一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，主要用于混凝土結構的超聲檢測，包括：上位機控制端、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、時分復用高壓脈沖放大電路、超聲換能器陣列和數(shù)據(jù)分配器；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列連接時分復用高壓脈沖放大電路的輸入端，數(shù)據(jù)分配器的輸入端分別連接現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的控制信號輸出端以及時分復用高壓脈沖放大電路的輸出端；數(shù)據(jù)分配器的輸出端連接超聲換能器陣列。本發(fā)明以大幅縮小電路規(guī)模，降低設備體積，節(jié)省設備成本，可產(chǎn)生可以聚焦的聲束，用于工業(yè)上的混凝土結構超聲無損檢測；也可調(diào)節(jié)輸出信號的脈寬，以適用于不同中心頻率的換能器，延時精度可達ηs級，滿足混凝土結構超聲無損檢測的要求。
【專利說明】
一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置
技術領域
[0001]
本發(fā)明屬于電子科學領域，具體涉及的是利用時分復用技術，具體涉及的是一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置。
【背景技術】
[0002]超聲無損檢測技術在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中作用巨大，與傳統(tǒng)單探頭超聲檢測技術相比，相控陣超聲無損檢測技術具有檢測范圍廣、深度大、定位準確等優(yōu)點。相控陣探頭是由多個換能器組成的一個換能器陣列，每一路換能器陣列由一路高壓脈沖信號來控制。通過控制激勵脈沖的延時，產(chǎn)生多路相位不同的超聲信號，使得它們在預期聚焦點產(chǎn)生干涉加強的效果。改變延時參數(shù)便可實現(xiàn)聲束的動態(tài)聚焦及偏轉，從而達到掃描的目的。
[0003]為實現(xiàn)聲束的動態(tài)聚焦及偏轉，需要一套可產(chǎn)生多路用于激勵超聲換能器的高壓脈沖信號的信號發(fā)生裝置。目前國內(nèi)外市場上既有的相控陣超聲信號發(fā)生器都是每一路換能器前均接有一體積較大的高壓脈沖放大電路。由于探頭數(shù)量多在16路以上，故整個超聲檢測裝置體積龐大，且成本較高。而相控陣超聲信號聚焦的延時數(shù)學模型決定了相隔較遠的換能器陣元產(chǎn)生超聲信號的時間不會重疊，故可使用時分復用技術來使多個換能器陣元復用一個放大電路，從而大幅減少整個超聲發(fā)射裝置的體積，以及降低其成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對市場上既有的一些相控陣超聲信號發(fā)生器體積龐大、成本高的問題，根據(jù)數(shù)字信號的時分復用技術，而本發(fā)明目的是提供一種體積小、成本低的相控陣超聲信號發(fā)生裝置，即時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其產(chǎn)生可以聚焦的聲束，用于工業(yè)上的混凝土結構超聲無損檢測，延時精度可達rIs級，滿足混凝土結構超聲無損檢測的要求。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于，其包括:它包括:上位機控制端，用于控制激勵脈沖的延時和脈寬；
現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)，用于產(chǎn)生ns級脈沖信號；
時分復用高壓脈沖放大電路，用于放大現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)產(chǎn)生的激勵脈沖信號，產(chǎn)生足以激發(fā)超聲換能器的大功率信號；
超聲換能器陣列，用于產(chǎn)生多路相位不同的聲波，以產(chǎn)生可偏轉的、聚焦位置可變的聲束；
數(shù)據(jù)分配器，用于對時分復用高壓脈沖放大電路放大激勵脈沖信號分配到超聲換能器陣列的輸出通道上；
所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出端連接時分復用高壓脈沖放大電路的輸入端，所述述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸入端連接上位機控制端，所述數(shù)據(jù)分配器的輸入端分別連接現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的控制信號輸出端以及時分復用高壓脈沖放大電路的輸出端;所述數(shù)據(jù)分配器的輸出端連接超聲換能器陣列。
[0006]進一步的，所述時分復用高壓脈沖放大電路包括HV732集成芯片以及與HV732集成芯片連接的兩個二極管BAV99;所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出端連接HV732集成芯片的輸入端，所述HV732集成芯片的輸出端連接兩個二極管BAV99;所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列產(chǎn)生的激勵脈沖信號傳送至HV732集成芯片的輸入端，經(jīng)HV732集成芯片放大后，再由兩個二極管BAV99差動輸出。
[0007]為降低設備體積，節(jié)省設備成本，所述時分復用高壓脈沖放大電路設置有四組，使用4組高壓脈沖放大電路來分時放大16路激勵脈沖信號。所述四組時分復用高壓脈沖放大電路分別為第一時分復用高壓脈沖放大電路、第二時分復用高壓脈沖放大電路、第三時分復用高壓脈沖放大電路和第四時分復用高壓脈沖放大電路;所述第一至第四時分復用高壓脈沖放大電路并聯(lián)連接。
[0008]所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出16路激勵脈沖信號，16路激勵脈沖信號平均分為4組，每組激勵脈沖信號設置有4路激勵脈沖信號，且4路激勵脈沖信號并聯(lián)至HV732集成芯片的輸入端，經(jīng)HV732集成芯片放大后，再由兩個二極管BAV99差動輸出。
[0009]進一步的，所述數(shù)據(jù)分配器設置有四個，分別為第一至第四數(shù)據(jù)分配器，所述第一至第四數(shù)據(jù)分配器均設置有一路輸入端和四路輸出端，通過設置四路輸出端用于選擇激勵脈沖信號的輸出通道。使用四路數(shù)據(jù)分配器(一路輸入，四路輸出)來選擇激勵脈沖信號的輸出通道。
[0010]為保證滿足時分復用條件，即滿足一組信號通道所產(chǎn)生信號在時間上沒有重疊，需對換能器陣列中各陣元進行分組。換能器陣列一字排開，每個陣元按I至16依次編號，SP所述換能器陣列是由第1-16號換能器組成。
[0011]所述第1、5、9、13號換能器通過第一數(shù)據(jù)分配器連接第一時分復用高壓脈沖放大電路；
所述第2、6、10、14號換能器通過第二數(shù)據(jù)分配器連接第二時分復用高壓脈沖放大電路；
所述第3、7、11、15號換能器通過第三數(shù)據(jù)分配器連接第三時分復用高壓脈沖放大電路；
所述第4、8、12、16號換能器通過第四數(shù)據(jù)分配器連接第四時分復用高壓脈沖放大電路。
[0012]作為優(yōu)選方案，使用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)根據(jù)當前正在輸出小信號脈沖的通道序號來選擇四路數(shù)據(jù)分配器的輸出通道。
[0013]避免的四路數(shù)據(jù)分配器讀取控制信號的延時帶來的影響，輸出通道選擇控制信號在被選通道的脈沖信號輸出前傳輸至數(shù)據(jù)分配器，即所述第一至第四數(shù)據(jù)分配器輸出當前脈沖信號的同時，并行接收來自現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出通道選擇控制信號，此時由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列控制的輸出通道選擇鎖存位關閉，故不會對當前輸出信號的通道選擇產(chǎn)生影響；待下一次脈沖輸出時，由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列控制的輸出通道選擇鎖存位打開，此時數(shù)據(jù)分配器已經(jīng)完成對輸出通道選擇控制信號的讀取，故輸出通道能立即變?yōu)樗x通道。
[0014]本發(fā)明的有益效果如下:
(I)本發(fā)明主要用于混凝土結構的超聲檢測，以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)為主控制器，用上位機控制其輸出延時和脈寬可調(diào)的脈沖信號。同時通過可時分復用的高壓脈沖放大電路以大幅縮小電路規(guī)模，降低設備體積，節(jié)省設備成本。
[0015](2)本發(fā)明采用的可時分復用的高壓脈沖放大電路最多可滿足時間上不重疊的四路信號的分時放大，并能并行地輸出16路延時可調(diào)的高壓脈沖信號激發(fā)超聲換能器陣列產(chǎn)生可以聚焦的聲束，用于工業(yè)上的混凝土結構超聲無損檢測；也可調(diào)節(jié)輸出信號的脈寬，以適用于不同中心頻率的換能器;延時精度可達ns級，滿足混凝土結構超聲無損檢測的要求。
[0016]【附圖說明】:
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合【具體實施方式】，進一步闡述本發(fā)明。
[0018]參照附圖1，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)的小信號脈沖產(chǎn)生部分，本發(fā)明的小信號脈沖產(chǎn)生流程如下:
通過上位機即計算機控制現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)輸出延時和脈寬可調(diào)的脈沖信號。計算機與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)之間通過RS232串口線連接，為保證通信的可靠性，將串口波特率設置為115200，并開啟奇偶校驗。計算機上的串口程序使用C#語言編寫。程序輸入?yún)?shù)包括每一路脈沖信號的延時時間及脈沖寬度，并可以設置哪一路信號為延時基準，也可以選擇使用哪幾路信號。此外，設置參數(shù)還包含發(fā)射周期性連續(xù)波還是單次觸發(fā)。若發(fā)射周期性連續(xù)波，可選擇連續(xù)波的周期;若選擇單次觸發(fā)，可設置多次單次觸發(fā)參數(shù)及每次觸發(fā)的時間間隔。現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)外接50MHz高速晶體振蕩器，延時精度可達20ns，能夠滿足混凝土結構超聲檢測的要求。FPGA的16個1 口用于輸出脈沖信號，每一路1都由程序并行控制，以保證延時的精確性。
[0019]參照附圖1時分復用放大電路部分，本發(fā)明的時分復用放大電路部分實施流程如下:
首先將現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)直接輸出的小信號脈沖進行分組。分組原則為同組信號在時間上沒有重疊，即同一組中某一時刻只有一路信號輸出。根據(jù)相控陣超聲信號聚焦的延時數(shù)學模型，相隔間距超過某一門限值的換能器陣元產(chǎn)生超聲信號的時間不會重疊。由此設計出換能器(按序號一字排開)的分組如下:
(1)第1、5、9、13號換能器通過第一數(shù)據(jù)分配器連接第一時分復用高壓脈沖放大電路；
(2)第2、6、10、14號換能器通過第二數(shù)據(jù)分配器連接第二時分復用高壓脈沖放大電路；
(3)第3、7、11、15號換能器通過第三數(shù)據(jù)分配器連接第三時分復用高壓脈沖放大電路；
(4)第4、8、12、16號換能器通過第四數(shù)據(jù)分配器連接第四時分復用高壓脈沖放大電路。
[0020]即將現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)直接輸出的小信號脈沖的第1、5、9、13路信號并聯(lián)至放大電路I的輸入端口，再由放大電路分時放大每一路小信號脈沖用于控制相應信號的換能器陣元。其余組信號依此類推。16路信號共被分成四組，每組復用一個放大電路。放大電路采用HV732集成芯片實現(xiàn)。HV732具有集成度高，功率大，響應時間極短的特點，能夠滿足相控陣超聲檢測技術的要求。
[0021]參照附圖1高壓脈沖信號分配部分，本發(fā)明的高壓脈沖信號分配實施流程如下: 首先現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)根據(jù)從上位機輸入的每一路脈沖信號的延時時間及脈沖寬度確定每個四路數(shù)據(jù)分配器的控制信號時序，以保證16路高壓脈沖信號中的每一路都能準確將信號傳輸至相應換能器陣元?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)與四路數(shù)據(jù)分配器間共有3跟控制線，分別為輸出通道選擇控制位I，輸出通道選擇控制位0，以及輸出通道選擇鎖存位。
[0022]由于數(shù)據(jù)分配器讀取輸出通道選擇控制信號時具有幾ns的延時，若輸出通道選擇控制信號與被選通道的脈沖信號同時產(chǎn)生，便會產(chǎn)生誤差。故輸出通道選擇控制信號在被選通道的脈沖信號輸出前傳輸至數(shù)據(jù)分配器，即數(shù)據(jù)分配器輸出當前脈沖的同時，并行接收來自現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)的輸出通道選擇控制信號，但此時由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)控制的輸出通道選擇鎖存位關閉，故不會對當前輸出信號的通道選擇產(chǎn)生影響。待下一次脈沖輸出時，由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)控制的輸出通道選擇鎖存位打開，由于數(shù)據(jù)分配器已經(jīng)完成對輸出通道選擇控制信號的讀取，故輸出通道能立即變?yōu)樗x通道。這樣就有效避免了數(shù)據(jù)分配器讀取控制信號的延時帶來的影響。
[0023]基于上述，本實施例是通過上位機輸入每一路激勵脈沖的延時，脈寬參數(shù)，控制現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)產(chǎn)生Ils級延時，脈寬靈活可調(diào)的脈沖信號。每4路時間上不重疊的脈沖信號分時復用一組高壓脈沖放大電路，這樣4組放大電路便可分時放大16路信號。經(jīng)放大電路產(chǎn)生的高壓脈沖信號再通過四路數(shù)據(jù)分配器分配正確的輸出通道后，激勵超聲換能器陣列產(chǎn)生聚焦且聚焦位置可偏轉的超聲波束。
[0024]本發(fā)明提供了一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，主要用于混凝土結構的超聲檢測。以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)為主控制器，用上位機控制其輸出延時和脈寬可調(diào)的脈沖信號。同時設計了可時分復用的高壓脈沖放大電路以大幅縮小電路規(guī)模，降低設備體積，節(jié)省設備成本。該放大電路最多可滿足時間上不重疊的四路信號的分時放大。所述裝置能并行地輸出16路延時可調(diào)的高壓脈沖信號激發(fā)超聲換能器陣列產(chǎn)生可以聚焦的聲束，用于工業(yè)上的混凝土結構超聲無損檢測；也可調(diào)節(jié)輸出信號的脈寬，以適用于不同中心頻率的換能器。延時精度可達ns級，滿足混凝土結構超聲無損檢測的要求。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
【主權項】
1.一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于，其包括: 上位機控制端，用于控制激勵脈沖的延時和脈寬； 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，用于產(chǎn)生ns級脈沖信號； 時分復用高壓脈沖放大電路，用于放大現(xiàn)場可編程邏輯門陣列產(chǎn)生的激勵脈沖信號，產(chǎn)生足以激發(fā)超聲換能器的大功率信號； 超聲換能器陣列，用于產(chǎn)生多路相位不同的聲波，以產(chǎn)生可偏轉的、聚焦位置可變的聲束； 數(shù)據(jù)分配器，用于對時分復用高壓脈沖放大電路放大激勵脈沖信號分配到超聲換能器陣列的輸出通道上； 所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出端連接時分復用高壓脈沖放大電路的輸入端，所述述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸入端連接上位機控制端，所述數(shù)據(jù)分配器的輸入端分別連接現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的控制信號輸出端以及時分復用高壓脈沖放大電路的輸出端;所述數(shù)據(jù)分配器的輸出端連接超聲換能器陣列。2.根據(jù)權利要求1所述的一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述時分復用高壓脈沖放大電路包括HV732集成芯片以及與HV732集成芯片連接的兩個二極管BAV99;所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出端連接HV732集成芯片的輸入端，所述HV732集成芯片的輸出端連接兩個二極管BAV99;所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列產(chǎn)生的激勵脈沖信號傳送至HV732集成芯片的輸入端，經(jīng)HV732集成芯片放大后，再由兩個二極管BAV99差動輸出。3.根據(jù)權利要求2所述的一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述時分復用高壓脈沖放大電路設置有四組，用于分時放大16路激勵脈沖信號;所述四組時分復用高壓脈沖放大電路分別為第一時分復用高壓脈沖放大電路、第二時分復用高壓脈沖放大電路、第三時分復用高壓脈沖放大電路和第四時分復用高壓脈沖放大電路;所述第一至第四時分復用高壓脈沖放大電路并聯(lián)連接； 所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出16路激勵脈沖信號，16路激勵脈沖信號平均分為4組，每組激勵脈沖信號設置有4路激勵脈沖信號，且4路激勵脈沖信號并聯(lián)至HV732集成芯片的輸入端，經(jīng)HV732集成芯片放大后，再由兩個二極管BAV99差動輸出。4.根據(jù)權利要求3所述的一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述數(shù)據(jù)分配器設置有四個，分別為第一至第四數(shù)據(jù)分配器，所述第一至第四數(shù)據(jù)分配器均設置有一路輸入端和四路輸出端，通過設置四路輸出端用于選擇激勵脈沖信號的輸出通道。5.根據(jù)權利要求4所述的一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述換能器陣列是由第1-16號換能器組成，所述第1、5、9、13號換能器通過第一數(shù)據(jù)分配器連接第一時分復用高壓脈沖放大電路； 所述第2、6、10、14號換能器通過第二數(shù)據(jù)分配器連接第二時分復用高壓脈沖放大電路； 所述第3、7、11、15號換能器通過第三數(shù)據(jù)分配器連接第三時分復用高壓脈沖放大電路； 所述第4、8、12、16號換能器通過第四數(shù)據(jù)分配器連接第四時分復用高壓脈沖放大電 路。6.根據(jù)權利要求4所述的一種時分復用的大功率相控陣超聲信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述第一至第四數(shù)據(jù)分配器輸出當前脈沖信號的同時，并行接收來自現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的輸出通道選擇控制信號，此時由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列控制的輸出通道選擇鎖存位關閉，故不會對當前輸出信號的通道選擇產(chǎn)生影響;待下一次脈沖輸出時，由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列控制的輸出通道選擇鎖存位打開，此時數(shù)據(jù)分配器已經(jīng)完成對輸出通道選擇控制信號的讀取，故輸出通道能立即變?yōu)樗x通道。
【文檔編號】G01N29/34GK105842347SQ201610188502
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】朱云峰, 韓慶邦, 汪冰瀅, 陳莉莉, 朱昌平
【申請人】河海大學常州校區(qū)