超声相控阵可控强度发射系统相关技术的研究

发布时间：2017-05-24 20:18

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【摘要】： 超声相控阵无损检测技术通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位控制,获得灵活可控的合成波束,从而实现高速、全方位和多角度地对机械结构及零部件进行损伤检测。它具有能够进行动态聚焦、可进行成像检测、可以检测复杂形状物体、能提高检测灵敏度、分辨力和信噪比的多项优点,近年来已成为国际无损检测界的研究热点。国内工业领域超声相控阵检测技术尚处在起步阶段,本课题以超声相控阵探伤理论为基础,进行了针对超声相控阵探伤系统中超声相控发射相关技术研究。 本文在概述了超声相控阵的发展历史和发展现状后,说明了相控阵超声检测的研究意义以及超声相控阵探伤理论的相关知识,并详细阐述了超声相控阵系统中动态聚焦、相控延时等技术的原理和实现方法。 超声波在介质中传播的时候,由于材料阻尼效应的存在,超声波的能量随着传播距离的增加将逐渐衰减,这将严重影响工件的损伤检出率。对此本文提出了利用缺陷的回波信息调整后续驱动器激励信号强度,从而达到缺陷处等强度效果的可控强度激发技术。设计了基于正交异性压电复合材料(OrthotropicPiezoelectric Composite Materials,OPCM)超声相控阵换能器的超声相控阵可控强度驱动系统,包括数字化超声发射波束形成、低噪声的程控放大和信号的高频功放,并对系统进行了初步的实验验证。 对各阵元的发射相位延时进行精确控制是形成超声相控阵发射波束的关键环节,在相控发射中,需要精确控制相位延时,从而实现动态聚焦、偏转、声束形成等各种相控效果。理论分析显示,只有尽力提高相位延时的精度、分辨率和稳定性才能显著地抑制旁瓣。 本文研究了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的超声相控延时算法和相位延时技术。分析了超声相控阵系统中线性阵列换能器相控偏转、相控聚焦延时算法,并利用DSP技术完成了相控算法的设计并通过仿真实验进行了验证。相控延时部分包括相控发射粗延时和相控发射细延时:相控发射粗延时通常基于系统时钟频率,在66MHz的系统时钟频率下,延时分辨率可达15ns;相控发射细延时利用直接数字合成技术(DDS)的数字化波形发射方式,采用数字波形相位差的方法来实现相位的细调,本系统中相位分辨率为0.35°,对应250kHz发射信号下3.75ns的相位延时。
【关键词】：超声相控阵 OPCM 相位延时 FPGA DDS
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH878.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题背景及研究意义11-12
• 1.3 超声相控阵的发展概况12-14
• 1.4 主要研究内容14-15
• 第二章 超声相控阵探伤理论15-29
• 2.1 超声波的声学基础知识15-18
• 2.1.1 超声波的波形15-16
• 2.1.2 超声场的特征值16-17
• 2.1.3 超声波的衰减17-18
• 2.2 相控阵技术原理18-20
• 2.2.1 相控阵发射18-19
• 2.2.2 相控阵接收19-20
• 2.3 阵列换能器辐射声场理论20-23
• 2.4 动态电子聚焦23-25
• 2.4.1 电子聚焦原理23-24
• 2.4.2 聚焦声束特性24-25
• 2.5 超声相控延时25-28
• 2.5.1 相控延时的意义25
• 2.5.2 相控延时的方法25-26
• 2.5.3 相控延时算法26-28
• 2.6 小结28-29
• 第三章 超声相控阵可控强度发射系统设计29-38
• 3.1 超声相控阵可控强度发射系统的设计29-31
• 3.2 OPCM超声换能器31-32
• 3.3 可控强度驱动电路的设计32-36
• 3.3.1 程控放大模块的设计32-35
• 3.3.2 功放模块的设计35-36
• 3.4 超声波强度控制算法的分析36-37
• 3.5 小结37-38
• 第四章 基于FPGA的强度控制算法及延时技术的研究38-61
• 4.1 FPGA介绍38-43
• 4.1.1 FPGA简介38-41
• 4.1.2 Altera公司及Quartus Ⅱ软件介绍41-42
• 4.1.3 开发平台介绍42-43
• 4.2 基于FPGA超声强度控制算法模块的实现43-47
• 4.2.1 超声相控阵强度算法模块的设计43-44
• 4.2.2 强度控制参数输入与数据显示模块44-47
• 4.3 基于FPGA的相控算法模块的设计47-48
• 4.4 基于DDS技术的信号生成模块的设计48-55
• 4.4.1 DDS原理介绍49-51
• 4.4.2 基于DDS技术信号生成模块的设计51-55
• 4.5 基于FPGA相控延时模块的设计55-60
• 4.5.1 相控粗延时56-57
• 4.5.2 相控细延时57-60
• 4.6 小结60-61
• 第五章 实验与分析61-75
• 5.1 可控强度驱动电路的实验与分析61-66
• 5.1.1 概述61-63
• 5.1.2 实验过程与分析63-66
• 5.2 超声衰减规律的分析66-72
• 5.2.1 实验原理66-67
• 5.2.2 实验过程与分析67-72
• 5.3 基于嵌入式逻辑分析仪的相控延时分析72-74
• 5.4 小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 总结75-76
• 6.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-82
• 读研期间发表论文82

【引证文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 孙芳;超声相控阵技术若干关键问题的研究[D];天津大学;2012年

2 王录涛;相控诊断超声成像波束控制技术研究[D];电子科技大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 刘建;相控阵超声成像算法研究及系统设计[D];南京航空航天大学;2012年

2 陈榕基;基于超声相控技术的阵列探头参数优化设计研究[D];华南理工大学;2012年

3 钟冠平;基于超声相控技术的隐形二维码设计及扫描系统研究[D];华南理工大学;2012年

4 刘康;基于小波分析的混凝土超声波缺陷检测方法研究[D];武汉纺织大学;2013年

5 林奇峰;基于线性调频信号的超声相控阵列钢轨检测方法的研究[D];华南理工大学;2012年

6 舒旭;参量阵声束相控系统的研究与实现[D];电子科技大学;2013年

  本文关键词：超声相控阵可控强度发射系统相关技术的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：391888