CN115856094A - 基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，其特征在于：包括嵌入式计算机模块核心单元、FPGA控制核心、多通道脉冲信号激励电路、参数可调的多通道采样电路；通过FPGA产生激励逻辑信号控制多通道脉冲激励电路产生超声激励信号，超声回波信号通过多通道采样电路采集并由FPGA完成读取，嵌入式计算机模块核心单元通过PCIe总线与FPGA连接实现上位机参数控制以及采样数据显示；实现多通道的超声脉冲激励以及多通道同步信号采集。设计可产生周期、频率、幅值可调的多通道双极性脉冲激励信号，设计采用复用的程控增益电路及采集电路，具有高采样率和高信噪比，可以满足超声导波的检测需求。

Description

基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，属于超声无损检测技术领域。

背景技术

目前管道运输在运输液体、气体以及浆液等物质方面具有成本低、安全性好等独特优势，在石油、化工、天然气等行业中具有不可替代的作用。然而工业管道的工作环境一般非常恶劣，在长期服役过程中容易形成腐蚀缺陷和疲劳破坏从而导致发生管道泄漏，造成火灾、漏油等事故频发，不仅会造成经济上的巨大损失，而且还有可能污染环境、破坏生态平衡，严重时对人的生命安全构成威胁。因此，及时、准确地对管道进行检测保证管道运输正常运行具有重要的意义，工业管道检测技术的研发和开发也受到高度的重视。

现阶段针对管道的无损检测方法主要有：超声检测、涡流检测、磁粉检测、射线检测以及导波检测等。传统无损检测方法有一些局限，如大部分检测实验技术采用逐点扫描，效率低，对一些如隐蔽工程则难以发挥作用。对一些埋地管道，带有包覆层的管道，利用上述方法则需要开挖和剥离防腐层。所以，在工程实际中不适合作为快速、大范围的结构无损检测方法。超声导波技术是近年来发展较快的一种无损检测技术，超声导波技术与传统的超声检测技术相比，有两个明显的优点。首先，在被检测对象的任意一点激励超声导波，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，最远可以达到几十米，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，因此超声导波技术实际是检测了一条线，而不是一个点。其次，由于超声导波在被检测工件中传播，工件表面和内部都有质点的振动，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。由此可见，超声导波检测技术具有快速、高效、长距离的检测特点，非常适用于桥梁缆索、输油管道、定位锚杆等体型较长构件的检测。然而，国内还没有自主研制的商用便携式多通道导波检测仪器，这限制了导波检测技术在实际工程中的应用和发展。

发明内容

国内外的超声管道检测设备发展速度极为迅速，已经有很多公司和单位推出自己的商品化检测系统。在国外，超声相控阵技术及相控阵检测设备已应用到实际检测中，具有代表行的是管道焊缝检测。国内超声导波检测技术方面的研究与国外相比起步较晚，目前已有的导波检测设备存在体积庞大、传输速率过慢的问题。为了克服现有技术的不足，本发明提出了基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，通过嵌入式计算机模块与PCIe总线的结合提出了一种高速、准确、便携的多通道超声导波检测系统方案，适用于更复杂的管道检测环境，具有重要的现实意义与实用价值。

本发明的无损检测装置包括：嵌入式计算机模块核心单元、FPGA控制核心、多通道脉冲信号激励电路、参数可调的多通道采样电路。系统通过FPGA产生激励逻辑信号控制多通道脉冲激励电路产生超声激励信号，超声回波信号通过多通道采样电路采集并由FPGA完成读取，嵌入式计算机模块核心单元通过PCIe总线与FPGA连接实现上位机参数控制以及采样数据显示。

嵌入式计算机模块核心单元搭载Windows7的操作系统，通过PCIe总线实现与FPGA控制电路之间的数据传输和控制命令解析，嵌入式计算机模块扩展连接了两个USB接口，RS232电路，mini-SATA硬盘。

FPGA控制核心电路通过控制线分别控制多通道双极性脉冲信号激励电路产生双极性脉冲信号、控制多通道采样电路采集和程控增益。

多通道脉冲信号激励电路主要由升压电路和16通道脉冲输出电路组成。升压电路主要利用boost升压电路原理和反馈控制原理将12V电压升高至目标电压。升压电路的电压幅值控制信号为PWM信号，通过PWM信号的占空比控制升压目标电压的幅值，利用负反馈控制原理，稳定输出的高电压。脉冲输出电路实现高电压脉冲的输出控制，其输入电压即升压电路输出的高电压，输入控制信号为两路互为反相的脉冲控制信号，分别控制正极性高压脉冲和负极性高压脉冲的发射，正极性脉冲和负极性脉冲配合发射，产生双极性高压脉冲。

所述多通道采样电路，能够实现16通道信号同步采集。由于超声信号幅值小，为毫伏级信号，因此需要设计前置放大，确保信号能被采样芯片采集到。程控增益电路基于AD8334设计，AD8334具有4路独立放大电路，可实现4路信号的程控增益，采样电路基于AD9284设计，AD9284可实现2路信号的高速采集。使用1片AD8334和2片AD9284构成一个模块，能够实现4路信号的放大和采集，4个这样的模块即可实现16路信号的同步高速采集。

与现有技术相比，主要具有以下突出优点：(1)采用嵌入式计算机模块，不需要连接外部上位机，集成度高，更适用于在复杂的管道检测环境中的在役检测；(2)采用PCIe高速通讯方式，检测速度更高，在保证采样速度的同时可以采集更长的点数，在检测中具有更高的缺陷分辨能力；(3)具有16通道脉冲激励以及16通道同步采集，可通过激励通道的相位控制实现全聚焦成像检测。

附图说明

图1多通道超声导波检测系统框图；

图2多通道采样电路框图；

图3程控放大电路图；

图4低通滤波电路及ADC采样电路图；

图5多通道激励电路框图；

图6数字信号隔离电路图；

图7反馈回路和硬件PI电路图；

图8TL494电路图；

图9boost电路图；

图10双极性脉冲激励电路图；

图11USB2.0电路图；

图12mini-SATA接口电路图；

图13RS232电路图；

图14 2MHz激励信号图；

图15上位机采集信号图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统框图如图1所示，FPGA产生激励控制信号，分别控制boost电路幅值以及多通道脉冲激励信号产生，通过MOS管放大后输出高压脉冲信号。产生的脉冲电信号经压电超声换能器转换为超声信号。信号采集部分，通过换能器将采集得到的超声信号通过多通道采集电路进行放大滤波以及采集，将采集得到的数据传给FPGA，FPGA将数据通过PCIe总线电路传至嵌入式计算机模块中的上位机进行显示。

多通道采样电路框图如图2所示，具有4个增益采集模块，能够实现16通道信号同步采集。包括程控放大电路、低通滤波电路、高速ADC采样电路。程控放大电路图如图3所示，程控增益芯片选用4通道可变增益放大器AD8334，增益调节范围为0～42dB。低通滤波电路及ADC采样电路图如图4所示。根据输入信号带宽的要求，设计了-3dB截止频率为35MHz的低通滤波器，对放大后的信号进行滤波，抑制高频噪声信号的干扰。放大后的信号经滤波后进入AD9284的输入端口，转换后的数字信号经由1路时钟和8位数据总线输出，数字信号为LVDS电平标准，AD9284外部输入时钟为250MHz，通过8路时钟扇出芯片65LVDS108产生。

多通道激励电路框图如图5所示，由boost升压电路以及双极性脉冲电路组成。boost升压电路输出的电压主要由FPGA输出的PWM的占空比决定，主要由输入信号处理电路、反馈回路、硬件PI电路、TL494电路和boost电路等部分组成。数字信号隔离电路图如图6所示。为了防止后级电路对FPGA电路的干扰，采用光耦器件6N137S来隔离信号的传输。PWM信号为FPGA输出的信号，光耦输出经三极管Q7反相后输出到整形电路比较器TLC2272CD，它的输出信号经无源低通滤波输出稳定的直流电压控制U1，U1的大小与PWM占空比呈线性关系。反馈回路和硬件PI电路图如图7所示，反馈回路高压输入HIGH-VOLTAGE经阻值比为100:1的R74和R79分压后，输入到可以隔离输入和输出的运放为电压跟随器，可以消除后级电路对R74和R79分压的影响。硬件PI电路主要利用TLC2272CD比例积分电路原理，控制U1和反馈回路的输出电压差值决定控制电压U2的输出大小。TL494电路图如图8所示。输出PWM信号的频率由C104和R90决定，通过调整R25就能调整输出PWM的频率，TL494内部晶体管导通时，电源12V通过C1、E1和R90加在三极管Q9的基极，三极管Q9导通，Q8截止，U18功率管导通，PWM信号输出为高。当内部晶体管截止时，由于基极电流为零，所以三极管Q9截止，Q8导通，功率管栅极电容通过Q8的集电结通路放电，PWM信号输出为低。boost电路图如9所示。电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载。当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电，当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH-VOLTAGE高压输出。双极性脉冲激励电路图如图10所示。双极性脉冲信号激励电路由B1212S芯片、栅极驱动器IR2110S芯片、N沟道功率MOSFET管IRF840电路组成。DC/DC芯片B1212S能够输出±12V电源，用于驱动栅极驱动器IR2110S，场效应管IRF840最高切换负载可达500V。因此，可以由FPGA输出信号的高低电平控制该电路产生双极性高压脉冲，满足管道的多通道超声导波检测的激励需求。

嵌入式计算机模块核心单元搭载Windows7的操作系统，通过PCIe总线实现与FPGA控制电路之间的数据传输和控制命令解析，连接了两个USB接口，RS232电路，mini-SATA硬盘。USB2.0电路图如图11所示。COME_USB67_OC#为USB6和USB7使能信号，VCCUSB6和VCCUSB7分别为MIC2026输出的USB6和USB7的5.0V电源，可以起到限流和电源切换作用，以及具有热保护功能，在内部温度达到不安全水平时会关闭，在高电流或故障条件下保护设备和负载，COME_USB7_N和COME_USB7_P为USB7共模扼流圈CM1213滤波之后的USB信号，具有更好地信号质量，提高信号传输速率。mini-SATA接口电路图如图12所示，通过2组差分信号与J4传输数据，J4为存储容量128GB的SATA硬盘，传输速率理论最大可达3.0Gb/s，C68、C69、C70、C71、C72分别为电源滤波电容。RS232电路图如图13所示，RS232串行数据通信包括UART1_TX和UART1_RX两个通用异步接收/发送端口，本设计采用的是9个引脚的DB-9接口。MAX3232是一种以低压差发送器为输出级的收发器，集成二路驱动器和二路接收器，可以实现电平之间的低功耗转换。

实验验证

启动上位机，设置激励周期为1周期，激励电压80Vpp，脉冲宽度为500ns，输出端通过100倍衰减探笔连接至示波器，采得激励信号如图14所示。输出信号较为光滑，信噪比较高，测量峰峰值可达320Vpp，能够满足压电超声导波的激励需求。通过函数发生器产生100kHz正弦波信号连接至信号采集端，上位机采集信号如图15所示，可以看出信号较为光滑，信噪比较高，证明了采集系统的可行性。

本发明首次提出基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，从实验结果可证明系统可行性。与其他设备相比，主要具有以下突出优点：(1)采用嵌入式计算机模块，不需要连接外部上位机，集成度高；(2)采用PCIe高速通讯方式，检测速度更高；(3)具有16通道脉冲激励以及16通道同步采集，可实现全聚焦检测方式。

Claims (5)

1.基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，其特征在于：包括嵌入式计算机模块核心单元、FPGA控制核心、多通道脉冲信号激励电路、参数可调的多通道采样电路；通过FPGA产生激励逻辑信号控制多通道脉冲激励电路产生超声激励信号，超声回波信号通过多通道采样电路采集并由FPGA完成读取，嵌入式计算机模块核心单元通过PCIe总线与FPGA连接实现上位机参数控制以及采样数据显示；

嵌入式计算机模块核心单元搭载Windows7的操作系统，通过PCIe总线实现与FPGA控制电路之间的数据传输和控制命令解析，嵌入式计算机模块扩展连接了两个USB接口，RS232电路，mini-SATA硬盘；

FPGA控制核心电路通过控制线分别控制多通道双极性脉冲信号激励电路产生双极性脉冲信号、控制多通道采样电路采集和程控增益。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，其特征在于：多通道脉冲信号激励电路主要由升压电路和16通道脉冲输出电路组成；升压电路主要利用boost升压电路原理和反馈控制原理将12V电压升高至目标电压；升压电路的电压幅值控制信号为PWM信号，通过PWM信号的占空比控制升压目标电压的幅值，利用负反馈控制原理，稳定输出的高电压；脉冲输出电路实现高电压脉冲的输出控制，其输入电压即升压电路输出的高电压，输入控制信号为两路互为反相的脉冲控制信号，分别控制正极性高压脉冲和负极性高压脉冲的发射，正极性脉冲和负极性脉冲配合发射，产生双极性高压脉冲。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，其特征在于：所述多通道采样电路，能够实现16通道信号同步采集；由于超声信号幅值小，为毫伏级信号，因此需要设计前置放大，确保信号能被采样芯片采集到；程控增益电路基于AD8334设计，AD8334具有4路独立放大电路，可实现4路信号的程控增益，采样电路基于AD9284设计，AD9284可实现2路信号的高速采集；使用1片AD8334和2片AD9284构成一个模块，能够实现4路信号的放大和采集，4个这样的模块即可实现16路信号的同步高速采集。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，其特征在于：多通道激励电路中，由boost升压电路以及双极性脉冲电路组成；boost升压电路输出的电压主要由FPGA输出的PWM的占空比决定，由输入信号处理电路、反馈回路、硬件PI电路、TL494电路和boost电路组成；为防止后级电路对FPGA电路的干扰，采用光耦器件6N137S来隔离信号的传输；PWM信号为FPGA输出的信号，光耦输出经三极管Q7反相后输出到整形电路比较器TLC2272CD，它的输出信号经无源低通滤波输出稳定的直流电压控制U1，U1的大小与PWM占空比呈线性关系；反馈回路和硬件PI电路中，反馈回路高压输入HIGH-VOLTAGE经阻值比为100:1的R74和R79分压后，输入到可以隔离输入和输出的运放为电压跟随器，消除后级电路对R74和R79分压的影响；硬件PI电路主要利用TLC2272CD比例积分电路原理，控制U1和反馈回路的输出电压差值决定控制电压U2的输出大小；TL494电路中，输出PWM信号的频率由C104和R90决定，通过调整R25就能调整输出PWM的频率，TL494内部晶体管导通时，电源12V通过C1、E1和R90加在三极管Q9的基极，三极管Q9导通，Q8截止，U18功率管导通，PWM信号输出为高；当内部晶体管截止时，由于基极电流为零，所以三极管Q9截止，Q8导通，功率管栅极电容通过Q8的集电结通路放电，PWM信号输出为低；boost电路中，电感L11和C99、C100构成滤波电路，R75为负载；当PWM信号为低时，二极管D23反向偏置截止，12V电压为L10充电，当PWM信号为高时，二极管D23正向偏置导通，12V电压与L10的感应电动势通过D23向C7充电，实现HIGH-VOLTAGE高压输出；双极性脉冲激励电路中，双极性脉冲信号激励电路由B1212S芯片、栅极驱动器IR2110S芯片、N沟道功率MOSFET管IRF840电路组成；DC/DC芯片B1212S能够输出±12V电源，用于驱动栅极驱动器IR2110S，场效应管IRF840最高切换负载500V，由FPGA输出信号的高低电平控制该电路产生双极性高压脉冲，满足管道的多通道超声导波检测的激励需求。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机模块的多通道超声导波检测系统，其特征在于：嵌入式计算机模块核心单元搭载Windows7的操作系统，通过PCIe总线实现与FPGA控制电路之间的数据传输和控制命令解析，连接两个USB接口，RS232电路，mini-SATA硬盘；COME_USB67_OC#为USB6和USB7使能信号，VCCUSB6和VCCUSB7分别为MIC2026输出的USB6和USB7的5.0V电源，起到限流和电源切换作用，以及具有热保护功能，在内部温度达到不安全水平时会关闭，在高电流或故障条件下保护设备和负载，COME_USB7_N和COME_USB7_P为USB7共模扼流圈CM1213滤波之后的USB信号；mini-SATA接口电路中，通过2组差分信号与J4传输数据，J4为存储容量128GB的SATA硬盘，C68、C69、C70、C71、C72分别为电源滤波电容；RS232电路中，RS232串行数据通信包括UART1_TX和UART1_RX两个通用异步接收/发送端口，采用的是9个引脚的DB-9接口；MAX3232是一种以低压差发送器为输出级的收发器，集成二路驱动器和二路接收器，实现电平之间的低功耗转换。

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