CN111157623A - 一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元。该激励信号源单元的输出端与所述自适应高压脉冲发射单元的输入端连接，用于提供系统的激励信号；该自适应高压脉冲发射单元的输出端通过开关单元与该超声换能器和该回波接收电路与反馈单元的输入端连接；该回波接收电路与反馈单元的输出端与该数字信号处理单元的输入端连接；该数字信号处理单元的输出端与所述反馈控制单元的输入端连接。本发明可以提高发射信号的强度和接收信号的灵敏度，抑制噪声影响，并适应多种超声换能器的特性。

Description

一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量 装置

技术领域

本发明涉及超声无损检测领域，具体公开了一种用于超声探伤的自适应反馈式高压驱动脉冲发射和非线性超声导波测量装置和一种基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，超声无损检测技术开始广泛应用于工业检测领域。但是在实际的应用场景中，仍面临一系列问题需要解决。一方面，超声波的发射功率不足限制了检测范围和检测精度。由于某些特殊的待测工业材料具有非常大的声阻抗，超声波难以穿透，并且超声波的衰减速度正比于频率，频率越高衰减速度越快。同时超声成像的纵向分辨率与超声频率成正比关系，如果需要改善超声检测效果就必须提高超声的频率。因此，在保证检测效果的前提下，想要提高待测材料的探测范围或者实现对声阻抗较大材料的更好检测，就需要提高超声波的发射功率。

另一方面，非线性超声导波检测技术通过观测材料中的非线性效应可以实现微损伤(如分层、疲劳裂纹等)难题的检测，但材料的非线性效应产生的信号十分微弱，极易被噪声所掩盖。因此，实现对结构早期微损伤的检测，预测结构的性能变化需要解决于噪声中提取微弱非线性效应的问题。

在传统的超声波发射电路中，超声换能器的两端分别连接两个反相输出的反相器输出端，实际上是将探头连接在由四个开关管组成的两个推挽输出电路之间。但是由于电源内阻及输出能力的制约，导致输出电压未达到电源电压，并且输出脉冲的上升沿不够陡峭，对换能器的驱动效果差。同时因反相器的负载能力有限，其主要应用在微小功率发射的超声波发射电路中，不能满足大功率发射的需求。

另外的高压脉冲发射电路能够部分满足大功率发射的要求，其发射的超声波能量是取自超声发射芯片所提供的高压电脉冲。虽然集成度较高，但受限与当前集成电路的设计和工艺水平，芯片可承受的高压有限，进而导致电路输出功率有限。由于需要高压供电，因此超声发射芯片在整个硬件系统中比较脆弱，稍有不慎就会造成超声发射芯片烧毁，损失严重。同时超声发射芯片具有工作频率高时发热严重，功耗较大，使用寿命较短等的缺点，所以限制了超声发射电路的性能提升。

还有的高压脉冲装置能够发送高压脉冲信号发送到超声换能器。发送的高压脉冲信号使超声换能器产生振动，从而产生声波。超声换能器的等效模型为LC谐振电路，激励换能器有可能产生上千伏的过冲电压。为避免该电压损坏电路元器件，同时减弱该高压脉冲信号产生的开关噪声对控制端信号的影响，需要设计隔离驱动单元，防止输出端信号耦合到驱动端，产生交叉影响导致输出驱动脉冲不稳定。

传统的非线性超声导波检测方法中，在探测距离较长或者待测材料声阻抗较大的情况下，超声波信号的衰减严重，接收电路检测到的超声波信号非常微弱，信号往往被淹没在背景噪声中，使用传统的放大滤波方法无法检测或者信噪比较低。多谐波相敏检测技术利用有用信号与随机噪声在频率上不相干的特性来进行信号提取，同时采用多谐波检测结构可以就非线性超声导波信号中的不同频率成分进行针对性检测，在超声无损检测中应用多谐波相敏检测技术能够提高信噪比和检测精度。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于激励超声换能器的带有隔离驱动单元的高压脉冲发射装置，旨在改善现有的超声发射电路发射功率不足和发射信号不稳定导致对换能器的驱动效果较差的问题。

本发明的另一目的在于提供一种对非线性超声导波信号进行处理的基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波测量方法，旨在提高非线性超声导波信号检测的精度。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，用于对样品进行无损探伤，该非线性超声导波测量装置包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元；

所述自适应高压脉冲发射单元通过开关单元的第一可控继电器与超声换能器连接，产生高压信号到所述超声换能器；所述超声换能器与待测试块通过耦合剂间接接触，用于发射大功率超声波至所述待测试块；所述超声换能器还通过所述开关单元的第二可控继电器连接至所述回波接收电路与反馈单元。

所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接，用于采集所述超声换能器接收的来自所述待测试块的超声导波信号，并对所述超声导波信号进行信号调理和数字化。

所述数字信号处理单元与所述反馈控制单元连接，用于对数字化的所述超声导波信号进行处理，计算及分析所述待测试块的弹性性能和结构特征，同时输出所述超声导波信号的幅度和频率信息至所述反馈控制单元。

所述反馈控制单元与所述激励信号源单元连接，用于实现自适应反馈调整链路。

进一步的，所述激励信号源单元包括高精度温度补偿型晶体振荡器参考源、振荡器频率上变频器、及脉冲生成器。

进一步的，所述振荡器频率上变频器以所述温度补偿型晶体振荡器参考源为参考，产生高频参考时钟源，所述高频参考时钟源频率应不小于200MHz，用于产生足够时间精度的信号。

进一步的，所述脉冲生成器以所述振荡器频率上变频器输出为参考时钟，通过现场可编程门阵列和嵌入式处理器进行控制，产生可调整重复频率和时间长度的第一控制信号和第二控制信号。

所述自适应高压脉冲发射单元包括高压半桥驱动单元，高压隔离控制单元和高压脉冲发射单元。

进一步的，所述高压半桥驱动单元包括高侧驱动单元和低侧驱动单元。

进一步的，所述高侧驱动单元包括第一数字隔离器、第一死区时间控制单元和第一高压驱动单元，所述第一数字隔离器、所述第一死区时间控制单元和所述第一高压驱动单元沿传播方向依次连接；

进一步的，所述第一数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第一控制信号输出端连接，用于隔离所述第一控制信号和所述第一死区时间控制单元。所述第一控制信号输出端用于输出所述第一控制信号；

所述第一死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第一控制信号的第一同相信号和第一反相信号；

所述第一高压驱动单元的高侧输入端与所述第一同相信号连接，所述第一高压驱动单元的低侧输入端与所述第一反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的高侧控制信号。

进一步的，所述低侧驱动单元包括第二数字隔离器、第二死区时间控制单元和第二高压驱动单元，所述第二数字隔离器、所述第二死区时间控制单元和所述第二高压驱动单元沿传播方向依次连接；

所述第二数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第二控制信号输出端连接，用于隔离所述第二控制信号和所述第二死区时间控制单元；所述第二控制信号输出端用于输出所述第二控制信号。

进一步的，所述第二死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第二控制信号的第二同相信号和第二反相信号；

所述第二高压驱动单元的高侧输入端与所述第二同相信号连接，所述第二高压驱动单元的低侧输入端与所述第二反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的低侧控制信号。

进一步的，所述的高压隔离控制单元包括高侧隔离单元和低侧隔离单元。

进一步的，所述高侧隔离控制单元为一个单输入多输出隔离变压器，所述高侧隔离控制单元的输入端连接到所述第一高压驱动单元的高侧控制信号输出端，用于输出高侧驱动信号。所述高侧控制信号输出端用于输出高侧控制信号，受继电器控制输入到可控匝数的所述单输入多输出隔离变压器的原边线圈。

进一步的，所述低侧隔离单元为一个1：1单输出变压器，所述低侧隔离单元的输入端连接到所述第二高压驱动单元的低侧控制信号输出端，用于输出低侧驱动信号。所述低侧控制信号输出端用于输出低制信号。

进一步的，所述高压脉冲发射单元包括高侧开关电路和低侧开关电路；所述高侧开关电路为串联和并联的场效应管阵列，所述高侧开关电路的高侧驱动端各自连接到所述高侧隔离控制单元的高侧驱动信号输出端。所述高侧驱动信号输出端用于输出高侧驱动信号。所述低侧开关电路的低侧驱动端连接到低侧驱动信号输出端。所述低侧驱动信号输出端用于输出低侧驱动信号。

所述回波接收电路与反馈单元包括钳位衰减单元、程控放大器单元、抗混叠滤波器单元和ADC信号采集单元，所述钳位衰减单元、所述程控放大器单元、所述抗混叠滤波器单元和所述ADC信号采集单元沿信号传递方向依次连接；

所述钳位衰减单元，用于滤除接收所述超声导波信号中的高压部分；

所述程控放大器单元，用于将所述钳位衰减单元输出的电压信号进行放大处理，并根据所述反馈控制单元输出信号调整程控放大倍数；

所述抗混叠滤波器单元，用于对经放大后的所述电压信号进行滤波处理；

所述ADC信号采集单元，用于将放大及滤波后的所述电压信号转换成数字信号。

进一步的，所述数字信号处理单元包括一超声导波信号输入端、周期积分单元、频率计算单元、幅度计算单元、中频调制单元和多谐波相敏检测单元，所述超声导波信号输入端分别于频率计算单元，幅度计算单元、周期积分单元和中频调制单元的一个输入端连接；所述频率计算单元的输出端与所述中频调制单元的另一个输入端连接；所述中频调制单元的输出端与所述多谐波相敏检测单元的一个输入端连接；所述多谐波相敏检测单元的输出端，所述周期积分单元的输出端分别与所述上位机单元的输入端连接。

进一步的，所述反馈控制单元的输入端分别与所述数字信号处理单元的幅度计算单元和频率计算单元的输出端连接；所述反馈控制单元的输出端分别与所述激励信号源单元，所述回波接收电路与反馈单元，所述自适应高压脉冲发射单元一个控制输入端连接。

进一步的，所述反馈控制单元从所述数字信号处理单元的频率计算单元获取超声导波信号的频率，计算该频率下所需的激励脉冲宽度，用于控制所述激励信号源单元输出脉冲信号的宽度。

进一步的，所述反馈控制单元从所述数字处理单元的幅度计算单元获取超声导波信号的幅度，用于控制所述回波接收电路与反馈单元的程控放大器单元的放大倍数，同时控制所述自适应高压脉冲发射单元的高压脉冲发射单元的阻抗匹配单元。

另外，本发明还提供了一种基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法，包括如下步骤：

所述电信号进行钳位，衰减，放大和滤波处理，转换为数字信号；

所述数字信号进行离散傅里叶变换，得到离散频域信息，计算峰值，得到各个频率分量的信号幅值，计算得出所述待测试块的缺陷信息；

所述数字信号经过频率计算得出频率信息，幅度计算得出幅度信息，中频调制计算得到中频信号；

所述频率信息和所述幅度信息输入到所述反馈控制单元，生成对所述激励信号源单元的脉冲控制信号，对所述自适应高压脉冲发射单元的阻抗匹配控制信号和对所述回波接收电路与反馈单元的放大倍数控制信号；

所述中频调制信号经过多谐波相敏检测和计算得出所述待测试块的缺陷信息。

进一步的，将离散傅里叶变换方法计算得出的缺陷信息与多谐波相敏检测计算得出的缺陷信息进行综合比对，得到所述待测试块的缺陷信息。

进一步的，所述数字信号经过频率计算得出频率信息，幅度计算得出幅度信息，中频调制计算得到中频调制信号的具体步骤是：

将所述数字信号进行频率计算，得到所述数字信号的频率信息，然后再将所述频率信息输入到频率计算单元的直接数字频率合成器生成同频信号；

将所述同频信号和所述数字信号进行相敏检测，得到所述数字信号对应所述频率信息处的幅度信息。

将所述数字信号输入到所述中频调制单元进行中频调制计算；

将所述频率信息输入到所述中频调制单元的直接数字频率合成器中生成该频率与中频的和频信号；

所述和频信号与所述数字信号在所述中频调制单元进行数字混频运算，再进行数字滤波运算后得到中频调制信号。

进一步的，所述中频调制信号经过多谐波相敏检测和计算得出所述待测试块的缺陷信息的具体步骤是：

以中频成分的解调为例，利用多谐波相敏检测单元的一个直接数字频率合成器生成中频参考信号；

将所述中频调制信号与所述中频参考信号进行双相相敏检测计算，计算得到所述中频调制信号对应中频成分的幅度和相位信息；

再利用多谐波相敏检测单元的另一个直接数字频率合成器生成对应中频参考信号的n倍频谐波参考信号；

同时将所述中频调制信号与所述n倍频谐波参考信号进行双相相敏检测计算，计算得到所述中频调制信号对应n倍频谐波成分的幅度和相位信息；

利用所述中频成分的幅度和相位信息与所述n倍频谐波成分的幅度和相位信息计算分析所述待测试块的缺陷信息。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益技术效果：

1)与现有技术相比，本发明改进了传统的高压脉冲发射电路的实现方式，采用高压半桥驱动和变压器隔离驱动相结合的方式，从而提高输出脉冲的电压幅度至1000V，保证了高压脉冲发射电路的稳定性和安全性，改善了现有技术中发射功率不足且发射信号不稳定的问题；

2)本发明基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法，与传统的放大和滤波的信号处理方式不同，采用中频调制与多谐波相敏检测相结合的方法，一方面降低了对相敏检测中滤波器的设计要求，提高了检测精度；另一方面采用相敏检测的数据处理方式，将输入信号调制到中频后滤掉与目标频率信号不同频率的噪声，可有效提高信噪比；

3)本发明同时采用多路相敏检测实时测量的方式，实现了对非线性超声导波信号的多频率成分同时检测，改进了微弱非线性效应的导波检测方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置结构图；

图2是本发明实施例中自适应高压脉冲发射单元的信号链路示意图；

图3是本发明实施例中死区时间控制单元的信号链路示意图；

图4是本发明实施例中高压驱动单元的信号链路示意图；

图5是本发明实施例中回波接收电路与反馈单元的信号链路示意图；

图6是本发明实施例中数字信号处理单元的信号链路示意图；

图中：

1：激励信号源单元；2：反馈控制单元；3：数字信号处理单元；4：上位机单元；5：高压电源单元；6：自适应高压脉冲发射单元；7：回波接收电路与反馈单元；8：开关单元；9：超声换能器；30：中频调制单元；31：幅度计算单元；32：频率计算单元；33：多谐波相敏检测单元；50：低电压梯度电源单元；51：高电压梯度电源单元；60：高压半桥驱动单元；61：高压隔离控制单元；62：电容1阵列单元；63：高压脉冲发射单元；630：钳位保护单元；631：阻抗匹配单元；600：死区时间控制单元；6001：反相器单元；6002：第一低通滤波器单元；6003：第一电压跟随器单元；6004：第二低通滤波器单元；6005：第二电压跟随器单元；601：高压驱动单元；6011：脉冲触发单元；6012：电平移位器单元；6013：自举升压电路单元；6014：半桥开关电路单元；70：钳位衰减单元；71：程控放大器单元；72：抗混叠滤波器单元；73：ADC信号采集单元；801：第一可控继电器；802：第二可控继电器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其结构包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元。

该激励信号源单元的输出端与该自适应高压脉冲发射单元的输入端连接，用于提供系统的激励信号；该自适应高压脉冲发射单元的输出端通过开关单元与该超声换能器和所述回波接收电路与反馈单元的输入端连接，用于生成高压大功率脉冲电信号；

该回波接收电路与反馈单元的输出端与该数字信号处理单元的输入端连接，用于对来自该超声换能器的超声导波信号进行信号调理和数字化；该数字信号处理单元的输出端与该反馈控制单元的输入端连接，该反馈控制单元的输出端还与该激励信号源单元的输入端连接，形成自适应反馈调整链路，自动调整所述激励信号源单元输出，构成高灵敏度数据测量和分析链路。

本发明还公开了一种基于数字锁相技术的多谐波非线性超声导波检测方法。与现有的传统的超声波发射和测量方法相比，采用本发明的检测方法可以提高发射信号的强度和接收信号的灵敏度，抑制噪声影响，并适应多种超声换能器的特性。

实施例1

参见图1所示，图1是本发明实施方式提供的一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置。该测量装置结构包括激励信号源单元1、反馈控制单元2、数字信号处理单元3、上位机单元4、高压电源单元5、自适应高压脉冲发射单元6、回波接收电路与反馈单元7、开关单元8和超声换能器9。

在图1示出的实施方式中，该激励信号源单元1的第一控制信号输出端和第二控制信号输出端通过输入隔离单元分别输出第一控制信号和第二控制信号到所述自适应高压脉冲发射单元6的输入端。该自适应高压脉冲发射单元6的输出端通过开关单元8与该超声换能器9和所述回波接收电路与反馈单元7的输入端连接，用于生成大功率的脉冲电信号激励所述超声换能器9产生大功率的超声信号。

该数字信号处理单元3的输出端与该反馈控制单元2的输入端连接，该反馈控制单元2的输出端还与该激励信号源单元1的输入端连接，形成自适应反馈调整链路，自动调整所述激励信号源单元1的输出，构成高灵敏度数据测量和分析链路。

该回波接收电路与反馈单元7的输出端与该数字信号处理单元3的输入端连接，用于对来自该超声换能器9的超声导波信号进行信号调理和数字化。

在一些实施方式中，该激励信号源单元1的脉冲生成器可以由数字累加器，比较寄存器和数字比较器组成。其基本原理是连续输入一频率控制字至数字累加器的寄存器，数字累加器单元输出可由频率控制字数字控制斜率的锯齿波。此时生成脉冲的刷新率由频率控制字控制，而不是由传统的计数器宽度控制。采用此数字累加器方式的优点是可以产生可变相位的脉冲波。

此外，在一些实施方式中，激励信号源单元1可以使用高频参考时钟源为参考时钟，高频参考时钟源由温度补偿型晶体振荡器和振荡器频率上变频器组成，其基本原理是利用温度补偿电路降低环境温度对振荡频率的影响程度，利用振荡器频率上变频器所包含的模拟锁相环，压控振荡器和环路滤波器降低高频时钟的相位噪声。

在本实施例中，如图2所示，该自适应高压脉冲发射单元6包括沿信号传递方向连接的高压半桥驱动单元60，高压隔离控制单元61和高压脉冲发射单元62。

在本实施例中，如图2所示，该高压半桥驱动单元60包括死区时间控制单元600，用于输出反相的两路控制信号，保证高压驱动单元601的半桥开关单元6014的高侧场效应管和低侧场效应管不会同时导通。

在本实施例中，如图3所示，该死区时间控制单元600包括沿信号传递方向连接的反相器单元6001，第一低通滤波单元6002，第一电压跟随器单元6003以及另一路沿信号传递方向连接的第二低通滤波单元6004和第二电压跟随器单元6005，进一步的，该死区时间控制单元600包含两路信号处理链路，其中包含反相器单元6001的一路用于获取与输入信号反相的信号，另不包含反相器单元6001的一路用于获取与输入信号同相的信号。

该反相器单元6001，用于将激励信号源单元输出的高侧或低侧控制信号做取反处理；第一低通滤波单元6002和第二低通滤波单元6004，用于滤除输入脉冲信号的高频毛刺，防止信号误触发，对电路造成负面影响；第一电压跟随器单元6003和第二电压跟随器单元6005，用于处理信号链路的阻抗匹配问题，同时提高电路的输出能力。

在本实施例中，如图2所示，该高压半桥驱动单元60还包括高压驱动单元601，用于生成高压脉冲发射单元62的半桥电路中的高侧开关电路和低侧开关电路。

在本实施例中，如图4所示，该高压驱动单元601包括脉冲触发器单元6011，电平移位器单元6012，自举升压电路单元6013和半桥开关电路单元6014。

该脉冲触发器单元6011用于抓取死区时间控制单元输出信号的跳变沿并且产生响应的信号；该电平移位器单元6012用于将低侧驱动端的实地电平转换到高侧驱动端的浮地电平，同时结合自举升压电路单元可抬升电平，提高电路输出功率；该自举升压电路单元6013由一个自举电容和自举二极管组成，用于抬高输入信号的电平；该半桥开关电路单元6014为半桥电路结构，用于输出高侧驱动信号和低侧驱动信号。

在本实施例中，如图2所示，该高压隔离控制单元61由一个单输入多输出变压器和一个1：1单输出变压器组成，高压隔离控制单元输出由继电器控制的多组控制信号，用于实现高压半桥驱动单元60与高压脉冲发射单元63之间的高压隔离与控制。例如，变压器磁芯可以选择高磁导率的材料从而减少漏感，且变压器的绕组比值可以根据半桥电路的上管和下管的导通电压与高压半桥驱动单元输出高侧控制信号和低侧控制信号的电压比值决定。

在本实施例中，如图2所示，该高压脉冲发射单元63包括高侧开关电路和低侧开关电路，高侧开关电路的场效应管的源极和低侧开关电路的场效应管的漏极相连，用于输出驱动超声换能器的高压脉冲信号。该高侧开关电路和低侧开关电路分别由高侧驱动端和低侧驱动端输出的信号控制高压脉冲信号的开关频率和信号占空比。该高侧开关电路可以采用两个场效应管串联的结构，避免激励超声换能器产生的反冲电压损伤场效应管。

此外，在本实施例中，如图2所示，该高压脉冲发射单元63还包括钳位保护单元630，该钳位保护单元630用于保护电路免受反冲电压和尖峰毛刺信号的影响。该钳位保护单元630由可耐高压的二极管实现。进一步的，钳位保护单元可以通过串联多个二极管来提高电路的抗压能力。

此外，在本实施例中，如图2所示，该高压脉冲发射单元63还包括阻抗匹配单元631，该阻抗匹配单元631用于匹配超声换能器的容性特性，提高电路的工作效率。该阻抗匹配单元631可由变压器实现。该反馈控制单元2可以通过检测反射的超声导波信号的幅度来调整原边和副边的线圈匝数变比以改变电路的输出阻抗。

在本实施例中，该高压电源单元5的高电压梯度电源单元51的输出电流可能不足以满足高压脉冲发射单元63瞬间导通放电的要求，需要采用耐高压的电容阵列进行储能。该高压电源单元5的高电压梯度电源单元51的输出端和高压脉冲发射单元63的高电势端还连接有耐高压电容阵列单元62，用于储存能量，累积电流，提高电路瞬间放电的输出电流能力。

在本实施例中，如图5所示，该回波接收电路与反馈单元7包括沿信号传递方向依次连接的钳位衰减单元70，程控放大器单元71，抗混叠滤波器单元72，ADC信号采集单元73。

该钳位衰减单元70用于滤除超声换能器接收的所述超声导波信号中的高压部分。该程控放大器单元71，用于将钳位与衰减单元70输出的电压信号进行放大处理，提高电路的动态范围。该抗混叠滤波器单元72，用于对经该程控放大器单元71放大后的所述电压信号进行滤波处理，滤除高于1/2采样率的信号成分，防止进入模数转换器的信号发生混叠，同时消除其他高频谐波等有害信号，或将其衰减至小值，不对电路形成负面影响。该ADC信号采集单元73，用于将放大及滤波后的所述电压信号转换成数字信号。

在本实施例中，该钳位衰减单元70包括第一二极管钳位单元，第二二极管钳位单元和π型电阻衰减单元。

在本实施例中，第一二极管钳位单元，由四个快恢复二极管、两个固定阻值精密电阻组成，用于将超声导波信号中的超高压钳制为5V左右的中等电压，避免损坏电路。

在本实施例中，第一二极管钳位单元，由两个稳压二极管并联组成，用于将一次钳位后的中等电压钳制为1V以下的的低电压。

在本实施例中，π型电阻衰减单元，用于对二次钳位后可能出现的过高电压进行进一步衰减。

在本实施例中，ADC信号采集单元73可选用逐次逼近SAR型ADC或流水线型ADC。根据本装置的测量要求，需满足采样频率高、采样速度快、控制应用、高吞吐速率及低功耗等要求，优选采用一款流水线型ADC芯片，采样率达到65MHz，信噪比达到77dB。

在本实施例中，该ADC信号采集单元73可选用高频参考时钟源为参考时钟。具体的，参考时钟源性能对ADC的信噪比影响极大。高频参考时钟源由温度补偿型晶体振荡器和振荡器频率上变频器组成，其基本原理是利用温度补偿电路降低环境温度对振荡频率的影响程度，利用振荡器频率上变频器所包含的模拟锁相环，压控振荡器和环路滤波器降低高频时钟的相位噪声。

具体的，该ADC信号采集单元73与激励信号源单元1使用了相同结构的参考时钟源。因此，该高频参考时钟源可以被ADC信号采集单元73与和激励信号源单元1复用。

在本实施例中，该数字信号处理单元7优选一款SoC系统级芯片，片上集成现场可编程逻辑阵列及嵌入式处理器，实现了以下功能：一是利用现场可编程门阵列的丰富逻辑资源，完成专用资源配置及接口控制；二是利用嵌入式处理器的专用运算单元、存储单元，实现将数据传输到上位机单元4。

在本实施例中，如图6所示，该数字信号处理单元3包括超声导波信号输入端301，中频调制单元30，频率计算单元31，幅度计算单元32，多谐波相敏检测单元33。该超声导波信号输入301分别与所述频率计算单元31、所述幅度计算单元32、所述周期积分单元34的输入端和所述中频调制单元30的输入端连接。所述频率计算单元31和所述幅度计算单元32的输出端分别与所述反馈控制单元2的幅度反馈输入端和频率反馈输入端连接；所述中频调制单元30的输出端与所述多谐波相敏检测单元33的输入端连接；所述多谐波相敏检测单元33的输出端，所述周期积分单元34的输出端分别与所述上位机单元4连接。

一路超声导波信号经由所述超声导波信号输入端301输入，首先经由周期积分单元34进行离散傅里叶变换，然后经由频率计算单元31计算得到信号的频率Fr，将频率Fr输入到所述中频调制单元30中的直接数字频率合成器，利用该直接数字频率合成器生成频率Fr与IF的和频信号作为调制信号。同时所述超声导波信号输入到所述中频调制单元30，与所述调制信号进行混频计算，得出所述调制信号与所述超声导波信号的和频信号与差频信号。然后，将该和频信号与差频信号输入到中频调制单元的放大单元进行放大后输出中频调制信号。然后，将该中频调制信号输入到多谐波相敏检测单元33作为每一路相敏检测单元的输入信号，同时利用多谐波相敏检测单元33的直接数字频率合成器生成待检测的目标频率的信号作为参考信号。

由于材料具有非线性效应，该中频调制信号包含多种频率的信息，经过多谐波相敏检测单元33后输出对应各频率成分的幅度和相位信息。最后将该幅度信息和相位信息输入到上位机单元4进行材料结构特征的分析。

为了进一步说明，如图6所示，数字信号处理单元3中的中频调制单元30，其实现过程中，针对某一具体频率的超声导波信号，有输入的一路超声导波信号f(t)＝A_r(t)sin(2πf_r+φ_r)，生成的一路调制信号g(t)＝sin(2π(f_r+IF))，以上两路信号经过处理后，经由放大器单元输出中频调制信号。

将超声导波信号f(t)＝A_r(t)sin(2πf_r+φ_r)与调制信号g(t)＝sin(2π(f_r+IF))相乘：

该中频调制信号包含输入的调制信号与超声导波信号的和频成分与差频成分。

本实施例中，对于包含其他频率成分的超声导波信号的分析方式与包含某一具体频率的超声导波信号的以上分析方式相同。

为了进一步说明，如图6所示，该数字信号处理单元3中的多谐波相敏检测单元33，其检测过程中，有一路中频调制信号，有由多路直接数字频率合成器输出的对应不同解调频率的参考信号。针对单路相敏检测模块，以解调频率IF为例，有输入三路信号，分别是被测中频调制信号

参考正弦信号f_R1(t)＝sin(2πIFt)，参考余弦信号f_R2(t)＝cos(IFt)。将被测中频调制信号分别于参考正弦信号、参考余弦信号相乘。

其中，被测中频调制信号与参考正弦信号相乘：

被测中频调制信号与参考余弦信号相乘：

将混频后得到的信号经过滤波单元，输出正交分量输出端的信号为

输出同相分量输出端的信号为

将该两个信号进行平方根运算和反正切运算后即可得到被测中频调制信号的幅度信息A_r(t)和相位信息φ_r。通过分析在超声导波信号在不同频率成分的幅度和相位信息可以对材料的结构性能进行有效分析。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元，其中，

所述激励信号源单元通过隔离单元与所述自适应高压脉冲发射单元连接，用于向所述自适应高压脉冲发射单元提供激励信号；

所述自适应高压脉冲发射单元通过开关单元的第一可控继电器与超声换能器连接，产生高压信号到所述超声换能器；所述超声换能器与待测试块通过耦合剂间接接触，用于发射大功率超声波至所述待测试块；所述超声换能器还通过所述开关单元的第二可控继电器连接至所述回波接收电路与反馈单元；

所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接,所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接，用于采集所述超声换能器接收的来自所述待测试块的超声导波信号，并对所述超声导波信号进行信号调理和数字化；

所述数字信号处理单元与所述反馈控制单元连接，用于对数字化的所述超声导波信号进行处理，计算及分析所述待测试块的弹性性能和结构特征，同时输出所述超声导波信号的幅度和频率信息至所述反馈控制单元；

所述反馈控制单元与所述激励信号源单元连接，用于实现自适应的反馈调整链路。

2.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述激励信号源单元包括高精度温度补偿型晶体振荡器参考源、振荡器频率上变频器、及脉冲生成器；

所述振荡器频率上变频器以所述温度补偿型晶体振荡器参考源为参考，产生高频参考时钟源，所述高频参考时钟源频率应不小于200MHz，用于产生足够时间精度的信号；

所述脉冲生成器以所述振荡器频率上变频器输出为参考时钟，通过现场可编程门阵列和嵌入式处理器进行控制，产生可调整重复频率和时间长度的第一控制信号和第二控制信号。

3.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述自适应高压脉冲发射单元包括高压半桥驱动单元，高压隔离控制单元和高压脉冲发射单元；所述高压半桥驱动单元包括高侧驱动单元和低侧驱动单元；

所述高侧驱动单元包括第一数字隔离器、第一死区时间控制单元和第一高压驱动单元，所述第一数字隔离器、所述第一死区时间控制单元和所述第一高压驱动单元沿传播方向依次连接；

所述低侧驱动单元包括第二数字隔离器、第二死区时间控制单元和第二高压驱动单元，所述第二数字隔离器、所述第二死区时间控制单元和所述第二高压驱动单元沿传播方向依次连接；

所述第一数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第一控制信号输出端连接，用于隔离所述第一控制信号和所述第一死区时间控制单元。所述第一控制信号输出端用于输出所述第一控制信号；

所述第一死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第一控制信号的第一同相信号和第一反相信号；

所述第一高压驱动单元的高侧输入端与所述第一同相信号连接，所述第一高压驱动单元的低侧输入端与所述第一反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的高侧控制信号；

所述第二数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第二控制信号输出端连接，用于隔离所述第二控制信号和所述第二死区时间控制单元；所述第二控制信号输出端用于输出所述第二控制信号；

所述第二死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第二控制信号的第二同相信号和第二反相信号；

所述第二高压驱动单元的高侧输入端与所述第二同相信号连接，所述第二高压驱动单元的低侧输入端与所述第二反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的低侧控制信号。

4.如权利要求3所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述高压隔离控制单元包括高侧隔离控制单元和低侧隔离控制单元；

所述高侧隔离控制单元为一个单输入多输出隔离变压器，所述高侧隔离控制单元的输入端连接到所述第一高压驱动单元的高侧控制信号输出端，用于输出高侧驱动信号；所述高侧控制信号输出端用于输出高侧控制信号，受继电器控制输入到可控匝数的所述单输入多输出隔离变压器的原边线圈；

所述低侧隔离控制单元为一个1：1单输出变压器，所述低侧隔离单元的输入端连接到所述第二高压驱动单元的低侧控制信号输出端，用于输出低侧驱动信号；所述低侧控制信号输出端用于输出低制信号。

5.如权利要求3所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述高压脉冲发射单元包括高侧开关电路和低侧开关电路；

所述高侧开关电路为串联和并联的场效应管阵列，所述高侧开关电路的高侧驱动端各自连接到所述高侧隔离控制单元的高侧驱动信号输出端，所述高侧驱动信号输出端用于输出高侧驱动信号；

所述低侧开关电路的低侧驱动端连接到低侧驱动信号输出端，所述低侧驱动信号输出端用于输出低侧驱动信号。

6.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述回波接收电路与反馈单元包括钳位衰减单元、程控放大器单元、抗混叠滤波器单元和ADC信号采集单元，所述钳位衰减单元、所述程控放大器单元、所述抗混叠滤波器单元和所述ADC信号采集单元沿信号传递方向依次连接；

所述钳位衰减单元，用于滤除接收所述超声导波信号中的高压部分；

所述程控放大器单元，用于将所述钳位衰减单元输出的电压信号进行放大处理，并根据所述反馈控制单元输出信号调整程控放大倍数；

所述抗混叠滤波器单元，用于对经放大后的所述电压信号进行滤波处理；

所述ADC信号采集单元，用于将放大及滤波后的所述电压信号转换成数字信号。

7.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：

所述数字信号处理单元包括一超声导波信号输入端、周期积分单元、频率计算单元、幅度计算单元、中频调制单元和多谐波相敏检测单元，所述超声导波信号输入端分别于频率计算单元，幅度计算单元，周期积分单元和中频调制单元的一个输入端连接；

所述频率计算单元的输出端与所述中频调制单元的另一个输入端连接；所述中频调制单元的输出端与所述多谐波相敏检测单元的一个输入端连接；所述多谐波相敏检测单元的输出端，所述周期积分单元分别与所述上位机单元的输入端连接。

8.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：

所述反馈控制单元的输入端分别与所述数字信号处理单元的幅度计算单元和频率计算单元的输出端连接；所述反馈控制单元的输出端分别与所述激励信号源单元，所述回波接收电路与反馈单元，所述自适应高压脉冲发射单元一个控制输入端连接；

所述反馈控制单元从所述数字信号处理单元的频率计算单元获取超声导波信号的频率，计算该频率下所需的激励脉冲宽度，用于控制所述激励信号源单元输出脉冲信号的宽度；

所述反馈控制单元从所述数字处理单元的幅度计算单元获取超声导波信号的幅度，用于控制所述回波接收电路与反馈单元的程控放大器单元的放大倍数，同时控制所述自适应高压脉冲发射单元的高压脉冲发射单元的阻抗匹配单元。

9.一种基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：发射大功率的高压脉冲信号至超声换能器；

所述超声换能器发射大功率的超声波至待测试块；通过所述超声换能器获取来自所述待测试块的非线性超声导波信号，并将其转换为电信号；所述电信号进行钳位，衰减，放大和滤波处理，转换为数字信号；

所述数字信号进行离散傅里叶变换，得到离散频域信息，计算峰值，得到各个频率分量的信号幅值，计算得出所述待测试块的缺陷信息；

所述数字信号经过频率计算得出频率信息，幅度计算得出幅度信息，中频调制计算得到中频信号；

所述频率信息和所述幅度信息输入到所述反馈控制单元，生成对所述激励信号源单元的脉冲控制信号，对所述自适应高压脉冲发射单元的阻抗匹配控制信号和对所述回波接收电路与反馈单元的放大倍数控制信号；

所述中频调制信号经过多谐波相敏检测和计算得出所述待测试块的缺陷信息；所述中频调制信号经过多谐波相敏检测和计算得出所述待测试块的缺陷信息的具体步骤是：

S11：利用所述多谐波相敏检测单元的一个直接数字频率合成器生成中频参考信号；

S12：将所述中频调制信号与所述中频参考信号进行双相相敏检测计算，计算得到所述中频调制信号的中频成分的幅度和相位信息；

S13：再利用所述多谐波相敏检测单元的另一个直接数字频率合成器生成对应中频参考信号的n倍频谐波参考信号；

同时将所述中频调制信号与所述n倍频谐波参考信号进行双相相敏检测计算，计算得到所述中频调制信号对应n倍频谐波成分的幅度和相位信息；

S14：利用所述中频成分的幅度和相位信息与所述n倍频谐波成分的幅度和相位信息计算分析所述待测试块的缺陷信息；

S2：将离散傅里叶变换方法计算得出的缺陷信息与多谐波相敏检测计算得出的缺陷信息进行综合比对，得到所述待测试块的缺陷信息。

10.如权利要求9所述的基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法，其特征在于：

所述数字信号经过频率计算得出频率信息，幅度计算得出幅度信息，中频调制计算得到中频调制信号的具体步骤是：

将所述数字信号进行频率计算，得到所述数字信号的频率信息，然后再将所述频率信息输入到所述频率计算单元的直接数字频率合成器生成同频信号；

将所述同频信号和所述数字信号进行相敏检测，得到所述数字信号对应所述频率信息处的幅度信息；

同时利用所述中频调制单元的直接数字频率合成器生成高频的调制信号；

将所述调制信号与所述数字信号进行数字混频计算，再经过数字滤波运算得到所述中频调制信号。

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