高衰减材料超声检测实验系统中FPGA程序设计及发射电路优化

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超声检测技术作为无损检测的重要手段之一,可以在不损坏工件或材料工作状态的前提下,对被检验部件的表面和内部进行检查,被广泛应用于兵器制造、石油、化工、铁路运输、航空航天、船舶、核工业等领域。然而,高衰减材料因其较大的声衰减特性成为无损检测,尤其是超声检测技术的难点。  本文依托实验室某高衰减材料检测项目,设计并完成了高衰减材料检测实验系统中FPGA固件程序,并从电路结构和信号参数两方面对发射电路进行了优化。  首先,简要介绍参与设计的高衰减材料超声检测实验系统,为后续的研究工作建立平台。此系统由发射模块、接收模块、AD/DA模块、核心控制处理模块、电源模块和PC机模块构成,不但可以完成传统的超声检测,而且对高衰减材料具有良好的检测能力。  其次,重点设计并实现核心控制处理模块的FPGA固件程序。按照其功能需求设计了总体框架,并对框架下的主要模块进行说明与验证。此开发工作在采用了Xilinx Spartan-6系列芯片的D45工业控制板上进行,实现了对发射板卡、放大器增益、编码器定位等功能控制,并进行了超声回波信号的采样、压缩、传输等处理。在数据压缩中,利用硬件闸门技术将传至PC机的数据量从原始每个重复周期几千个数据压缩到8个数据,大大提高了超声检测速率。  最后,为了提高超声发射效率,文章对检测实验系统中发射电路进行优化。利用桥式推挽结构电路激励换能器进行实验,得到的回波幅度是相同实验条件下单极性矩形脉冲的两倍,等效于双极性矩形脉冲的效果;在激励信号参数对检测回波幅度影响的研究中,总结出完整矩形脉冲信号的边沿和幅值对回波信号幅度影响的定量关系。仿真表明,在激励信号边沿陡度提高一倍情况下,仅利用原来激励信号幅值的85%即可产生同等幅度的超声波,为高性能超声发射电路设计提供了借鉴。
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