CN110687202A - 一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声无损探伤技术领域，具体涉及一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，包括仪器的硬件系统平台、软件系统平台，其中硬件系统平台包括电源供电模块、发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、数模转换器、FPGA模块、CPU模块、接口模块、人机交互模块；软件系统安装在CPU模块上，包括图像处理算法，所述图像处理算法包括波形位移、DAC曲线控制、闸门控制。本发明可实现在不解体情况下变电站断路器储能弹簧无损检测，为今后评价储能弹簧质量检测提供新的技术手段，确保电网的安全稳定运行。

Description

一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪

技术领域

本发明涉及超声无损探伤技术领域，具体涉及一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪。

背景技术

储能弹簧是高压断路器的关键零件，在电网系统中得到了广泛使用。储能弹簧通过产生和恢复的弹性形变来达到储能和释放能量的目的。在这个过程中，储能弹簧经历了疲劳加载，加之制造过程产生的缺陷等因素，在使用一定时间后，零件内部会出现疲劳裂纹等损伤。若不及时发现损伤，让储能弹簧继续带“病”工作，则会发生断裂，严重影响电网的安全稳定运行。然而，储能弹簧总长度约4500mm，层与层之间距离约为15mm，超声导波检测时探头只能放置在最外圈位置，导致超声回波信号在传输过程中衰减较大，受仪器收发性能指标所限，市面上常规超声导波仪无法提供足够的灵敏度，分辨率较低。因此，开展储能弹簧超声导波检测仪的研制，对断路器储能弹簧进行缺陷检测，准确掌握其健康状态，及时预警并消除缺陷，降低电网非计划停电对客户的影响程度，提高电网运行质量，同时可以避免发生电力事故，最大限度地减少经济损失，消除因停电带来的社会影响，显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，具体技术方案如下：

一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，包括仪器的硬件系统平台、软件系统平台，其中硬件系统平台包括电源供电模块、发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、数模转换器、FPGA模块、CPU模块、接口模块、人机交互模块；

所述电源供电模块用于给超声探伤仪供电；所述发射电路用于产生高压信号；所述T/R保护电路用于对发射电路产生的高压电信号进行限幅，同时让回波信号无损通过，保护接收电路；所述接收电路用于对接收的回波信号进行阻抗匹配、放大、衰减、电平转换和滤波；所述模数转换器用于对接收电路处理后的回波信号进行模数转换并将转换后的回波数据传输至FPGA模块进行处理；所述FPGA模块用于采集和处理模数转换器转换后的回波数据，并将处理后的回波数据传输至CPU模块，以及控制发射电路、接收电路、接口模块；所述CPU模块用于处理FPGA模块处理后的回波数据，并进行可视化处理；所述接口模块用于实现超声探伤仪与外部设备的数据交互；所述人机交互模块用于实现人机交互；所述发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、FPGA模块、CPU模块依次连接；所述FPGA模块通过数模转换器与接收电路连接；所述FPGA模块分别与发射电路、接口模块连接；所述CPU模块分别与人机交互模块、接口模块连接；所述软件系统安装在CPU模块上，包括图像处理算法，所述图像处理算法包括波形位移、DAC曲线控制、闸门控制。

优选地，所述电源供电模块包括适配器、升压电路、降压电路、电压反向电路、电源充放电控制电路、仪器电源；所述降压电路包括第一降压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路；所述适配器、电源充放电控制电路、仪器电源、第一降压电路依次连接；所述第一降压电路分别与升压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路、电压反向电路连接。

优选地，所述电源充放电控制电路包括电源回路控制电路、电源充电电路；所述电源回路控制电路、电源充电电路分别与适配器、仪器电源连接。

优选地，所述仪器电源包括仪器电源总输入电路、待机电源；所述仪器电源总输入电路分别与待机电源、电源充放电控制电路、第一降压电路连接。

优选地，所述升压电路包括反激式开关电源；所述反激式开关电源包括高压电源控制器、变压器；所述高压电源控制器与变压器连接。

优选地，所述FPGA模块包括控制部分和数据处理部分；所述控制部分包括超声接收控制电路、超声发射控制电路、输入输出口控制电路；所述超声接收控制电路与数模转换器连接；所述超声发射控制电路与发射电路连接；所述输入输出口控制电路与接口模块连接；所述超声接收控制电路、超声发射控制电路、输入输出口控制电路分别与CPU模块连接；

所述数据处理部分ADC数据采集单元、IIR滤波器、FIR滤波器、视频滤波单元、检波器、数据压缩单元、数据平均单元；所述ADC数据采集单元、IIR滤波器、FIR滤波器、视频滤波单元、检波器、数据压缩单元、数据平均单元、CPU模块依次连接；所述ADC数据采集单元用于采集模数转换器转换后的回波数据；所述IIR滤波器用于滤除采集的回波数据中的直流分量；所述FIR滤波器用于滤除回波数据中的杂波，恢复超声探头的脉冲信号；所述视频滤波单元用于识别脉冲信号和杂波信号的包络，并去除杂波信号；所述检波器用于根据需要把脉冲信号变换成射频波、全波、正波或负波；所述数据压缩单元用于将采集上传的数据进行压缩；所述数据平均单元用于将前后若干次采集的数据进行平均化。

优选地，所述CPU模块包括AT91SAM9263处理器。

优选地，所述接口模块包括以下接口：2个标准LEMO-01探头插座，用于连接超声波探头；以太网接口，用于远程控制或数据网上传输；2个USB-A接口，用于与计算机通讯，以及直接拷贝数据到存储设备；直流电源插口，用于直流供电和电池充电以及USB-B接口。

优选地，还包括外壳，所述接口模块设置在外壳上，所述外壳采用铝合金制成，所述外壳外部设置一层硅胶；所述外壳内部喷导电漆。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，可实现在不解体情况下变电站断路器储能弹簧无损检测，为今后评价储能弹簧质量检测提供新的技术手段，确保电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的系统功能示意图；

图2为电源供电模块原理框图；

图3为FPGA数字控制和数字信号处理原理框图；

图4为AT91SAM9263的内部原理框图；

图5为本发明的外壳的结构示意图；

图6为图5的后视图；

图7为发射电路的原理示意图；

图8为T/R保护电路的原理示意图；

图9为AD8331内部结构示意图；

图10为接收电路的原理图；

图11为D8331的增益控制曲线图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，包括仪器的硬件系统平台、软件系统平台，其中硬件系统平台包括电源供电模块、发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、数模转换器、FPGA模块、CPU模块、接口模块、人机交互模块；

电源供电模块用于给超声探伤仪供电；发射电路用于产生高压信号；T/R保护电路用于对发射电路产生的高压电信号进行限幅，同时让回波信号无损通过，保护接收电路；接收电路用于对接收的回波信号进行阻抗匹配、放大、衰减、电平转换和滤波；模数转换器用于对接收电路处理后的回波信号进行模数转换并将转换后的回波数据传输至FPGA模块进行处理；FPGA模块用于采集和处理模数转换器转换后的回波数据，并将处理后的回波数据传输至CPU模块，以及控制发射电路、接收电路、接口模块；CPU模块用于处理FPGA模块处理后的回波数据，并进行可视化处理；接口模块用于实现超声探伤仪与外部设备的数据交互；人机交互模块用于实现人机交互；发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、FPGA模块、CPU模块依次连接；FPGA模块通过数模转换器与接收电路连接；FPGA模块分别与发射电路、接口模块连接；CPU模块分别与人机交互模块、接口模块连接；软件系统安装在CPU模块上，包括图像处理算法，图像处理算法包括波形位移、DAC曲线控制、闸门控制。

如图2所示，由于仪器中电路比较繁杂，供电回路比较多，因此需要比较多的电源转换电路。电源供电模块包括适配器、升压电路、降压电路、电压反向电路、电源充放电控制电路、仪器电源；降压电路包括第一降压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路；适配器、电源充放电控制电路、仪器电源、第一降压电路依次连接；第一降压电路分别与升压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路、电压反向电路连接。

由于仪器系统输入的电压比较高而且输入电压不稳定，且大部分芯片的供电电压为±5V、3.3V、1.2V、1.5V等低压供电，为了满足系统供电的要求，需要对输入电压进行相关的电压变换，主要是降压变换。第一降压电路将电源电压DC12V转换为DC6V，第二降压电路将电压DC6V转换为DC3.3V，第三降压电路将电压DC6V转换为DC1.5V，第四降压电路将电压DC6V转换为DC1.2V。

第一降压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路分别包括降压控制器，降压控制器主要采用MP2307，支持宽电压输入，输入电压范围为4.75V-23V满足仪器的输入供电要求。MP2307属于同步整流降压控制器，内部集成100mΩ低内阻MOSFET管，支持连续输出电流3A。电流控制模式提供快速的输出响应速度和周期的输出电流限制。一个可调的软启动能够避免电源变换器在启动阶段产生过大的浪涌电流，关断模式下的漏电流小于1uA，非常有利于降低仪器在关机模式下的漏电流。

由于适配器电源输入电压为15V，电池供电电压为11V-9V之间，为了实现高压发射，需要提供高电压输出，因此需要升压电路，升压电路为DC-DC升压电路，升压电路包括反激式开关电源；反激式开关电源包括高压电源控制器、变压器；高压电源控制器与变压器连接。升压电路是将DC6V转换为DC400V。

为了提高仪器的灵敏度裕量，因此需要比较高的发射电压。本仪器输出的最大发射电压为400V，因此升压电路采用反激式开关电源拓扑实现，与采用倍压升压电路相比元器件更加少，电路结构更加简单，可靠性更高。高压电源控制器采用反激式高压电源控制器，具体选择LT3958，这个控制器支持宽电压输入，支持开关频率可调，支持可编程软启动和小于1uA的关断漏电流，比较适用于做高压电源控制器。变压器采用高压电源反激式变压器，具体选择LDT565630T-002，这个变压器属于反激式变压器，体积比较小，贴片安装，输出功率能够满足发射功率要求。升压电路的器件均应该采用高压器件同时需要预留一定的设计裕量，实现产品的可靠性和稳定性。

由于接收前置放大器工作在正负电压模式下才能发挥最佳的性能，因此需要提供正负供电。另一方面，由于接收模拟放大器供电需要保证低噪声低纹波，因此需要采用线性电源供电。与常规采用反向开关电源加线性电源的模式相比，在此专门优化了电路设计，采用正负供电方案。电压反向电路用于将DC6V转换为±5V，包括LM27762控制器，LM27662是集成了正负电压线性电源输出的电荷泵，电源输出噪声非常低，关断漏电流为0.5uA，适合电池供电便携式仪器的设计要求。LM27662不但电路设计简单，同时提供正负输出，而且集成了低噪线性电源，电路非常简洁。

电池充放电控制电路主要用来实现电池的充放电管理，在仪器外接适配器的情况下，仪器由适配器供电，同时适配器给电池充电，在仪器断开适配器的情况下，电池给仪器供电。电池充放电控制电路主要由两部分组成，一部分是电源充电电路，另一部分是电源回路控制电路。

电源充电电路包括电源充电管理控制器，具体选择BQ24105，BQ24105为同步整流型高效率电池充电管理芯片，支持最大2A充电电流，最大可编程输出电压为15.5V，满足12V电池的充电电压要求。BQ24105具有体积小、QFN封装非常有利于散热、和外围电路简单的特点，比较适合仪器仪表小体积的应用场合。

电源回路控制电路包括电源回路控制器，具体选择芯片LTC4412，电源回路控制器主要用来实现供电切换的功能，在外接适配器的情况下，使用适配器供电，在无外接适配器的情况下则仪器使用电池供电。LTC4412具有非常低的导通压降，静态电流仅11uA，有利于减少系统的功耗，延长电池供电续航时间和提高系统的可靠性。

仪器电源包括仪器电源总输入电路、待机电源；仪器电源总输入电路分别与待机电源、电源充放电控制电路、第一降压电路连接。待机电源将DC12V转换为3V3。

电源供电模块需要统一的上电控制顺序，保证整个仪器系统的稳定性。在对电源纹波和噪声要求比较高的电源供电模块将采用低噪线性稳压电源，保证系统的指标和性能；在对电源纹波噪声要求不那么高的地方将采用开关电源，保证系统的效率，降低系统功耗。另一方面电源供电模块需要进行冗余设计，预留50%的最大余量，保证供电系统的稳定性和可靠性，电池容量需要能够满足不低于6小时的续航时间。

如图3所示，FPGA模块包括控制部分和数据处理部分；控制部分包括超声接收控制电路、超声发射控制电路、输入输出口控制电路；超声接收控制电路与数模转换器连接；超声发射控制电路与发射电路连接；输入输出口控制电路与接口模块连接；超声接收控制电路、超声发射控制电路、输入输出口控制电路分别与CPU模块连接。

数据处理部分ADC数据采集单元、IIR滤波器、FIR滤波器、视频滤波单元、检波器、数据压缩单元、数据平均单元；ADC数据采集单元、IIR滤波器、FIR滤波器、检波器、视频滤波单元、数据压缩单元、数据平均单元、CPU模块依次连接；ADC数据采集单元用于采集模数转换器转换后的回波数据；IIR滤波器用于滤除采集的回波数据中的直流分量；FIR滤波器用于滤除回波数据中的杂波，恢复超声探头的脉冲信号；视频滤波单元用于识别脉冲信号和杂波信号的包络，并去除杂波信号；检波器用于根据需要把脉冲信号变换成射频波、全波、正波或负波；数据压缩单元用于将采集上传的数据进行压缩；数据平均单元用于将前后若干次采集的数据进行平均化。

FPGA模块通过控制发射和接收电路模块来控制任一个超声阵元的工作状态。数据处理部分包括对ADC数据采集单元采集回来的数据通过IIR滤波器进行IIR数字滤波，IIR滤波器的通带范围为0.5mhz以上，由于采集的数据里包含的信号的直流分量是0.5mhz以下的低频分量，所以IIR滤波器会滤除直流分量，去除直流分量后有利于提升信号的信噪比。然后通过FIR滤波器进行FIR数字滤波，FIR滤波器采用各种切比雪夫型的宽平坦带的滤波器，范围有0.5mhz到20mhz全带通或某一固定带通范围的滤波器，以便根据需要虑除其它信号，准确恢复出探头的脉冲信号。接着通过视频滤波单元进行视频滤波，找出这些信号的包络，去除其余不必要的杂波，提升信噪比。然后数据进入信号检波器，根据需要把信号变成射频波，全波、正波或负波。再通过数据压缩单元进行数据压缩，把每次需要采集上传的数据都压缩成896个点，压缩比不是固定的，需要采集的数据越多，压缩比越大。然后通过数据平均单元进行数据平均，即前后多次数据叠加再除以平均次数，这样信号会不变，而白噪声由于平均叠加时为变小或变为0，也就被消除了，最后将处理后的数据上传到CPU进行可视化处理。

FPGA模块包括EP3C16F256I7N FPGA芯片，EP3C16F256I7N具有15K逻辑单元，56个M9K存储模块，504Kb嵌入式存储容量，56个18*18硬件乘法器，20个全局时钟，4个锁相环，能支持DDR2、DDR和SDR，符合仪器的性能、成本、功耗等方面的指标要求。

CPU采用AT91SAM9263处理器。AT91SAM9263是9层矩阵架构的32位微处理器，最大内部带宽为9个32位总线。它还具有两条独立的外部存储器总线，能够与各种存储器设备和IDE硬盘接口连接。两个外部总线可防止带宽瓶颈，从而确保最佳的性能。

AT91SAM9263嵌入了一个LCD控制器，该控制器由两个D图像加速器和一个2通道DMA控制器以及一个图像传感器接口支持。它还集成了多个标准外设，例如USART、SPI、TWI、计时器、计数器、PWM发生器、多媒体接口和一个CAN控制器，具体的原理框图如图4所示。

模数转换器采用10位100MHz采样率的模数转换器。考虑到超声仪的幅度分辨率要求不是非常高，信号带宽为0.5M-22MHz，因此10位100MHz采样率的模数转换器是最佳选择。更高位数和采样率的模数转换器件意味着更高的成本，更高的损耗，有限的性能提高，对现场应用意义不大，模数转换器在此采用AD9215。

如图5-6所示，本发明还包括外壳，接口模块中的接口设置在外壳上，外壳采用高质量的铝合金材料制成，外壳外部同时设置外硅胶6，这样一方面保证了结构的坚固耐用另一方面保证了重量的轻便和手感。外壳内部喷导电漆，保证仪器有良好的电磁兼容。外硅胶6上设置凸起61，可增大手持的摩擦力，防止仪器滑落。外壳后面设置支撑座7，用于使得仪器直立起来，方便检测查看。

接口模块包括以下接口：2个标准LEMO-01探头插座1，用于连接超声波探头；以太网接口2，用于远程控制或数据网上传输；2个USB-A接口4，用于与计算机通讯，以及直接拷贝数据到U盘等即插即用存储设备；直流电源插口5，用于直流供电和电池充电；USB-B接口3。其中，以太网接口2与FPGA模块连接。

人机交互模块包括5.7英寸的高亮度的TFT彩色液晶屏8，分辨率不小于640×480像素。显示效果优于市场绝大部分超声仪器。TFT彩色液晶屏8固定在外壳正面，并且TFT彩色液晶屏8显示有触屏按钮81。

发射电路超声发射电路的主要作用是产生高压窄脉冲信号来激发压电陶瓷晶片。发射电路的主要性能指标包括发射电压幅值、发射下降时间、发射输出阻抗。发射输出波形在无损检测领域中主要有尖脉冲、负方波和正负方波3种。本发明实现目标是输出负方波，发射电压400V。发射电路的电路图如图7所示。发射电路主要包括两部分：驱动电路和发射电路。第一阶段Q1关断，储能电容C1通过R1，C1，D2回路充电。第二阶段Q1导通，由于电容电压不能突变，因此发射电压输出为负电压，电压幅值约为高压电源电压减去一个二极管正向电压值。第三阶段Q1关断，输出电压由负电压回归为零电压，电容进入充电状态。其中发射脉冲下降沿与Q1开关管相关，发射脉冲上升沿与发射阻尼电阻R2相关。Q1开关管开启时间越短，发射脉冲下降沿时间越短；发射阻尼电阻R2越小，发射脉冲上升沿时间越短。另一方面，发射阻尼电阻会影响发射下降沿，发射阻尼电阻阻值与发射下降沿成负相关关系，因此电阻Ｒ２需折中选择，在不考虑外加阻尼电阻的基础上，电阻R2阻值取为220Ω。

Q1采用N型mosfet管。为了快速驱动mosfet管，需要选择具有较大的输出电流能力的驱动芯片。驱动芯片在此采用ADP3624。ADP3624具有两路驱动输出，每路最大能够提供4A峰值电流，在驱动2.2nF容性负载条件下上升下降时间约为10ns。为了能够更快速驱动开关管，在这里采用两路驱动输入输出并联的模式，理论上来看能够提供最大8A峰值驱动电流，因此能够保证快速驱动开关管。

发射电路采用电容储能模式，最大发射电压为400V，因此开关管Q1耐压值不应低于400V。开关管选用Infineon公司的CoolMOS管IPD50R399CP。IPD50R399CP Vds的耐压值为500V，导通电阻典型值为0.399Ω，输入电容为890pF，米勒电容为40pF，门极总的充电电荷最大值Ｑ_ｇ仅为17nC，综合性能指标能够满足实现快速下降沿的要求。与目前探伤仪所普遍采用的开关管IRF830（Ｑ_ｇ＝38nC）相比较，IPD50R399CP门极输入电荷量减小一半，导通电阻由1.5Ω减小到0.399，因此更容易达到快速驱动的目的，发射电路输出阻抗也可以做得更小。

储能电容应取高耐压值瓷片电容，在此选择耐压值为630V材质为X7R的高压瓷片电容。此电容不能采用电解电容，原因是电解电容为单极性电容，而且ESR和ESL会比较大，漏电流也比较大。设计尽量不使用Y5V材质瓷片电容，原因是Y5V材质瓷片电容电压特性较差。二极管D1主要起到隔离的作用，因此应采用大电流快速二极管。本文采用STTH3R06U，电流为3A，反向恢复时间为35ns。二极管D2起到快速充电的作用，由于发射重复频率PRF一般从几十Hz到一万Hz不等，相对比较低，因此无需考虑超快速二极管，普通快速二极管即可胜任。在发射电路输出负方波时，D2承受的反向电压为发射输出电压，因此二极管耐压值不小于400V，在此选用普通快速二极管FR107，反向耐压值为700V。

对超声发射电路的优化大大减小了发射脉冲的下降沿，发射输出下降沿时间小于10ns，提高了发射电路对探头晶片的激发能力，进而改善了仪器的发射灵敏度。

本发明采用桥式T/R保护电路模式。由于集成芯片方案中的桥式T/R开关最大输入电压幅度比较低，不能满足400V发射电压要求，因此需要用分离元件设计一个桥式输入保护T/R开关。具体实施电路见图8。

超声回波信号经过T/R保护电路输出到接收信号调理电路。接收信号调理电路是超声模拟前端的核心，主要起到信号阻抗匹配、放大、衰减、滤波等作用。为了实现110dB的增益调节范围，需要对接收电路采用不同的增益控制档位，真实放大量在-30～80dB。

为了提高接收电路信噪比，接收电路需要使用低噪放大器。接收电路放大器前级分为3档，分别为30dB放大回路、0dB放大回路和-30dB放大回路。前置放大器采用电压型高速低噪放大器AD8031。AD8031电压噪声和电流噪声均非常小，且其放大量从1倍到10倍可保持恒定带宽，因此它可以用在低增益档位下作电压跟随，还可以用在高增益档位下作电压增益放大。

这3个前级放大增益回路通过模拟开关切换进行档位选择，其中模拟选通开关根据增益调节可以通过切换模拟开关选择其中一路输出到压控放大器AD8331输入端。模拟开关应该选择具有高带宽、低导通电阻和高隔离度的器件，本发明选择模拟选通开关TS5A3357。TS5A3357导通电阻为5Ω，带宽为334MHz，通道间隔离度为-62dB＠10MHz，适合本发明的设计。

AD8331具有一个固定19dB放大量的低噪前置放大器，可编程后置放大器可以提供两种增益模式：LO增益模式，增益调节范围为-4.5～43.5dB；HI增益模式，增益调节范围为7.5～55.5dB。AD8331前置放大器输入阻抗还可以利用一个电阻来进行调节，以便与信号源相匹配。AD8331内部结构如图9所示。由于此处AD8331用在第二级，输入源阻抗可认为是固定的，为前端输出阻抗与线路阻抗之和，因此把AD8331输入阻抗设置为无端接模式。AD8331还可以灵活设置输出压限值，防止输出信号大于模数转换器的允许最大输入值而导致模数转换器损坏。由于系统中设置模数转换器的满量程输入值为1V_p-p，本发明设置AD8331输出压限电压幅值为1.5V_p-p，以减小满量程输出时的谐波失真。

AD8331的差分输出信号输出到抗混叠滤波器，超声探伤仪接收电路工作频率范围典型值为0.5～20MHz。抗混叠滤波器的主要作用有两个，一是为了滤除带外的频率分量，防止带外信号混叠到第一奈奎斯特区从而造成图像失真；二是抗混叠滤波器滤除了带外噪声，从而提高了接收电路的信噪比指标，改善了图像质量。

接收电路原理如图10所示。与市面上的常规仪器接收电路通常所采用两级压控放大器如AD603级联来实现增益调节的方案相比，本发明的接收电路的最大优点是可以实现更高的信噪比。为了实现110dB增益线性调节，需要对压控放大器AD8331和放大前置电路档位进行配置。由于AD8331前置放大器为固定放大19dB，最大输入饱和电压为550mV_p-p，因此AD8331最大输入电压不能超过饱和电压，否则会产生信号失真。另一方面，AD8331里面衰减器最大调节范围为50dB，考虑到增益调节线性问题，因此取中间线性区40dB作为增益调节区间。

增益调节到低增益档时，信号通过前置衰减网络-30dB再经过模拟开关选通输出到压控放大器。低增益档覆盖的增益调节范围为0～29.9dB，增益起点为-30dB，AD8331可编程后置放大器设置为LO模式，AD8331增益调节范围为0～29.9dB。中间增益档覆盖范围为30～69.9dB，增益起点为0dB，信号通路选择0dB放大回路，AD8331增益调节范围为0～39.9dB，可编程后置放大器设置为LO模式。高增益档覆盖范围70～110dB，增益起点为40dB，信号通路选择30dB放大回路，AD8331增益调节范围为10～50dB，可编程后置放大器设置为HI模式。AD8331增益调节控制可以通过数模转换器输出所需要的控制电平来实现。由于AD8331增益调节为50dB/V，也就是20mV/dB，为了实现最小0.1dB增益可调，数模转换器分辨率不能低于2mV。在增益斜率为正的情况下，增益控制表达式为HILO＝LO GAIN（dB）＝50dB/V×V_gain－6.5dB，HILO＝HI GAIN（dB）＝50dB/V×V_gain＋5.5dB。AD8331的增益控制曲线见图11。

软件系统平台将采用嵌入式Linux操作系统平台，具有体积小、方便可裁剪等优势。软件系统包括两个主要的功能，一方面是提供人机交互接口，软件界面是仪器唯一的交互控制接口；另一方面软件系统提供了一套图像处理算法，包括波形位移、DAC曲线控制、闸门控制等。

在软件的人机交互方面，整体软件可分为三层。第一层为用户界面层，将显示的内容在SDRAM中绘制完成后，采用linux下标准的framebuffer帧缓冲方式将绘制的图形界面实时传递到屏幕上。第二层为数据和逻辑处理层，在驱动层获取到FPGA采集的数据后，经过cpu模块的计算和处理，将需要显示的部分绘制在SDRAM中，将计算的结果存储在相应的位置。第三层为驱动层，驱动层主要接收串口发送过来的按键信息以及FPGA采集到的ADC数据，传递到第二层进行处理，按键信息主要用于人机交互，ADC数据主要用于算法计算。在图像算法方面，CPU端软件利用Bresenham算法快速将FPGA采集到的数据经过量化处理绘制在屏幕上，DAC和TCG曲线以及闸门的绘制过程中，根据超声的相关定义对FPGA的寄存器进行读写来使得测量结果正确的显示在界面上。

本发明的工作原理为：首先FPGA模块产生一个激励触发信号到发射电路，发射电路产生一个高压负脉冲电信号激励超声探头，超声探头由于压电效应产生一个超声波传到被检工件。超声波在被检工件上传播，遇到缺陷或者不连续端面产生发射、折射或者衍射回传到超声探头。超声探头接收到超声回波信号，由于压电效应，超声回波信号转换为电信号，传到接收回路接收回波信号进行信号调理后输出到模数转换器。超声回波信号经过模数转换后，输出到FPGA模块进行数字信号处理，最后输出到CPU模块进行可视化处理。

本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本实发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：包括仪器的硬件系统平台、软件系统平台，其中硬件系统平台包括电源供电模块、发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、数模转换器、FPGA模块、CPU模块、接口模块、人机交互模块；

所述电源供电模块用于给超声探伤仪供电；所述发射电路用于产生高压信号；所述T/R保护电路用于对发射电路产生的高压电信号进行限幅，同时让回波信号无损通过，保护接收电路；所述接收电路用于对接收的回波信号进行阻抗匹配、放大、衰减、电平转换和滤波；所述模数转换器用于对接收电路处理后的回波信号进行模数转换并将转换后的回波数据传输至FPGA模块进行处理；所述FPGA模块用于采集和处理模数转换器转换后的回波数据，并将处理后的回波数据传输至CPU模块，以及控制发射电路、接收电路、接口模块；所述CPU模块用于处理FPGA模块处理后的回波数据，并进行可视化处理；所述接口模块用于实现超声探伤仪与外部设备的数据交互；所述人机交互模块用于实现人机交互；所述发射电路、T/R保护电路、接收电路、模数转换器、FPGA模块、CPU模块依次连接；所述FPGA模块通过数模转换器与接收电路连接；所述FPGA模块分别与发射电路、接口模块连接；所述CPU模块分别与人机交互模块、接口模块连接；所述软件系统安装在CPU模块上，包括图像处理算法，所述图像处理算法包括波形位移、DAC曲线控制、闸门控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述电源供电模块包括适配器、升压电路、降压电路、电压反向电路、电源充放电控制电路、仪器电源；所述降压电路包括第一降压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路；所述适配器、电源充放电控制电路、仪器电源、第一降压电路依次连接；所述第一降压电路分别与升压电路、第二降压电路、第三降压电路、第四降压电路、电压反向电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述电源充放电控制电路包括电源回路控制电路、电源充电电路；所述电源回路控制电路、电源充电电路分别与适配器、仪器电源连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述仪器电源包括仪器电源总输入电路、待机电源；所述仪器电源总输入电路分别与待机电源、电源充放电控制电路、第一降压电路连接。

5.根据权利要求2所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述升压电路包括反激式开关电源；所述反激式开关电源包括高压电源控制器、变压器；所述高压电源控制器与变压器连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述FPGA模块包括控制部分和数据处理部分；所述控制部分包括超声接收控制电路、超声发射控制电路、输入输出口控制电路；所述超声接收控制电路与数模转换器连接；所述超声发射控制电路与发射电路连接；所述输入输出口控制电路与接口模块连接；所述超声接收控制电路、超声发射控制电路、输入输出口控制电路分别与CPU模块连接；

所述数据处理部分ADC数据采集单元、IIR滤波器、FIR滤波器、视频滤波单元、检波器、数据压缩单元、数据平均单元；所述ADC数据采集单元、IIR滤波器、FIR滤波器、视频滤波单元、检波器、数据压缩单元、数据平均单元、CPU模块依次连接；所述ADC数据采集单元用于采集模数转换器转换后的回波数据；所述IIR滤波器用于滤除采集的回波数据中的直流分量；所述FIR滤波器用于滤除回波数据中的杂波，恢复超声探头的脉冲信号；所述视频滤波单元用于识别脉冲信号和杂波信号的包络，并去除杂波信号；所述检波器用于根据需要把脉冲信号变换成射频波、全波、正波或负波；所述数据压缩单元用于将采集上传的数据进行压缩；所述数据平均单元用于将前后若干次采集的数据进行平均化。

7.根据权利要求1所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述CPU模块包括AT91SAM9263处理器。

8.根据权利要求1所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：所述接口模块包括以下接口：2个标准LEMO-01探头插座，用于连接超声波探头；以太网接口，用于远程控制或数据网上传输；2个USB-A接口，用于与计算机通讯，以及直接拷贝数据到存储设备；直流电源插口，用于直流供电和电池充电以及USB-B接口。

9.根据权利要求1所述的一种用于断路器储能弹簧无损检测的超声导波仪，其特征在于：还包括外壳，所述接口模块设置在外壳上，所述外壳采用铝合金制成，所述外壳外部设置一层硅胶；所述外壳内部喷导电漆。

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