基于FPGA的超聲波束成型器的研究.pdf

1、超聲檢測信號由超聲換能器及其激勵信號共同決定。因此，除探頭本身外，激勵信號的類型與特性對超聲檢測也有明顯的影響。由于被檢測工件種類各異，缺陷類型及檢測深度不一，往往需要不同的檢測波形，要實現(xiàn)超聲檢測技術的一體化就要求超聲檢測系統(tǒng)可以隨需求發(fā)射不同頻率、不同脈寬、不同個數(shù)以及不同類型的激勵脈沖。為此，本文設計了一種具備多種波形輸出功能（單脈沖、正弦脈沖串、調頻信號、時域窗調制包絡）的數(shù)控超聲波束成型器，以滿足各主要超聲檢測方式下對超聲發(fā)射

2、波形提出的不同要求。
　　為設計超聲波束成型器，本文對探頭響應的等效模型及響應特性做了研究分析，通過MATLAB仿真，對比了超聲探頭對各種典型激勵信號的時域響應與頻域響應，分析不同檢測材料、檢測方法下，要實現(xiàn)最佳檢測所需要的波形。
　　根據(jù)波形需求分析結果，設計的超聲波束成型器有4個功能模塊:常見脈沖切換模塊、正弦脈沖串產(chǎn)生模塊、調頻信號產(chǎn)生模塊、時域窗調制包絡產(chǎn)生模塊。本文根據(jù)直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術輸出波形頻率與相

3、位可控，可任意波形輸出等突出特點，以現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)為開發(fā)平臺，實現(xiàn)數(shù)控超聲波束成型器的軟、硬件設計與調試，并在實際電路設計中加入MSP430模塊以簡化控制電路，單片機與FPGA之間的通信則通過UART協(xié)議串口通信電路來實現(xiàn)。
　　同時，本文對超聲波束成型器做了兩方面的測試:
　　其一是對超聲波束成型器的各項基本功能進行實驗測試，并對系統(tǒng)誤差進行分析;其二是進行相關超聲檢測實驗測試。結果表明，本文所設計的超聲波

4、束成型器具有單脈沖、正弦脈沖串、調頻信號、時域窗調制信號四類波形輸出功能，頻率輸出范圍在0～10MHz，調頻分辨率＜1Hz，脈沖重復頻率0Hz～10kHz范圍內可調，時域窗類型可選、脈沖串脈沖連續(xù)個數(shù)可控。
　　研究對比實驗結果發(fā)現(xiàn):
　　方波等寬帶窄脈沖縱向分辨率優(yōu)于調制信號，但回波信號振蕩時間更長，當檢測細裂紋或小缺陷時，以采用高頻單脈沖信號為宜;提高脈沖連續(xù)輸出個數(shù)可增強回波信號能量。當檢測缺陷較深或檢測工件衰減較大時