CN110530988B - 一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统 - Google Patents

一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，用于多阵元传感器阵列的超声导波信号的激励与采集。由16通道信号激励电路、压电传感器阵列、16通道同步采集电路、USB传输模块、电源模块以及上位机组成。多通道激励与采集系统均由FPGA作为主控核心，上位机通过RS232串口将激励系统的参数传输至激励主控FPGA，控制产生16通道的导波激励信号，激励信号再经由各自的信号放大电路升压后激励压电传感器阵列，各传感器接收的反射回波信号经隔离限幅电路、信号调理电路后被高速AD采集，通过USB将数据传输至上位机。本发明产生的16通道高压窄带激励信号，各通道参数独立可调，通过各通道延时激励可实现导波的聚焦检测，有效提高了小缺陷的检出率。

Description

一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统
技术领域
本发明实现了一种基于压电传感器阵列进行导波聚焦检测的16通道导波激励/采集系统，属于无损检测领域。
背景技术
超声导波检测技术是近年来发展较快的一种无损检测技术。与传统的超声检测技术相比，由于导波在传播路径上衰减的很小，因此它可以沿工件传播非常远的距离，在接收端接收到的信号中包含了激励端到接收端两点之间的所有结构的信息；其次，由于超声导波在被检测工件中传播时，声场遍及整个工件，因此可以检测到整个工件的全部信息，这就意味着既可以检测内部缺陷也可以检测表面缺陷，对整个工件进行全面的检测。
按照传感器数量，导波波检测可分为单传感器检测和阵列检测。利用单传感器(反射式)或双传感器(透射式)对进行导波检测时，只能实现单一方向范围内的缺陷检测，空间上或不能聚焦或只能聚焦在某一固定位置处。因此，单(双) 传感器导波检测灵敏度较低。
超声传感器阵列克服了单个换能器分辨率低、检测范围小等缺点，可以通过多种阵列形式，并结合超声导波的特性，实现大范围、高精度缺陷检测，具有极高的研究价值。阵列导波检测中的相控阵检测技术通过电子系统控制换能器阵列中各个阵元，按照一定的延迟时间规则发射和接收超声波，可实现动态聚焦。
但目前商用多通道导波相控阵系统价格昂贵，且仪器的硬件和软件都已高度集成化，对这些仪器进行改造或二次开发是十分困难的。实验过程中只能通过人工切换的方式逐个激励与采集不同传感器的信号，实验过程繁琐且低效，严重阻碍了传感器阵列检测方法的研究，无法满足检测需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述不足，设计一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，可通过控制各通道的延时激励在板/管结构上实现导波的聚焦检测，从而提高缺陷的检出率。该多通道系统集成度高，搭配上位机易于操作。
本发明采用的技术方案为多通道激励信号采用汉宁窗调制的多周期正弦信号，因汉宁窗调制正弦波是激励超声导波的理想信号，它频谱窄，能量集中，可降低导波的频散现象。系统采用模块化设计，各通道之间完全独立，不存在复用的情况，每个通道均为一套完整的超声信号激励接收电路。为防高压激励信号对接收电路产生干扰，将激励电路和接收电路设计为两个独立的子系统。
为实现上述目的，本发明所述一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，该系统由16通道信号激励电路、压电传感器阵列、16通道同步采集电路、 USB传输模块、电源模块以及上位机组成；所述16通道激励电路输出通过各自同轴线连接到压电传感器阵列；压电传感器阵列接收的回波信号通过相同的同轴线连接到16通道同步采集电路输入端；16通道同步采集电路通过USB数据线与上位机互连实现数据传输。
所述16通道信号激励电路由FPGA核心电路、信号产生电路和高压功放模块阵列组成；FPGA作为控制核心为信号产生电路输出控制信号，产生激励导波所需的汉宁窗调制的多周期正弦信号，汉宁窗调制的多周期正弦信号再经由高压功放进行电压放大，进而驱动传感器阵列。
所述信号产生电路由并行DA转换器、5阶低通巴特沃斯滤波器以及运放 AD8065组成；所述DA转换器的时钟引脚与数据端引脚连接FPGA芯片，DA 转换器的差分输出连接5阶低通巴特沃斯滤波器，滤波器的输出连接运放 AD8065；所述运放AD8065将DA转换器的差分电流输出转换成单端电压输出，同时作为第一级的信号放大输出；所述5阶低通巴特沃斯滤波器带宽为15MHz，平滑DA的输出信号同时抑制噪声干扰。16个通道的信号产生硬件设计方案相同。
所述汉宁窗调制的多周期正弦信号产生方法采用直接数字合成技术，将不同周期数的波形数据存到FPGA的ROM中，通过FPGA构建32位相位累加器，相位累加器在每个时钟下的累加量由频率控制字决定，改变频率控制字以改变累加步长从而改变波形频率，相位累加器通过寻址输出ROM中相应的波形幅值。
所述高压功放模块为高压运算放大器PA85的负反馈放大电路，双电源供电电压为±100V，电压转换速率根据配置高达800V/μs，放大倍数为100倍；功率带宽为500kHz，输出信号频率500kHz以下时幅值可达150Vpp，输出信号频率达到2MHz时幅值仍可达80Vpp。16通道信号激励电路包含16个高压功放模块。
所述16通道同步采集电路由隔离限幅电路、信号调理电路、AD转换器以及主控FPGA组成；隔离限幅电路输出连接信号调理电路，信号调理电路输出连接AD转换器，AD转换器的时钟与数据总线输出连接FPGA的差分输入端口。
所述隔离限幅电路为并联限幅二极管，起电压钳位作用，保护后级电路，防止激励信号的高压损坏采集电路。
所述信号调理电路由程控增益电路和滤波电路组成；程控增益电路选用4 通道可变增益放大器AD8334，增益调节范围为-4.5dB～43.5dB，采用4片AD8334 实现系统的16通道信号放大，AD8334芯片内每两个通道共用一个增益控制电压输入端，4片AD8334需要提供8路增益控制电压输入，采用8通道，8位精度D/A转换器AD8801实现增益控制功能。所述滤波电路带宽为30MHz，对放大后的信号进行滤波。
所述AD转换器选用AD9284双通道高速ADC，采样率设置为50MS/s，采用8片AD9284实现16通道的数据采集，8片AD9284所需外部采样时钟由8 路时钟扇出芯片65LVDS108将50MHz的采样时钟源晶振扇出后，同时为8片 ADC提供时钟信号。
所述一片4通道可变增益放大器AD8334和两片双通道AD转换器AD9284 构成一个模块，实现对4路输入信号的放大和采集，4个这样的模块实现16路输入信号的同步采集。
所述USB传输模块采用接口芯片CH376实现USB2.0通信接口，能够实现数据与控制指令的双向传输。
所述电源模块包含为16通道信号产生与采集电路供电的电源模块以及为16 个高压功放模块供电的电源模块；所述为16通道信号产生与采集电路供电的电源模块将电脑主机电源通过电压转换芯片以提供1.1V、2.5V、3.3V、±5V电压；所述为16个高压功放模块供电的电源模块将输出±100V、功率150W的开关电源通过1转16路分线板分别为16个高压功放模块提供±100V的电压。
所述16通道励与采集系统之间有一路同步信号来同步激励通道和所有的采集通道。当同步信号使能时，激励通道输出激励信号，与此同时，所有的采集通道同步开始信号采集。
本发明具有的效果是：(1)本发明可产生多路激励导波所需的理想信号，并可对多通道信号进行同步采集，各通道间参数独立可调，系统集成度高，可根据应用需求进行二次开发，大幅提高了阵列传感器的实验与检测效率。(2)利用本发明的多通道检测系统结合压电传感器阵列，通过对各通道产生相应的延时激励信号可以实现导波的偏转与聚焦，从而有效提高小缺陷的回波信号能量，提高了缺陷的检出率。
附图说明
图1为系统总体结构示意图；
图2为单通道激励控制程序结构示意图；
图3为5阶低通巴特沃斯滤波器一实施例电路图；
图4为PA85高压功放电路示意图；
图5为采集系统整体结构示意图；
图6a)为激励信号时频测试示意图(汉宁窗调制的5周期正弦波300kHz)；
图6b)为激励信号时频测试示意图(汉宁窗调制的10周期正弦波100kHz)；
图7为4通道同时激励信号测试示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1所示为本发明所述一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统总体结构示意图，由16通道信号激励电路、压电传感器阵列、16通道同步采集电路、USB传输模块、电源模块以及上位机组成。多通道激励与采集系统均由FPGA 作为主控核心，上位机通过RS232串口将激励系统的参数传输至激励主控FPGA，控制产生16通道的导波激励信号，激励信号再经由各自的信号放大电路升压后激励压电传感器阵列，各传感器接收的反射回波信号经隔离限幅电路、信号调理电路后被高速AD采集，通过USB将数据传输至上位机。
本实施例中的激励主控FPGA选用Altera公司Cyclone IV系列的 EP4CE10F17C8，采集主控FPGA选用Cyclone V系列5CEFA7F27C8；FPGA主时钟均为50MHz有源晶振、程序下载和配置端口为JTAG。
本实施例中的USB传输模块基于CH376芯片实现，使用了速度最高的并行接口与FPGA进行传输。
本实施例中同步信号用来同步激励通道和所有的采集通道，对于一激一收或一激多收的系统，一般是以激励传感器的时刻作为所有通道信号采集的起始时刻。当同步信号使能时，激励通道输出激励信号，与此同时，所有的采集通道同步开始信号采集。
图2所示为单通道激励控制程序结构示意图，采用基于FPGA和直接数字频率合成技术(DDS)的方案，该方案可产生任意波形，故可以产生激励导波所需的汉宁窗调制正弦信号；将所需产生的波形数据生成后存入FPGA的ROM中作为查询表，FPGA中构建32位相位累加器，相位累加器在每个时钟下的累加量由频率控制字决定，改变频率控制字以改变累加步长从而改变波形频率，相位累加器通过寻址输出ROM中相应的波形幅值。为实现控制延时激励功能，构建延时控制计数器，当计数值达到外部输入的延时时间时，使能相位累加器开始累加，达到延时可控的目的。模块驱动时钟通过PLL锁相环将FPGA主时钟倍频为 200MHz，驱动延时控制计数器以及相位累加器，因此延时分辨率为5ns。
图3所示为5阶低通巴特沃斯滤波器一实施例电路图，其-3dB截止频率为 15MHz，起到平滑DA的输出信号同时抑制噪声干扰的作用。
图4所示为PA85高压功放电路示意图，采用高压运算放大器PA85的负反馈放大电路，输入接口P1通过同轴线接信号产生电路输出端、输出接口P2通过同轴线接压电传感器，输入输出接口均采用SMA接口。R2、C5组成隔直流电路，用以去除输入信号的直流分量；反馈电阻Rf为100K，即放大倍数为100 倍；输入极使用四个二极管D1、D2、D3、D4(IN4148)把输入钳位在1.5V，保护输入端；电源采用±100V双电源供电，电源管脚并联C1、C2、C3、C4电容做旁路电容，保证电源电压稳定；Rcl为电流限制电阻；Rc和Cc为相位补偿电阻电容，保证运放增益带宽的稳定性；D5、D6为输出保护二极管，防止负载电流的突然变化在输出上产生大的返回式电压峰值；负载电阻RL1为2K；16 路信号放大需要16个相同的PA85高压功放电路。
图5所示为采集系统整体结构示意图，一片4通道可变增益放大器AD8334 和两片双通道AD转换器AD9284构成一个模块，实现对4路输入信号的放大和采集，4个这样的模块实现16路输入信号的同步采集；8片AD9284所需外部采样时钟由8路时钟扇出芯片65LVDS108将50MHz的采样时钟源晶振扇出后，同时为8片ADC提供时钟信号。
图6为系统输出的单通道激励信号时频测试示意图，其中图6a)为程序设定输出中心频率为100kHz的汉宁窗调制的5周期正弦信号时频图，图6b)为程序设定输出中心频率为300kHz的汉宁窗调制的10周期正弦信号时频图。从时域图看出激励信号幅值可达150Vpp，且信号没有明显畸变，信噪比较好。从频谱图可以看出信号的中心频率与程序设定的输出值基本吻合。
图7所示为系统4通道同时激励信号测试示意图，4通道同时输出频率为 300kHz的汉宁窗调制的10周期正弦信号，通过信号叠加结果图可以看出，各个通道信号的重合度高，误差较小，表明各通道间具有良好的一致性。

Claims (4)

1.一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，其特征在于：该系统由16通道信号激励电路、压电传感器阵列、16通道同步采集电路、USB传输模块、电源模块以及上位机组成；所述16通道信号 激励电路输出通过各自同轴线连接到压电传感器阵列；压电传感器阵列接收的回波信号通过相同的同轴线连接到16通道同步采集电路输入端；16通道同步采集电路通过USB数据线与上位机互连实现数据传输；
所述16通道信号激励电路由FPGA核心电路、信号产生电路和高压功放模块阵列组成；FPGA作为控制核心为信号产生电路输出控制信号，产生激励导波所需的汉宁窗调制的多周期正弦信号，汉宁窗调制的多周期正弦信号再经由高压功放进行电压放大，进而驱动传感器阵列；
所述信号产生电路由并行DA转换器、5阶低通巴特沃斯滤波器以及运放AD8065组成；所述DA转换器的时钟引脚与数据端引脚连接FPGA芯片，DA转换器的差分输出连接5阶低通巴特沃斯滤波器，滤波器的输出连接运放AD8065；所述运放AD8065将DA转换器的差分电流输出转换成单端电压输出，同时作为第一级的信号放大输出；所述5阶低通巴特沃斯滤波器带宽为15MHz，平滑DA的输出信号同时抑制噪声干扰；16个通道的信号产生硬件设计方案相同；
所述汉宁窗调制的多周期正弦信号产生方法采用直接数字合成技术，将不同周期数的波形数据存到FPGA的ROM中，通过FPGA构建32位相位累加器，相位累加器在每个时钟下的累加量由频率控制字决定，改变频率控制字以改变累加步长从而改变波形频率，相位累加器通过寻址输出ROM中相应的波形幅值；
所述高压功放模块为高压运算放大器PA85的负反馈放大电路，双电源供电电压为±100V，电压转换速率根据配置高达800V/μs，放大倍数为100倍；功率带宽为500kHz，输出信号频率500kHz以下时幅值可达150Vpp，输出信号频率达到2MHz时幅值仍可达80Vpp；16通道信号激励电路包含16个高压功放模块；
所述16通道同步采集电路由隔离限幅电路、信号调理电路、AD转换器以及主控FPGA组成；隔离限幅电路输出连接信号调理电路，信号调理电路输出连接AD转换器，AD转换器的时钟与数据总线输出连接FPGA的差分输入端口；
所述隔离限幅电路为并联限幅二极管，起电压钳位作用，保护后级电路，防止激励信号的高压损坏采集电路；
所述信号调理电路由程控增益电路和滤波电路组成；程控增益电路选用4通道可变增益放大器AD8334，增益调节范围为-4.5dB～43.5dB，采用4片AD8334实现系统的16通道信号放大，AD8334芯片内每两个通道共用一个增益控制电压输入端，4片AD8334需要提供8路增益控制电压输入，采用8通道，8位精度D/A转换器AD8801实现增益控制功能；所述滤波电路带宽为30MHz，对放大后的信号进行滤波；
所述AD转换器选用AD9284双通道高速ADC，采样率设置为50MS/s，采用8片AD9284实现16通道的数据采集，8片AD9284所需外部采样时钟由8路时钟扇出芯片65LVDS108将50MHz的采样时钟源晶振扇出后，同时为8片ADC提供时钟信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，其特征在于：一片4通道可变增益放大器AD8334和两片双通道AD转换器AD9284构成一个模块，实现对4路输入信号的放大和采集，4个这样的模块实现16路输入信号的同步采集。
3.根据权利要求1所述的一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，其特征在于：所述电源模块包含为16通道信号产生与采集电路供电的电源模块以及为16个高压功放模块供电的电源模块；所述为16通道信号产生与采集电路供电的电源模块将电脑主机电源通过电压转换芯片以提供1.1V、2.5V、3.3V、±5V电压；所述为16个高压功放模块供电的电源模块将输出±100V、功率150W的开关电源通过1转16路分线板分别为16个高压功放模块提供±100V的电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于传感器阵列的16通道导波聚焦检测系统，其特征在于： 16通道激励与采集系统之间有一路同步信号来同步激励通道和所有的采集通道；当同步信号使能时，激励通道输出激励信号，与此同时，所有的采集通道同步开始信号采集。
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