王海濤，葛金鑫，楊先明

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.煙臺(tái)富潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司，煙臺(tái) 264670）

目前，相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)是采用多陣元陣列換能器，依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)控制陣列中各陣元發(fā)射超聲波的時(shí)間（相位）來(lái)控制各陣元的聲束在聲場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)、聚焦；或控制接收陣列換能器中各陣元接收回波信號(hào)的時(shí)間（相位），進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、聚焦成像檢測(cè)的一種高端技術(shù)，是目前超聲檢測(cè)技術(shù)中的發(fā)展熱點(diǎn)之一［1］。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，具有高檢測(cè)分辨力、高信噪比和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。筆者主要討論相控陣超聲成像硬件電路，其中包括超聲發(fā)射電路及獲取回波信號(hào)之后的調(diào)理電路，并通過(guò)超聲標(biāo)準(zhǔn)試塊驗(yàn)證設(shè)計(jì)的硬件電路的可行性。

1 發(fā)射電路

超聲發(fā)射電路主要包括電源、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射電路、阻尼電阻和超聲探頭。發(fā)射電路直接影響著超聲信號(hào)的特性。發(fā)射電路采用電容瞬間充放電電路，產(chǎn)生尖脈沖激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)超聲探頭［2］。根據(jù)脈沖激勵(lì)原理可知，為了更有效地激勵(lì)超聲探頭，要盡量減少激勵(lì)脈沖上升時(shí)間，提高激勵(lì)脈沖幅度，減少脈沖寬度［3］。激勵(lì)脈沖上升時(shí)間主要由電路開(kāi)關(guān)的完全閉合速度決定，脈沖幅度和寬度主要受直流高壓幅度和開(kāi)關(guān)電路的影響；因此，必須選擇合適的開(kāi)關(guān)元件和驅(qū)動(dòng)芯片。

圖1 超聲發(fā)射電路原理圖

硬件系統(tǒng)的超聲發(fā)射電路原理圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)芯片使用ISL55110，并且選擇場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)元件。ISL5510可輸出5～12V的脈沖電壓，具有1.5ns的上升和下降時(shí)間，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)到3.5A，能快速對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電容進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管的高速導(dǎo)通。ISL55110需要5，12V工作電壓，并控制輸入電壓的上電順序。為了使芯片穩(wěn)定工作，在電壓輸入管腳并聯(lián)瓷片電容和鉭電容對(duì)輸入電壓進(jìn)行去耦處理，同時(shí)在12V電壓輸入端串聯(lián)合適的電阻進(jìn)行限流。

觸發(fā)脈沖未到來(lái)之前，高電壓對(duì)電容C5進(jìn)行充電；觸發(fā)脈沖到來(lái)之后，高電壓對(duì)電容C5進(jìn)行放電。二極管D1和D2在發(fā)射激勵(lì)脈沖時(shí)，由于采用正向接法，故不影響C5的充放電；而在接收回波時(shí)，由于回波信號(hào)幅度都是幾十微伏數(shù)量級(jí)，兩個(gè)二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，因此二極管起到隔離作用，消除發(fā)射電路對(duì)接收電路的影響［4］。R4是阻尼電阻，具有增加探頭的阻尼作用；為了使產(chǎn)生的回波信號(hào)比較理想，需要選擇合適的電阻值。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)16路相控陣超聲檢測(cè)，將使用帶有16個(gè)陣元的相控陣探頭。但在調(diào)試單通道電路時(shí)，將利用相控陣探頭中的一個(gè)陣元進(jìn)行試驗(yàn)。

2 信號(hào)處理電路

超聲換能器直接接收到的超聲回波信號(hào)，幅度比較高且含有不同頻率的雜波，故需要對(duì)接收到的超聲回波信號(hào)進(jìn)行處理。超聲回波信號(hào)處理的原理框圖如圖2所示。

根據(jù)這個(gè)原理框圖，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)處理電路，如圖3所示。

圖2 回波信號(hào)處理原理框圖

由于接收到的回波信號(hào)幅度比較高，如果不對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理就直接送到后級(jí)的運(yùn)放中進(jìn)行放大，會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器產(chǎn)生沖擊，甚至?xí)p壞放大芯片，使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。所以，進(jìn)行信號(hào)放大之前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅處理，系統(tǒng)中使用二極管鉗位電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行限幅處理。為了避免限幅電路受到強(qiáng)電流沖擊，在二極管之前串聯(lián)了限流電阻。系統(tǒng)的放大電路部分分別采用AD603和AD829進(jìn)行放大。AD603是低噪聲且由電壓控制的增益放大器，AD603的放大倍數(shù)計(jì)算公式為Gain（dB）＝40VG＋G0。其中VG是差動(dòng)式輸入的增益控制電壓；G0根據(jù)不同的接法，分別為10，20，30dB。系統(tǒng)中VG為0，G0為30dB，所以前級(jí)放大的倍數(shù)為30dB。放大回波信號(hào)的同時(shí)也放大雜波信號(hào)，需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波處理。根據(jù)探頭的中心頻率4MHz，設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為4MHz，帶寬為1MHz的三階巴特沃斯帶通濾波器。使用Filter Solutions輸入濾波器參數(shù)，就可以得到電容電感的數(shù)值［5］。然后根據(jù)市面上有售的電容電感值微調(diào)電容電感值，完成濾波器設(shè)計(jì)。后級(jí)使用AD829進(jìn)行放大，AD829是高速低噪聲放大器。由于濾波后的信號(hào)相對(duì)還是比較微弱，因此在這一級(jí)放大部分可以將放大倍數(shù)調(diào)整為10，放大之后的信號(hào)相對(duì)比較理想，有利于之后的軟件處理。以上設(shè)計(jì)的是單通道超聲檢測(cè)電路，多通道超聲相控陣檢測(cè)電路只需根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)單通道電路進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展，然后通過(guò)FPGA來(lái)控制觸發(fā)信號(hào)延時(shí)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)激勵(lì)不同的陣元。

圖3 超聲回波信號(hào)處理電路

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證自行設(shè)計(jì)的單通道電路的效果，使用超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鋁塊進(jìn)行測(cè)試。在ISL55110的輸入端輸入頻率為4MHz，幅度為3.3V，時(shí)間間隔為20ms的四個(gè)連續(xù)觸發(fā)信號(hào)。超聲換能器在高壓負(fù)脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生超聲波，發(fā)射電路的作用就是產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖。將ISL55110上電工作后，測(cè)量超聲探頭前端的波形，測(cè)得的波形如圖4所示。

圖4 高壓負(fù)脈沖波形

從圖4中可以看出，由于輸入了連續(xù)的四個(gè)脈沖信號(hào)，后三個(gè)脈沖信號(hào)逐個(gè)衰減。如果只輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就不會(huì)出現(xiàn)逐個(gè)衰減現(xiàn)象。測(cè)得第一個(gè)脈沖的電壓峰值為145V，而實(shí)際高壓端的輸入電壓為240V，衰減將近40%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是因?yàn)檫x用的場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間沒(méi)有達(dá)到理想的工作狀態(tài)，并且場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)電容也會(huì)造成電壓衰減。同時(shí)產(chǎn)生的高壓負(fù)脈沖也存在一些問(wèn)題，波形中包含大量的振蕩干擾。通過(guò)分析，這些振動(dòng)干擾主要是由于ISL55110輸入邏輯信號(hào)頻率偏高，引入振鈴，間接導(dǎo)致MOSFET的開(kāi)關(guān)效果變差。但是發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓負(fù)脈沖，已經(jīng)達(dá)到激勵(lì)超聲換能器工作的要求。然后對(duì)超聲標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行檢測(cè)，圖5顯示的是穩(wěn)壓輸出之后的信號(hào)波形。

圖5 穩(wěn)壓輸出波形

通過(guò)圖5可以看出，穩(wěn)壓之后的缺陷回波的幅值已經(jīng)穩(wěn)定在20mV左右，已經(jīng)能夠滿足放大芯片的信號(hào)輸入要求。圖6顯示的是通過(guò)帶通濾波器之后的回波信號(hào)波形，可看出，缺陷回波信號(hào)的幅值，經(jīng)過(guò)AD603放大之后已經(jīng)得到明顯的放大，并且波形中的雜波信號(hào)已經(jīng)被濾除。

圖6 濾波之后的回波信號(hào)

圖7顯示的是回波信號(hào)經(jīng)過(guò)AD829放大之后的信號(hào)，可以看出，缺陷回波的幅值經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大之后，已經(jīng)達(dá)到可分辨的程度，這樣的信號(hào)波形可通過(guò)采集卡采集之后送入計(jì)算機(jī)，從而進(jìn)行缺陷的還原。

圖7 放大之后的缺陷回波信號(hào)

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，超聲發(fā)射接收電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于缺陷的檢測(cè)。這樣，設(shè)計(jì)一個(gè)多通道的超聲相控陣檢測(cè)裝置，只需要將單通道超聲檢測(cè)電路根據(jù)需求相應(yīng)擴(kuò)展，并通過(guò)FPGA控制陣列探頭中各個(gè)陣元激勵(lì)脈沖的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)位置和聲束方位的變化，從而合成相控波束，完成超聲掃描成像。將FPGA和此系統(tǒng)組合起來(lái)可得到一個(gè)多通道超聲相控陣檢測(cè)儀的硬件部分。

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