸载荷和腐蚀疲劳载荷下,采集非线性时域信号并进行频谱分析,测量声学非线性系数在不同疲劳阶段下变化趋势,并分析不同疲劳载荷对钢试样声学非线性系数的影响。实验结果表明:超声非线性系数与疲劳周期数呈单调递增关系,可以用声学非线性系数来表征材料的表面疲劳损伤程度;相比较周期性拉伸疲劳损伤,腐蚀疲劳试样的声学非线性系数会增大,是由于腐蚀环境会加重实验中钢试样的疲劳损伤程度。研究成果可为疲劳损伤无损检测与评价提供一定的指导意义。