馬　敏，吳海超

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津　300300)

0　引言

隨著航空技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，各類新型、先進的復(fù)合材料在民用飛機中得到越來越廣泛的應(yīng)用，使得飛機重量明顯降低，提高了飛機性能。例如，波音777的垂尾、平尾、后氣密框和客艙地板梁等均使用了復(fù)合材料，占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的11%[1-2]。在役復(fù)合材料制件在使用過程中容易產(chǎn)生疲勞損傷和環(huán)境損傷，因此，有必要對飛機復(fù)合材料進行損傷、缺陷檢測，保證飛行安全。

由于非金屬復(fù)合材料本身具有電學(xué)特性，發(fā)生疲勞或環(huán)境損傷時，其電特性也發(fā)生相應(yīng)變化。因此，可利用基于電容敏感機理的電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技術(shù)實現(xiàn)在線監(jiān)測[3-4]。

ECT通過測量物場邊界電容值反推物場內(nèi)部物質(zhì)分布情況，是一種無輻射、可視化、實時性高(可達1 500幅/s)、可靠性強的無損檢測技術(shù)，目前多用于氣/固、油/氣等兩相流體的檢測，如密相煤粉灰氣力輸送過程檢測[3]等。該類應(yīng)用多選用環(huán)形電極陣列。而復(fù)合材料的檢測主要以平面電極為主，為此，文中設(shè)計了基于平面電極傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

如圖1所示，該ECT系統(tǒng)主要由三部分組成：平面陣列電容傳感器、數(shù)據(jù)采集單元及圖像重建與分析顯示單元[4]。

圖1ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　系統(tǒng)總體方案

基于ECT的飛機復(fù)合材料檢測系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2　ECT系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

該系統(tǒng)采用Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG324 FPGA芯片作為核心處理器。用于控制12 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9224直接對C/V轉(zhuǎn)換電路輸出Vo(t)進行采樣，并將A/D轉(zhuǎn)換后的信號存儲到DDR2中[5]。同時實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的濾波與相敏解調(diào)，以DMA的方式將處理后的數(shù)據(jù)通過PCI總線傳送給上位機以完成圖像重建[6]。

2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換、信號處理和PCI總線數(shù)據(jù)傳輸3個部分組成。

2．1模數(shù)信號轉(zhuǎn)換設(shè)計

經(jīng)過預(yù)處理的信號送入A/D模塊進行轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送往后級的信號處理模塊。由于ECT系統(tǒng)采集到的信號微弱，因此，A/D轉(zhuǎn)換電路的精度將直接影響成像效果。該系統(tǒng)采用高速芯片AD9224。AD9224具有12位的位寬、40MSPS的轉(zhuǎn)換速率[7]。支持直流或交流耦合的單端或差分輸入。文中所采用的系統(tǒng)的激勵頻率為500 kHz，采用串行方式采集數(shù)據(jù)。因此，選用交流耦合單端輸入方式。

2．2數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速存儲，該系統(tǒng)使用了128 Mbit的DDR2 SDRAM芯片。它有8 M的數(shù)據(jù)容量、16位的數(shù)據(jù)總線及8個Banks。

圖3給出了DDR2存儲器工作時，狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)初始化完成以后，狀態(tài)機進入IDLE狀態(tài)。然后根據(jù)不同的請求指令，狀態(tài)機轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的狀態(tài)，并將指令發(fā)送至DDR2存儲芯片，同時觸發(fā)計數(shù)器開始計數(shù)。滿足規(guī)定時間間隔后，控制器可再次接受新的指令并根據(jù)請求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工作狀態(tài)，同時計數(shù)器置零，開始新的計數(shù)。

圖3　DDR2控制器狀態(tài)機

2．3數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

PCI總線接口開發(fā)技術(shù)的實現(xiàn)有2種方式：一是使用專用的PCI接口芯片；二是采用可編程邏輯器件來實現(xiàn)PCI接口。該系統(tǒng)利用專用PCI接口芯片PCI9054實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為簡單的I/O接口，雖然只用到了部分PCI接口功能，但可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，并提高系統(tǒng)的可擴展性[8]。

在數(shù)據(jù)流傳輸方面，該板卡采用存儲器空間，用DMA方式進行數(shù)據(jù)高速傳輸。主機或FPGA只需發(fā)出DMA開始信號后，即可由PCI9054完成DMA的所有操作?？梢?，DMA 操作大幅度減輕了主機端CPU的負擔(dān)[9]。

3　軟件算法設(shè)計

3．1數(shù)字相敏解調(diào)算法研究

數(shù)字解調(diào)是將高速A/D采集得到的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲在數(shù)字處理器中，然后利用相應(yīng)的數(shù)字計算方法獲得被測信號的幅值和相位信息。常用的數(shù)字計算方法有快速傅立葉變換(FFT)算法和正交序列解調(diào)算法[10]。正交算法如下：

設(shè)被測信號s(n)、正交參考信號q(n)、同相參考信號r(n)分別為

(1)

式中：θ為被測物體引起的相角；N為每個周期的采樣點數(shù)。

同相分量R為

(2)

正交分量I為

(3)

由式(2)、式(3)即可解出A和θ。

數(shù)字正交解調(diào)的好處是預(yù)先將計算好的參考信號儲存在處理器內(nèi)，解調(diào)過程中只需查表就可得到離散的參考值。這種做法速度快，同時為PGA參數(shù)的選定提供了方便。但是對A/D轉(zhuǎn)換電路的速率及CPU的計算處理能力要求較高。

3．2PGA處理算法研究

ECT系統(tǒng)的測量信號微弱，為了提高成像質(zhì)量，除了必要的屏蔽以及降噪措施外，如何放大信號，充分利用A/D轉(zhuǎn)換芯片的量程也至關(guān)重要。傳統(tǒng)的環(huán)形電極陣列每個電極之間測量信號的大小是可以預(yù)測的。而平面電極陣列傳感器，檢測部位不同產(chǎn)生的每個電極對之間的信號強弱差距很大。這就為PGA增益倍數(shù)的選定帶來了很大的難度。

為解決以上問題，文中設(shè)計了一種自適應(yīng)的方法。首先采集空場的信號，通過相敏解調(diào)得到120個幅值進行存儲。在測量物體時，統(tǒng)一設(shè)定各路信號PGA增益為2 dB．對采集到的物場信號進行相敏解調(diào)，得出的120個幅值與空場值相減，分析120個差值，并按照表1進行PGA增益的設(shè)定。

表1　可編程增益放大器增益的選擇表

4　系統(tǒng)測試結(jié)果分析

4．1PGA處理算法測試結(jié)果

文中講述到，若直接將檢測到的電容值送給A/D轉(zhuǎn)換電路，則無法充分利用A/D芯片的量程。圖4、圖5給出了16電極的平面陣列傳感器，選取第1電極和第7電極分別作為激勵電極時，各電極測量得到的電容值以及經(jīng)過程控放大后的電容值。

圖4　第一電極

圖5　第七電極

從圖中可以明顯看出，經(jīng)過程控放大后的電容值變化范圍較小。在圖7中，放大前電容最大值和最小值之間相差18.46倍，放大后僅相差1.73倍；而在圖8中，放大前后電容最大值和最小值之間分別相差14.33倍和1.8倍。由此可見，經(jīng)過放大的信號更能充分利用A/D的量程。

4．2實驗結(jié)果

實驗條件：該系統(tǒng)采用4×4的正方形排列的16電極傳感器，平面材料為有機玻璃，平面長、寬為12 cm×12 cm，平面電極陣列傳感器的電極尺寸為2 cm×2 cm，電極間距為0.5 cm．檢測對象為正方體玻璃，分別放置在傳感器的四周和中央，其幾何尺寸為高2 cm、底面長、寬2 cm，介電常數(shù)為4.9。圖6、圖7、圖8分別顯示了當(dāng)有機玻璃放置在傳感器中間時的空場實測、物場實測和差值實測曲線。

圖6　空場曲線

圖7　物場曲線

圖8　差值曲線

中間上下左右圖像重建采用共軛梯度算法[11]，重建圖像如圖9所示。

(a)中間

(b)上下

(c)左右

5　結(jié)束語

實驗表明，該系統(tǒng)滿足電容層析成像系統(tǒng)實時性的要求，在保持一定的采集精度基礎(chǔ)上，明顯提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。該系統(tǒng)快速的數(shù)據(jù)吞吐率和較高采集精度，為ECT技術(shù)在航空復(fù)合材料檢測設(shè)備的應(yīng)用提供了空間。

參考文獻：

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