駱 英，徐 佳，李伯全，王自平

(江蘇大學(xué)，機械工業(yè)結(jié)構(gòu)損傷檢測評估技術(shù)重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，社會對各類機械結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的要求越來越高，利用無損檢測技術(shù)可以實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)損傷的早期識別，從而預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷的擴(kuò)大，保障機械結(jié)構(gòu)的安全運行[1-2]。超聲相控陣無損檢測技術(shù)可以高速、全方位和多角度地對機械結(jié)構(gòu)及零部件進(jìn)行損傷檢測，有效解決了結(jié)構(gòu)損傷檢測中信號可達(dá)性差和空間限制等問題[2-3]。

目前的超聲相控陣驅(qū)動電路的實現(xiàn)方法是通過在換能器兩端產(chǎn)生高壓脈沖，從而產(chǎn)生超聲波信號[4-5]，這種驅(qū)動方式簡單可靠，但難以調(diào)控發(fā)射信號幅值等參數(shù)，缺陷處回波的有效信號不夠突出，使得相控陣檢測的分辨率較低。文中設(shè)計了一種基于FPGA技術(shù)的新型超聲相控陣驅(qū)動電路，作為超聲相控陣系統(tǒng)的基本模塊，可實現(xiàn)任意波形信號的激勵以及驅(qū)動信號的強度可控。

1 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動電路的作用是產(chǎn)生具有一定功率、頻率特性以及可控電壓幅值的電信號去激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波。如圖1所示，驅(qū)動電路由波形信號生成模塊(由FPGA控制器和D/A模塊組成)、程控放大模塊以及高頻功放驅(qū)動模塊組成。

圖1 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 信號生成模塊設(shè)計

信號生成模塊采用基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的數(shù)字化波形激勵方式，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的特殊的激勵信號波形。信號生成模塊主要由FPGA和D/A轉(zhuǎn)換器組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信號生成模塊中，采用FPGA作為設(shè)計平臺，因其具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，減少了硬件的復(fù)雜程度，降低了成本。FPGA的片上結(jié)構(gòu)包括頻率合成器、地址計數(shù)器、以及波形存儲器等。激勵波形的產(chǎn)生方法是根據(jù)波形函數(shù)表達(dá)式，產(chǎn)生波形的量化數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入存儲器中，然后由地址計數(shù)器順序讀出存儲器中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化為模擬信號，信號的頻率由頻率合成器決定。

圖2 信號生成模塊結(jié)構(gòu)圖

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)字化波形信號轉(zhuǎn)換成模擬波形信號。與FPGA內(nèi)部波形存儲器相對應(yīng)，模塊中選用的是10位高速CMOS電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在其兩輸出端加上精密負(fù)載電阻R，從而將輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并且采用差分輸出的方式獲得交流信號。

1.2 程控放大模塊設(shè)計

程控放大模塊中，利用超聲波在材料中的衰減規(guī)律，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建強度補償?shù)乃惴?，從而對輸入的波形信號進(jìn)行程控增益的放大，將激勵信號幅值放大至±0.5～±1.5 V，從而實現(xiàn)超聲波發(fā)射強度的可控，以使得各通道到達(dá)缺陷處的超聲信號強度相等。結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模塊包括FPGA算法控制模塊、可變增益放大器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。

圖3 程控放大模塊示意圖

FPGA片上的強度算法控制模塊如圖4所示，主要依據(jù)超聲波在材料中傳輸?shù)乃p公式，建立強度補償?shù)目刂扑惴?。超聲波在距離驅(qū)動器處的振幅衰減表達(dá)式為

式中:A0為驅(qū)動器處的超聲波振幅;α為材料的衰減系數(shù);x為驅(qū)動器與掃描位置的距離。

圖4 FPGA強度算法控制單元

由于OPCM驅(qū)動/傳感器元件的驅(qū)動電壓幅值V與超聲波信號的振幅成正比關(guān)系，設(shè)其系數(shù)為K，由此式(1)可以變換為

其中，V0和K在寄存器中預(yù)存，α和x依據(jù)不同試件以及損傷缺陷的位置從外部輸入。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將由強度補償算法得到的增益控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，輸出至可變增益放大器的增益控制信號gn端，控制增益放大倍數(shù)。該模塊中數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用的是8位精度的D/A轉(zhuǎn)換器，電壓值分辨率值可達(dá)8 mV，滿足可變增益放大器增益控制電壓的要求。

可變增益放大器(AD604)是程控放大模塊中的核心單元。為了能夠有效地對激勵信號進(jìn)行強度控制，模塊中選用的是雙通道可變增益放大器，該放大器有如下特點:具有超低的噪聲;高增益且連續(xù)可調(diào)，增益的分貝值和增益的控制電壓能夠有很好線性的關(guān)系。增益控制通過設(shè)定增益縮放比例以及調(diào)節(jié)gn端增益控制電壓的大小來實現(xiàn)，增益精度為1 dB，增益控制電壓分辨率為0.05 V.

1.3 功放模塊設(shè)計

程控放大模塊輸出的模擬波形信號幅值較小，沒有足夠的驅(qū)動能力來激勵壓電陣元發(fā)射超聲波，需要后級電路進(jìn)行幅度放大和功率提高。目前常用的驅(qū)動電路往往不能同時滿足電壓驅(qū)動能力和信號帶寬的雙重要求，設(shè)計中采用高速運放與互補推挽三極管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，實現(xiàn)了具有一定電壓幅度、可驅(qū)動壓電陣元的高頻功放電路。

圖5 功放電路原理圖

功放電路對可變增益模塊輸出的信號進(jìn)行固定增益的放大以及功率提高，由高速運算放大器和三極管Q1、Q2組成。運算放大器選用的是高速、寬頻帶、低噪聲系列的運算放大器，在放大倍數(shù)為10倍時，帶寬為0～8M，滿足系統(tǒng)的要求。通過設(shè)置的阻值將放大器的增益值設(shè)置為8倍。而Q1、Q2共同構(gòu)成推挽式功率放大器，提高了系統(tǒng)的帶寬。

1.4 直流電源變換電路

系統(tǒng)中功放模塊采用±18 V直流電源供電;其余部分采用±5 V直流電源供電，系統(tǒng)中用到的2.5 V、2 V等基準(zhǔn)源由DC-DC電源模塊變換得到。另外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度(如基準(zhǔn)源影響D/A的轉(zhuǎn)換精度)，在電源模塊中還加入了電容、電感等元器件做了濾波處理。

2 實驗驗證

2.1 實驗平臺

實驗裝置如圖6所示，包括FPGA開發(fā)板、信號調(diào)理電路板、電源電路板、貼有 OPCM(Orthotropic Piezoelectric CompositeMaterials)驅(qū)動器和傳感器的鋁板試件以及數(shù)字示波器等。

圖6 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

FPGA開發(fā)板作為系統(tǒng)的控制單元，用于產(chǎn)生激勵信號的數(shù)字信號以及構(gòu)建強度補償算法。信號調(diào)理電路板主要由D/A、程控放大器、功放組成，作用是將激勵信號的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)程控放大器和功放后，輸出具有一定幅值和驅(qū)動能力的交流信號。驅(qū)動器選用的是自制的正交異性復(fù)合材料OPCM換能器，該OPCM作為驅(qū)動器時能夠沿特定方向激發(fā)能量大、指向性尖銳的振動信號，作為傳感器能夠區(qū)分不同方向的應(yīng)力波，并對特定方向的應(yīng)力波具有強烈的響應(yīng)特性。示波器選取HP-54820A型示波器，用于采集驅(qū)動電路的激勵信號并進(jìn)行分析。電源電路板為系統(tǒng)提供電源和基準(zhǔn)源。

2.2 驅(qū)動信號的產(chǎn)生與測試

為了測試該超聲波驅(qū)動電路激勵信號的性能，在波形存儲器中預(yù)存入五峰波(窄帶正弦調(diào)制信號[6])，頻率合成器中將信號的頻率設(shè)置為250 kHz，D/A轉(zhuǎn)換后的信號為±100 mV，程控放大器模塊中增益設(shè)置為10倍，功放模塊中的固定增益放大倍數(shù)設(shè)置為8倍。最終在驅(qū)動器上產(chǎn)生的激勵信號時域圖如圖7(a)所示，頻域圖如圖7(b)所示，從圖中可以看出在驅(qū)動器兩端產(chǎn)生的激勵信號幅值為±8 V左右，中心頻率在250 kHz附近，能量主要集中在中心頻率附近，系統(tǒng)的相對帶寬近似為40%(相對帶寬大于25%為超寬帶[7])，整個放大電路的幅頻特性良好。

2.3 強度補償?shù)目尚行则炞C

超聲相控陣強度控制技術(shù)指的是依據(jù)超聲波傳輸過程中在材料中的衰減規(guī)律建立強度補償算法，自適應(yīng)地控制驅(qū)動器激發(fā)信號的強度，從而達(dá)到缺陷處應(yīng)力波等強度的目的。信號流程圖如圖8所示。首先對超聲波在試件中的傳輸特性進(jìn)行實驗研究，建立材料的阻尼方程確定材料的阻尼系數(shù)，然后依據(jù)阻尼方程確定強度補償?shù)乃惴?，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)各通道的信號放大倍數(shù)。

該實驗包括研究超聲波在試件中傳輸?shù)乃p規(guī)律和強度控制算法的實驗驗證2部分的內(nèi)容。超聲波的衰減規(guī)律實驗中，首先由超聲波驅(qū)動電路產(chǎn)生頻率為250 kHz幅值為±10 V的五峰波信號來激勵OPCM驅(qū)動器，然后由示波器記錄傳感器上接收到的超聲波信號幅值。通過不斷移動傳感器，將驅(qū)動器與傳感器的間距從3 cm逐漸遞增至20 cm處，每次遞增1 cm，從而得到多組超聲波接收信號的幅值。根據(jù)每次示波器上獲得的信號幅值和相應(yīng)的距離建立坐標(biāo)系，得到超聲波衰減規(guī)律曲線如圖9所示，從圖9以及式(2)可知，接收信號的幅值隨距離的增加成指數(shù)遞減，超聲波在該鋁板試件中的衰減系數(shù)α=0.1，由于驅(qū)動器和傳感器在距離很近時信號的旁瓣較大，對OPCM的性能影響很大[8]，所以圖中距離較近點的實測值誤差比較大。

圖8 可控強度輸出信號流程圖

圖9 驅(qū)動器與傳感器的間距與接收信號幅值之間的關(guān)系

強度控制算法實驗主要驗證自適應(yīng)強度控制的可行性，以距離驅(qū)動器5 cm處作為模擬損傷點，同時以由超聲波驅(qū)動電路產(chǎn)生頻率為250 kHz、幅值為±5 V的五峰波信號作為驅(qū)動器上的初始電壓信號。首先將上面實驗中得到的衰減系數(shù)α、驅(qū)動器上的初始電壓V0以及距離差輸入到控制器的寄存器中(其中距離差和傳感器移動的距離一致)，然后通過不斷移動傳感器，將驅(qū)動器與傳感器的間距從5 cm逐漸遞增至20 cm處，每次遞增1 cm，傳感器移動的同時驅(qū)動電路根據(jù)強度補償算法控制驅(qū)動電路的放大增益激勵驅(qū)動器，由示波器記錄下每次驅(qū)動器和傳感器上接收到的超聲波信號，從而得到多組數(shù)據(jù)。根據(jù)每次示波器上獲得的信號幅值和相應(yīng)的距離建立坐標(biāo)系，從圖10可以看出，根據(jù)強度補償算法輸出的激勵信號幅值和理論值的絕對誤差在0.4 V以內(nèi)，該誤差主要是由程控放大器的控制精度引起的。從圖11可以看出系統(tǒng)基本實現(xiàn)了等強度控制，實測值擬合曲線和理論值基本一致，最大的誤差為3 mV，該誤差主要是由驅(qū)動電路的控制精度以及測量工具的精度引起的。

從上面的實驗數(shù)據(jù)可以看出通過該文設(shè)計的超聲波驅(qū)動電路可以有效驅(qū)動OPCM驅(qū)動器產(chǎn)生超聲波信號，并通過程控放大模塊實現(xiàn)驅(qū)動器激勵信號的等強度控制。

3 結(jié)束語

針對目前超聲相控陣檢測系統(tǒng)中不具有應(yīng)力波驅(qū)動強度可控的功能，設(shè)計了一種新型超聲相控陣驅(qū)動電路。系統(tǒng)采用基于FPGA的數(shù)字化波形發(fā)射方式，可以根據(jù)不同的材料，選擇任意波形信號激勵，以及通過強度補償算法實現(xiàn)了超聲波到達(dá)缺陷處應(yīng)力波等強度的目的，為超聲相控陣在缺陷處等強度聚焦或偏轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)，提高了檢測的分辨率和信噪比。

[1]Research on ultrasonic phased array system for automatic defect detection of pipeline girth welds.Proceedings of 9th International Conference on Electronic Measurement and Instruments.2009:16-19.

[2]周正干，向上，魏東，等.復(fù)合材料的超聲檢測技術(shù).航空制造技術(shù)，2009(8):70-73.

[3]鐘德煌，鄭攀忠.便攜式相控探傷儀在焊縫超聲檢測技術(shù)中的應(yīng)用.無損檢測，2009(33):233-235.

[4]周海鵬..超聲檢測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究:[學(xué)位論文].大連:大連理工業(yè)大學(xué)，2005.

[5]彭鴿，袁慎芳.主動Lamb波監(jiān)測技術(shù)中的傳感元件優(yōu)化布置研究.航空學(xué)報，2006(5):957-960.

[6]馮紅亮，肖定國，徐春廣，等.脈沖超聲傳感器激發(fā)/接收電路設(shè)計.儀表技術(shù)與傳感器，2003(11):30-32.

[7]楊利民，許智勇，蘇衛(wèi)明.基于子帶合成的超寬帶雷達(dá)雜波建模與仿真.電子與信息學(xué)報，2010(9):2172-2173.

[8]LUO Y，WANG Z P.The focus acoustic field simulateion based on parameter optimization of opcm ultrasomic phased array elements.Proceedings of the joint Conference of the 2009 symposium on piezoelectric-ity，2009:195-196.