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超声相控阵换能器阵列延时电路设计

作　者: 侯军辉
导　师: 王黎
学　校: 西南交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 无损检测超声相控阵聚焦算法 FPGA 功率放大电路
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,随着电子技术、计算机技术和材料工艺等技术的发展,相控阵检测开始大量应用在工业无损检测中。由于相控阵声束聚焦可以由软件进行调节,不需要复杂的自动控制设备进行转换,声束聚焦可以灵活控制,而且聚焦点的声波是由多路通道超声波相干叠加形成的,抗干扰性能很强,使得其应用前景十分广阔。相控阵聚焦是超声波检测的关键技术,决定了波束聚焦的质量和检测分辨能力,是相控阵技术的重点研究方向,因此有重要的意义。本文设计了延迟电路,实现换能器阵列的算法,完成了实验验证,并对信号进行了分析处理。首先在详细调研了国内外已有超声相控阵技术基础上,结合列车构件外形尺寸的测量的无损检测要求,采用了几何相位方法,设计了相控阵换能器系统的总体方案,包括系统的外形结构、硬件控制电路方案和总体数据处理流程。根据硬件电路方案完成了电路的各个模块设计和调试,包括：电源模块、FPGA外围电路与配置电路、精细延迟电路、功率放大电路、功率匹配电路、声波接收电路和信号处理模块等。其次利用FPGA和高精度延迟线芯片设计了超声相控阵聚焦功能模块,实现了相控阵聚焦算法。在FPGA方而,设计了电路各通道的粗延迟功能,并完成了相应的逻辑控制功能。在精延迟方面,结合上位机的计算功能,完成了相控阵电路的精细延迟功能,提高了延迟的精度。设计完成了功率放大电路,实现电压放大和功率放大,激励换能器产生超声波。最后,在MATLAB环境下对相控阵聚焦算法进行了分析和验证,理清了各要素之间的关系。搭建实验系统,在硬件电路上对聚焦算法进行了实验验证,调试功率放大电路,产生了符合指标要求的高电压脉冲序列。对实验数据进行了处理和误差分析。实验结果表明所设计的超声相控阵系统具备可靠的测量精度和扫查速度。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-16
  1.1 课题研究背景  11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 超声相控阵技术研究进展  11-12
    1.2.2 超声相控阵技术的应用  12-14
  1.3 本课题的研究内容和意义  14-16
第2章相控阵聚焦原理及关键技术  16-26
  2.1 聚焦基础理论  16-18
    2.1.1 相控阵聚焦理论依据  16
    2.1.2 超声相控阵探头  16-17
    2.1.3 波束偏转  17-18
    2.1.4 波束聚焦  18
  2.2 相控阵聚焦算法分析  18-21
    2.2.1 建模及推导  18-19
    2.2.2 发射聚焦法则  19
    2.2.3 聚焦参数对阵列延时影响分析  19-21
  2.3 改进的超声聚焦算法  21-24
    2.3.1 扫描相关参数界定  21-22
    2.3.2 改进的延时量算法  22-24
  2.4 聚焦精度提高方案  24-26
第3章超声相控阵系统实现方案设计  26-31
  3.1 系统总体方案设计  26
  3.2 发射电路整体及组成模块方案设计  26-31
    3.2.1 发射延迟电路总体结构  27-28
    3.2.2 粗延迟模块方案设计  28
    3.2.3 精细延迟模块设计  28-29
    3.2.4 功率放大电路方案设计  29
    3.2.5 探头匹配电路设计  29-31
第4章系统硬件电路设计  31-38
  4.1 硬件电路总体设计方案  31-32
    4.1.1 总体框图  31
    4.1.2 系统电路功能说明  31-32
  4.2 数字电路部分功能模块设计  32-33
    4.2.1 电源模块设计  32
    4.2.2 FPGA集成芯片  32-33
  4.3 模拟电路部分设计  33-36
    4.3.1 设计指标要求  33-34
    4.3.2 高电压功率MOSFET管IRF740  34-35
    4.3.3 基于高压MOS管的基本开关放大电路  35-36
  4.4 硬件电路的实现与调试  36-38
    4.4.1 数字部分  36-37
    4.4.2 模拟部分  37-38
第5章电路系统功能设计  38-48
  5.1 FPGA功能模块  38-44
    5.1.1 开发工具及开发流程  38-39
    5.1.2 模块总体功能设计  39-40
    5.1.3 子模块详细设计与实现  40-44
  5.2 基于高压电源功率放大电路  44-48
    5.2.1 充放电容结构功放电路  44-46
    5.2.2 基于LC振荡结构的功率放大电路  46-48
第6章实验与数据分析  48-53
  6.1 数字延迟硬件实验与数据分析  48-50
    6.1.1 数字部分硬件电路板  48-49
    6.1.2 数字延迟实验结果分析  49-50
  6.2 功率放大电路实验与数据分析  50-52
    6.2.1 实验平台的搭建  50-51
    6.2.2 功率放大电路实验结果分析  51-52
  6.3 超声相控阵系统联调实验  52-53
结论  53-55
致谢  55-56
参考文献  56-59
附录1 部分电路原理图  59-60
附录2 PCB布局图与实物调试图  60-61
附录3 实物调试图  61-62
附录4 多通道延时VHDL程序  62-64
附录5 单通道延迟VHDL程序  64-66
攻读硕士期间发表的论文  66

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