基于超声波的弹性模量测试系统研究

发布时间：2022-04-27 18:42

　　随着社会工业的发展,不断革新的自动化设备对其构成材料的性能如刚度、硬度等要求越来越高。为了能快速、精确的获得材料的性能参数,材料性能测试技术也处于不断拓展和改革的阶段。棒材作为各个工业领域的常用基础材料,弹性模量是判断其力学性能的重要指标。因此采用先进的测试技术与电子技术相配合在设备或结构设计初期对棒材进行模量测试而后选优,对于保证设备运行稳定、人员操作安全具有重大意义。并且材料弹性模量测试也是新材料研发的基础。针对棒状小试件不损坏材料材质和性能,快速、精确测量弹性模量的测试要求,提出了基于超声纵波掠入射方式检测纵波声速和横波声速从而反演出弹性模量的测量方式,设计了一套以FPGA和DSP为控制核心的数字式超声波测试系统方案。其中FPGA主要负责超声波发射电路控制、自动增益控制、高速A/D采样控制以及采样数据预处理等功能的实现,DSP主要负责后续数据处理以及自动提取超声波特征参数的算法实现。系统采用USB向上位机PC传输处理后的波形数据,并使用C#语言设计了一套上位机软件。测试系统的软硬件设计完成之后,采用仿真分析和模拟实验进行分模块功能测试,验证了各个关键模块的功能和技术指标。最后选择... 

【文章页数】：88 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 选题背景及研究意义
    1.2 弹性模量测试方法与国内外研究现状
        1.2.1 弹性模量测试方法概述
        1.2.2 国内外研究现状
    1.3 超声波发射和接收技术概述
    1.4 超声测试系统的发展和研究现状
    1.5 论文主要内容与章节架构
    1.6 本章小结
2 超声波弹性模量测试系统方案设计
    2.1 弹性模量测试方法的超声波理论分析
        2.1.1 测试方案可行性分析
        2.1.2 被测试件尺寸与换能器规格分析
    2.2 弹性模量测试系统功能与性能指标
    2.3 弹性模量测试系统的总体方案设计
        2.3.1 测试系统不确定度分析
        2.3.2 测试系统总体方案设计
    2.4 本章小结
3 超声波弹性模量测试系统硬件设计
    3.1 超声波发射电路设计
        3.1.1 高压发射电路分析及设计
        3.1.2 阻抗匹配电路分析及设计
    3.2 超声回波调理电路设计
        3.2.1 前置放大电路设计
        3.2.2 程控放大电路设计
        3.2.3 窄带接口与A/D转换电路设计
    3.3 DSP+FPGA控制电路硬件设计
        3.3.1 DSP与FPGA芯片选型
        3.3.2 FPGA外围电路设计
        3.3.3 DSP外围电路设计
        3.3.4 FPGA与DSP通信电路设计
    3.4 PCB设计
    3.5 本章小结
4 超声波弹性模量测试系统逻辑设计与仿真分析
    4.1 时钟与复位逻辑设计
    4.2 发射电路控制逻辑设计
    4.3 A/D采样控制逻辑设计
    4.4 自动增益控制逻辑设计
    4.5 FIR滤波逻辑设计
    4.6 双向FIFO缓存逻辑设计
    4.7 声速显示逻辑设计
    4.8 USB通信逻辑设计
    4.9 本章小结
5 超声波弹性模量测试系统软件设计与算法分析
    5.1 USB软件设计
    5.2 DSP软件设计
        5.2.1 DSP数据处理主程序设计
        5.2.2 数据传输子程序设计
    5.3 上位机软件设计
        5.3.1 USB数据传输设计
        5.3.2 波形数据点显示设计
        5.3.3 弹性模量计算
    5.4 超声波数据处理算法
        5.4.1 超声波幅值调制算法
        5.4.2 超声波特征点提取算法
    5.5 本章小结
6 超声波弹性模量测试系统验证与不确定度评定
    6.1 系统功能模块验证
        6.1.1 超声波发射电路验证
        6.1.2 USB与上位机通信验证
        6.1.3 A/D转换验证
    6.2 系统整体功能验证
    6.3 系统弹性模量测量不确定度评定
    6.4 本章小结
7 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
致谢
参考文献
附录A
附录B


【参考文献】：
期刊论文
[1]全并行FIR滤波器的FPGA实现与优化[J]. 王英喆,王振宇,严伟,时广轶.  电子设计工程. 2015(22)
[2]超声共振频谱法测量固体材料的弹性模量[J]. 鲍静,冯晓娟,林鸿,张金涛,齐晓风,李小亭.  计量技术. 2015 (04)
[3]抗混叠滤波设计在数据采集系统中的应用[J]. 张焱,任勇峰,姚宗.  计算机测量与控制. 2015(01)
[4]飞机座椅用镁合金材料性能的研究[J]. 李伟.  制造业自动化. 2015(01)
[5]基于压电激振的弹性模量测量方法[J]. 贺良国,刘永斌,张连生,琚斌,潘巧生.  振动.测试与诊断. 2014(06)
[6]高层钢结构箱形柱(梁)内隔板电渣焊焊缝超声波检测方法研究[J]. 项广慧,何隽.  建筑技术开发. 2014(09)
[7]超声相控阵法测量材料的弹性模量[J]. 夏俊伟,孙霓,陈以方.  无损检测. 2014(06)
[8]超声回波信号检测的抗混叠设计[J]. 王启超,沈希忠.  现代电子技术. 2013(09)
[9]基于CY7C68013A的FPGA配置和通信接口设计[J]. 刘志华,郭付才,彭新伟,陈吉东.  电子技术应用. 2013(02)
[10]超声波法测量金属材料的杨氏模量和剪切模量[J]. 魏勤,卫婷,董师润,张海林.  江苏科技大学学报(自然科学版). 2012(01)

博士论文
[1]超声数字信号处理系统可重构架构的研究[D]. 刘守山.浙江大学 2007

硕士论文
[1]基于FPGA的超声检测系统的研究[D]. 邓志阳.北京化工大学 2010
[2]金属薄片及低碳钢球化组织弹性模量的超声无损表征与评价[D]. 付千发.大连理工大学 2009



本文编号：3648980