CN201434857Y

CN201434857Y - 用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置

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Publication number: CN201434857Y
Application number: CN2009200650818U
Authority: CN
Inventors: 胡祥超; 罗飞路; 潘孟春
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2019-07-08

Abstract

一种用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，它包括系统主板单元、DDS信号发生单元、脉冲信号发生单元、多频信号发生单元、功放单元以及模拟通道开关单元，所述DDS信号发生单元用来产生数控可调节参数的正弦激励信号，所述脉冲信号发生单元用于接收正弦信号并产生数控可调节参数的双极性脉冲信号，所述多频信号发生单元用于接收正弦信号并产生数控可调节参数的多频涡流信号，所述功放单元用于对上述各信号发生单元所产生的正弦激励信号、双极性脉冲信号及多频涡流信号进行功率放大并输出，系统主板单元通过I2C数据总线与其余各单元相连。本实用新型具有结构紧凑、适用范围广、功能集成度高、采用模块化设计、稳定可靠等优点。

Description

用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置

技术领域

本实用新型主要涉及到涡流无损检测设备领域，特指一种用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置。

背景技术

涡流无损检测技术是以电磁感应原理(电涡流效应)为基础的无损检测技术，是五大常规无损检测方法之一。近年来，随着科学技术的发展，涡流检测技术在开发使用方面取得了突破性的进展。从硬件技术方面来看，大规模、超大规模集成电路的应用大大缩小了仪器的体积和功耗；从软件技术方面看，计算机处理器的性能大幅度提高，以”软”代”硬”成为一种趋势。目前涡流无损检测技术已经被广泛的应用于对不同材料和结构的检测，例如：对飞机结构的检测、压力容器的检测、焊接结构的检测等等。随着计算机技术和信息理论的飞速发展，涡流无损检测仪器的趋势已经朝着小型化、智能化、多功能化发展。常规涡流无损检测方法包含单频、多频、脉冲、阵列、ACFM无损检测等。各种涡流无损检测手段的激励方式，传感器规格，判断方式等都有不同，并且各有优缺点，比如单频涡流无损检测针对表面细小裂纹缺陷(例如飞机蒙皮)就有良好的检测效果，然而由于集肤效应的影响针对深层缺陷的检测效果(例如飞机多层结构)就不好，而脉冲涡流无损检测则对多层结构中的深层腐蚀检测具有优势。目前，在实际的使用过程中，基本上一种仪器仅仅包含一种涡流无损检测手段，即使有部分产品包含两种检测手段，也是原有两种检测仪器的硬件部分的简单堆积，没有统一的硬件模块化结构，统一的数据通信接口，不方便数据的二次高层融合应用等。因此在很多原位场合，比如航空维修，常见的就是3、4台仪器一起使用，增加了对操作人员的技术要求，并且由于反复混合使用多种不同的仪器，容易造成操作者失误，产生漏检情况，造成严重后果。此外，很多特定的被检测对象往往需要结合两种或者两种以上的涡流无损检测手段的检测信息进行二次处理才能提高检测精度，因此实际情况下就需要多步骤才能完成一次检验，存在检测时间长，效率低，精度不高，对操作人员技能要求高，并且由于没有统一的集成系统平台，不方便信息融合算法和软件的开发和完善。因此，一套集成多种涡流无损检测手段的集成化、小型化、智能化的涡流无损检测仪器非常重要。目前，集成无损检测技术及其系统尚无明确的定义，同样一套能够满足集成以上5种涡流无损检测手段的集成化、模块化、智能化、小型化的检测仪器尚未见报导。

鉴于涡流无损检测的特点，信号源在涡流无损检测中必不可少，包含两类：激励信号源和参考信号源，信号源性能直接影响系统的检测效果和检测精度，同样的，由于集成涡流无损检测系统包含5种涡流无损检测手段，所需要的信号源各不相同，因此对于集成涡流无损检测系统而言就需要一个能够产生包含多种涡流无损检测系统需要的信号源的信号发生装置。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构紧凑、适用范围广、功能集成度高、采用模块化设计、稳定可靠的用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案。

一种用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，其特征在于：它包括系统主板单元、DDS信号发生单元、脉冲信号发生单元、多频信号发生单元、功放单元以及模拟通道开关单元，所述DDS信号发生单元用来产生数控可调节参数的正弦激励信号，所述脉冲信号发生单元用于接收正弦信号并产生数控可调节参数的双极性脉冲信号，所述多频信号发生单元用于接收正弦信号并产生数控可调节参数的多频涡流信号，所述功放单元用于对上述各信号发生单元所产生的正弦激励信号、双极性脉冲信号及多频涡流信号进行功率放大并输出，系统主板单元通过I2C数据总线与其余各单元相连。

作为本实用新型的进一步改进：

所述DDS信号发生单元包括DDS信号发生控制器以及DDS信号发生器、无源低通滤波器、数控信号幅度增益单元、单位增益差分放大器，所述DDS信号发生控制器控制DDS信号发生器产生正弦信号，所述单位增益差分放大器用于将DDS信号发生器产生的两路单极性差分正弦信号转换成一路双极性正弦信号，所述数控信号幅度增益单元用于将单位增益差分放大器输出的信号在满量程范围内实现数控幅度调节，从而产生数控可调节参数的正弦信号。

所述脉冲信号发生单元包括脉冲信号发生控制单元以及依次相连的过零比较器、可编程逻辑阵列、二选一模拟通道、单极性转双极性单元和幅度调节单元，所述过零比较器用于将输入的正弦信号转换成为同频率方波，可编程逻辑阵列用于将过零比较器输出的同频率方波相与和相或并分别输出，二选一模拟通道用于脉冲信号发生控制单元的指令在可编程逻辑阵列输出的两路脉冲波之间选择一路输出到下一级，单极性转双极性单元用于将二选一模拟通道输出的单极性脉冲信号转化成为双极性脉冲信号，幅度调节单元用于在脉冲信号发生控制单元的控制下实现脉冲信号在满量程范围内的数控幅度调节，从而输出数控可调节参数的多频脉冲激励信号。

所述多频信号发生单元包括多频信号发生控制单元以及依次相连的混频器、信号幅度调节单元，所述混频器用于将输入模块的多路正弦信号叠加到一起构成多频信号，信号幅度调节单元用于在多频信号发生控制单元的控制下将混频器输出的多频信号在满量程范围内实现程控幅度增益调节，从而输出数控可调节参数的多频涡流信号。

与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：

1、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，结构紧凑、成本低廉、适用范围广、功能集成度高、采用模块化设计、稳定可靠，采用单一板卡即可实现5种涡流无损检测方法所需要的信号源；

2、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，基于DDS技术的前端信号源模型，保证涡流系统高精度；

3、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，通过更改设计方案，提取不同涡流NDT方法的共性，最大限度的消除异性；

4、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，采用硬件上模块化设计，不区分检测手段，通过软件可以实时的将系统配置成所需要的检测方法，并且可实时切换；

5、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，采用双总线结构设计-----PCI全局总线和I2C本地总线；

6、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，采用模块化、集约化的设计方法，使得系统可以随着实际情况的需要扩展应用情况，比如当用户需要实现3*3阵列涡流NDT的时候，直接增加9路DDS涡流信号源模块就行；

7、本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，由于采用模块化设计使得系统具有通用性、可互换性、可复用性和模块组合。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中DDS信号发生单元的物理接口示意图；

图3是本实用新型中DDS信号发生单元的框架结构示意图；

图4是本实用新型中脉冲信号发生单元的框架结构示意图；

图5是本实用新型中多频信号发生单元的框架结构示意图；

图6是具体实施例中DDS信号发生单元的电路原理示意图；

图7是具体实施例中脉冲信号发生单元的电路原理示意图；

图8是具体实施例中多频信号发生单元的电路原理示意图；

图9是具体实施例中模拟通道开关单元的电路原理示意图；

图10是具体实施例中功放单元的电路原理示意图；

图11是具体实施例中系统主板单元的电路原理示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本实用新型做进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实用新型用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，它包括系统主板单元1、DDS信号发生单元2、脉冲信号发生单元3、多频信号发生单元4、功放单元5以及模拟通道开关单元6，DDS信号发生单元2用来产生数控可调节参数(频率、幅度、占空比)的正弦激励信号，脉冲信号发生单元3用于接收正弦信号并产生数控可调节参数(频率、幅度、占空比)的双极性脉冲信号，多频信号发生单元4用于接收正弦信号并产生数控可调节参数(频率、幅度、占空比)的多频涡流信号，功放单元5用于对上述各信号发生单元所产生的正弦激励信号、双极性脉冲信号及多频涡流信号进行功率放大并输出，系统主板单元1通过I2C数据总线与其余各单元相连。整个系统装置采用双总线机制，即整体系统形成PCI板卡方式采用PCI数据总线与PC机相连，系统装置内部采用I2C数据总线连接各个模块。其中，DDS信号发生单元2，用来产生数控可调节参数的正弦信号。它包括DDS信号发生控制器204以及DDS信号发生器201、无源低通滤波器202、数控信号幅度增益单元203、单位增益差分放大器205，DDS信号发生控制器204控制DDS信号发生器201产生正弦信号，单位增益差分放大器205用于将DDS信号发生器201产生的两路单极性差分正弦信号转换成一路双极性正弦信号，数控信号幅度增益单元203用于将单位增益差分放大器205输出的信号在满量程范围内实现数控幅度调节，从而产生数控可调节参数的正弦信号。脉冲信号发生单元3，用于产生数控可调节参数的双极性脉冲信号。它包括脉冲信号发生控制单元306以及依次相连的过零比较器301、可编程逻辑阵列302、二选一模拟通道303、单极性转双极性单元304和幅度调节单元305，过零比较器301用于将输入的正弦信号转换成为同频率方波，可编程逻辑阵列302用于将过零比较器301输出的同频率方波相与和相或并分别输出，二选一模拟通道303用于脉冲信号发生控制单元306的指令在可编程逻辑阵列302输出的两路脉冲波之间选择一路输出到下一级，单极性转双极性单元304用于将二选一模拟通道303输出的单极性脉冲信号转化成为双极性脉冲信号，幅度调节单元305用于在脉冲信号发生控制单元306的控制下实现脉冲信号在满量程范围内的数控幅度调节，从而输出数控可调节参数的多频脉冲激励信号。多频信号发生单元4，用于产生数控可调节参数的多频涡流信号。它包括多频信号发生控制单元403以及依次相连的混频器401、信号幅度调节单元402，混频器401用于将输入模块的多路正弦信号叠加到一起构成多频信号，信号幅度调节单元402用于在多频信号发生控制单元403的控制下将混频器401输出的多频信号在满量程范围内实现程控幅度增益调节，从而输出数控可调节参数的多频涡流信号。功放单元5，用于对上述各信号发生单元所产生的四路正弦激励信号、一路多频信号以及一路脉冲信号进行功率放大并输出。模拟通道开关单元6，用于将输入的12路信号动态分配给4路DDS信号发生单元2、2路给脉冲信号发生单元3、4路给多频信号发生单元4。本系统采用PCI和I2C双数据总线结构，PCI为系统外部连接总线，I2C为本地局部总线，包含12路DDS信号发生单元2，1路脉冲信号发生单元3，1路多频信号发生单元4，1个模拟通道开关单元6以及系统主板单元1、功放单元5，可同时实现4路正弦激励信号以及4组8路正弦参考信号，或者1路脉冲激励信号、10路正弦参考信号，或者1路多频信号(最高含4个频率分量)以及4组8路正弦参考信号，或者4路ACFM信号以及4组8路正弦参考信号等功能，可以满足阵列涡流检测、单频涡流检测、脉冲以及多频涡流检测和ACFM无损检测的要求。

如图6所示，为具体实施例中DDS信号发生单元的电路原理示意图，它包括DDS信号发生控制器204(U1)、电平转换芯片(U2、U3、U11)、DDS信号发生器201(U4)、由U6、U7、U8、U9、U10构成的数控信号幅度增益单元203以及由L2、L3、C30、C31、C32、C33、C34构成的无源低通滤波器202。U1为SOC型单片机C8051F340，它通过5脚和6脚构成的I2C总线与外部总线相连完成数据的交互。U2、U3、U11为3.3V转5V的电平转换芯片，与U1相连用于将U1的3.3V的控制信号转换成5V电平的控制信号控制其它外部芯片。U4为DDS信号发生芯片AD7008，U1通过电平转换芯片与其相连接，控制其产生正弦信号。U5是单位增益差分放大器205，其与U4的信号输出口相连，用于将U4产生的两路单极性差分正弦信号，转换成一路双极性正弦信号。U5的输出口与U6的输入端相联，U6与U4，U7、U8、U9、U10构成的数控信号幅度增益单元203，将U5输出的信号在满量程范围内实现数控幅度调节。

如图7所示，为具体实施例中脉冲信号发生单元的电路原理示意图，它包括过零比较器301(U1、U4)、可编程逻辑阵列302(U2)、二选一模拟通道303(U3)、脉冲信号发生控制单元306(U7)、电平转换接口芯片(U12、U13)、单极性转双极性单元304(U5)以及由U8、U9、U10、U11构成的幅度调节单元305。U1和U4用于将输入其中的两路正弦信号转换成为同频率方波。U2的功能为实现将U1和U4输出的方波相与和相或，并且分别输出，通过调节输入U1和U4的两路正弦信号的相位差从而调节输出的两路方波信号的相位差值，进而使得U3的相与输出接口输出占空比为0％-50％的脉冲，而相或输出接口输出占空比为50％-100％的脉冲。而继电器U3的功能是根据脉冲信号发生控制单元306的指令，完成在两路脉冲波之间选择一路输出到下一级U5，U5的功能是将U3输出的单极性脉冲信号转化成为双极性脉冲信号。U8、U9、U10、U11构成的幅度调节单元305实现脉冲信号在满量程范围内实现数控幅度调节。U7为SOC型单片机C8051F340，它通过5脚和6脚构成的I2C总线与外部总线相连完成数据的交互。U12、U13为3.3V转5V的电平转换芯片，与U7相连用于将U1的3.3V的控制信号转换成5V电平的控制信号控制其它外部芯片。

如图8所示，为具体实施例中多频信号发生单元的电路原理示意图，由混频器401(U1)、多频信号发生控制单元403(U7)以及电平转换芯片(U12、U13，U2、U9、U10、U11)构成的信号幅度调节单元402。U7为SOC型单片机C8051F340，它通过5脚和6脚构成的I2C总线与外部总线相连完成数据的交互。U12、U13为3.3V转5V的电平转换芯片，与U7相连用于将U1的3.3V的控制信号转换成5V电平的控制信号控制其它外部芯片。U1为混频器401，用于将输入模块的四路正弦信号叠加到一起构成多频信号。多频信号直接输入到由U2、U9、U10、U11构成的信号幅度调节单元402，将其在满量程范围内实现程控幅度增益调节。

如图9所示，为具体实施例中模拟通道开关单元6的电路原理示意图，它包括多路模拟开关(U1、U2、U5、U6、U9、U11、U10、U12、U15、U16)、核心控制器(U4)、IO接口芯片(U3、U7、U8、U13、U14)。U4为SOC型单片机C8051F340，它通过5脚和6脚构成的I2C总线与外部总线相连完成数据的交互。U3、U7、U8、U13、U14，为573数据锁存芯片其功能是实现控制IO口的扩展功能。U1、U2、U5、U6、U9、U11、U10、U12、U15、U16构成模拟开关阵列，用于将输入的12路信号动态分配给四路DDS信号发生单元2、两路给脉冲信号发生单元3、四路给多频信号发生单元4。此外模拟通道开关单元6的每一个芯片都能够将输出的信号切换到接地段用于屏蔽掉输出。

如图10所示，为具体实施例中功放单元5的电路原理示意图，它由功放部分U1、U2、U3、U4、U5、U6构成，实现四路正弦激励信号以及一路多频信号和一路脉冲信号的功率放大功能。

如图11所示，为具体实施例中系统主板单元1的电路原理示意图，U1为PCI电器接口，U2为PCI接口芯片CH365，实现PCI接口向I2C接口的转换。U3为核心控制器SOC型单片机C8051F340，它通过5脚和6脚构成的I2C总线与外部总线相连完成数据的交互。X1和U4构成系统始终源，X1为40MHz的有源高稳晶振，U4为时钟分配器CY7B9920，将X1产生的时钟信号分配成6路同相位和同频率的时钟源提供给系统其他部分使用。J1-J24为12路DDS信号发生单元2的接口，J25、J26为多路模拟通道开关单元6的接口，J34、J35为脉冲信号发生单元3的接口，J27、J28为多频信号发生单元4的接口，J30，J32为功放单元5的接口。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1、一种用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，其特征在于：它包括系统主板单元(1)、DDS信号发生单元(2)、脉冲信号发生单元(3)、多频信号发生单元(4)、功放单元(5)以及模拟通道开关单元(6)，所述DDS信号发生单元(2)用来产生数控可调节参数的正弦激励信号，所述脉冲信号发生单元(3)用于接收正弦信号并产生数控可调节参数的双极性脉冲信号，所述多频信号发生单元(4)用于接收正弦信号并产生数控可调节参数的多频涡流信号，所述功放单元(5)用于对上述各信号发生单元所产生的正弦激励信号、双极性脉冲信号及多频涡流信号进行功率放大并输出，系统主板单元(1)通过I2C数据总线与其余各单元相连。

2、根据权利要求1所述的用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，其特征在于：所述DDS信号发生单元(2)包括DDS信号发生控制器(204)以及DDS信号发生器(201)、无源低通滤波器(202)、数控信号幅度增益单元(203)、单位增益差分放大器(205)，所述DDS信号发生控制器(204)控制DDS信号发生器(201)产生正弦信号，所述单位增益差分放大器(205)用于将DDS信号发生器(201)产生的两路单极性差分正弦信号转换成一路双极性正弦信号，所述数控信号幅度增益单元(203)用于将单位增益差分放大器(205)输出的信号在满量程范围内实现数控幅度调节，从而产生数控可调节参数的正弦信号。

3、根据权利要求1或2所述的用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，其特征在于：所述脉冲信号发生单元(3)包括脉冲信号发生控制单元(306)以及依次相连的过零比较器(301)、可编程逻辑阵列(302)、二选一模拟通道(303)、单极性转双极性单元(304)和幅度调节单元(305)，所述过零比较器(301)用于将输入的正弦信号转换成为同频率方波，可编程逻辑阵列(302)用于将过零比较器(301)输出的同频率方波相与和相或并分别输出，二选一模拟通道(303)用于脉冲信号发生控制单元(306)的指令在可编程逻辑阵列(302)输出的两路脉冲波之间选择一路输出到下一级，单极性转双极性单元(304)用于将二选一模拟通道(303)输出的单极性脉冲信号转化成为双极性脉冲信号，幅度调节单元(305)用于在脉冲信号发生控制单元(306)的控制下实现脉冲信号在满量程范围内的数控幅度调节，从而输出数控可调节参数的多频脉冲激励信号。

4、根据权利要求1或2所述的用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，其特征在于：所述多频信号发生单元(4)包括多频信号发生控制单元(403)以及依次相连的混频器(401)、信号幅度调节单元(402)，所述混频器(401)用于将输入模块的多路正弦信号叠加到一起构成多频信号，信号幅度调节单元(402)用于在多频信号发生控制单元(403)的控制下将混频器(401)输出的多频信号在满量程范围内实现程控幅度增益调节，从而输出数控可调节参数的多频涡流信号。

5、根据权利要求3所述的用于集成涡流无损检测系统的信号发生装置，其特征在于：所述多频信号发生单元(4)包括多频信号发生控制单元(403)以及依次相连的混频器(401)、信号幅度调节单元(402)，所述混频器(401)用于将输入模块的多路正弦信号叠加到一起构成多频信号，信号幅度调节单元(402)用于在多频信号发生控制单元(403)的控制下将混频器(401)输出的多频信号在满量程范围内实现程控幅度增益调节，从而输出数控可调节参数的多频涡流信号。