伪随机序列超声测距系统及FPGA实现

超声测距系统中多路换能器同时工作存在的超声串扰会导致错误的测量和降低系统的工作效率.为了消除串扰,采用二进制频移键控调制(FSK)构造每个超声换能器的编码激励发射序列;结合超声回波信号模型,给出了超声回波信号的解调算法;设计了一种只用异或和加法的并行数字相关技术的回波序列识别和渡越时间捕获器,它能够抑制超声串扰和误码,显著减少数据处理时间和FPGA资源.FPGA仿真结果表明伪随机码(PRBS)可用于消除实时超声测距系统的串扰.     

超声测距系统设计

设计了一种基于单片机的单脉冲反射式超声测距系统,该系统以空气中超声波的传播速度为确定务件,利用反射超声波测量待测距离;提出了系统的总体构成,设计了系统发射、接收、检测部分的电路,基于渡越时间法设计了测距软件;最后给出了实验结果及误差分析.     

基于FPGA的电磁超声测厚仪

为了改善测厚系统抗干扰能力、降低系统复杂度、提高测量效率,研制了一种基于FPGA的电磁超声测厚仪。设计了基于FPGA的回波信号处理模块,实现了电磁超声回波信号的实时处理;采用SOPC技术,增强了软件灵活性,简化了系统硬件电路。实验结果表明:该测厚仪具有无需声耦合剂、抗干扰能力强、检测效率较高等特点,分辨力可达0.1 mm.     

一种高精度解包络超声波测距方法

基于超声波渡越时间法的测距原理,提出一种新的渡越时间处理方法。采用三段式正反向交替的瞬态脉冲激励方式,得到具有振动反向的过渡谷点特征的超声接收信号。对该信号进行移动正弦拟合,提取出包络曲线,并通过包络曲线上找过渡谷点,根据过渡谷点的位置与实际距离之间的线性关系,计算测量距离。介绍了以单片机实现该方法的超声测距系统。结果表明:采用这种测距处理方法可以明显提升测量精度,在3～800 mm范围内测量精度优于1 mm。     

自具补偿互相关超声测距系统设计

结合超声波回波特性和互相关算法原理,设计了一套测距系统以降低超声测距的误差。使用QuartusⅡ软件和FPGA控制2套相同的测距装置,一组测量声速,作为另一组距离测量装置的补偿数据。根据FPGA的特性设计互相关算法模块,完成声波飞行时间的处理,并调整FPGA内部结构简化算法模块。测量结果表明,在不使用补偿传感器的情况下,所设计的测距系统在0～1 500 mm的范围内,测距的绝对误差为±4 mm,相对误差低至0.2%。     

超声波流量计中相关时差法的应用

介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法.系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度.极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性.采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度.实验表明该系统测量精度高,实时性好.     

超声波测距系统的研究及其硬件设计

基于对现有超声波测距技术的分析比较,文中提出一种具有较高测距精度的测距方法和硬件实现。通过超声波信号包络线上2个阈值点拟合出的直线求得回波前沿时间。由于测距精度同时受限于硬件电路的稳定与处理效果,在此基础上设计了一种基于单电源的信号处理电路。该电路由INA826前级处理电路、Fliege滤波电路、PGA116程控放大电路、包络线检测电路以及双阈值电路构成。实验结果表明该电路的波形处理效果好,且相比双电源系统更加节能。     

基于FPGA技术的新型相控阵驱动电路

近年来,结构损伤中超声相控阵检测技术正逐渐成为国际无损检测领域的研究热点之一.由于目前超声相控阵驱动电路中大多采用脉冲信号的激励方式,驱动信号的强度难以控制,缺陷处回波的有效信号不够突出,使得相控阵检测的分辨率较低.针对这一问题,提出了一种基于FPGA技术的新型超声相控阵驱动电路,该驱动电路利用FPGA片上丰富的逻辑资源以及其编程的灵活性,实现了任意波形信号的激励,并且依据超声波在材料中的衰减规律,通过在片上构建强度控制算法实现了缺陷处应力波等强度的目的,从而提高了缺陷检测的分辨率和信噪比.系统主要包括激励信号生成模块、强度程序控制模块以及高频功放模块.最终通过实验,验证了系统的可行性.     

高噪声背景下超声信号数字处理技术研究

实现高噪声背景下超声回波信号的可靠识别在工程实际中非常重要。本文对高噪声背景下的超声测距信号进行了傅里叶频谱分析和成分分析， 在此基础上确定了频率滤波的滤波范围，并进行了滤波处理。提出了用自相关技术实现高噪声背景下超声回波信号识别的方法，建立了相应的数学模型，给出了理论分析和实验结果。     

基于峰值校准超声波测距的研究

为了消除超声回波的起伏误差,提高超声测距的准确度.在分析了超声测距系统的信号放大相移误差和幅度起伏误差的基础上,提出了采用固定放大器的闭环增益和回波峰值校准技术消除了信号放大的相移误差和幅度起伏误差的方法,并采用数字电位器实现系统的自动增益控制,改善了回波信号的质量.结果表明:该方法提高了系统测距的稳定性和准确度.     

超声波传输时间精密测量方法及应用研究

根据超声波回波信号是一个变幅周期性信号这一特点,提出一种用数字细分来精密测量超声波传输时间的方法,阐明了超声波换能器驱动电路原理及利用FPGA电路和高分辨率A/D电路通过高频采样来实现这一方法的原理,并采用该方法和电路设计了超声波流量计。指出超声波传输时间测量的分辨率取决于超声波信号的频率和A/D电路的分辨率,为保证测量精度,应尽可能采用较高的采样频率。超声波传输时间的测量综合了全部回波信号采样数据,有很好的可靠性和很强的抗干扰能力。     

FPGA-based High-precision Measurement Algorithm for the Ultrasonic Echo Time of Flight

Based on the evaluation of advantages and disadvantages of high-precision digital time interval measuring algorithms, and combined with the principle of the typical time-difference ultrasonic flow measurement,the requirements far the measurement of echo time of flight put forward by the ultrasonic flow measurement are an-alyzed.A new high-precision time interval measurement algorithm is presented, which combines the pulse counting method with the phase delay interpolation. The pulse counting method is used to ensure a large dynamic measuring range, and a double-edge triggering counter is designed to improve the accuracy and reduce the counting quantiza-tion error.The phase delay interpolation is used to reduce the quanti-zation error of pulse counting for further improving the time measure-ment resolution.Test data show that the system for the measurement of the ultrasonic echo time of flight based on this algorithm and im-plemented on an Field Programmable Gate Array(FPGA) needs a rel-atively short time for measurement,and has a measurement error of less than 105 ps.     

石油钻井中超声相控阵井壁成像检测技术研究*

针对石油钻井中井壁成像的现状,在对柱面线性相控阵(Cylindrical linear phased array,CLPA)换能器辐射声场研究的基础上进行换能器的参数优化和选择,设计并制作了一种基于CLPA换能器的井下超声相控阵井壁成像检测系统。该系统包括声系短节、电路短节和地面系统等,声系短节由CLPA换能器组成,避免了常规声系中探头绕井轴的机械旋转方式,电路短节由高集成度的发射接收模块和基于FPGA+DSP架构的数字信号处理模块组成,完成对井壁回波信号幅度和到时信息的提取,最终实现实时高效的井壁成像显示。利用该系统在试验井中对存在不同尺寸缺陷的套管进行现场测试,结果表明：该系统对套管井的成像结果能够反映缺陷的基本位置及尺寸等信息,具有良好的成像效果。     

超声波测距系统中的小波去噪方法研究

针对远距离超声波测距系统中回波信号信噪比低的问题,采用小波变换对超声波的回波信号进行去噪处理。为取得较好的去噪效果,对小波变换的参数选取进行了研究。根据小波基的特性,通过能量与能量熵选取最优小波基;基于回波信号噪声的白噪声特征,采用白噪声检验自适应确定分解层数;引入参考噪声信号,确定小波系数处理阈值,并选用一种结合软、硬阈值函数的改进阈值函数进行小波系数处理。为验证方法的有效性,搭建基于NI数据采集卡和LabVIEW的超声回波信号采集平台,利用MATLAB小波工具包完成回波信号的去噪处理,并通过信噪比、均方根误差等指标对去噪效果进行综合评判。实验表明小波去噪可以达到很好的去噪效果,为大量程超声测距提供理论基础。     

管道导波时反聚焦检测系统的设计与实现

在分析管道中超声导波时反聚焦原理的基础上,设计并实现了一套适合激励压电换能器阵列,并对管道中超声导波能量在缺陷处进行时间-空间聚焦的时反聚焦检测系统.该系统实现的关键技术为:改进DDS( direct digital synthesis)结构,实现脉冲激励电路对时反特征信号进行合成发射;采用脉冲方式,实现小体积大输出功率的宽带线性功放电路;通过时反聚焦检测过程,实现管道中超声导波能量在缺陷处的时间-空间聚焦.采用该系统进行八通道时反聚焦检测实验,其结果表明,对于所用的含缺陷的管道而言,在特定的检测条件下,缺陷回波信号的幅值相对常规检测可提高246％,并且很好地抑制了导波的频散和多模态特性,提高了回波信号的信噪比.     

超声换能器阵列的多路激发电路设计

设计了一种应用DDS技术的多路超声相控阵列激发电路，该电路可以产生任意波形的激励信号。同时还利用FPGA设计了相控阵的相位延时数字逻辑电路，利用该电路可以方便的实现高精度的相位延时。经实验室验证，该电路成功的达到了设计要求。     

PIC单片机在超声波测距系统中的应用

介绍了一种基于PIC单片机的避障机器人超声波测距系统，该系统通过测量输出脉冲宽度（即发射与接收超声波的时间间隔）来测量障碍物与避障机器人之间的距离，从而控制机器人电机的停、转，达到对机器人的自动控制。并对实验结果进行了分析，基本可以达到实际应用的目的。该系统包括门控电路、放大电路及信号筛选、整形电路，具有硬件简单、工作可靠、测距误差小等特点。     

基于Laguerre滤波的超声波流量计降噪方法研究

针对气体超声波流量计利用过零检测定位波形脉冲时的干扰因素,以及计算系统对数据处理实时性的要求,对基于Laguerre滤波的递归最小二乘（RLS）降噪算法进行了研究,实现了在处理速度与稳定性上的折中。为信号后处理提供了理想的波形,避免了波形失真导致脉冲漏检、零位判断错误等误差因素的产生,给出了实时性强、波形定位准确、系统稳定性和抗干扰性能良好的气体超声流量计信号处理算法。研究结果表明,基于此算法的气体超声波流量计经检验具备2级精度。     

基于激光超声体波的轨头内部缺陷检测方法研究

激光超声检测技术具有非接触、宽带宽和高分辨率的特点,针对常规超声对钢轨轨头内部核伤微小缺陷不敏感、定位定量检测难的问题,本文基于激光超声体波散射和衍射原理,提出了模态转换反射波和衍射波飞行时间的缺陷定位定量检测计算模型。通过COMSOL仿真建立了超声体波与内部缺陷相互作用的二维有限元模型,分析了钢轨内部缺陷处超声体波波模式转换状态,验证了定位及定量方法的可行性。其次,搭建了固定扫查激光超声实验检测系统,对不同埋藏深度和不同直径的孔缺陷进行B扫实验。实验结果表明,激光超声检测技术能有效的检测钢轨内部微小孔缺陷,基于所提出的计算模型和检测方法,对钢轨内部缺陷检测的定位相对误差在6%之内,定量相对误差在9%之内。     

新型嵌入式超声波测距系统

为了增大超声波发射功率和准确接收回波信号,在分析超声波测距误差原因和考虑软、硬件成本的基础上,提出了一种以C8051F320微控制器、反激变换器和专用集成电路PW0268为核心器件的超声波测距系统及其硬件和软件的设计方法。系统中还集成了声速的温度补偿、串行输出和LCD显示等功能,能实时修正超声速度和显示测量值。实验结果表明,该超声波测距系统具有测量数据准确,线性度高、重复性好、迟滞小、成本低等优点,可广泛应用于工业中非接触测距场所。