CN113008993A - 一种超声导波衰减补偿装置及方法 - Google Patents

一种超声导波衰减补偿装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超声导波衰减补偿装置及方法，涉及电磁超声无损检测技术领域，可用于对电磁超声信号的采集处理，对信号进行滤波、放大以及衰减补偿，在一定程度上解决当前无损检测领域中层析成像所需数据不足的问题。本发明能够设置固定增益模式和时变增益模式两种不同的工作模式，可对由于信号随传播时间和距离的变化引起的衰减进行补偿，适用于多通道或阵列式电磁超声换能器的信号同步检测。整个装置采用FPGA芯片控制，与微控制器连接进行下传命令和上传数据。该装置具有高增益、高信噪比的特点，特别适合于电磁超声信号的检测，同时也能应用于压电换能器的信号检测。

Description

一种超声导波衰减补偿装置及方法
技术领域
本发明属于电磁超声无损检测技术领域，尤其涉及一种超声导波衰减补偿装置及方法。
背景技术
超声层析成像技术起步较晚，其思想来源于医学，医学上X射线的巨大成功使得层析成像技术逐渐拓展到无损检测领域。目前的超声层析成像技术存在以下几个问题：现用于缺陷检测情形中存在Lamb波多模态和信号强度不大；成像模型与算法参数对成像质量也存在一定的影响；实验测试仪器获取成像所需数据不准确等，这些缺点限制了成像技术的发展。此外，电磁超声存在以下局限性：换能效率低、易受电磁干扰、超声波在传播过程中能量易耗散，导致幅值衰减，这些都不利于分析缺陷对信号能量的影响。
电磁超声信号检测技术在国外已经越来越成熟，已经进入到工业应用阶段，是无损检测领域中极其热门的技术，具有巨大的提升空间和发展潜力，符合现代化工业的需求。
发明内容
本发明目的是为了解决电磁超声无损检测领域中成像所需数据不足、信号随时间和距离的增加而衰减的问题，而提出的一种超声导波衰减补偿方法及装置。
本发明是这样实现的，一种超声导波衰减补偿装置，包括信号处理系统、FPGA芯片、微控制器、存储模块和控制系统，所述信号处理系统与所述FPGA芯片电性连接，所述FPGA芯片分别与所述微控制器、所述存储模块、所述控制系统电性连接，所述控制系统用于控制所述信号处理系统；
所述信号处理系统包括前置放大模块、模拟高通滤波器、第一低噪声程控放大模块、模拟低通滤波器、第二低噪声程控放大模块、电压跟随器和AD模块，所述AD模块与所述FPGA芯片电性连接；
其中，所述前置放大模块获取输入信号，前置放大模块的输出端与模拟高通滤波器输入端相连，所述模拟高通滤波器的输出端与第一低噪声程控放大模块输入端相连，所述第一低噪声程控放大模块输出端与模拟低通滤波器输入端相连，所述模拟低通滤波器的输出端与第二低噪声程控放大模块的输入端相连，所述第二低噪声程控放大模块的输出端与电压跟随器的输入端相连，所述电压跟随器的输出端与AD模块的输入端相连，所述AD模块与FPGA芯片相连以获取将模拟信号转换为数字信号的数据。
进一步的，所述控制系统包括第一DA转换器、第二DA转换器和滤波器选择模块，所述滤波器选择模块包括高通滤波器截止频率选择模块和低通滤波器截止频率选择模块；所述FPGA芯片控制第一DA转换器连接第一低噪声程控放大模块，所述FPGA芯片控制第二DA转换器连接第二低噪声程控放大模块，所述FPGA芯片控制高通滤波器截止频率选择模块连接高通滤波器，所述FPGA芯片控制低通滤波器截止频率选择模块连接低通滤波器。
进一步的，所述滤波器选择模块具有多级截止频率，所述滤波器选择模块通过组合不同的电容和电感值来实现高通和低通滤波，不同的截止频率由电容和电感组成LC滤波网络。
进一步的，所述FPGA芯片通过微控制器设置工作模式和参数，且在微控制器上显示出系统中设置的参数和输出的数字信号。
进一步的，所述存储模块用于保存已经设置的参数，电源重启后自动读取上一次设置的参数。
本发明还提供一种基于上述装置的超声导波衰减补偿方法，包括以下步骤：
S1根据不同材料对超声导波的衰减系数，获取相应的时变增益系数；
S2控制系统和信号处理系统接收微控制器下传的参数命令后，根据衰减系数实时调节补偿电压值；
S3微控制器将工作模式、滤波通道、增益系数命令下传给FPGA芯片，FPGA芯片通过控制系统控制信号处理系统完成微控制器下传的命令，最终将信号回传到微控制器中显示，并将数据储存在存储模块中。
进一步的，在步骤S3中，具体包括：
S31确定工作模式为固定增益模式或时变增益模式；
S32若为固定增益模式，通过FPGA芯片设置参考电压以得到固定增益系数；若为时变增益模式，通过FPGA芯片设置衰减补偿电压以得到时变增益系数；
S33确定高通滤波器截止频率，通过FPGA芯片设置相关参数选择高通滤波通道；
S34确定低通滤波器截止频率，通过FPGA芯片设置相关参数选择低通滤波通道；
S35微控制器将命令下传给FPGA芯片；
S36FPGA芯片连接控制系统，控制系统控制信号处理系统完成微控制器下传的命令；
S37信号处理系统将接收到的信号进行对应工作模式、对应参数下的滤波、放大，储存并传到微控制器中显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的超声导波衰减补偿方法及装置可以在固定增益和时变增益两种不同工作模式下对接收到的多路电磁超声信号同时进行有效滤波、放大，对衰减后的信号进行补偿，适用于多种材料的电磁超声信号检测。本发明能够设置固定增益模式和时变增益模式两种不同的工作模式，可对由于信号随传播时间和距离的变化引起的衰减进行补偿，适用于多通道或阵列式电磁超声换能器的信号同步检测。整个装置采用FPGA芯片控制，与微控制器连接进行下传命令和上传数据。该装置具有高增益、高信噪比的特点，特别适合于电磁超声信号的检测，同时也能应用于压电换能器的信号检测。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为超声导波随时间距离衰减示意图；
图3为超声导波衰减曲线示意图；
图4为补偿电压曲线示意图；
图5为铝板中接收到的超声导波信号图；
图6为经过衰减补偿后的超声导波信号图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超声导波衰减补偿方法，根据不同材料对超声导波的衰减系数的不同确定相应的时变增益系数，控制系统和信号处理系统接受微控制器下传的参数命令后根据衰减系数实时调节补偿电压值，达到衰减补偿的目的。
同时，微控制器将工作模式、滤波通道、固定增益系数等命令下传给FPGA芯片；FPGA芯片连接控制系统，控制系统连接信号处理系统完成微控制器下传的命令，最终将信号回传到微控制器中显示，并将数据储存在存储模块中。
实施例2
补偿装置由信号处理系统、FPGA芯片、微控制器、存储模块和控制系统组成，信号处理系统连接FPGA芯片，FPGA芯片连接微控制器和存储模块，同时FPGA芯片连接控制系统，控制系统连接控制信号处理系统。
信号处理系统包括前置放大模块、模拟高通滤波器、低噪声程控放大模块一、模拟低通滤波器、低噪声程控放大模块二、电压跟随器和AD模块，AD模块连接FPGA芯片。
其中，前置放大模块与输入信号相连，实现对输入信号的初次放大，
前置放大模块输出端与模拟高通滤波器相连，实现对初次放大后的信号的高通滤波，
模拟滤波选择器输出端与低噪声程控放大模块一输入端相连，实现对高通滤波后的信号的第二次放大，可根据实际需要进行扩展，实现更高的增益，
低噪声程控放大模块一输出端与模拟低通滤波器输入端相连，实现对第二次放大后的信号的低通滤波，
模拟低通滤波器的输出端与低噪声程控放大模块二的输入端相连，实现对放大滤波后的信号的衰减补偿，
低噪声程控放大模块二的输出端与电压跟随器的输入端相连，提高电路带负载的能力，
电压跟随器的输出端与AD模块的输入端相连，AD模块与FPGA芯片相连以获取将模拟信号转换为数字信号的数据。
实施例3
控制系统包括DA转换器一、DA转换器二、高通滤波器截止频率选择模块和低通滤波器截止频率选择模块。其中，
FPGA芯片控制DA转换器一连接低噪声程控放大模块一，通过DA输出第二次放大的增益电压值；FPGA芯片控制DA转换器二连接低噪声程控放大模块二，通过DA输出对信号的衰减补偿电压值；FPGA芯片控制高通滤波器截止频率选择模块连接高通滤波器，以实现高通滤波参数的选择；FPGA芯片控制低通滤波器截止频率选择模块连接低通滤波器，以实现低通滤波参数的选择。
滤波器模块具有多级截止频率，不同的截止频率由电容和电感组成LC滤波网络。选择模块通过组合不同的电容和电感值来实现高通和低通滤波。通过滤波器选择模块可设置不同的截止频率，高通滤波器的截止频率不能小于低通滤波器的截止频率。
微控制器与FPGA芯片连接，通过微控制器设置工作模式和增益系数等参数，且在微控制器上显示出系统中设置的相关参数和输出的数字信号。
存储模块能够对已经设置的参数进行保存，对参数具有掉电保存功能。电源重启后将自动读取上一次设置的参数；也可以将参数进行分组存储；针对不同的使用工况调用参数，不必重新设置。
本发明能够进行不同阵列组合的电磁超声信号检测，实现多路信号同时采集和处理。
实施例4
本发明还提供一种超声导波衰减补偿方法及装置，工作步骤如下：
步骤一：确定工作模式为固定增益模式或时变增益模式；
步骤二：若为固定增益模式，通过FPGA芯片设置参考电压以得到固定增益系数；若为时变增益模式，通过FPGA芯片设置衰减补偿电压以得到时变增益系数；
步骤三：确定高通滤波器截止频率，通过FPGA芯片设置相关参数选择高通滤波通道；
步骤四：确定低通滤波器截止频率，通过FPGA芯片设置相关参数选择低通滤波通道；
步骤五：微控制器将上述命令下传给FPGA芯片；
步骤六：FPGA芯片连接控制系统，控制系统控制信号处理系统完成微控制器下传的命令；
步骤七：信号处理系统将接收到的信号进行对应工作模式、对应参数下的滤波、放大，储存并传到微控制器中显示。
实施例5
如图2所示，信号接收点与激发点之间的距离分别为200mm、220mm、240mm、260mm、280mm和300mm时的信号传播图，从图中可以明显看出，信号的幅值随距离增加呈衰减状态。
如图3所示，为图2中所示信号幅值的衰减曲线图。
如图4所示，为衰减补偿的控制电压曲线，将图3中所示的衰减曲线图中的每个点取倒数之后，通过控制电压计算公式得到。
如图5所示，为采用本装置检测但未经过补偿的超声导波信号传播图。
如图6所示，为采用本装置检测且经过衰减补偿后的超声导波信号传播图。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本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 (7)

1.一种超声导波衰减补偿装置，包括信号处理系统、FPGA芯片、微控制器、存储模块和控制系统，其特征在于：所述信号处理系统与所述FPGA芯片电性连接，所述FPGA芯片分别与所述微控制器、所述存储模块、所述控制系统电性连接，所述控制系统用于控制所述信号处理系统；
所述信号处理系统包括前置放大模块、模拟高通滤波器、第一低噪声程控放大模块、模拟低通滤波器、第二低噪声程控放大模块、电压跟随器和AD模块，所述AD模块与所述FPGA芯片电性连接；
其中，所述前置放大模块获取输入信号，前置放大模块的输出端与模拟高通滤波器输入端相连，所述模拟高通滤波器的输出端与第一低噪声程控放大模块输入端相连，所述第一低噪声程控放大模块输出端与模拟低通滤波器输入端相连，所述模拟低通滤波器的输出端与第二低噪声程控放大模块的输入端相连，所述第二低噪声程控放大模块的输出端与电压跟随器的输入端相连，所述电压跟随器的输出端与AD模块的输入端相连，所述AD模块与FPGA芯片相连以获取将模拟信号转换为数字信号的数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制系统包括第一DA转换器、第二DA转换器和滤波器选择模块，所述滤波器选择模块包括高通滤波器截止频率选择模块和低通滤波器截止频率选择模块；所述FPGA芯片控制第一DA转换器连接第一低噪声程控放大模块，所述FPGA芯片控制第二DA转换器连接第二低噪声程控放大模块，所述FPGA芯片控制高通滤波器截止频率选择模块连接高通滤波器，所述FPGA芯片控制低通滤波器截止频率选择模块连接低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述滤波器选择模块具有多级截止频率，所述滤波器选择模块通过组合不同的电容和电感值来实现高通和低通滤波，不同的截止频率由电容和电感组成LC滤波网络。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述FPGA芯片通过微控制器设置工作模式和参数，且在微控制器上显示出系统中设置的参数和输出的数字信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述存储模块用于保存已经设置的参数，电源重启后自动读取上一次设置的参数。
6.一种基于权利要求1-5任一所述装置的超声导波衰减补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1根据不同材料对超声导波的衰减系数，获取相应的时变增益系数；
S2控制系统和信号处理系统接收微控制器下传的参数命令后，根据衰减系数实时调节补偿电压值；
S3微控制器将工作模式、滤波通道、增益系数命令下传给FPGA芯片，FPGA芯片通过控制系统控制信号处理系统完成微控制器下传的命令，最终将信号回传到微控制器中显示，并将数据储存在存储模块中。
7.根据权利要求6所述的补偿方法，其特征在于，在步骤S3中，具体包括：
S31确定工作模式为固定增益模式或时变增益模式；
S32若为固定增益模式，通过FPGA芯片设置参考电压以得到固定增益系数；若为时变增益模式，通过FPGA芯片设置衰减补偿电压以得到时变增益系数；
S33确定高通滤波器截止频率，通过FPGA芯片设置相关参数选择高通滤波通道；
S34确定低通滤波器截止频率，通过FPGA芯片设置相关参数选择低通滤波通道；
S35微控制器将命令下传给FPGA芯片；
S36FPGA芯片连接控制系统，控制系统控制信号处理系统完成微控制器下传的命令；
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