四通道超聲探傷卡的硬件設(shè)計資料下載

1 四通道超聲探傷卡的總體結(jié)構(gòu)四通道超聲探傷卡的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。從框圖中可以看出，其主要由超聲發(fā)射電路、通道選擇、放大濾波、數(shù)據(jù)采集壓縮、卡內(nèi)微處理器、USB接口等部分組成。四通道采用分時工作方式。四個通道分時進(jìn)行超聲發(fā)射，回波信號經(jīng)過通道選擇開關(guān)后進(jìn)行信號放大與帶通濾波，然后在FPGA的控制下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)實(shí)時壓縮后存入FPGA內(nèi)部的雙端口RAM中，然后由卡上的微處理器讀取數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行數(shù)字濾波后通過USB接口向上位PC機(jī)傳送。2 超聲波發(fā)射電路四通道超聲探傷卡所具有的四組發(fā)射電路是完全相同的，采用分時工作方式。通常情況下，此四路發(fā)射電路被設(shè)置為重復(fù)工作方式，其重復(fù)頻率以及探頭的激活順序由用戶根據(jù)鋼板的厚度等具體情況在微型計算機(jī)的主界面參數(shù)設(shè)置項中設(shè)定，初始化時再傳入超聲探傷卡的控制系統(tǒng)中。發(fā)射電路的激活是由FPGA來完成的，當(dāng)FPGA輸出的窄脈沖加在某一發(fā)射電路上時，該發(fā)射電路便開始工作。超聲發(fā)射電路主要用于產(chǎn)生高壓窄脈沖信號(400V)，此高壓窄脈沖信號加載在超聲探頭的壓電晶片上，將電能轉(zhuǎn)換為聲能(機(jī)械能)而產(chǎn)生超聲波信號。單個通道的超聲波信號發(fā)射電路如圖2所示。ICL7667是二通道的單功率場效應(yīng)管驅(qū)動器，可將微弱的TTL輸入信號轉(zhuǎn)換為高電壓/強(qiáng)電流輸出，轉(zhuǎn)換速度高。該電路的工作原理為：在沒有發(fā)射脈沖時，高壓電源通過R4、R2對C2充電，使其兩端的電壓差達(dá)到+400V。發(fā)射脈沖到達(dá)后，場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，C2通過Q1放電。由于電容兩端的電壓不能突變，使得D2的輸出端電位在瞬間約為-400V，這個負(fù)脈沖作用于超聲探頭，使其產(chǎn)生壓電變換，發(fā)射超聲波。3 回波通道選擇由于在同一時刻只能選用一路(也只有一路)回波信號，因而選用了MAX4141芯片來完成回波信號的選擇。MAX4141是由MAXIM公司生產(chǎn)的一款寬頻帶(330MHz,700V/μs)、帶緩沖放大器的四選一多路分配器芯片，它不但具有非?？斓拈_關(guān)切換速率,而且具有高輸入、低輸出阻抗的特點(diǎn)，從而使回波信號可以充分地加載到下一級的可編程增益放大器上。回波信號選通電路如圖3所示。Siganl In0~Siganl In3分別對應(yīng)四路探頭的回波信號，Signal Out 為經(jīng)過緩沖驅(qū)動及阻抗變換后的回波信號。單片機(jī)P0口給出的兩個信號線用于MAX4141的通道選擇。其具體工作情況如表1所示。4 高頻放大電路回波信號通常比較微弱，故采用高頻放大電路來對回波信號進(jìn)行放大。由于測試的對象(鋼板厚度)不同，所以回波信號的強(qiáng)弱也不定，因此在設(shè)計高頻放大電路時，將其設(shè)計成可以動態(tài)控制增益值的程控放大電路，通過MCU對其增益進(jìn)行動態(tài)控制。在增益放大電路的設(shè)計中，選用了可變增益、低噪聲運(yùn)算放大器AD603，其可實(shí)現(xiàn)dB形式的線性增益，每伏電壓可有40dB的增益值。增益范圍可通過對其引腳的不同連接實(shí)現(xiàn)兩種方式的選擇，即-11dB～+31dB(帶寬90MHz)和0dB～+40dB(帶寬30MHz)。在設(shè)計中，采用兩塊AD603芯片通過二級級聯(lián)來構(gòu)成程控增益放大電路，第一級設(shè)置成-10dB～+30dB的增益范圍，第二級設(shè)置成0dB～+40dB的增益范圍。二級之間采用交流耦合方式，以避免前級直流電壓的漂移經(jīng)后級放大后淹沒了有用的回波信號。增益控制電壓(Gain Control Voltage)由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來控制。本設(shè)計中電路連接如圖4所示，電路的增益范圍為-10dB～+70dB，對于中厚鋼板探傷，完全可滿足設(shè)計要求。圖中VREF為D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考電壓放大兩倍后的輸出，其值為2.4V，由于AD603的電壓增益控制端對微小的電壓變化很敏感，所以在電路的設(shè)計中每一級都加上了濾波電容，以克服干擾信號對電壓增益的影響。5 帶通濾波電路帶通濾波電路是用來對回波信號放大過程中引入的噪聲進(jìn)行濾除。由于本超聲探傷卡具有四個通道，每個通道所用超聲探頭不一定相同，同時同一通道也可更換不同的超聲探頭，所以只用一種濾波電路的濾波效果不會很好；又由于超聲探頭的發(fā)射頻率范圍較寬，一般在400kHz～10MHz之間，故在本研究中，設(shè)計了兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz，可由單片機(jī)通過驅(qū)動繼電器來選通，具體電路如圖5所示。6 FPGA功能設(shè)計FPGA是本檢測系統(tǒng)中用作數(shù)字信號處理的核心部件，借助其用戶可編程特性及其很高的內(nèi)部時鐘頻率，設(shè)計了專用于超聲檢測的數(shù)據(jù)處理芯片，使得整個檢測系統(tǒng)的檢測速度大大提高。FPGA在本系統(tǒng)中具有非常重要的地位，一些數(shù)據(jù)信號處理都是通過它來完成的，其內(nèi)部功能框圖如圖6所示。從圖中可以看出，F(xiàn)PGA主要由窄脈沖產(chǎn)生采樣延時模塊、參數(shù)寄存器模塊、數(shù)據(jù)采集壓縮模塊、雙端口RAM模塊以及缺陷自動判斷模塊組成。其具體工作原理見參考文獻(xiàn)[3]。7 微處理器與USB接口整??板卡的工作由微處理器(MCU)進(jìn)行控制。本設(shè)計中上位PC機(jī)將控制參數(shù)傳遞給MCU，包括延時參數(shù)、增益值、判傷DAC曲線、濾波器選擇等，然后由MCU將這些參數(shù)分別傳遞給FPGA、增益控制器(D/A轉(zhuǎn)換器)以實(shí)現(xiàn)板卡控制。此外，MCU還將對FPGA采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，以改善信噪比。MCU與上位PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送是通過USB接口實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計中采用了PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，其性價比高，工作穩(wěn)定可靠，超聲回波信號最終傳入上位PC機(jī)進(jìn)行顯示及缺陷分析。本文介紹了一種用于超聲無損檢測的四通道超聲探傷卡的硬件設(shè)計方法，開發(fā)了用于回波信號處理及缺陷自動判斷的FPGA芯片，大大地提高了檢測速度。該板卡可靈活地用于構(gòu)建各種多通道超聲探傷設(shè)備。(mbbeetchina)