盧偉雄，曾松德，李懷勝，鐘清華

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州510006）

便攜式超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計?

盧偉雄，曾松德，李懷勝，鐘清華

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州510006）

為克服傳統(tǒng)超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜以及電路調(diào)試?yán)щy等缺點，介紹了一種以Altera公司的Cyclone IIFPGA為處理核心的設(shè)計方案。利用NIOS II軟處理內(nèi)核構(gòu)建SOPC嵌入式系統(tǒng)，使用IP核技術(shù)，結(jié)合超聲傳感器實現(xiàn)探傷系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計，靈活高效，有利于縮短設(shè)計迭代周期。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集和復(fù)雜算法處理，具有體積小、成本低和可靠性高等特點，能夠有效分析判斷缺陷的位置和特征。

超聲探傷；FPGA處理器；SOPC技術(shù)；IP核；實時采集；缺陷分析

1 引 言

超聲波檢測作為一種重要的無損檢測方法，通過將超聲波耦合到被檢測對象，并獲取其中的透射波、反射波，分析被測對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適用于產(chǎn)線質(zhì)量監(jiān)控、現(xiàn)用設(shè)備和關(guān)鍵零部件的缺陷分析［1］。目前，在便攜式超聲波探傷儀設(shè)計中，大多數(shù)以FPGA＋DSP或者FPGA＋ARM為核心，但DSP的串行指令執(zhí)行方式，使探傷儀的工作速度和效率大打折扣；使用ARM嵌入式系統(tǒng)可開發(fā)友好的圖形用戶界面，但系統(tǒng)電路復(fù)雜，設(shè)計成本較高［2］。隨著可編程片上系統(tǒng)（System on a Programmable Chip， SOPC）日益成熟，在FPGA中構(gòu)建嵌入式處理器內(nèi)核，軟硬件協(xié)同設(shè)計，具有功耗低、體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，系統(tǒng)控制靈活，調(diào)試方便。

Altera公司提供的NIOS II軟處理內(nèi)核，支持32位寬的指令和數(shù)據(jù)總線，通過存儲器拓展接口，可訪問片內(nèi)和片外存儲器，以支持程序運行，非常適合網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用背景的嵌入式系統(tǒng)。利用NIOS II在FPGA上構(gòu)建SOPC系統(tǒng)及相關(guān)接口，設(shè)計可靠的超聲波檢測電路，編寫系統(tǒng)功能IP核（Intellectual Property Code）及嵌入式處理程序，采用單核處理，靈活高效，適用于設(shè)計一種便攜式、低成本的超聲波探傷儀系統(tǒng)。

2 超聲波探傷儀總體架構(gòu)

超聲波探傷儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)選用單晶體超聲波斜探頭BSN1540，中心頻率為5MHz，利用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone II系列FPGA（EP2C8Q208CN）作為處理核心，通過配置NIOS II軟核，以及設(shè)計各功能IP核，完成發(fā)射電路驅(qū)動、接收電路控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、系統(tǒng)功能選擇、結(jié)果顯示及存儲等功能。系統(tǒng)充分利用FPGA的并行處理特性，結(jié)合其軟硬件協(xié)同設(shè)計的靈活性，簡化系統(tǒng)電路，減少外界干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 超聲波檢測電路設(shè)計

3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動電路

系統(tǒng)探頭是一種單晶體超聲換能器，其前輻射面聲壓與激勵電壓的導(dǎo)數(shù)dU/dt成正比，因此盡量減少激勵脈沖的上升時間至關(guān)重要，常見的超聲換能器激勵信號［3］如圖2（a）所示。系統(tǒng)選用尖脈沖信號，其脈沖寬度窄，幅度高，能高效激勵換能器產(chǎn)生超聲波信號。針對激勵信號特點，系統(tǒng)設(shè)計一種非協(xié)調(diào)式發(fā)射驅(qū)動電路，如圖2（b）所示，適用于產(chǎn)生尖脈沖信號，沒有使用調(diào)諧元件，產(chǎn)生的超聲波頻率主要由換能器的中心頻率決定，以便適應(yīng)不同頻帶范圍的探頭［4］。

圖1 超聲波探傷儀系統(tǒng)框圖

圖2 發(fā)射激勵信號及驅(qū)動電路

發(fā)射電路的高壓激勵源選用小型集成化高壓電源模塊，用于產(chǎn)生400V高壓。MOS管Q1（IRF840）作為高速開關(guān)，受控于FPGA產(chǎn)生的低壓窄脈沖觸發(fā)信號。觸發(fā)脈沖為低電平時，Q1截止，高壓源通過R1、D2對電容C1充電，使其兩端電壓差達(dá)到＋400V。觸發(fā)脈沖翻轉(zhuǎn)為高電平后，Q1導(dǎo)通，C1經(jīng)過Q1、R2和D1放電，電容兩端電壓不能發(fā)生突變，D1輸出端電位轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00V，激勵探頭產(chǎn)生超聲波信號。另外，可變電阻R2決定了電路的阻尼情況，影響發(fā)射信號的強度。電阻大，阻尼小，發(fā)射強度大，系統(tǒng)分辨率低，適用于分辨率要求不高的大厚度檢測；相反，則發(fā)射強度小，系統(tǒng)分辨率高，適用于分辨率要求高的近表面檢測。

3.2 超聲波接收電路

系統(tǒng)選用單晶體探頭，為避免高壓尖脈沖信號擊穿損壞后級接收電路，設(shè)計了一種帶RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的限幅保護(hù)電路，如圖3所示。在傳統(tǒng)并聯(lián)限幅電路中引入RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既能抑制串?dāng)_的激勵信號，又能使接收電路與探頭之間實現(xiàn)最佳阻抗匹配，其轉(zhuǎn)折頻率為f0＝1/（2πR4C2），電容容抗為Xc＝1/（2πfC2）。設(shè)置系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率為5MHz，電容容抗為50Ω，當(dāng)輸入信號頻率遠(yuǎn)小于f0時，電路總阻抗等效為R4，此時能夠有效吸收發(fā)射激勵信號；當(dāng)頻率接近f0時，總阻抗約等于XC，能夠最佳匹配探頭阻抗，拾取回波信號。為了達(dá)到更好的限幅保護(hù)效果，通過RC網(wǎng)絡(luò)后，由并聯(lián)限幅電路將輸入點電位限制在±0.7V，使得高壓信號被鉗位，微弱回波信號直接輸入后級處理。

超聲波在傳播中存在衰減，且被測對象厚度不同，回波信號有較大的動態(tài)范圍，這要求接收放大電路能實現(xiàn)自適應(yīng)增益控制，提高系統(tǒng)靈敏度［5］。系統(tǒng)回波信號的頻率為探頭固有中心頻率，由于存在噪聲干擾，因此數(shù)據(jù)采集前需經(jīng)過帶通濾波器拾取有效信號，具體的電路設(shè)計方案如圖4所示。

系統(tǒng)采用級聯(lián)自適應(yīng)增益放大電路，前置同相增益放大器選用MAXIM公司的高速運放MAX4104ESA，固定增益41倍；配合TI公司的壓控增益放大器VCA810，利用D/A電路輸出增益控制電壓，增益范圍±40dB，實現(xiàn)自適應(yīng)增益控制。系統(tǒng)應(yīng)用MAX4104ESA設(shè)計二階有源帶通濾波器，其中心頻率為5MHz，帶寬為1.25MHz，能有效濾除回波噪聲，有效拾取回波信號。利用高速A/D采集數(shù)據(jù)，以便FPGA對回波信號進(jìn)行分析處理。

圖3 限幅保護(hù)電路

圖4 后級接收處理電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)超聲波探傷儀的系統(tǒng)特點，在FPGA上設(shè)計相應(yīng)的功能IP核及相關(guān)接口，其中接口參數(shù)可調(diào)，系統(tǒng)更新迭代靈活。在NIOS II處理器中統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)超聲波發(fā)射控制、信號增益控制、數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)存儲及回波顯示等功能，具體的系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)計使用VHDL語言，應(yīng)用軟件設(shè)計使用C語言。

4.1 窄脈沖發(fā)生器

超聲波探傷儀的發(fā)射觸發(fā)脈沖重復(fù)頻率一般在50Hz～2KHz之間，可以高達(dá)10KHz以上，提高重復(fù)頻率有利于提升探傷速度，但提高重復(fù)頻率卻受限于檢測距離。如果重復(fù)頻率過高，當(dāng)回波信號聲程的時間大于觸發(fā)脈沖的周期時，容易出現(xiàn)發(fā)射波與回波混疊，導(dǎo)致檢測失敗。為了適應(yīng)不同探傷材料、不同探傷厚度，系統(tǒng)基于FPGA設(shè)計了一個脈寬固定、重復(fù)頻率可控的窄脈沖發(fā)生器［6］。為匹配探頭中心頻率，窄脈沖的脈寬始終保持為200ns，初始化重復(fù)頻率為500Hz，用戶可通過功能鍵盤設(shè)置重復(fù)頻率，具體的觸發(fā)脈沖如圖6所示。

圖5 超聲波探傷系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖6 可調(diào)重復(fù)頻率窄脈寬信號

4.2 數(shù)據(jù)采集處理

系統(tǒng)選用AD公司的50MHz高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9283，采樣率10倍于超聲波信號的中心頻率，能夠很好的保留超聲波信號的信息，可無需低通濾波恢復(fù)，直接打印原始波形，進(jìn)一步簡化系統(tǒng)電路［7］。系統(tǒng)根據(jù)聲速和聲程計算采樣點數(shù)，并將其寫入寄存器中，由NIOS II綜合調(diào)度A/D采集信號數(shù)據(jù)。每一輪采樣開始時，A/D控制模塊監(jiān)聽片上系統(tǒng)的觸發(fā)信號，控制AD9283進(jìn)行采樣，50MHz時鐘提供到AD9283的ENCODE端，在時鐘的下降沿，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入雙口RAM，實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)高速采集存儲。

4.3 雙口RAM

雙口RAM具有兩套獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可以對兩個端口進(jìn)行同時讀寫，互不干擾。系統(tǒng)將采樣數(shù)據(jù)從一個端口寫入，由片上處理器從另一個端口讀出，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速存取，并且具有隨即存取的優(yōu)點。由于大容量的高速雙口RAM價格相對較貴，因此系統(tǒng)利用Altera公司提供的雙口RAM IP核，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個16K*8bit的雙口靜態(tài)RAM，訪問速度快，滿足系統(tǒng)對高速存儲的要求，而且降低系統(tǒng)成本［8］。

4.4 數(shù)據(jù)自適應(yīng)平滑濾波

由于外界環(huán)境影響或者被測試件表面粗糙不平，回波信號會受到噪聲的干擾，數(shù)據(jù)存在奇異值。系統(tǒng)通過改進(jìn)均值濾波器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應(yīng)平滑濾波處理。在實際設(shè)計時，系統(tǒng)選用1*4的濾波窗口，計算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的均值x－和方差δ，設(shè)定閾值為［x－－δ，x－＋δ］，對于落在這個區(qū)間的數(shù)據(jù)，默認(rèn)為正常數(shù)據(jù)，否則使用均值代替該值，從而有效剔除窗口內(nèi)奇異值對回波數(shù)據(jù)的影響。改進(jìn)后的均值濾波算法可表示為：

4.5 探傷回波分析計算

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)高速采集存儲技術(shù)，保證回波信號的完整性，因此利用發(fā)射信號與接收信號的時間差可以準(zhǔn)確地檢測出缺陷位置。假設(shè)每次發(fā)射信號與接收信號的時間差為Δt，超聲波在被測物體中的傳播速度為V，探頭入射點到裂紋的水平距離為P，回波聲程為S。如圖7所示，針對超聲波斜探頭，根據(jù)端點反射回波法，裂紋根部與頂端的端點回波聲程分別為S1和S2，探頭移動距離為L，入射角為β，垂直于表面的裂痕高度為H，試塊厚度為T。由式（2）可以分別計算出系統(tǒng)回波聲程S、裂紋的水平距離P和高度H。

圖7 裂紋探測原理圖

5 系統(tǒng)測試

為檢測系統(tǒng)性能，進(jìn)行如下實驗測試：選用北極星辰公司提供的單晶體超聲波斜探頭BSN1540，中心頻率為5MHz，入射角為69.14度，K值為2.624；試件選用45號鋼，斜探頭橫波在其中的傳播速度為3230m/s；試件尺寸為20mm×20mm×10mm，底面用線切割加工出垂直表面的裂紋，裂紋寬度為0.3mm，高度為3mm。

測試時，在探頭和試塊表面涂敷甘油作為耦合劑，提高其耦合效果。移動探頭，當(dāng)屏幕出現(xiàn)回波信號后，持續(xù)移動，直到回波信號消失，讀取這一過程中回波信號最強點（即裂紋根部）的聲程S1，刻度尺測量此時探頭與裂紋的水平距離P1；讀取回波信號消失前一時刻（裂紋頂端）的聲程S2及探頭與裂紋的水平距離P2；具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 系統(tǒng)測試示意圖

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

6 結(jié)束語

超聲波探傷儀采用FPGA單核心處理器，使用較高性能的Nios II軟核，構(gòu)建完善的SOPC嵌入式系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)小型化。系統(tǒng)使用IP核技術(shù)，極大地提高了設(shè)計靈活性，縮短了設(shè)計迭代周期，使得整個開發(fā)過程高效可控，方便對產(chǎn)品進(jìn)行修改或添加新功能，延長了產(chǎn)品的生命周期。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的提取超聲波回波信號，有效分析判斷出缺陷的位置和特征。

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Design of Portable Ultrasonic Flaw Detection System

Lu Weixiong，Zeng Songde，Li Huaisheng，Zhong Qinghua
（School of Physics and Telecommunication Engineering，South China Normal University，Guangzhou 510006，China）

In order to overcome the disadvantages of traditional related design such as complicity of circuit and shortcomings of debugging，a new design method of ultrasonic flaw detector based on the Altera＇s Cyclone IIFPGA is proposed.IP code and the SOPC，composed of NIOS IIprocessor，conducive tomake the system efficient and shorten the design cycle，are used to achieve the collaborative design of hardware and software with ultrasonic sensor.The experiments show that the system can realize the real－time data acquisition and the complex algorithms，has the feature of small size，low cost and high reliability and so on and can effectively analyze the position and characteristics of flaw aswell.

Ultrasonic flaw detection；FPGA；SOPC；IP code；Real－time data acquisition；Flaw analysis

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.024

TP277

A

1002－2279（2015）05－0092－05

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作基金（2012B091100062）；廣東省自然科學(xué)基金（S2011040003189）

盧偉雄（1989－），男，廣東省汕頭市人，碩士研究生，主研方向：智能儀器與系統(tǒng)。

2015－03－04