基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

为了实现水下超声成像系统中超声信号的相控阵发射,提出并设计了一种基于FPGA的超声相控阵发射系统。分析了相控聚焦的发射原理,利用FPGA丰富的I/O引脚和内部逻辑资源实现了八通道超声相控阵激励信号的发射,并设计了信号调理电路对激励信号进行D/A转换及放大,以有效驱动压电换能器。通过实验测试表明,该系统可以实现超声信号的相控聚焦发射,相控延时精度达到2.5 ns,发射信号稳定,系统集成度高,可以应用于水下超声成像的实现。     

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.     

矩阵换能器超声三维成像方法研究*

针对常规超声检测难以直观地显示被检对象缺陷的形状及走向等问题,开展矩阵换能器超声三维成像方法研究。超声三维成像技术具有直观显示被测对象内部缺陷三维特征的优点,基于矩阵换能器的超声三维成像方法具有扫查速度快、分辨率高等优点,是当前超声三维成像技术的研究热点。本文介绍了矩阵换能器体扫查原理及其控制方法;提出了矩阵换能器体扫查时三维体数据采集方法和数据融合算法;基于矩阵换能器和相控阵板卡系统对铝标样等试样进行了体扫查检测实验,采用等值面和体绘制两种算法对缺陷进行三维成像,并对单一缺陷进行了定量分析,定量精度较高。研究结果表明,矩阵换能器超声三维成像方法能够表征缺陷的三维形貌特征,在无需移动换能器的情况下便可实现缺陷三维检测,是超声三维检测的有效方法。     

缺陷散射对相控阵超声全聚焦成像的影响研究

相控阵超声全聚焦成像充分利用了检测信号,具有成像精度高、可进行缺陷识别等特点,是未来最具应用前景的相控阵成像算法之一。然而,目前相控阵超声全聚焦成像仍不能实现缺陷的高分辨率成像,无法对缺陷进行准确的定性、定量分析。为此,采用有限元仿真相控阵传感器的全阵列采集(FMC)过程,在全矩阵数据的基础上设计全聚焦成像程序,对圆孔和裂纹两种典型缺陷进行TFM成像,研究典型缺陷的TFM成像规律,从缺陷散射的角度分析影响相控阵超声全聚焦成像的因素。结果表明,实际检测中相控阵超声传感器只能接收到缺陷的部分散射信息,而相控阵超声在缺陷处的散射场分布与缺陷的类型、尺寸、角度及入射波类型、入射角度等因素有关,因此能否接收到缺陷散射的主要能量是影响全聚焦成像精度的关键。     

基于虚拟聚焦的板结构兰姆波换能器阵列检测方法研究

针对板结构大范围无损检测问题,发展一种基于软件虚拟聚焦的兰姆波换能器阵列检测方法,即基于相控阵中等相位叠加原理,在无需相位控制硬件系统条件下,通过对换能器阵列接收数据进行软件处理,实现换能器阵列声束的指向聚焦.利用仿真数据,研究阵列直径、阵元数量、声束数量等对虚拟聚焦成像周向分辨率和旁瓣噪声的影响,得出检测结果无明显旁瓣噪声所需要满足的条件为阵元间距应小于检测兰姆波的半波长.基于数值仿真处理结果,进行电磁声换能器阵列兰姆波检测试验研究.结果表明,在选择合适的阵列直径、阵元数量、声束数量的条件下,通过对换能器阵列检测信号进行虚拟聚焦处理,可以实现板结构任意方向特征体(如边界)的识别和缺陷检测.     

相控阵多普勒测流仪发射机电路设计

在相控阵多普勒测流仪系统中,发射机是不可或缺的一部分,直接影响到电信号转化为声信号的效率和声信号在水中的传输距离。传统的水下声纳发射机一般采用C类功率放大器,其存在效率低、体积大、功率低及易损坏等缺陷,针对以上出现的问题,开展了对发射机原理及技术指标要求的分析,结合现代音响功放的经验与设计方法,将数字音频功率放大技术应用到水声发射机中,设计了一种高稳定性、高效率的发射机电路,使相控阵换能器与功率放大电路的阻抗得到了很好匹配。实验调试结果表明,该设计达到了发射机功率输出最大化目的,提高了相控阵多普勒测流仪整体性能,能够满足相控阵多普勒测流仪产品化要求。     

相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展

相控阵超声后处理成像技术采用离线计算的方式对超声回波数据进行分析,实现缺陷的成像及评价,与基于实时成像的常规相控阵超声检测技术相比,成像更清晰,缺陷表征能力更强。近年来,相控阵超声后处理成像技术逐渐成为研究热点,国内外相关学者相继建立全聚焦成像、向量全聚焦成像、波数域成像和时间反转成像等一系列基于全矩阵数据的后处理成像算法,检测精度及缺陷表征尺寸极限取得了很大突破。为此,从全矩阵数据的基础理论出发,介绍基于虚拟聚焦思想和频域反演思想的相控阵超声后处理典型成像算法的基本原理、技术特点、研究进展及应用现状,总结当前发展存在的问题和不足,预测相控阵后处理成像技术的未来发展。     

自聚焦线阵声场特征和检测应用

相控阵超声技术近些年发展迅速,并被广泛应用于工业无损检测领域,但采用线阵换能器检测时,存在阵元长轴方向检测分辨力较差的问题。针对传统线阵换能器无法在阵元长轴方向聚焦的问题,提出采用自聚焦线阵换能器检测,可同时在阵元长轴和短轴方向获得较好检测分辨力。针对自聚焦线阵换能器声场计算方法和分布特征开展研究,发展了非近轴近似高斯声束叠加方法来计算自聚焦线阵辐射声场,为验证该方法的有效性,与瑞利积分数值方法进行精度和效率比较。进一步,利用上述理论方法来对比分析传统线阵和自聚焦线阵焦点强度、焦点尺寸和焦柱长度等参数随偏转角度变化的分布特征。对圆柱形工件进行检测,结果表明自聚焦线阵换能器可以检测出普通线阵换能器难以检测出轴向缺陷。理论和试验结果表明所提出的非近轴近似高斯声束叠加方法可以较准确地计算自聚焦线阵辐射声场,同时自聚焦线阵换能器对轴向和环向缺陷的检测灵敏度均较高。     

基于FPGA和以太网的超声相控阵发射系统研究

为了实现水下超声成像系统中超声信号的相控发射和高速实时的数据传输,设计了一种超声相控阵发射系统。分析了超声相控聚焦原理以及UDP通信协议,利用FPGA和以太网实现了数据的高速传输和32通道超声相控阵激励信号的发射,并设计了高压脉冲发射电路来驱动超声换能器。实验表明,该系统可以高速实时传输数据,实现了相控聚焦发射并且延时精度达到了1.25 ns,发射信号稳定,可以应用于水下物体的实时成像的实现。     

接管焊缝超声相控阵多模全聚焦检测技术

接管角焊缝是承压设备的关键部位,也是易于出现危害性缺陷的薄弱环节,因此,针对该薄弱区域的定期检测非常重要。相对于传统超声无损检测,超声相控阵全聚焦对焊缝内部缺陷的定位和定量具有优势。提出了一种针对焊缝内部缺陷的超声相控阵全聚焦方法,将多模成像方法应用于小口径接管焊缝的缺陷检测,实现对焊缝内部缺陷的有效检出。同时,根据检测对象的实际尺寸,通过智能算法计算声束入射参数,选择最佳成像区域,获得了一种有效区域多模融合成像方法。试验结果表明,本方法可检出直径为0.53 mm的角焊缝内部气孔缺陷,相对于单视图成像和普通超声能够有效提高缺陷定量和定位的准确性。     

基于超声复解析信号的碳纤维层压复合材料检测方法研究

采用超声波检测碳纤维层压复合材料时,换能器将接收到层间产生的反射信号。为了有效利用层间反射信号表征碳纤维层压复合材料内部树脂及纤维铺层的几何状态,开展基于超声复解析信号的检测方法研究。介绍超声复解析信号的基本理论,阐述其相对原始A型信号的优势;定义用于成像的复解析信号表征参量,设计基于表征参量的检测成像算法,采用简化声学模型分析碳纤维层压复合材料微观结构超声响应对表征参量的影响;针对包含冲击损伤的碳纤维增强复合材料层压板开展阵列超声检测试验,试验结果表明基于超声复解析信号的检测成像方法可清晰观测出碳纤维层压复合材料微观结构内部的纤维铺层几何形态,基于原始A型信号的检测成像方法无法有效观测,超声复解析信号具有用于表征评价复合材料脱层、褶皱等缺陷的巨大潜力。     

A Parametric Study of Beam Steering for Ultrasonic Linear Phased Array Transducer

All the parameters of a linear phased array may affect the performance and cost of the ultrasonic inspection system. The characteristic of the acoustic field for an array transducer is the most important factor whether the echo information of the inspected area in a specimen can be obtained and utilized effectively, and it is the main basis of designing a phased array. A mathematical model was presented to simulate the characteristic of an acoustic field radiated from an ultrasonic linear phased array on the basis of Huygens' principle. Based on the model, the beam directivity function can be obtained, and the effects of inter-element spacing, number of elements, element width, and transducer center frequency on beam directivity and steerability in a linear phased array transducer are systematically discussed.     

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。     

复合材料曲面构件缺陷超声三维成像方法

针对目前复合材料曲面结构缺陷检测技术存在的检测结果不直观、效率低等问题,提出一种基于超声相控阵的缺陷三维成像方法。使用三维激光扫描仪获取曲面的点云模型,通过平行截面法规划检测路径,然后使用相控阵轮式探头采集超声图像数据。利用均匀三次B样条函数拟合检测路径与曲面,根据扫查步长和图像序列关系计算超声图像数据点的空间位置以生成超声点云集。最后利用体素化降采样方法对超声检测结果进行重建,实现复合材料内部缺陷的三维成像。实验结果表明,本文方法的缺陷成像结果与CT检测结果的平均误差为1.14 mm,能够快速准确地重建缺陷的位置、形状与尺寸信息,实现复合材料曲面样件内部缺陷的精确表征。     

超声波远距离振动信号检测系统的设计

在机械设备状态监测与故障诊断中,振动信号是一个重要的状态参量。本文针对压电式、电涡流传感器等常规的振动测量方法和仪器在特殊环境中的局限性,提出了基于超声波的非接触式检测方法,研究并设计了系统检测装置。该检测装置主要由超声波发生模块、超声波接收模块和基于LabVIEW的数据采集/处理3个部分组成,利用该装置对振动对象进行远距离测量,并同时用传统测量仪器(电涡流位移传感器)作对照实验,得到较理想的检测结果,验证了该超声波振动检测装置的有效性和可行性。     

地脚螺栓相控阵柱面超声导波换能器的设计及应用

设计了一种用于地脚螺栓缺陷检测及腐蚀评估的相控阵超声导波换能器,通过对换能器阵列型式、阵元个数、频率、晶片尺寸的合理设计,可以有效避免螺纹反射回波的干扰,提高信噪比和缺陷检测结果的可靠性,并通过检测案例进行了验证.     

基于超声相控阵技术的粘接性能检测研究

介绍超声相控阵技术的基本原理、特点及换能器的分类。通过研制的超声相控阵检测系统对复合材料的粘接性能实现检测,说明了超声相控阵技术在检测复合材料粘接性能上的应用及前景。     

基于水下超声成像分时复用数据采集系统的设计

利用压阻式水声传感器采集超声回波信号,通过行共用电源线,列共用信号线的方式将水声传感器组成成像阵列.使用MAX4617八选一高速模拟开关控制每个传感器与采集电路的通断,从而实现采集电路的分时复用功能.利用AD6655采集数据,FPGA作为模拟开关和采集电路的时序控制器,异步FIFO作为采集数据传送给EZ-USB的缓冲器,EZ-USB单片机负责任务的协调,并把数据打包上传给计算机.初步测试了传感器与采集通道的开关时延特性,以及分时采集样本与原始声信号吻合程度,实验结果证明系统能够完成水声传感阵列的实时数据采集任务.