張　宇，王雪梅，倪文波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

基于DDS和FPGA的數(shù)字式多脈沖激勵(lì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宇，王雪梅，倪文波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)現(xiàn)有超聲波檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射脈沖單一、設(shè)計(jì)復(fù)雜等不足，設(shè)計(jì)一個(gè)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）為核心的數(shù)字式超聲檢測(cè)系統(tǒng)。采用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)，通過(guò)可編程方式控制超聲波激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生。檢測(cè)系統(tǒng)能夠針對(duì)不同檢測(cè)需要，靈活設(shè)置和選擇不同波形、頻率、脈沖寬度和脈沖數(shù)的激勵(lì)信號(hào)，從而提高檢測(cè)能力和適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明：多脈沖激勵(lì)方式能夠在較低的激勵(lì)電壓下，獲得更強(qiáng)的超聲回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部更深范圍內(nèi)缺陷的有效檢出。

直接數(shù)字合成；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；超聲波檢測(cè)；高速數(shù)據(jù)采集；多脈沖激勵(lì)

0　引　言

超聲波檢測(cè)是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛、研究最活躍的方法之一［1］。傳統(tǒng)的模擬式檢測(cè)儀器測(cè)量過(guò)程復(fù)雜、發(fā)射脈沖單一、精度低、誤差大、回波信號(hào)存儲(chǔ)和再現(xiàn)困難。數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀器以微處理器為核心，按預(yù)先設(shè)置的程序，自動(dòng)對(duì)儀器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)缺陷數(shù)據(jù)的采集、判別、存儲(chǔ)以及顯示等功能，具有動(dòng)態(tài)范圍大、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、使用靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)［2］。

在工業(yè)超聲檢測(cè)中，對(duì)不同的探傷材料和探傷厚度，往往需要配合不同諧振頻率的探頭，采用不同脈沖寬度、不同波形和不同重復(fù)頻率的激勵(lì)信號(hào)［3］。而傳統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路，無(wú)論是諧振式還是非諧振式，往往只能產(chǎn)生一種形式的激勵(lì)信號(hào)——連續(xù)波或脈沖波，其激勵(lì)信號(hào)的波形、脈沖寬度、幅度和頻率等參數(shù)均由電路結(jié)構(gòu)或探頭材料確定，不能按照需求方便地進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在很大的局限性。

本文基于DDS原理，在FPGA硬件平臺(tái)上，輔以高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一可靈活選擇和設(shè)置激勵(lì)信號(hào)種類和頻率的數(shù)字式超聲檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)單脈沖和多脈沖激勵(lì)下檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和分辨率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析［4］。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)字式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案的原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)包含激勵(lì)模塊、回波信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、傳輸和存儲(chǔ)模塊［5］。激勵(lì)模塊基于DDS原理，通過(guò)編程來(lái)選擇激勵(lì)信號(hào)的種類和頻率，以適應(yīng)不同的檢測(cè)需求，獲取最佳的包含缺陷信息的回波信號(hào)，提高檢測(cè)系統(tǒng)的分辨力和適應(yīng)性?；夭ㄐ盘?hào)調(diào)理模塊是對(duì)探頭接收的回波信號(hào)進(jìn)行限幅和濾波處理，濾除回波信號(hào)中包含的高壓和噪聲的干擾，然后再將包含有缺陷信息的微弱回波信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)姆?，以便于輸入A/D進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集模塊是對(duì)放大后的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集是由FPGA控制A/D進(jìn)行。工業(yè)探傷中，超聲波中心工作頻率可高達(dá)5MHz，因此本系統(tǒng)中選用最高采樣頻率為40MHz的A/D轉(zhuǎn)換芯片-TLC5540，采樣控制時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生，能夠通過(guò)軟件編程靈活進(jìn)行選擇和設(shè)置［6-7］。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)以FPGA為核心控制單元，采用Altera公司的CycloneⅡ器件EP2C35F672，該器件含有豐富的邏輯單元和高速穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)鐘，主要完成時(shí)序控制、數(shù)據(jù)處理和傳輸控制等功能。

2　基于DDS的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生

DDS是一種新型的數(shù)字頻率合成技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)頻率、相位以及幅值的數(shù)控調(diào)整，具有相對(duì)帶寬大、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、分辨力高和相位連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)。基于DDS的超聲波激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生原理框圖如圖2所示。

圖2　基于DDS的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生原理框圖

在系統(tǒng)時(shí)鐘作用下，相位累加器對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性累加，此時(shí)，相位累加器的輸出數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS的輸出信號(hào)頻率。同時(shí)，用相位累加器的輸出數(shù)據(jù)作為波形表（ROM）的相位抽樣地址值，就可以得到波形的二進(jìn)制編碼，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器接收到來(lái)自波形表（ROM）的輸出，并將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，得到所需的激勵(lì)信號(hào)。

本系統(tǒng)用Verilog語(yǔ)言編寫波形發(fā)生程序，DDS的輸出信號(hào)頻率由下式給定：

式中：fout——輸出波形頻率；

M——頻率控制字；

N——相位累加器位數(shù)；

flk——系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

本檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)鐘為120 MHz，N由軟件設(shè)置為32位，M定義為6位16進(jìn)制數(shù)，由按鍵控制設(shè)置，改變M（0～FFFFFF）就可以產(chǎn)生0～500kHz任意頻率的輸出，從而改變輸出信號(hào)頻率。波形表ROM由QuartusII軟件內(nèi)部的宏單元LPM_ROM定制實(shí)現(xiàn)，存放不同類型的波形文件。輸出波形由存在ROM中的波形數(shù)據(jù)文件決定，可通過(guò)“波形”按鍵控制選擇，從而得到多脈沖或單脈沖的正弦波、三角波、方波等不同的輸出波形。圖3為單脈沖和多脈沖三角波波形。

原試驗(yàn)樣機(jī)功率電路包括 2 個(gè)輸入電壓傳感器、2個(gè)熔斷器、2個(gè)輸入濾波器、2 個(gè)接觸器、2 個(gè)支撐電容、IGBT 模塊、2 個(gè)輸出電流傳感器、輸出電抗器等主要部件。經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)，在保持原電路功能和性能不下降的基礎(chǔ)上，功率電路簡(jiǎn)化為 1 個(gè)輸入電壓傳感器、 1 個(gè)熔斷器、2 個(gè)輸入濾波器、2 個(gè)接觸器、2 個(gè)支撐電容、IGBT 模塊、1 個(gè)輸出電流傳感器。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的電路，節(jié)省了成本，又提高了系統(tǒng)可靠性，在長(zhǎng)沙磁浮快線上未發(fā)生懸浮控制器功率部件可靠性問(wèn)題。

圖3　單脈沖和多脈沖三角波

在相同激勵(lì)電壓下，脈沖寬度τ越窄，產(chǎn)生的超聲波能量越低，系統(tǒng)可辨別距離越小，分辨能力則越強(qiáng)；在相同的脈沖寬度下，在一定的范圍內(nèi)，一個(gè)周期T內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)越多，超聲波發(fā)射強(qiáng)度越大，可探測(cè)的深度越大，探測(cè)能力就越強(qiáng)，所以可根據(jù)不同的檢測(cè)條件，靈活選擇不同的激勵(lì)信號(hào)波形、脈沖寬度和一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)的脈沖數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用CSK-1A標(biāo)準(zhǔn)試塊的底面（100 mm厚度）來(lái)模擬實(shí)際工件內(nèi)部相同深度位置的缺陷。由本系統(tǒng)DDS模塊產(chǎn)生幅值為3.3V、脈沖寬度相同且τ=32ns、不同脈沖個(gè)數(shù)的三角波激勵(lì)信號(hào)去激勵(lì)探頭（CTS-22型超聲探傷儀所配備的寬帶窄脈沖探頭），檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試塊底面回波，可獲得多次回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)得到的回波波形干凈，且當(dāng)脈沖數(shù)為5時(shí)，幅值最大可達(dá)到60mV，表明即使在3.3V的低電壓激勵(lì)下，利用多脈沖激勵(lì)仍然可以獲得足夠強(qiáng)度的超聲反射回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中得到的回波信號(hào)幅值和激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)關(guān)系如表1所示。

表1　不同脈沖個(gè)數(shù)激勵(lì)情況對(duì)比表

可以看出，在相同的激勵(lì)脈沖寬度條件下，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到5之后，再繼續(xù)增加脈沖個(gè)數(shù)，回波信號(hào)幅值呈下降趨勢(shì)，檢測(cè)效果變差。同時(shí)，增加一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，檢測(cè)的分辨率會(huì)隨之降低，分辨率檢測(cè)會(huì)在后文進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析。

3　超聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

3.1回波信號(hào)調(diào)理電路

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)缺陷時(shí)，回波信號(hào)電壓只有幾十毫伏，同時(shí)回波信號(hào)中包含有發(fā)射信號(hào)和大量的噪聲信號(hào)，因此需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，使之滿足探傷對(duì)檢測(cè)信號(hào)和A/D芯片對(duì)輸入信號(hào)電壓的要求，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。回波信號(hào)的調(diào)理電路主要包括限幅保護(hù)、程控放大和有源帶通濾波電路［8-9］。

由于系統(tǒng)發(fā)射和接收共用一個(gè)探頭，所以接收到的信號(hào)除了回波信號(hào)之外，還包含著發(fā)射信號(hào)。如果不對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行限幅，就可能會(huì)損壞接收電路，為了避免接收放大電路被發(fā)射信號(hào)擊穿損壞，本系統(tǒng)采用兩個(gè)瞬態(tài)二極管負(fù)極相連，組成雙向瞬態(tài)電壓抑制電路，雙向抑制電壓為-5～5V，如果回波信號(hào)超過(guò)該幅值，電路會(huì)瞬態(tài)導(dǎo)通。只有幅值在范圍內(nèi)，才能夠傳向后級(jí)的放大電路。該雙向瞬態(tài)電壓保護(hù)電路不僅保護(hù)了后級(jí)的調(diào)理電路，同時(shí)也提高了接收通道后續(xù)電路的抗阻塞特性。

程控放大電路是整個(gè)調(diào)理電路的核心，確保系統(tǒng)獲得完整、非失真，滿足A/D輸入電壓要求的回波信號(hào)。本系統(tǒng)采用兩級(jí)放大電路，第1級(jí)由運(yùn)放AD8099構(gòu)成固定增益電路，第2級(jí)由運(yùn)放AD8000和模擬開(kāi)關(guān)ADG611構(gòu)成可調(diào)增益電路。ADG611由FPGA的4個(gè)I/O口控制，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)通和關(guān)閉。程控放大原理圖如圖4所示，放大電路采用同相比例放大電路設(shè)計(jì)，放大倍數(shù)（AU）計(jì)算公式為AU=1+Rf/Ri，式中Rf代表反饋電阻（如圖4中的R3），Ri代表基阻（如圖4中的R2）。

本系統(tǒng)固定增益電路放大倍數(shù)為10倍，可調(diào)增益電路的可選放大倍數(shù)為2、3和5，所以程控放大倍數(shù)可達(dá)到50倍。一般回波信號(hào)的幅度是-60～60mV，所選的A/D芯片的輸入電壓要求是-2～2 V，經(jīng)過(guò)程控放大可使回波信號(hào)放大到適合A/D輸入的電壓，充分滿足了檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)增益的要求。

圖4　程控放大電路

超聲檢測(cè)所用的探頭的中心頻率通常為2.5，5MHz兩種，回波信號(hào)也主要集中在中心頻率附近的一個(gè)比較窄的頻帶上。為了排除噪聲干擾，提取感興趣的檢測(cè)信號(hào)，在信號(hào)調(diào)理電路中設(shè)計(jì)了兩個(gè)二階有源帶通濾波器，其中心頻率分別為2.5，5 MHz，可以根據(jù)實(shí)際使用的探頭在兩種不同中心頻率的帶通濾波器之間進(jìn)行選擇，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。二階有源濾波電路由低通濾波電路和高通濾波電路串聯(lián)構(gòu)成，以中心頻率為2.5 MHz帶通濾波器為例，在設(shè)計(jì)時(shí)令R26=R25=R，R27=2R，C29=C30=C，首先選定C為100pF，再根據(jù)中心頻率公式f0=1/（2πRC）就可以計(jì)算出電阻R的阻值，最后根據(jù)品質(zhì)因數(shù)、帶寬及電路放大倍數(shù)等性能參數(shù)計(jì)算出其他各元器件的數(shù)值。

本檢測(cè)系統(tǒng)選用運(yùn)放AD8000作為有源器件，AD8000是ADI公司的超高速運(yùn)算放大器，帶寬為1.5GHz，壓擺率高達(dá)4.1kV/μs，輸入電壓為-5～5V，充分滿足了信號(hào)處理的要求。

3.2A/D數(shù)據(jù)采集電路

超聲波信號(hào)頻率高，在鋼質(zhì)材料中，超聲波縱波的傳播速度達(dá)到5970m/s，在薄壁材料中，超聲波的傳播時(shí)間非常短暫，所以必須采用較高的檢測(cè)頻率才能獲取完整的信號(hào)波形并在短時(shí)間內(nèi)盡可能多地捕獲到超聲回波中所包含的缺陷信息。本系統(tǒng)中采用的探頭的中心頻率為2.5，5MHz，為了獲得較理想的信號(hào)波形，采樣頻率至少應(yīng)分別達(dá)到20，40MHz。分辨率是一個(gè)A/D芯片能夠分辨的最小模擬量，是模數(shù)轉(zhuǎn)換中的另一個(gè)重要參數(shù)。本系統(tǒng)采用TI公司的8bit分辨率、每秒40MHz采樣頻率的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5540。該芯片控制簡(jiǎn)單，只需給定一個(gè)啟動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，就可以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)瓤刂?。TLC5540的時(shí)序圖見(jiàn)圖5。輸入信號(hào)在時(shí)鐘的下降沿被采樣，延遲2.5個(gè)時(shí)鐘后輸出，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿被讀入。此外，由于TLC5540采用了一種改進(jìn)的半閃結(jié)構(gòu)及COM工藝，其功耗只有75 mW，內(nèi)置采樣保持電路，且模擬輸入帶寬高達(dá)75 MHz，可以很好地滿足超聲檢測(cè)系統(tǒng)的要求。

圖5　TLC5540的時(shí)序圖

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA是一種可再配置的數(shù)字邏輯電路，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其實(shí)就是軟件的設(shè)計(jì)［10］。系統(tǒng)應(yīng)用軟件是在Altera公司Quartus II 9.0編譯環(huán)境下采用Verilog語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。在本系統(tǒng)中使用 FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)的功能有：激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、A/D采樣控制時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的采集控制和采集數(shù)據(jù)的緩存等。

在整個(gè)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中，不同的模塊所采用的時(shí)鐘也是不同的，只需要改變PLL的參數(shù)設(shè)置和輸出頻率值，就可以為每個(gè)模塊提供不同的時(shí)鐘信號(hào)，因此，時(shí)鐘可以根據(jù)探頭的中心頻率和實(shí)際情況進(jìn)行合理的設(shè)置。

整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖6所示，主程序除了對(duì)系統(tǒng)初始化外，還對(duì)每個(gè)子模塊程序提供時(shí)序控制和邏輯控制，調(diào)用各個(gè)模塊并使其協(xié)調(diào)工作。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并依次實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，最終達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的。

圖6　系統(tǒng)軟件主程序

圖7是其中的A/D數(shù)據(jù)采樣緩存及傳輸子模塊的程序流程框圖。只要給A/D轉(zhuǎn)換芯片一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，A/D就能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)FIFO指令，再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)FIFO寫使能信號(hào)有效，A/D采集到的數(shù)據(jù)開(kāi)始寫入FIFO，如果接收到FIFO滿命令，就停止采樣和緩存，向PC機(jī)接口模塊傳輸使能信號(hào)，此時(shí)FIFO在讀時(shí)鐘的作用下將數(shù)據(jù)依次輸出并保存在PC機(jī)上，當(dāng)接收到FIFO空命令，則讀使能信號(hào)無(wú)效，不能再繼續(xù)讀出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)返回到“開(kāi)始”狀態(tài)，繼續(xù)下一次采樣存儲(chǔ)。

圖7　A/D采樣緩存及傳輸程序

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本性能，在實(shí)驗(yàn)室條件下，基于標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行了缺陷檢測(cè)，測(cè)試方案如圖8所示。在實(shí)際檢測(cè)中，通過(guò)示波器觀察回波信號(hào)波形，通過(guò)回波信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間差以及回波信號(hào)的幅值，來(lái)判斷工件內(nèi)部缺陷的有無(wú)和位置。

圖8　實(shí)際測(cè)試方案

實(shí)驗(yàn)中，分別用同一發(fā)射頻率的不同波形（包括：三角波、方波、正弦波）的激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)中心頻率為2.5，5MHz的直探頭，對(duì)圖9所示CSK-1A標(biāo)準(zhǔn)試塊（100mm厚度）的同一底面進(jìn)行檢測(cè)，用示波器觀察回波信號(hào)，結(jié)果顯示回波信號(hào)的幅值大小為三角波最大，正弦波最小，方波居于二者中間，故本系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)最后選擇三角波信號(hào)。用DDS方式分別產(chǎn)生幅值為3.3V、周期為90μs、單脈沖寬度τ=32ns的單脈沖和脈沖數(shù)為5的多脈沖三角波去激勵(lì)探頭，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。具體試驗(yàn)如下：

圖9　標(biāo)準(zhǔn)試塊底面檢測(cè)和階梯槽口檢測(cè)

1）在材料聲速已知的條件下，將中心頻率為2.5MHz的直探頭放置在圖9所示標(biāo)準(zhǔn)試塊位置1，分別用單脈沖三角波和多脈沖三角波激勵(lì)，前后移動(dòng)探頭，在示波器上觀察并找到100mm厚度底面的最高反射回波，兩種不同激勵(lì)條件下所產(chǎn)生的回波波形分別如圖10和圖11所示，由回波波形可看出，兩種激勵(lì)波形的檢測(cè)深度均能達(dá)到10cm，但多脈沖三角波激勵(lì)的能量更強(qiáng)。可以看到，在多脈沖激勵(lì)下，一次最大底面回波幅度是起始波的75%，二次最大底面回波幅度是起始波的20%，三次最大底面回波幅度也有起始波的10%。但在單脈沖激勵(lì)下，一次回波幅度只有25%，二次回波幾乎無(wú)法辨別?？梢?jiàn)，在多脈沖激勵(lì)下能得到更強(qiáng)的反射回波，從而檢測(cè)埋藏得更深的缺陷。

2）在材料聲速已知的條件下，將中心頻率為2.5 MHz的直探頭放置在圖9所示標(biāo)準(zhǔn)試塊位置2上，分別用上述相同的單脈沖三角波和多脈沖三角波激勵(lì)，前后移動(dòng)探頭，找到標(biāo)準(zhǔn)試塊上與探頭位置相對(duì)的，靠得很近的3個(gè)階梯槽口的反射回波，在一個(gè)周期T內(nèi)，選用不同的脈沖個(gè)數(shù)，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)超過(guò)5個(gè)，3個(gè)階梯槽口的回波就混疊在一起，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的分辨。圖12和圖13所示的是5個(gè)脈沖和單脈沖激勵(lì)下所產(chǎn)生的回波信號(hào)，由回波波形可看出，單脈沖的三角波激勵(lì)的回波信號(hào)清晰可辯，對(duì)靠得很近的3個(gè)階梯槽的分辨能力更強(qiáng)。

圖10　多脈沖三角波激勵(lì)底面回波信號(hào)

圖11　單脈沖三角波激勵(lì)底面回波信號(hào)

圖12　多脈沖三角波激勵(lì)槽口回波信號(hào)

圖13　單脈沖三角波激勵(lì)槽口回波信號(hào)

對(duì)本檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，得出當(dāng)缺陷埋藏較深（10cm附近）的時(shí)候，用5個(gè)脈沖的三角波信號(hào)檢測(cè)缺陷，回波信號(hào)幅值最大，回波信號(hào)的效果最好；當(dāng)缺陷分布位置接近（相距2 mm）的時(shí)候，用單脈沖三角波信號(hào)檢測(cè)效果最好，可以很好地分辨各缺陷。實(shí)際測(cè)試也表明，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果良好。

6　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用DDS和FPGA相結(jié)合的方式構(gòu)建了數(shù)字式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)信號(hào)波形可編程，能夠根據(jù)不同的檢測(cè)需要，靈活的設(shè)置和選擇激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)，提出了低電壓下采用多脈沖激勵(lì)的方式能獲得足夠強(qiáng)度的超聲波，實(shí)現(xiàn)一定深度范圍內(nèi)缺陷的有效檢測(cè)。

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（編輯：劉楊）

Design of digital multi-pulse excitation ultrasonic testing system based on DDS and FPGA

ZHANG Yu，WANG Xuemei，NI Wenbo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A digital ultrasound detection system based on field programmable gate array（FPGA）was designed in view of the deficiency of the current ultrasonic testing system such as single transmission pulse and complicated design.The system adopts direct digital synthesis（DDS）technology and programmable controlling method to control the generation of ultrasonic excitation signals.Theexcitationsignalsofdifferentwaveforms，frequencies，pulsewidthsandpulse numbers can be flexibly set and selected for different testing demands，thus improving the capability and adaptability of detection.The experiment results show that much stronger ultrasonic echo signals can be obtained at a lower excitation voltage and the defects within a deeper range of the workpiece interior can be detected through this multi-pulse excitation method.

DDS；FPGA；ultrasonic testing；high speed data acquisition；multi-pulse excitation

A

1674-5124（2016）06-0074-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.017

2015-08-22；

2015-10-08

張宇（1989-），女，吉林松原市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)。