超声波发射与控制电路研究 信息技术, 非金属, 超声波, 计算机技术, 无损检测

Bazinga

随着科学技术的发展，高温、高压、高速和高负荷已成为现代工业的重要标志，但它的实现是建立在材料高质量的基础之上的，为确保这种优异的质量，必须采用不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能的检测方法，对产品进行百分之百地检测，以确保其可靠性和安全性，这种技术就是无损检测技术。
超声波检测在无损检测中占据着主要地位，广泛应用于金属、非金属材料以及医学仪器等领域。近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力，为了提高检测的可靠性和提高检测效率，研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声仪是当今无损检测领域发展的一个重要趋势。而传统的超声波检测仪存在准确性差、精度低、体积大、功耗大、人机界面不友好等问题。而超声波发射与控制电路正是在一种基于ARM的超声波检测系统的基础上，以ARM微控制器为核心，使用C语言编程，方便地实现了发射频率与激励电压脉冲幅度的调节。
1 超声波检测系统的总体设计结构
基于ARM超声波检测系统的总体结构框图，如图1所示。该系统主要由3部分组成：超声波前端发射接收电路、DSP和ARM处理器。

超声波前端发射电路负责产生激励脉冲电压和重复频率可调的超声波。接收电路首先将反射回来的微弱信号经放大、滤波等电路处理，然后通过A/D转换电路对信号进行采集并将采集的信号经数据缓冲FIF0送入DSP。
DSP接收由A/D转换器经FIF0缓冲后的数据，主要完成计算结构复杂的信号处理算法，提高超声探伤仪器的精度和数据处理能力。
ARM处理器主要完成两部分功能：一是控制功能，调节激励脉冲的宽度和重复频率以及放大电路的放大倍数；二是实现信号的实时显示、存储以及和外部的通信等功能。ARM微处理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微处理器S3C2440A。其内核频率最高为400MHz，功耗低，体积小，集成外设多，数据处理能力好，因而可广泛应用于手持设备等。
2 超声波发射电路
根据被测件的材料、厚度等不同条件，所需的相应超声波探头的频率、发射电压也不同。发射的超声波频率一般为几MHz，高压激励脉冲一般为几十到几百伏，脉冲的上升时间不超过100ns。根据频谱分析，激励脉冲宽度探头频率之间存在着最佳关系式，当脉冲宽度满足这一关系式时，接收探头的接收信号质量最好。该关系式即为：

式中，f0为探头频率，2a为脉冲宽度。本设计所选探头频率为2.5MHz，由式(1)确定的脉冲宽度为600ns，所以放电时间应尽量控制在600ns。
超声波探伤法的种类很多，实际运用中，大部分选用脉冲反射法，其发射电路多选用非调谐式，超声波发射电路如图2所示。电路由可调高压电源、电阻R1和R2、能量存储电容C、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)VQ、快速恢复型二极管VD1、VD2和探头组成，设二极管等效电阻为R3，开关等效电阻为R4。ARM微处理器的PWM模块产生频率和占空比可调的脉冲，经IGBT的驱动和保护电路后送入开关管VQ的栅极形成控制脉冲V1。当V1为负脉冲时，IGBT关断，高压电源通过R1、VD2对电容C充电，充电时间常数为τ1=C(R1+R3)。当t>5τ1时，认为电容C充满。当V1为正脉冲时，IGBT开通，电容C通过开关管VQ、R2和二极管VD1对探头放电，放电时间常数为τl=C(R2+R3+R4)。超声波探头收到高压负脉冲的激励后便产生一定频率的超声波。

电路中元件作用：
1)电阻R1用来限制充电时高压电源对电容C的充电电流，即起到限流作用，并减小发射单元工作时对电源的影响，从这点考虑，要求电阻R1阻值越大越好。另一方面，电路的重复频率f较高，为了使电容C在触发前能充满电，就必须满足CR1<1/5f。所以要选择合适的电阻R1的阻值。
2)电阻R2有2个作用：一是调节放电时间和发射功率，二是作为阻尼电阻，调节超声脉冲宽度。R2的阻值越小，发射功率越小，发射脉冲越窄；R2阻值越大，发射功率越大，发射脉冲越宽。
3)快速恢复型二极管Vd1、Vd2滤去充电脉冲，使A点只有放电时的负电压激励脉冲。
充电时，电流i与电压UR的关系式如式(2)～式(3)所示。

所研制的电路板可激发探头产生0.5～10MHz的超声波，激励脉冲电压最高可达830V，脉冲的上升时间小于50ns。
3 基于ARM的PWM脉冲的产生
ARM嵌入式处理器是具有极低功耗、极低成本的高性能处理器，运算速度快、精度高，而且便于实时操作系统的移植，真正成为实时多任务系统。S3C2440A内嵌PWM脉冲模块含4通道16位定时器，占空比、频率、极性可编程，且具有自动重载和双缓冲功能。主频FCLK最高达400M-Hz，APB总线设备使用的PCLK最高达68 MHz。具体过程为：首先，开启自动重载功能，对PWM脉冲的各个参数通过PWM寄存器进行设置，如定时器配置寄存器(TCFGn)，定时器控制寄存器(TCON)，定时器计数缓存寄存器(TCNTBn)，定时器比较缓存寄存器(TCMPBn)，定时器计数观察计数器(TCNTOn)等的设置。其次，设置相应定时器的手动更新位，然后设置开始位，在等待时间后定时器开始倒计数，当TCNTn和TCMPn的值相同时，TOUTn的逻辑电平由低变为高。当TCNTn为0，TCNTn用TCNTBn的值自动重载。如果要重新设置TCNTn的初始值，则要执行手动更新。
通过使用TCMPBn来执行PWM功能，PWM的频率由TCNTBn来决定。双缓冲功能允许对下个PWM周期在当前PWM周期任意时间点由ISR或其他程序改写TCMPBn。
4 高压电源及其控制
超声波发射电路对激励电压脉冲要求较高，需要一定的幅值，而且脉冲宽度要求越小越好，且须有一定的发射功率，这决定了超声波探伤的灵敏度，还关系到工件探伤的深度。如果要穿透较厚的工件，就需将较大的电功率转换成声功率。发射功率为：

式中，uA0为电容放电时的瞬间电压，C为电容容量，t为放电时间，为有效功率。
当放电时间常数确定后，放电时间和C即确定。所以加大发射电压是提高发射功率的主要途径，由放电电压公式可知，除电路中的各个电阻影响外，高压电源的电压是一个主要因素。但电压又不能太高，否则会使压电晶片加速老化。一般发射电压不超过1800V。
这里采用美国Ultravoh公司的高压电源模块。其中“V”系列的型号为1V12-P0.4电源模块，能完全满足该设计的需求，其输入电压为12V，输出电压为0～1000V，控制电压为0～5V，功率为0.4W。低功耗、体积小、重量轻，并带有输出电压监测和自保护电路。高压电源控制电路如图3所示。

ARM微处理器输出的控制信号经D/A转换后可输出0～5V的控制信号V2，相应的高压电源模块即可输出0～1000V的电压。
5 仿真及分析
为验证本设计是否能满足实验的需要，对电路进行软件仿真。因为t=5τ1，约为500μs时认为充电电容充满，所以把开关频率设置为1kH-z。仿真结果如图4和图5所示。


图4中，高压电源输出为725V，R1=10kΩ，R2=100Ω，C=0.01μF，得到的激励脉冲约为600V，宽度为600ns。此脉冲满足本设计中超声波频率为2.5MHz时，探头对激励脉冲宽度的要求。
图5中，当高压电源输出最大为1000V，R1=10kΩ，R2=100Ω，C=0.01μF时，得到的激励脉冲约为830V，宽度为600ns。
由于带充电电阻器的高压直流电源效率不是很高，所以激励脉冲的电压也不能达到高压电源的电压。通过ARM微处理器发射不同频率和占空比的控制脉冲，可以控制发射电路发射宽度和重复频率可调的激励脉冲。
6 结论
通过对发射电路工作原理以及各个元件作用的分析，得出了各个元件对超声波所起的不同作用，以及ARM的PWM模块如何对激励脉冲宽度和重复频率进行调制。经验证。该电路发射的超声波功率、脉冲宽度和重复频率均可调。能满足多种检测需求。