CN103575806B - 低功耗超声相控阵收发装置 - Google Patents

Abstract

一种低功耗超声相控阵收发装置，包括：波束接收模块、波束发射模块及FPGA模块，FPGA模块内置波束控制单元及时序控制单元；时序控制单元在上电后控制波束发射模块与波束接收模块先后交替工作。本发明采用以FPGA模块作为状态机的方式向波束发射模块和波束接收模块分别输出两种不同的状态信号，在上电完成这一条件实现后控制波束发射模块工作并停止波束接收模块工作，完成发射后又控制波束接收模块工作并停止波束发射模块工作，实现了波束发射模块与波束接收模块在交替工作，保证了波束发射模块与波束接收模块不存在闲置工作的时间段，能够最大化的减小元件的能耗，极适合应用在便携式超声无损探伤仪内。

Description

低功耗超声相控阵收发装置

技术领域

本发明涉及超声波无损探伤技术领域，具体涉及一种低功耗超声相控阵收发装置，尤其是应用在便携式超声无损探伤仪内的超声相控阵的收发装置。

背景技术

超声波检测技术是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

现有的超声检测技术已作为一种成熟的无损检测技术被广泛的应用到了工业领域，尤其是在航空航天及管道运输等领域，针对管道运输等野外山区恶劣环境下的元件检测来说，现有的工业探伤仪由于体积大、结构复杂、不宜携带等原因不再适用，因此，便携式超声无损探伤仪渐渐出现在该领域内，由于便携式超声无损探伤仪需要满足随身携带，便于操作的特点，因此其供电电源由独立电源供电，而功耗过高也成了现有便携式无损探伤仪所面临的问题。

发明内容

本发明提供一种低功耗超声相控阵收发装置，能够解决上述问题。

本发明实施例提供的一种低功耗超声相控阵收发装置，包括：波束接收模块、波束发射模块及FPGA模块，FPGA模块内置波束控制单元及时序控制单元；其中，波束发射模块用于接收到所述波束控制单元的触发信号后通过超声相控阵探头向被测物体发射超声波，波束接收模块用于通过超声相控阵探头接收被测物体反射波后形成回波信号并将该回波信号传输至FPGA模块内的波束控制单元；时序控制单元用于在上电后控制波束发射模块与波束接收模块先后交替工作，并在完成超声波发射接收过程后控制波束发射模块与波束接收模块均停止工作。

优选地，所述波束接收模块包括：依次连接的前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元，前置放大单元连接至超声相控阵探头，A/D转换单元连接至波束控制单元；时序控制单元分别连接前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元，并控制前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元同时工作或同时停止工作。

优选地，FPGA模块内置一电压控制单元，该电压控制单元通过一D/A转换单元连接至可变增益放大单元。

优选地，FPGA模块内的波束控制单元将接收到的回波信号传输至后端处理模块。

上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用以FPGA模块作为状态机的方式向波束发射模块和波束接收模块分别输出两种不同的状态信号，在上电完成这一条件实现后控制波束发射模块工作并停止波束接收模块工作，完成发射后又控制波束接收模块工作并停止波束发射模块工作，实现了波束发射模块与波束接收模块在交替工作，保证了波束发射模块与波束接收模块不存在闲置工作的时间段，因此，能够最大化的减小元件的能耗，极适合应用在便携式超声无损探伤仪内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中低功耗超声相控阵收发装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本发明实施例提供一种低功耗超声相控阵收发装置，如图1所示，包括：波束接收模块、波束发射模块及FPGA模块，FPGA模块内置波束控制单元及时序控制单元；波束发射模块用于接收到所述波束控制单元的触发信号后通过超声相控阵探头向被测物体发射超声波，波束接收模块用于通过超声相控阵探头接收被测物体反射波后形成回波信号并将该回波信号传输至FPGA模块内的波束控制单元；时序控制单元用于在上电后控制波束发射模块与波束接收模块先后交替工作，并在完成超声波发射接收过程后控制波束发射模块与波束接收模块均停止工作。

本发明实施例中波束发射模块是实现相控阵扫描的重要组成部分，在实际应用中波束发射模块与波束接收模块集成在一块电路板上，分别与超声相控阵探头电性连接，该超声相控阵探头由多晶片阵元组成，是相控阵列换能器，与常用的发射电路不同，本发明实施例中波束发射模块应用在相控阵中需要不同时间延迟的发射脉冲，尤其是在多个波束发射模块构成多通道发射电路中，该波束发射模块采用具有电荷耦合器件（CCD）的波束发射模块，将一组与探头中心频率相同的正弦波群，通过电荷耦合器件延迟，并经线性放大后激励阵元，改变电荷耦合器件的时钟频率来改变每一发射通道延时时间。当然，在其他实施例中，可以采用具有抽头延时线或可编程延迟器件的波束发射模块。

具体地，本发明实施例中所述波束接收模块包括：依次连接的前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元，前置放大单元连接至超声相控阵探头，A/D转换单元连接至波束控制单元；时序控制单元分别连接波束接收单元、前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元，并控制波束接收单元、前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元同时工作或同时停止工作。

本发明实施例中低功耗超声相控阵收发装置所应用的超声无损探伤仪还包括有触摸屏及主控板，主控板上安装有后端处理模块，该后端处理模块用于图像处理与合成；触摸屏与该主控板上的后端处理模块连接，用于显示图像信息及人机交互，并通过触摸屏向后端处理模块输入指令或控制参数，后端处理模块与FPGA模块进行通信，FPGA模块内的波束控制单元将接收到的回波信号传输至后端处理模块。

另外，在该主控板上设有以太网接口、预留以太网接口、USB2.0接口、USB3.0接口、报警和I/O接口、DVI/VGA接口、耳机接口及SD卡插槽，其中，以太网接口、预留以太网接口、USB2.0接口、USB3.0接口、报警和I/O接口、DVI/VGA接口、耳机接口及SD卡插槽均分别连接至后端处理模块。而本发明实施例中低功耗超声相控阵收发装置安装在一块收发电路板上，该收发电路板上设有相控阵探头接口和常规探头接口，除了能够连接本发明实施例中的超声相控阵探头，还能够连接常规的探头。可以理解的是，该超声无损探伤仪具有壳体，壳体为上述各个接口预留了固定安装位置。

USB2.0接口和USB3.0接口能够使本发明实施例中的超声无损探伤仪检测到数据直接传输到外接USB存储设备中；报警和I/O接口用于连接外接报警器或其他响应元件（如指示灯），该DVI/VGA接口用于对外输出视频信号，使显示方式更灵活，耳机接口用于对外输出音频信号使检测结果多样化输出，SD卡插槽用于插入SD卡，对于检测结果的及时备份有积极效果。

FPGA模块作为可编程逻辑阵列器件，其内置波束控制单元和时序控制单元均可由内部逻辑器件的逻辑连接关系来实现，具体的实现方式本领域技术人员可以获知，此处不一一赘述。在后端处理模块接收到触摸屏上输入的参数设置后，FPGA模块的波束控制单元即可由后端处理模块获得该参数设置，并依据该参数设置进行工作，实现不同参数下的超声波发射与接收工作。

整个超声无损探伤仪在接通电源上电后，各元部件进入到上电状态，FPGA内的时序控制单元会发送一TX信号至波束发射模块的使能端或电源供电端，从而开启波束发射模块工作，波束发射模块被启动后，FPGA内的波束控制单元控制波束发射模块将一定强度的波束信号发送至超声相控阵探头，超声相控阵探头将该波束信号转换为超声波射向待测物体，持续一定时间后，时序控制单元终止TX信号，波束发射模块的使能端或电源供电端恢复到上电前的状态，即波束发射模块停止工作，与此同时，时序控制单元又发送PD信号至波束接收模块的各个组成部分，即时序控制单元发送PD信号至前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元的使能端或电源供电端，从而开启前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元进入到工作状态，可以理解，当超声波射在待测物体后会反射回一定量的超声波，根据物体表面是否存在瑕疵、裂纹等状态，反射回的超声波（回波）会有所不同，超声相控阵探头接收到回波转换为回波信号（电信号），，然后经过A/D转换单元进行数字化处理，以便于FPGA模块内的波束控制单元能够处理合成并输出至后端处理模块处理，由于回波信号较为微弱，本发明实施例中需要对该回波信号进行放大处理，为了避免回波信号中的波动对后续的A/D转换单元造成影响，超出其转换范围导致失真，本发明实施例中在可变增益放大单元的前端还增加了一前置放大单元，由前置放大单元对回波信号进行预处理得到合适幅度的回波信号再交给可变增益放大单元处理，前置放大单元可以采用低噪声6dB放大器，能够有效减少噪声干扰；经前置放大单元得到的回波信号经6～30dB的可变增益放大器再次处理（即本发明实施例中可变增益放大单元采用6～30dB的可变增益放大器），以补偿晶片灵敏度和调节总放大量，使得信号接收处理步骤更加精确，进一步减小误差范围，由此满足A/D转换单元的信号输入要求，进一步提升元件之间的匹配度，A/D转换单元将原是模拟信号的回波信号转换为数字信号，以满足FPGA模块的逻辑运算的需要，A/D转换单元将数字化的回波信号传输至FPGA内的波束控制单元，至此整个收发装置已完成超声波发射接收过程，时序控制单元会关闭TX信号和PD信号，由于在前一发射动作完成时TX信号已经被关闭，则此处实现了TX信号关闭的双重保障，此时，时序控制单元控制波束发射模块与波束接收模块均停止工作，根据前述的参数设置，该波束发射模块的发射时间及超声波强度均由该参数决定，波束接收模块的接收时间也同样在该参数设置中被设定。

本发明实施例中时序控制单元通过时序信号线与波束发射模块、波束接收模块连接，具体来说，时序控制单元通过时序信号线连接到波束发射模块的电源供电端、前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元的电源供电端，时序控制单元通过内部逻辑可以控制各时序信号线上的电平逻辑，例如时序控制单元可以通过其中一个时序信号线向波束发射模块输出高电平的TX信号，启动波束发射单元的工作，时序控制单元若需要关闭TX信号，则通过内部逻辑拉低该时序信号线上的电平即可，从而使波束发射模块的电源供电端电压被拉低，停止该波束发射模块的工作，减少该波束发射模块的功率输出，对于波束接收模块的控制也是基于同样原理，此处不再赘述。由此可见，时序控制单元用于在上电后控制波束发射模块与波束接收模块先后交替工作，是控制波束发射模块工作时波束接收模块则停止工作，波束接收模块工作时则波束发射模块停止工作，并由波束发射模块先进入到工作状态，完全符合发射-接收的工作过程。当然，在其他实施例中，时序控制单元也可以通过使能端对各个模块或单元进行控制，但采用本实施例中的针对电源供电端控制的方式会更加有效，能够最大化的减少各工作模块或单元的功率输出，而且在生产过程中会更加易于实现，降低生产成本。由于采用本发明实施例中的接收装置可以减小功耗，因此超声无损探伤仪内可以不使用风扇即能满足散热要求，进一步有利于便携式超声无损探伤仪的小型化，提升探伤仪的实用性。

为了进一步控制回波接收处理的精度，提升检测的准确率，本发明实施例中FPGA模块内置一电压控制单元，该电压控制单元通过一D/A转换单元连接至可变增益放大单元，因此，电压控制单元、D/A转换单元、可变增益放大单元及A/D转换单元构成了一个控制回路，电压控制单元能够在第一时间发现信号失真或超范围等情况，并立即通过D/A转换单元对可变增益放大单元的放大范围作出调整，整个调节过程迅速及时、准确性高。

以上对本发明实施例所提供的一种低功耗超声相控阵收发装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.低功耗超声相控阵收发装置，其特征在于，包括：波束接收模块、波束发射模块及FPGA模块，FPGA模块内置波束控制单元及时序控制单元；其中，波束发射模块用于接收到所述波束控制单元的触发信号后通过超声相控阵探头向被测物体发射超声波，波束接收模块用于通过超声相控阵探头接收被测物体反射波后形成回波信号并将该回波信号传输至FPGA模块内的波束控制单元；时序控制单元用于在上电后控制波束发射模块与波束接收模块先后交替工作，并在完成超声波发射接收过程后控制波束发射模块与波束接收模块均停止工作。

2.如权利要求1所述的低功耗超声相控阵收发装置，其特征在于，所述波束接收模块包括：依次连接的前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元，前置放大单元连接至超声相控阵探头，A/D转换单元连接至波束控制单元；时序控制单元分别连接前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元，并控制前置放大单元、可变增益放大单元及A/D转换单元同时工作或同时停止工作。

3.如权利要求2所述的低功耗超声相控阵收发装置，其特征在于，FPGA模块内置一电压控制单元，该电压控制单元通过一D/A转换单元连接至可变增益放大单元。

4.如权利要求1或2或3所述的低功耗超声相控阵收发装置，其特征在于，FPGA模块内的波束控制单元将接收到的回波信号传输至后端处理模块。