CN205317724U - 基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，属于无损检测技术领域。该检测系统包括FPGA处理器，超声波发射装置、超声波接收与采集装置、按键、报警装置，所述超声波发射装置发射超声波到车架钢板上，超声波接收与采集装置把隐藏焊缝的反射回波数据采集到FPGA中，通过FPGA对回波信号算法处理，然后FPGA将有隐藏焊缝的回波数据用来响应报警系统，通过报警系统的响应情况可以准确判别车架钢板是否存在隐藏焊缝。本实用新型实现了汽车车架完整性的自动检测，提高检测速度和准确率，从而有效地打击机动车失窃犯罪。

Description

基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，属于无损检测技术领域。

背景技术

机动车是人们现代生活的交通工具。机动车的失窃，会使人民群众的财产蒙受较大的损失。近些年来，盗窃机动车案件居高不下，呈逐年上升趋势。因此，遏制盗抢机动车案件的发生，提高对盗抢机动车犯罪的打击力度，最大限度地追缴赃车为人民群众挽回损失，成为我国公安机关“打击盗抢机动车辆”专项工作的主要任务。

更改机动车辆车架是犯罪分子的惯用伎俩，最常见的方法是割改法，该方法是切割原车打印整个号码部位，再把报废车辆、铁皮上的打印号码或其他车辆的号码平台切割下来，焊接、粘贴在原号码平台处，在接口处用原子灰、油漆伪装好，人眼难以识别。目前，公安系统急需一种方便、快捷的自动化检测装置来提高检测效率、准确率，从而有效地打击机动车失窃犯罪。

随着对产品安全性、可靠性要求的提高，无损检测被应用的越来越广，而超声作为一种绿色、高效、低成本的工具，在无损检测中所占的比例和重要性越来越大。

将超声检测技术运用于变造发动机完整性检测中，面临着两个问题：

①钢板、腻子和油漆三层粘合介质超声检测方法的实现。对声波而言，钢板是低阻抗低衰减材料，腻子和油漆是高阻抗高衰减材料，并且这三种材料都比较薄，钢板厚度约为1.5mm、腻子厚度约为0.2mm，油漆厚度约为0.2mm，这三种材料的声学特性粘合在一起，始发波、界面波和底波容易混合在一起难以分辨。需对探头、检测方法进行研究，实现始发波、界面波和缺陷波的分离。

②实时检测技术。由于车架完整性检测要求实现在线检测，超声检测信号经过焊缝等缺陷时所得到的回波信号很弱，需要对信号进行增强、分析处理，进而实现特征提取。拟从发射电路入手，提高发射功率，采用速率高的处理器，提高检测速度，实现实时检测。

发明内容

为了克服上述不足，本实用新型提供一种基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，提出了一套基于可编程片上系统的便携式超声检测系统，本实用新型的目的是实现汽车车架完整性的自动检测，提高检测速度和准确率，从而有效地打击机动车失窃犯罪。

本实用新型采用超声检测技术中波形转换技术，通过高频超声全波信号采集，以及数字处理系统对采集的数字信号实时处理，根据报警系统响应情况可以快速、准确的检测出车架号码区域是否经过篡改。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，包括FPGA处理器，超声波发射装置、超声波接收与采集装置、按键和报警装置，所述超声波发射装置发射超声波到车架钢板上，超声波接收与采集装置把隐藏焊缝的反射回波数据采集到FPGA中，通过FPGA对回波信号算法处理，然后FPGA将有隐藏焊缝的回波数据用来响应报警系统，通过报警系统的响应情况可以准确判别车架钢板是否存在隐藏焊缝。

所述处理器为Altera公司的CycloneII系列FPGA器件EP2C8Q208C8N。

进一步地，所述超声波发射装置包括发射电路和超声探头，通过FPGA控制发射电路发出的超声波通过超声探头传递到车架钢板内部。为了增强回波信号幅值，宜选用入射角较小的探头。

进一步地，所述超声探头为纵波探头，入射角度为31°，在钢板内部实现纵波到横波的转换，频率为2.5MHz、晶片大小为直径20mm的直探头。

进一步地，所述按键包括三个，第一个按键是无焊缝波单次触发采集按键，采集一次无焊缝回波数据存储到单片机内部，作为参考；第二个按键是有焊缝回波连续采集按键，连续采集的回波数据每次都要和无焊缝回波数据参考进行比对；第三个按键是阈值调节，由三个指示灯指示当前系统阈值高低。

进一步地，所述超声波接收与采集装置包括接收放大器和AD采集器，首先对采集到的回波数据接收放大，与无焊缝回波数据参考进行比对和处理，若有焊缝回波数据与无焊缝回波数据相差达到阈值时，就触发启动警报电路；所述AD采集器采用的是AD9224芯片。

对于不同的车架薄钢板，检测灵敏度不同，根据焊缝波的峰值设定阈值，阈值范围可调设计，方便适应不同的车架薄钢板隐藏焊缝检测要求。

本实用新型提供的基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，实现了汽车车架完整性的自动检测，提高了检测速度和准确率，从而有效地打击机动车失窃犯罪。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型系统的结构示意图。

图2为超声检测过程示意图。

图3为数据采集过程原理图。

图4为AD9224电路原理图。

图5为控制程序顶层原理图。

图6为FPGA与模数转换芯片AD9224的一端连接示意图。

图7为FPGA与模数转换芯片AD9224的另一端连接示意图。

图8为FPGA与HY57V64160的连接示意图。

图9为CY7C68013A与FPGA的I/O数据接口电路图。

图中1为探头，2为油漆，3为腻子，4为钢板，5为焊缝。

具体实施方式

实施例：

图1示出了一种基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，包括FPGA处理器，超声波发射电路、超声波接收与采集电路、按键和报警装置，所述超声波发射装置发射超声波到车架钢板上，超声波接收与采集装置把隐藏焊缝的反射回波数据采集到FPGA中，通过FPGA对回波信号算法处理，然后FPGA将有隐藏焊缝的回波数据用来响应报警系统，通过报警系统的响应情况可以准确判别车架钢板是否存在隐藏焊缝。

所述的基于超声检测的变造发动机完整性检测系统，其检测原理及过程如下：

（1）基于变造发动机车架的结构特点，采用超声波形转换技术实现信号的获取。

对声波而言，钢板是低阻抗低衰减材料，腻子和油漆是高阻抗高衰减材料，并且这三种材料都比较薄，钢板厚度约为1.5mm、腻子厚度约为0.2mm，油漆厚度约为0.2mm，这三种材料的声学特性粘合在一起，始发波、界面波和底波容易混合在一起难以分辨。

由于车架钢板很薄，为了增强回波信号幅值，宜选用入射角较小的探头。实验中采用纵波探头，入射角度为31°，在钢板内部实现纵波到横波的转换，频率为2.5MHz、晶片直径为大小20mm的直探头。为了便于与车架进行耦合，在探头处套一个用有机玻璃制成的声楔套子，与钢板的角度为31°，耦合剂采用机油藕合。

架钢板如图2所示，超声波穿过油漆2和腻子3后以入射角31°入射到车架钢板4内部，将隐藏在腻子和油漆表面下的焊缝5看做是薄钢板的横向缺陷，横波脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测车架钢板后，如果传播到有声阻抗差异的界面上时，会产生反射回波，从而实现缺陷检测。

（2）基于FPGA的数据采集技术

采集电路原理框图如图3所示，通过FPGA控制发射电路发射超声波，同时控制采样速度40M的AD9224实现采集全波信号，存储到内建缓存FIFO，再将数字信号送到软核处理器SOPC信号处理，若存在隐藏焊缝，则响应报警系统。

主控芯片为Altera公司的CycloneII系列FPGA器件EP2C8Q208C8N。模拟采集芯片为ADI公司生产的高精度模拟转换芯片AD9224。数据采集使用的是由verilog语言编写的采集模块，控制模块和传输模块。数据处理以及预报警控制程序采用的是Altera推出的NiosII系列软核处理器编写，完美支持CycloneIIFPGA系列。FPGA主要实现三大功能：①回波信号的内部缓存、数字信号的预处理，包括内建软核处理器SOPC，实现预报警响应系统算法处理、数字滤波等；②对前端电路的控制，包括A/D采集芯片控制、发射脉冲控制等；③实现USB与上位机的通讯。通过FPGA控制超声波发射电路发射超声波，同时控制采样速度40M的AD9224实现对全波信号的采集，ADC采集的全波信号，存储到内建缓存FIFO，内建缓存FIFO再将数字信号送到软核处理器SOPC，进行信号处理，若预报警系统有响应，内建软核处理器SOPC再将数字信号通过高速USB2.0接口传输到上位机，通过系统算法对其进行精密处理，并将分析结果以图形方式显示。

模数采集芯片采用ADI公司生产的高精度模拟转换芯片AD9224，它是AD公司生产的一种12位、40MSPS高性能模数转换器，具有片内高性能采样保持放大器和电压参考。在单5V电源下，它的功耗仅有376mW，信噪比与失真度为10.7dB，并可直接以二进制形式输出数据，AD9224采用多级差动流水线式结构对输出错误进行逻辑纠正，以保证在整个工作温度范围内不失码。AD9224的输入可以是单端或差分方式，采用交流耦合单端输入的方式，输入端接入一级由AD8065构成的电压跟随器，可以增强信号的负载能力，R3和C9构成截至频率为5MHz的低通滤波器，滤出信号中的高频噪声；外部基准采用TI公司生产基准电压为2V的LM4040-2，价格低，基准电压稳定性高，2V基准电压经过AD8065电压跟随器接入到AD9224的参考输入端和差动信号输入的VINB端，可使AD9224的满量程输入范围达到0-4V。AD9224电路原理图见图4。

(3)FPGA代码设计顶层

硬件描述语言verilog编写的控制程序顶层原理图如图5所示，由PLL倍频50M时钟频率分别产生40M、100M的时钟频率，其中100M的时钟频率提供给内嵌的软核处理器，40M的时钟频率提供全局的时钟网络。AD_FIFO代码模块提供控制模数转换芯片AD9224的全部控制时序代码，以及提供固定频率的脉冲触发信号触发模拟采集卡采集探头超声波信号。经过AD9224采集的数据并行的传送到FPGA內建的12位1024字节的异步fifo中缓存，由内嵌的软核处理器提供读取异步fifo的控制时序。FPGA内部由QSYS生成的软核处理器负责处理异步fifo缓存提供的数据，由于FPGA内存有限，软核处理器提供了外部同步SDRAM的接口，保障了软和处理器足够的运行内存，软核处理器内部控制程序采用Ｃ++语言实现了复杂数据处理算法的编写，同时为了方便直接控制软核处理器和显示系统当前状态，软核处理器还提供了外部按键以及外部指示灯的接口。

USBFIFO代码模块是FPGA內建12位1024字节的异步fifo，直接缓存模数转换芯片AD9224采集的数据，通过USB代码模块控制CY7c68013A芯片将USBFIFO缓存的数据提供给由LabVIEW编写的上位机进行同步波形显示。

(4)FPGA与各电路模块的设计

FPGA与模数转换芯片AD9224的具体连接如图6和图7所示，FPGA的I/O口端接33欧姆的电阻之后再与AD9224的引脚连接，由于FPGA的I/O口的输出阻抗很小，端接电阻的目的是为了阻抗匹配，减少高速数据信号的反射损失。

同步动态随机存储器SDRAM采用的HY57V64160芯片，内存大小64M字节，提供高速的动态内存供软核处理器做复杂的算法处理，如图8所示为该芯片与FPGA的接口电路。SDRAM时钟同步由PLL倍频产生的100M时钟速率，在一个时钟周期内只传输一次数据，时钟的上升期进行数据传输。

为了满足将大量数据高速高效的传回PC并进行分析，传输核心采用的USB芯片是Cypress公司的CY7C68013A芯片。芯片CY7C68013A/14A是高集成、低功耗USB2.0微控制器。Cypress公司将USB2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、8051微控制器(增强型)和可编程接口集成到该芯片中，从立项到投放市场用了极短时间完成，总线供电应用得以实现都是其低功耗的特点造就的。数据传输的速率能达到每秒53MB以上依靠的是FX2LP的创新型体系结构，该数据的传输速率就是可允许的最大USB2.0带宽值。USB通信时能达到48M的速率，经过实际测试，使用该芯片在系统上运行，能达到20M左右的速率，满足了系统设计的要求。并且芯片拥有低功耗的特性，能够最大程度的保证较长时间的运行。CY7C68013A与FPGA的I/O数据接口电路如图9所示。配置了24MHZ的高速晶振，以及AT24LC64，AT24LC64为IIC掉电不丢失数据的，提供了保障，在突然断电的情况下保证数据的安全，在重新上电的时候可以继续进行检测。

Claims (3)

1.一种基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，其特征在于：包括FPGA处理器，超声波发射装置、超声波接收与采集装置、按键、报警装置，所述超声波发射装置发射超声波到车架钢板上，超声波接收与采集装置把隐藏焊缝的反射回波数据采集到FPGA中，通过FPGA对回波信号算法处理，然后FPGA将有隐藏焊缝的回波数据用来响应报警系统，通过报警系统的响应情况可以准确判别车架钢板是否存在隐藏焊缝；

所述超声波发射装置包括发射电路和超声探头，通过FPGA控制发射电路发出的超声波通过超声探头传递到车架钢板内部；

所述超声探头为纵波探头，入射角度为31°，在钢板内部实现纵波到横波的转换，频率为2.5MHz、晶片大小为直径20mm的直探头。

2.根据权利要求1所述的基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，其特征在于：所述按键包括三个，第一个按键是无焊缝波单次触发采集按键，采集一次无焊缝回波数据存储到单片机内部，作为参考；第二个按键是有焊缝回波连续采集按键，连续采集的回波数据每次都要和无焊缝回波数据参考进行比对；第三个按键是阈值调节，由三个指示灯指示当前系统阈值高低。

3.根据权利要求1所述的基于超声检测的变造发动机车架完整性检测系统，其特征在于：所述超声波接收与采集装置包括接收放大器和AD采集器，首先对采集到的回波数据接收放大，与无焊缝回波数据参考进行比对和处理，若有焊缝回波数据与无焊缝回波数据相差达到阈值时，就触发启动警报电路；所述AD采集器采用的是AD9224芯片。