基于FPGA和USB的多通道超声检测系统设计

针对单通道超声检测设备检测效率低、数据传输慢的问题,设计了一种基于FPGA及USB的多通道超声检测系统。FPGA逻辑控制模块为系统的核心处理单元,完成各通道脉冲触发信号和门选信号的产生、通道间的切换、数模转换的选择及USB芯片控制;USB芯片在Slave FIFO模式下完成系统指令及数据的高速传输。实验结果表明,利用FPGA与USB器件能够保证多通道超声检测系统高效、稳定的工作。     

基于多FPGA的超声相控阵数字波束形成器设计

随着超声相控阵技术的发展,其系统往往不仅支持的可同时工作的通道数量越来越多,而且回波数字化频率也越来越高,这将使得超声相控阵检测系统在运行中产生需要实时处理与实时传输的海量回波数据,给系统的数字接收波束形成器设计带来了挑战。为此,设计并实现一种基于多硬件处理核心的两级结构的数字波束形成器:一方面,波束形成器的硬件处理核心采用多个现场可编程逻辑门阵列(Field programmable gate array,FPGA)来实现多通道海量的回波数据处理,并且硬件处理核心间通过专用机制保证可靠地同步;另一方面,引入高速串行总线来保证多硬件处理核心间的高速海量回波数据的实时传输。结果表明该设计能够满足64通道、200 MSPS数字化频率下的实时数字波束形成实现。     

数字化超声自动检测系统研究

讨论超声检测数字化的特点,建立以多通道超声卡为核心的检测模型。结合五轴超声检测机器人,对控制系统进行运动学分析,给出曲面检测探头相对基础连杆坐标系的转换矩阵。在超声检测系统中引入超声数据可视化的概念,并从几何方法、颜色方法以及准三维成像等几个方面进行详细分析。     

基于FPGA的高分辨超声快速扫描成像系统研制

针对超声C扫描成像系统步进式扫描方式速度慢的缺点,研制了一套基于FPGA技术的超声快速扫描成像系统,实现超声换能器在扫描平台连续运动过程中回波信号的快速采集与传输。系统将高精度点聚焦超声显微测试平台和FPGA硬件化信号采集和处理技术相结合,采用FPGA技术进行数位信号的高速采集和处理,利用幅值法和时间法进行回波信号特征值提取,实现了超声快速扫描成像。利用该系统分别对特制试件幅值法和时间法的成像分辨率进行分析;并对硬币和电子封装芯片进行扫描成像测试。结果表明,系统扫描速度快,检测结果直观,成像分辨率高,横纵向分辨力可达50μm,不仅可实现快速清晰成像,而且可进行微小结构的检测,为材料内部缺陷快速检测成像奠定了基础。     

基于盲反卷积和参数化模型的超声参数估计

在超声检测中,往往需要获得传播时间(TOF)、回波个数、中心频率、幅值等全面的信息,来综合评判缺陷的位置、大小和类型。通过建立多回波的卷积模型和参数化模型,给出一种结合最小熵盲反卷积(MED)和期望值最大(EM)算法思想的超声回波参数估计方法。首先基于卷积模型,采用最小熵反卷积,实现了重叠多回波信号的有效分离;再基于参数化模型和所获取的回波个数,给出了基于期望值最大算法思想的参数估计算法;最终实现了重叠多回波超声信号TOF、回波个数、中心频率、幅值等参数的精确估计。仿真和实验验证了该方法的有效性和优点。     

小径厚壁钢管超声探伤系统设计研究

针对壁厚与外径比大于0.2的小径厚壁无缝钢管提出了一种基于超声波检测的缺陷检测系统,完成了系统的硬件和软件设计,同时为提高系统缺陷的识别效率和准确度,通过分析小径厚壁钢管超声自动探伤系统干扰来源和传播途径,利用改进小波阈值去噪方法来去除混回波信号中的噪声提高回波信号信噪比。实验证明,超声探伤系统能够实现小径厚壁钢管的缺陷检测,小波阈值降噪法可有效去除混在超声回波信号中的各种噪声,大大提高回波信号信噪比。     

电磁超声全向导波换能器辐射控制方法研究

针对传统电磁超声全向导波换能器因导波内、外辐射致使检测回波信号复杂及信噪比低的问题,设计了一种新型电磁 超声全向导波换能器(OUT-EMAT)结构,研究了换能器双线圈结构参数、双激励源控制方法,实现了导波辐射强度与方向控制。 根据电磁超声全向换能器理论,建立波动位移叠加的数学模型,并对设计的 OUT-EMAT 性能进行仿真计算及实验。 研究结果 表明:与传统全向 EMAT 相比,OUT-EMAT 内、外辐射导波强度之比由 1 ∶ 1变为 2 ∶ 9;其外辐射导波强度增加了 100% ,内辐射导 波强度抑制了 55. 6% ;增强了检测回波信噪比,降低了信号复杂度,提高了裂纹缺陷定位准确度;为有效识别裂纹缺陷提供了一 种新方法,对实际工程应用具有指导意义。     

基于超声参数化和熵模型的汽车焊点质量识别

汽车焊点的超声波检测过程中,超声回波为非稳态信号,特征不易提取,同时焊点缺陷类型众多,导致汽车焊点质量的自动判定与识别比较困难。因此,提出一种基于超声信号参数化和判别熵模型的汽车焊点质量智能识别方法。通过建立汽车焊点超声回波信号的参数化模型,再基于EM算法思想,提出多回波超声信号的特征参数估计算法。根据提取的超声信号时频特征值,结合判别熵对特征值的有效性进行监督,提取最优特征值子集,最终实现汽车焊点质量类型的智能识别。焊点的实际检测结果验证了方法的有效性和识别的准确性。     

自适应滤波在不锈钢超声检测上的应用

介绍了奥氏体不锈钢在超声检测中具有检测难度大,信噪比低的缺点,给出了超声检测系统的软硬件总体构成,包括以计算机为核心,利用FPGA强大逻辑处理能力,实现超声检测信号的发射接收,采集处理,数据存储、显示和输出等。为了有效解决在强噪声背景下提取微弱超声信号的问题,设计了一种易于软硬件实现的基于LMS自适应算法的改进型滤波器。实验结果表明,该滤波器能更有效抑制强噪声,提取有效弱信号,并能进一步提高自适应滤波器的鲁棒性、收敛速度和检测精度。     

基于小波变换的超声到达时刻检测

针对目前超声到达时刻的测量精度不高,提出了一种基于小波变换的超声到达时刻的检测方法。采用DSP技术,以TMS320VC5402作为控制芯片简化硬件设计,提高数据处理能力;进行信号有效范围检验,A/D采集超声回波数据,利用小波变换方法对超声波回波信号进行去噪处理;提出了基于能量阈值法的基峰确定的过零检测方法,精确计算超声波传输时间。实验表明,该方法能够实现ns级精度的检测,为超声测距、气体流量及浓度检测、压力检测等超声检测提供一种高精度的实时性的检测方法。     

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。     

基于伪随机序列自相关的多传感器测距系统

针对单脉冲回拨方式的超声测距方法存在抗干扰能力差和不能全方位检测环境信息等缺陷,开发了一种多传感器测距系统。该多传感器超声测距系统基于伪随机序列自相关原理,通过对发射信号和回波信号进行相关运算精确的捕捉其相位差来计算渡越时间。以现场可编程门阵列(FPGA)为核心器件,结合超声回波的特点设计了能抑制和隔离电路中噪声的回波微弱信号接收电路、多路模数转换电路和相应的软件系统;提出了适用于该系统的误差校正方法。FPGA仿真结果表明,在误码存在的情况下,设计的基于自相关的回波信号识别系统可以很准确的消除超声串扰和计算出渡越时间。     

归一化循环相关超声回波时延估计

传统超声回波时延估计算法是在高斯噪声背景下展开研究的,而实际工况中超声回波不仅含有高斯噪声,还含有脉冲冲击噪声(α稳定分布噪声)等,这导致传统算法失效。为了解决上述问题,本文提出了一种针对混合噪声特别是包含噪声背景下的超声回波时延估计算法:归一化循环相关时延估计算法。首先,对归一化循环相关算法理论进行了简要的介绍。接着,对归一化循环相关时延估计算法进行了理论推导分析。然后,结合仿真分析,在相同α混合噪声情况下对传统循环相关和归一化循环相关时延估计进行比较。最后,在不同信噪比下,对归一化循环相关时延估计算法的估计性能进行了分析。通过对比实验发现,在噪声特征指数趋于1时,循环相关算法已不能估计出时延,而归一化循环相关算法的误差仍能保持在0.4μs;且在-10dB信噪比下,归一化循环相关算法时延估计也能保持在10μs误差范围内。本文所提归一化循环相关算法在混合噪声特别是包含α噪声情况下能够对超声回波时延进行精确估计,具有传统算法所不能比拟的优势。     

基于超声波的窄缝深度检测系统

提出了利用超声波扩散性进行矩形窄缝深度测量的原理,并在此基础上设计了以MSP430为控制核心的窄缝深度测量系统.该系统利用超声波的发射和接收完成矩形窄缝上下表面回波的识别,实现了矩形窄缝深度的测量.实验结果表明:利用超声波声束的扩散性可以实现矩形窄缝深度的测量,设计的窄缝深度测试系统成本低廉,窄缝深度在1m内变化的测量精度可达到cm数量级,为特定环境条件下矩形窄缝深度测量提供了一种新的解决方案.     

界面因素对机械结合面超声传播的影响

利用超声脉冲回波法可以测量机械结合面间的压力分布，但是其测量精度受界面接触条件的影响，如压力加载历史、表面粗糙度、接触介质等。根据超声在接触界面的传播机制，分析得到接触界面回波能量系数与界面接触压力之间的关系模型；搭建室内超声检测系统，加工不同粗糙度的接触表面，准备不同的润滑介质，对不同接触条件的试件进行压力加载试验，得到结合面回波能量系数随压力变化的曲线。结果表明：首次加载过程所得曲线明显区别于后几次加载，随循环次数的增加，所得曲线逐渐趋于重合；相同接触压力下，接触表面粗糙度越大，回波能量系数越大；相同接触压力下，接触介质的物质属性不同以及与不同粗糙度的表面相互作用时，回波能量系数有所不同。研究表明，载荷加载历史、接触表面形貌及接触介质都是影响超声在接触界面传播的主要因素，研究结果对结合面接触应力分布的准确测量具有参考价值。     

核电用节流管伺服调压阀控制系统研究

介绍了节流管调控式调压阀用低功率高精度控制系统,包括系统原理与组成、以PLC为中枢的控制系统、软件设计和调试试验等,该控制系统功率低,控制精度高,可靠性好,满足核电用节流管伺服调压阀的使用要求。     

金属材料小缺陷超声反射信号建模及识别

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明:两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。     

基于PIC18F4431的逆变电源控制系统

为获得设定频率与电压的优质正弦交流电,设计了一种以Microchip Technology公司生产的PIC18F4431单片机为核心的逆变电源控制系统。该电源以220 V、50 Hz交流电压为输入,通过整流和逆变组合电路,来实现逆变。硬件设计采用了自举式浮充驱动电路、基于真有效值转换芯片的检测电路、RCD缓冲电路,并给出了硬件设计原理图。软件设计采用单极性等面积脉宽调制(PWM)法调制、采样、中断的方式进行稳压调节,并给出了软件流程图。实验结果表明该逆变电源数字化控制方案切实可行、稳压特性好、成本低、精度高,并已成功应用于多种设备。     

Identification of gas-liquid two-phase flow patterns in a horizontal pipe based on ultrasonic echoes and RBF neural network

This paper proposes a novel flow pattern identification method using ultrasonic echo signals within the pipe wall. A two-dimensional acoustic pressure numerical model is established to investigate the ultrasonic pulse transmission behavior between the wall-gas and wall-liquid interface. Experiments were also carried out at a horizontal air-water two-phase flow loop to measure the ultrasonic echo pulse signals of stratified flow, slug flow, and annular flow. It is interesting to find that the attenuation of the ultrasonic pulse at the wall-liquid interface is faster than the attenuation at the wall-gas interface. An RBF neural network is constructed for online flow pattern identification. The normalized envelop area and the area ratios of the echo spectrum are selected as the input parameters. The results show that the stratified flow, slug flow, and annular flow can be identified with an accuracy of 94.0%.     

基于超声透射时差法的金属棒缺陷检测研究

本文提出了一种基于超声透射时差法检测缺陷的方法。首先对超声探头的声场特性分析研究,完成回波信号的转换和调理;然后控制时间数字转换器,得到回波信号的时差值;将采集到的不同时差值进行算法分析,并用数字信息量化出缺陷值,最终转化为可视的二维数据图。通过设计的系统对黄铜棒进行缺陷检测,采集的回波信号时差值的分辨率可达125 ps,缺陷测量误差小于±0.01 mm,径向和轴向分辨率可达0.007°,最大测量直径30 mm。实验结果表明缺陷检测系统具有较高的稳定性、可靠性和灵敏度。