駱　英，仇　鶴，張文干，王自平

(1．江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇鎮(zhèn)江　212013；2．江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江　212013；3．江蘇大學理學院，江蘇鎮(zhèn)江　212013)

0　引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，社會對各類機械結構的安全性和可靠性的要求越來越高[1]。受周期性載荷的影響，機械工件的焊接處易發(fā)生應力集中現(xiàn)象，導致焊接處產(chǎn)生裂紋、斷裂等。因此，必須對機械結構進行無損檢測以實現(xiàn)對其損傷的早期識別，從而采取措施保證機械結構的安全運行。超聲相控陣無損檢測技術可以高速、全方位和多角度地對損傷進行檢測，有效解決了結構損傷檢測中咨詢波可達性差和空間限制等問題，具有廣闊的應用前景[2-3]。

目前的相控陣超聲波激發(fā)技術是通過在換能器兩端施加高壓脈沖產(chǎn)生超聲波[4-5]，這種激發(fā)方式簡單可靠，但發(fā)射信號參數(shù)難以調(diào)控，限制了后續(xù)的檢測分辨率。文中利用FPGA所具有的豐富邏輯資源在片內(nèi)構建波形數(shù)據(jù)并完成精確延時控制，探討一種新型的多通道數(shù)字化超聲相控發(fā)射系統(tǒng)，闡明了系統(tǒng)的結構與工作原理，并通過試驗對系統(tǒng)輸出信號的特性及延時分辨率進行研究。

1　系統(tǒng)的結構框圖及功能概述

系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示，由信號發(fā)生模塊產(chǎn)生頻率、相位任意可調(diào)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理模塊放大后激勵換能器產(chǎn)生超聲波，最后采用示波器進行激勵信號的接收處理。

圖1　系統(tǒng)的結構框圖

1．1信號發(fā)生模塊

1．1．1FPGA片上系統(tǒng)

FPGA片上采用自頂向下模塊化的設計思想。首先根據(jù)擬被激勵波形的函數(shù)表達式計算出波形的量化數(shù)據(jù)并導入片上ROM，在FPGA片內(nèi)構建地址發(fā)生器順序讀出ROM中的數(shù)據(jù)并送入D/A模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。串行設計思想也正是體現(xiàn)在這，即對FPGA的部分I/O進行復用，從而實現(xiàn)多通道發(fā)射功能。利用FPGA的并行處理能力，在激勵信號產(chǎn)生的同時計算各個陣元激勵的延時值，從而控制D/A的啟動時刻。激勵信號采用窄帶正弦調(diào)制信號[6]，對應于系統(tǒng)換能器中心頻率250 kHz，將激勵信號頻率調(diào)制在該位置。波形的保真度由量化數(shù)據(jù)點數(shù)決定，對應250 kHz的激勵信號，在單周期內(nèi)取1 024點，能夠很好地將信號再現(xiàn)。

1．1．2相控發(fā)射延時算法

在相控發(fā)射狀態(tài)下，系統(tǒng)按照不同的延時值激勵陣列換能器產(chǎn)生超聲波，預設的延時值需要通過一定的數(shù)學算法來實現(xiàn)，因此延時算法是實現(xiàn)精確延時的重要步驟。相控偏轉(zhuǎn)的幾何關系如圖2所示。

圖2　相控陣偏轉(zhuǎn)幾何關系

根據(jù)三角關系易得換能器n與換能器0之間的延時為：

(1)

式中：d為相鄰陣元的陣元中心距；θ為超聲波偏轉(zhuǎn)角度；n為陣元數(shù)目；ΔSn為換能器n與換能器0之間的波程差；c為超聲波傳播速度。

1．1．3相控發(fā)射延時算法的實現(xiàn)

基于系統(tǒng)FPGA主控芯片，通過DSP Builder實現(xiàn)算法的功能，采用VHDL硬件語言在片內(nèi)構建算法模塊，在QuartusⅡ中進行編譯、綜合、仿真，最終實現(xiàn)相控發(fā)射延時。DSP Builder是一個算法級設計工具，它通過數(shù)學分析工具Matlab/Simlink進行圖形化設計和仿真，然后將模型設計文件轉(zhuǎn)成VHDL設計文件，對于綜合以及后續(xù)的工作則由QuartusⅡ完成。在DSP builder環(huán)境下算法程序如圖3所示。

圖3　延時模塊框圖

為了驗證采用DSP Builder作為延時算法片內(nèi)運算模塊的可行性，對算法模塊運算值與理論值進行比較。系統(tǒng)中相鄰換能器陣元間距取5 mm，超聲波在鋁板中的傳播速度為5 940 m/s，假設波束偏轉(zhuǎn)方向為60°，即θ=60°時，由式(1)可以得到

(2)

理論計算出的各通道延時值和通過延時算法程序得出的仿真結果對照如表1所示。

表1　理論延時值與仿真值

在數(shù)字芯片內(nèi)部，數(shù)字以二進制的形式存在，三角函數(shù)運算在FPGA內(nèi)部以查找表方式實現(xiàn)，會形成微小偏差。經(jīng)表1比較可知，理論值和仿真值的誤差在0．1 ns范圍內(nèi)，滿足精確延時要求。

1．1．4相控發(fā)射過程中精細延時控制的研究

相控粗延時主要基于系統(tǒng)時鐘，延時分辨率取決于時鐘頻率的提高，且高頻率時鐘對硬件電路的要求高，會對信號產(chǎn)生耦合干擾。因此有必要專門研究對精細相控延時的途徑。利用在FPGA片內(nèi)存儲同頻率異相位數(shù)字化波形的方法即可實現(xiàn)相位的細調(diào)。對應系統(tǒng)波形量化點數(shù)1 024，構建一張1 024點的波形數(shù)據(jù)存儲表(單周期)，當需要兩個通道發(fā)射不同相位的波形時，從表中錯開地址取數(shù)即可。如：對應于250 kHz的激勵信號，系統(tǒng)時鐘為85．3 MHz(為了使間隔點數(shù)為整數(shù))時，則每隔250 kHz×1 024/85．3 MHz≈3點取數(shù)。如此，兩個通道中的信號就產(chǎn)生了不同的相位，從而達到精細延時的目的。

系統(tǒng)中，一個周期中波形的相位分辨率為

ΔP=2π/1 024=0.006

(3)

根據(jù)θ=ωt，將相位轉(zhuǎn)換為時間，易得延時分辨率為：

t=4.78 ns

由式(3)可見，波形的相位分辨率只與周期波形數(shù)據(jù)存儲表的長度有關，因此，基于此方法得到的波形相位分辨率在理論上可達到無限細分。

1．2信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊由D/A、差分放大電路及電壓跟隨器組成。對應于FPGA內(nèi)部構建的波形存儲器位數(shù)，系統(tǒng)選用14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904，該芯片為2路，差分輸出模式，在終端通過精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最終輸出峰峰值為1 V的信號。差分模塊選用超低噪聲芯片AD797，放大倍數(shù)設置為2倍。為了提高系統(tǒng)電路的負載能力，在差分模塊后加上電壓跟隨器。單通道的差分放大電路及電壓跟隨器如圖4所示。

圖4　信號放大電路

1．3換能器

換能器用于將電信號轉(zhuǎn)化為超聲波信號。前文所設計電路即用于產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)的電信號，從而激勵換能器產(chǎn)生超聲波。系統(tǒng)中換能器由OPCM自制而成。OPCM是由壓電相材料與聚合物材料按照一定連通方式構成具有壓電正交異性特性的復合材料[7]。

2　試驗驗證

2．1試驗平臺

驗證性試驗中針對相控陣超聲發(fā)射電路激勵信號的特性(時域特性及頻域特性)以及相控延時的分辨率進行了研究，試驗裝置框圖如圖5所示。FPGA開發(fā)板作為系統(tǒng)的核心控制單元，主要用于產(chǎn)生250 kHz的窄帶正弦調(diào)制信號的數(shù)字信號以及在片上構建延時算法。信號調(diào)理電路板主要由D/A、放大模塊組成，作用是將激勵信號的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)放大模塊后輸出具有一定幅值和驅(qū)動能力的交流信號。選用HP-54820A型示波器作為系統(tǒng)的接收單元，采集超聲波的回波信號進行頻譜分析，PC機主要用于計算各個通道的延時值，并經(jīng)串口送入FPGA中，同時對示波器接收到的信號做處理。

圖5　試驗裝置示意圖

2．2激勵信號的產(chǎn)生與研究

為了驗證信號驅(qū)動電路的工作性能，編寫了有延時的四通道程序，激勵信號頻率設置為250 kHz，將編譯無誤的程序下載到FPGA中，經(jīng)過信號調(diào)理電路處理，得到四通道時域波形如圖6(a)所示。對單通道的信號做頻譜分析，對應于250 kHz窄帶正弦調(diào)制信號的頻域圖如6(b)所示。

從圖6可以直觀看出各通道的激勵信號波形穩(wěn)定，延時特征明顯。激勵信號峰峰值為2 V，中心頻率在250 kHz附近，能量主要集中在中心頻率周圍，整個放大電路的幅頻特性良好。

2．3延時特性測試

采用前兩通道對延時精度進行驗證。換能器間距取1 mm，超聲波波速為5 940 m/s，相控偏轉(zhuǎn)角度為30°，根據(jù)式(1)，可得第二通道相對于第一通道的延時值為84．2 ns，以此延時值編寫程序下載至FPGA，最終得到兩通道波形如圖7所示。對圖像進行局部放大，以窄帶正弦調(diào)制信號的第二個上升沿過零點為基準，測量兩通道的相對延時值為85 ns，與理論值相差0.8 ns，相對誤差為0．95%。

(a)激勵信號時域圖

(b)激勵信號頻譜圖

圖7　細延時波形圖

采取不同的偏轉(zhuǎn)角度，多次測量。比較兩通道相對延時值，記錄結果如表2所示。分析表中數(shù)據(jù)可以得出，不同偏轉(zhuǎn)角度下相鄰兩通道的延時差對應的理論值和實測值相對誤差小于1%，數(shù)據(jù)吻合程度較好。

3　結束語

設計的基于FPGA技術的多通道相控陣超聲波發(fā)射系統(tǒng)，利用串行發(fā)射方式進行相控陣超聲波的發(fā)射。通過對軟、硬件的設計和完善達到了比較好的系統(tǒng)集成度和測試精度，對超聲相控發(fā)射系統(tǒng)集成度的提高與系統(tǒng)的優(yōu)化具有積極的意義。

參考文獻：

[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．2009，8：16-19．

表2　延時數(shù)據(jù)

[2]FRANK M．Phased arrays for ultrasonic investigations in concrete com-ponents．Journal of Nondestructive Evaluation．2008(27)：23-33．

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

[4]WANG Z P，LUO Y．Optimal design of OPCM sensor by the orthotropic ratio．Key Engineering Materials，2011，464：350-353．(EI：20111213770620)．

[5]彭鴿，袁慎芳．主動Lamb波監(jiān)測技術中的傳感元件優(yōu)化布置研究．航空學報，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)/接收電路設計．儀表技術與傳感器，2003(11)：30-32．

[7]LUO Y，TAO B Q．The OPCM strain gangs for strain and stress measurement of orthotropic material structures．Alta Mechanical Solid Sinica，2000，13(4)：337-345．