駱 英，徐 佳，李伯全，王自平

(江蘇大學(xué)，機械工業(yè)結(jié)構(gòu)損傷檢測評估技術(shù)重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，社會對各類機械結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的要求越來越高，利用無損檢測技術(shù)可以實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)損傷的早期識別，從而預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷的擴大，保障機械結(jié)構(gòu)的安全運行[1-2]。超聲相控陣無損檢測技術(shù)可以高速、全方位和多角度地對機械結(jié)構(gòu)及零部件進行損傷檢測，有效解決了結(jié)構(gòu)損傷檢測中信號可達性差和空間限制等問題[2-3]。

目前的超聲相控陣驅(qū)動電路的實現(xiàn)方法是通過在換能器兩端產(chǎn)生高壓脈沖，從而產(chǎn)生超聲波信號[4-5]，這種驅(qū)動方式簡單可靠，但難以調(diào)控發(fā)射信號幅值等參數(shù)，缺陷處回波的有效信號不夠突出，使得相控陣檢測的分辨率較低。文中設(shè)計了一種基于FPGA技術(shù)的新型超聲相控陣驅(qū)動電路，作為超聲相控陣系統(tǒng)的基本模塊，可實現(xiàn)任意波形信號的激勵以及驅(qū)動信號的強度可控。

1 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動電路的作用是產(chǎn)生具有一定功率、頻率特性以及可控電壓幅值的電信號去激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波。如圖1所示，驅(qū)動電路由波形信號生成模塊(由FPGA控制器和D/A模塊組成)、程控放大模塊以及高頻功放驅(qū)動模塊組成。

圖1 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 信號生成模塊設(shè)計

信號生成模塊采用基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的數(shù)字化波形激勵方式，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的特殊的激勵信號波形。信號生成模塊主要由FPGA和D/A轉(zhuǎn)換器組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信號生成模塊中，采用FPGA作為設(shè)計平臺，因其具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，減少了硬件的復(fù)雜程度，降低了成本。FPGA的片上結(jié)構(gòu)包括頻率合成器、地址計數(shù)器、以及波形存儲器等。激勵波形的產(chǎn)生方法是根據(jù)波形函數(shù)表達式，產(chǎn)生波形的量化數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入存儲器中，然后由地址計數(shù)器順序讀出存儲器中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化為模擬信號，信號的頻率由頻率合成器決定。

圖2 信號生成模塊結(jié)構(gòu)圖

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)字化波形信號轉(zhuǎn)換成模擬波形信號。與FPGA內(nèi)部波形存儲器相對應(yīng)，模塊中選用的是10位高速CMOS電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在其兩輸出端加上精密負載電阻R，從而將輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并且采用差分輸出的方式獲得交流信號。

1.2 程控放大模塊設(shè)計

程控放大模塊中，利用超聲波在材料中的衰減規(guī)律，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建強度補償?shù)乃惴?，從而對輸入的波形信號進行程控增益的放大，將激勵信號幅值放大至±0.5～±1.5 V，從而實現(xiàn)超聲波發(fā)射強度的可控，以使得各通道到達缺陷處的超聲信號強度相等。結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模塊包括FPGA算法控制模塊、可變增益放大器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。

圖3 程控放大模塊示意圖

FPGA片上的強度算法控制模塊如圖4所示，主要依據(jù)超聲波在材料中傳輸?shù)乃p公式，建立強度補償?shù)目刂扑惴?。超聲波在距離驅(qū)動器處的振幅衰減表達式為

式中:A0為驅(qū)動器處的超聲波振幅;α為材料的衰減系數(shù);x為驅(qū)動器與掃描位置的距離。

圖4 FPGA強度算法控制單元

由于OPCM驅(qū)動/傳感器元件的驅(qū)動電壓幅值V與超聲波信號的振幅成正比關(guān)系，設(shè)其系數(shù)為K，由此式(1)可以變換為

其中，V0和K在寄存器中預(yù)存，α和x依據(jù)不同試件以及損傷缺陷的位置從外部輸入。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將由強度補償算法得到的增益控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，輸出至可變增益放大器的增益控制信號gn端，控制增益放大倍數(shù)。該模塊中數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用的是8位精度的D/A轉(zhuǎn)換器，電壓值分辨率值可達8 mV，滿足可變增益放大器增益控制電壓的要求。

可變增益放大器(AD604)是程控放大模塊中的核心單元。為了能夠有效地對激勵信號進行強度控制，模塊中選用的是雙通道可變增益放大器，該放大器有如下特點:具有超低的噪聲;高增益且連續(xù)可調(diào)，增益的分貝值和增益的控制電壓能夠有很好線性的關(guān)系。增益控制通過設(shè)定增益縮放比例以及調(diào)節(jié)gn端增益控制電壓的大小來實現(xiàn)，增益精度為1 dB，增益控制電壓分辨率為0.05 V.

1.3 功放模塊設(shè)計

程控放大模塊輸出的模擬波形信號幅值較小，沒有足夠的驅(qū)動能力來激勵壓電陣元發(fā)射超聲波，需要后級電路進行幅度放大和功率提高。目前常用的驅(qū)動電路往往不能同時滿足電壓驅(qū)動能力和信號帶寬的雙重要求，設(shè)計中采用高速運放與互補推挽三極管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，實現(xiàn)了具有一定電壓幅度、可驅(qū)動壓電陣元的高頻功放電路。

圖5 功放電路原理圖

功放電路對可變增益模塊輸出的信號進行固定增益的放大以及功率提高，由高速運算放大器和三極管Q1、Q2組成。運算放大器選用的是高速、寬頻帶、低噪聲系列的運算放大器，在放大倍數(shù)為10倍時，帶寬為0～8M，滿足系統(tǒng)的要求。通過設(shè)置的阻值將放大器的增益值設(shè)置為8倍。而Q1、Q2共同構(gòu)成推挽式功率放大器，提高了系統(tǒng)的帶寬。

1.4 直流電源變換電路

系統(tǒng)中功放模塊采用±18 V直流電源供電;其余部分采用±5 V直流電源供電，系統(tǒng)中用到的2.5 V、2 V等基準源由DC-DC電源模塊變換得到。另外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度(如基準源影響D/A的轉(zhuǎn)換精度)，在電源模塊中還加入了電容、電感等元器件做了濾波處理。

2 實驗驗證

2.1 實驗平臺

實驗裝置如圖6所示，包括FPGA開發(fā)板、信號調(diào)理電路板、電源電路板、貼有 OPCM(Orthotropic Piezoelectric CompositeMaterials)驅(qū)動器和傳感器的鋁板試件以及數(shù)字示波器等。

圖6 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

FPGA開發(fā)板作為系統(tǒng)的控制單元，用于產(chǎn)生激勵信號的數(shù)字信號以及構(gòu)建強度補償算法。信號調(diào)理電路板主要由D/A、程控放大器、功放組成，作用是將激勵信號的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)程控放大器和功放后，輸出具有一定幅值和驅(qū)動能力的交流信號。驅(qū)動器選用的是自制的正交異性復(fù)合材料OPCM換能器，該OPCM作為驅(qū)動器時能夠沿特定方向激發(fā)能量大、指向性尖銳的振動信號，作為傳感器能夠區(qū)分不同方向的應(yīng)力波，并對特定方向的應(yīng)力波具有強烈的響應(yīng)特性。示波器選取HP-54820A型示波器，用于采集驅(qū)動電路的激勵信號并進行分析。電源電路板為系統(tǒng)提供電源和基準源。

2.2 驅(qū)動信號的產(chǎn)生與測試

為了測試該超聲波驅(qū)動電路激勵信號的性能，在波形存儲器中預(yù)存入五峰波(窄帶正弦調(diào)制信號[6])，頻率合成器中將信號的頻率設(shè)置為250 kHz，D/A轉(zhuǎn)換后的信號為±100 mV，程控放大器模塊中增益設(shè)置為10倍，功放模塊中的固定增益放大倍數(shù)設(shè)置為8倍。最終在驅(qū)動器上產(chǎn)生的激勵信號時域圖如圖7(a)所示，頻域圖如圖7(b)所示，從圖中可以看出在驅(qū)動器兩端產(chǎn)生的激勵信號幅值為±8 V左右，中心頻率在250 kHz附近，能量主要集中在中心頻率附近，系統(tǒng)的相對帶寬近似為40%(相對帶寬大于25%為超寬帶[7])，整個放大電路的幅頻特性良好。

2.3 強度補償?shù)目尚行则炞C

超聲相控陣強度控制技術(shù)指的是依據(jù)超聲波傳輸過程中在材料中的衰減規(guī)律建立強度補償算法，自適應(yīng)地控制驅(qū)動器激發(fā)信號的強度，從而達到缺陷處應(yīng)力波等強度的目的。信號流程圖如圖8所示。首先對超聲波在試件中的傳輸特性進行實驗研究，建立材料的阻尼方程確定材料的阻尼系數(shù)，然后依據(jù)阻尼方程確定強度補償?shù)乃惴?，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)各通道的信號放大倍數(shù)。

該實驗包括研究超聲波在試件中傳輸?shù)乃p規(guī)律和強度控制算法的實驗驗證2部分的內(nèi)容。超聲波的衰減規(guī)律實驗中，首先由超聲波驅(qū)動電路產(chǎn)生頻率為250 kHz幅值為±10 V的五峰波信號來激勵OPCM驅(qū)動器，然后由示波器記錄傳感器上接收到的超聲波信號幅值。通過不斷移動傳感器，將驅(qū)動器與傳感器的間距從3 cm逐漸遞增至20 cm處，每次遞增1 cm，從而得到多組超聲波接收信號的幅值。根據(jù)每次示波器上獲得的信號幅值和相應(yīng)的距離建立坐標系，得到超聲波衰減規(guī)律曲線如圖9所示，從圖9以及式(2)可知，接收信號的幅值隨距離的增加成指數(shù)遞減，超聲波在該鋁板試件中的衰減系數(shù)α=0.1，由于驅(qū)動器和傳感器在距離很近時信號的旁瓣較大，對OPCM的性能影響很大[8]，所以圖中距離較近點的實測值誤差比較大。

圖8 可控強度輸出信號流程圖

圖9 驅(qū)動器與傳感器的間距與接收信號幅值之間的關(guān)系

強度控制算法實驗主要驗證自適應(yīng)強度控制的可行性，以距離驅(qū)動器5 cm處作為模擬損傷點，同時以由超聲波驅(qū)動電路產(chǎn)生頻率為250 kHz、幅值為±5 V的五峰波信號作為驅(qū)動器上的初始電壓信號。首先將上面實驗中得到的衰減系數(shù)α、驅(qū)動器上的初始電壓V0以及距離差輸入到控制器的寄存器中(其中距離差和傳感器移動的距離一致)，然后通過不斷移動傳感器，將驅(qū)動器與傳感器的間距從5 cm逐漸遞增至20 cm處，每次遞增1 cm，傳感器移動的同時驅(qū)動電路根據(jù)強度補償算法控制驅(qū)動電路的放大增益激勵驅(qū)動器，由示波器記錄下每次驅(qū)動器和傳感器上接收到的超聲波信號，從而得到多組數(shù)據(jù)。根據(jù)每次示波器上獲得的信號幅值和相應(yīng)的距離建立坐標系，從圖10可以看出，根據(jù)強度補償算法輸出的激勵信號幅值和理論值的絕對誤差在0.4 V以內(nèi)，該誤差主要是由程控放大器的控制精度引起的。從圖11可以看出系統(tǒng)基本實現(xiàn)了等強度控制，實測值擬合曲線和理論值基本一致，最大的誤差為3 mV，該誤差主要是由驅(qū)動電路的控制精度以及測量工具的精度引起的。

從上面的實驗數(shù)據(jù)可以看出通過該文設(shè)計的超聲波驅(qū)動電路可以有效驅(qū)動OPCM驅(qū)動器產(chǎn)生超聲波信號，并通過程控放大模塊實現(xiàn)驅(qū)動器激勵信號的等強度控制。

3 結(jié)束語

針對目前超聲相控陣檢測系統(tǒng)中不具有應(yīng)力波驅(qū)動強度可控的功能，設(shè)計了一種新型超聲相控陣驅(qū)動電路。系統(tǒng)采用基于FPGA的數(shù)字化波形發(fā)射方式，可以根據(jù)不同的材料，選擇任意波形信號激勵，以及通過強度補償算法實現(xiàn)了超聲波到達缺陷處應(yīng)力波等強度的目的，為超聲相控陣在缺陷處等強度聚焦或偏轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)，提高了檢測的分辨率和信噪比。

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