專利名稱：全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超聲無損檢測裝置，尤其涉及一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦變焦裝置。
傳統(tǒng)的數(shù)字式超聲無損檢測儀器，也可采用多探頭(多陣元)的超聲無損檢測，也不存在聚焦和變焦，只是通過超聲波的不同角度的發(fā)射和從不同的角度接收回波信號，這些接收的回波信號互相沒有關(guān)聯(lián)或沒有必然聯(lián)系，形成的單幅或多幅A超曲線是互不相關(guān)的，然后對取得的被測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判別缺損性質(zhì)。由于不存在聚焦和變焦，測量工件如要從不同角度進(jìn)行無損檢測，則需要改變與振元相耦合的鍥塊的不同角度，或改變不同的測量位置，形成不同的檢測聲束，因此，對于自動(dòng)檢測將帶來更多困難。既便如此，也只有產(chǎn)生有限的角度和聲束的變化不可能形成任意角度和聲束的檢測。
傳統(tǒng)的數(shù)字式醫(yī)用超聲波檢測裝置采用單探頭(多陣元線陣)的超聲醫(yī)用診斷儀。通常，采用若干固定聚焦點(diǎn)對人體進(jìn)行掃查，形成B超圖像，構(gòu)成人體解剖結(jié)構(gòu)圖，然后判斷掃查結(jié)果，每次選擇固定數(shù)量的陣元對人身的某個(gè)區(qū)域進(jìn)行定聚焦的往復(fù)掃描，主要是采用固定延遲線參數(shù)的不同來形成超聲波的聚焦也可以由凸陣機(jī)械聚焦方法形成B超圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種在單探頭(多陣元線陣、多陣元面陣)或多個(gè)探頭(多個(gè)多陣元線陣、面陣)的機(jī)械物理位置不變的情況下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度、多個(gè)聚焦點(diǎn)、多種變焦方式對被檢測物體進(jìn)行電子掃描，即實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的聚焦、變焦的方式，對被檢測對象進(jìn)行相控陣超聲無損檢測；本實(shí)用新型的技術(shù)方案是全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測裝置，包括接口電路及分別與接口電路相連接的嵌入式電腦、高速DSP數(shù)據(jù)處理器、微處理器，該裝置還包括一可編程門陣列芯片，該可編程門陣列芯片內(nèi)貯留同步電路及接口電路、該裝置還包括分別與接口電路相連接的可編程延遲線、發(fā)射控制通道切換器、接收控制通道切換器，所述的同步電路發(fā)送同步信號給可發(fā)射控制通道切換器以控制輸出信號。上述電路的構(gòu)成是采用可編程邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐返母咚傩?，有力地支持了全數(shù)字式相控陣超聲波聚焦、變焦的控制，因此本實(shí)用新型的特征的實(shí)現(xiàn)是采用以高速大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐窞橹鞯碾娐吩O(shè)計(jì)、制造的。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置采用相控陣技術(shù)自動(dòng)變焦、聚焦進(jìn)行超聲無損檢測，將回收的超聲波信號進(jìn)行調(diào)相處理，有效地提取相關(guān)信號，形成A超曲線、B超圖像、C超圖像。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、全自動(dòng)的聚焦、變焦，是傳統(tǒng)超聲無損檢測儀所不具備的。本實(shí)用新型具有高速、可編程方式的特征，適用各種不同主機(jī)的控制接口，適用性強(qiáng)，適用于各種不同類型全數(shù)字式超聲無損檢測系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)超聲無損檢測裝置比較其優(yōu)點(diǎn)是明顯的(1)可以有效地將多個(gè)被選擇的振元組成一個(gè)角度可變、聲束可變的超聲束對被測工件進(jìn)行檢測，也就是可從不同角度對工件進(jìn)行檢測。
(2)可以有效地將超聲波的能量聚焦于作用于被檢測點(diǎn)，形成一個(gè)超聲能量較強(qiáng)的焦柱區(qū)，有利于增強(qiáng)無損檢測的信噪比。在一個(gè)能量較強(qiáng)的焦柱區(qū)提取相關(guān)的超聲波回波信號，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。
(3)可以在機(jī)械物理位置不變的情況，形成多種角度和多種聲束對工件進(jìn)行檢測，因此可以很方便地用于和組成自動(dòng)超聲無損檢測系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的還可使用單個(gè)探頭或多個(gè)探頭，單個(gè)陣元或多個(gè)陣元對被測對象進(jìn)行超聲無損檢測，達(dá)到傳統(tǒng)超聲無損檢測儀的功能，也就是本實(shí)用新型的技術(shù)涵蓋了傳統(tǒng)超聲無損檢測儀的功能，從單個(gè)或多個(gè)方向、角度發(fā)射超聲波進(jìn)行檢測并從單個(gè)或多個(gè)方向角度回收超聲波信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成單幅或多幅互不相關(guān)的超聲波A超曲線。
所述的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片4由一片芯片來實(shí)現(xiàn)，在本實(shí)施例中采用XC2S100現(xiàn)場可編程門陣列芯片，包括接口電路41、同步電路42。
所述的變頻電路5采用DS1023可編程延遲線構(gòu)成的。
所述的聚焦變焦參數(shù)方案庫6由一片存貯器芯片來實(shí)現(xiàn)，在本實(shí)施例中采用DS1245NVRAM芯片。
所述的可編程數(shù)字延遲線7可構(gòu)成相控制陣發(fā)射控制，在本實(shí)施例中共設(shè)有32片DS1023可編程數(shù)字延遲線7，以控制32個(gè)通道的發(fā)射操作。
在本實(shí)施例中發(fā)射通道切換器9包括2片XC95216現(xiàn)場可編程邏輯電路，實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道轉(zhuǎn)換為128路(32×4)通道的切換操作，接收通道切換器8也包括2片XC95216現(xiàn)場可編程邏輯電路，實(shí)現(xiàn)128路接收切換成32個(gè)通道的接收，即可以由各不相同的32個(gè)通道同時(shí)發(fā)射，組成相控陣電子掃描，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦、變焦操作，并且由32個(gè)通道同時(shí)接收超聲波回波、透射波信號，通過相控陣調(diào)相技術(shù)提取相關(guān)信號實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電子掃描，完成相控陣超聲無損檢測操作。
上述各器件的連接關(guān)系如下所述的接口電路41分別用于連接PC機(jī)、嵌入式電腦1、高速DSP數(shù)據(jù)處理器2、微處理器3、變頻電路5、聚焦、變焦參數(shù)方案庫電路6、發(fā)射通道切換器9、接收通道切換器8、可編程數(shù)字延遲線7。由于接口電路41采用可編程邏輯控制器件，可與各種控制主機(jī)連接，構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。
接口電路41與PC機(jī)連接，其接口總線符合PC機(jī)ISA接口要求，可與各種不同型號的PC機(jī)的ISA接口連接。接口電路41與嵌入式電腦1連接，其接口總線符合嵌入式電腦1的數(shù)據(jù)總線和地址總線控制總線接口要求，可與嵌入式電腦的接口總線連接。在本實(shí)施例中與PC機(jī)、嵌入式電腦連接時(shí)，接口電路41的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳同序號分別與嵌入式電腦PC104接口的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳連接。
接口電路41與高速DSP數(shù)據(jù)處理器2連接，其接口總線符合DSP數(shù)據(jù)處理器接口要求。接口電路41的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE線腳同序號分別與DSP的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE相連接。
接口電路41與微處理器3連接，其接口總線符合微處理器要求。接口電路41的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD線腳同序號分別與微處理器3的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD相連接。
接口電路41的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE線腳同序號分別對應(yīng)連接聚焦、變焦參數(shù)方案庫電路6的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE。
接口電路41的MF-1、A/B依次對應(yīng)接通道切換器8的MF-1、A/B。
所述的聚焦、變焦參數(shù)方案庫電路6的A[70]線腳同序號分別依次對應(yīng)連接接收通道切換器8及發(fā)射通道切換器9的A[70]；下面詳述一下本實(shí)用新型的工作原理同步電路42如采用計(jì)數(shù)器作為時(shí)間計(jì)時(shí)器，經(jīng)過多級計(jì)時(shí)器后會(huì)產(chǎn)生級與級之間的時(shí)間誤差。雖然這些操作都在FPGA片內(nèi)進(jìn)行，但是誤差還是存在，在本實(shí)施例中由同步電路(時(shí)基信號)作為同步信號，在控制輸出信號時(shí)，采用同步信號CLK再次進(jìn)行觸發(fā)以取得一致，減少級與級之間的誤差。因此同步電路42是相控陣的主要部件之一，其包括時(shí)基電路、時(shí)基計(jì)數(shù)器、發(fā)射參數(shù)(32套)、接收參數(shù)(32套)、發(fā)射比較器(32套)、接收比較器(32套)、發(fā)射信號輸出通道T[321]、接收調(diào)相控制輸出通道(RC-2T)[321]。所述的發(fā)射信號輸出通道T[321]分別與32個(gè)可編程延遲線7的輸入信號T[321]一一對應(yīng)連接。所述的接收調(diào)相控制輸出通道(RC-2T)[321]分別與2片接收控制通道切換器8對應(yīng)(RC-2T)[321]連接。所述的時(shí)基計(jì)數(shù)器可表示0-130ms的時(shí)間寬度，對于發(fā)射信號輸出通道的控制時(shí)間間隔為500ns、頻率為2MC，對于接收調(diào)相控制輸出通道的控制時(shí)間間隔為20ns、頻率為50MC。發(fā)射控制采用同一個(gè)時(shí)基計(jì)時(shí)器，而所有對應(yīng)的發(fā)射通道的時(shí)間控制器與時(shí)基計(jì)時(shí)器進(jìn)行比較，在時(shí)基計(jì)時(shí)器與對應(yīng)陣元發(fā)射擊通道的時(shí)間控制器一致時(shí)，即控制對應(yīng)的發(fā)射陣元信號。
變頻電路5對于不同頻率的探頭(陣元)其最合適的觸發(fā)信號的要求是不同的，本實(shí)施例中變頻電路5由DS1023和單穩(wěn)電路74LSOO復(fù)位電路組成，這里可編程延遲線DS1023的參數(shù)的修改可實(shí)現(xiàn)不同的延遲時(shí)間，形成不同脈寬的發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號，該發(fā)射驅(qū)動(dòng)的脈寬不同，可調(diào)整適應(yīng)不同陣元的頻率信號的觸發(fā)，控制發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號。
聚焦、變焦參數(shù)方案庫6采用掉電保護(hù)大規(guī)模存貯器，可存放256套聚焦變焦參數(shù)的方案。其256套方案在連續(xù)實(shí)時(shí)無損檢測過程中可實(shí)時(shí)被調(diào)用，同時(shí)還可以通過主機(jī)對聚焦、變焦方案庫參數(shù)進(jìn)行改變和更新。
32片可編程延遲線7由聚焦、變焦參數(shù)方案庫6控制其延遲時(shí)間以達(dá)到相控陣發(fā)射的目的，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)超聲波的聚焦和變焦。
全數(shù)字式相控陣超聲波的發(fā)射同步電路42的時(shí)基發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射時(shí)間控制的時(shí)間間隔T，并由t脈沖控制同步觸發(fā)可編程延遲線7，可編程延遲線7在聚焦、變焦參數(shù)方案庫6的控制下，可動(dòng)態(tài)地變化精密延遲時(shí)間(時(shí)序)，達(dá)到相控陣發(fā)射的時(shí)序控制，脈沖經(jīng)延遲后傳遞至發(fā)射通道切換81進(jìn)行控制發(fā)射脈沖的通道切換，然后分別控制單個(gè)、多個(gè)探頭各個(gè)陣元，形成自動(dòng)發(fā)射脈沖。這些操作都由數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，因此實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字式相控陣超聲波的發(fā)射。
全數(shù)字式相控陣超聲波的接收接收時(shí)序的控制與發(fā)射時(shí)序的控制相同都是由基電路和若干計(jì)數(shù)器作為計(jì)時(shí)器操作，控制接收的起始時(shí)間控制。接收通道切換器8，可控制單個(gè)、多個(gè)探頭的各個(gè)通道之間的動(dòng)態(tài)的切換控制。由于接收時(shí)序控制各個(gè)通道的不同的接收時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了接收信號的調(diào)相控制，使相關(guān)的信號增強(qiáng)，不相關(guān)的信號互相減弱，達(dá)到相控陣接收控制。
凡本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所熟知的技術(shù)變換和修改，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置包括接口電路(41)及分別與接口電路(41)相連接的嵌入式電腦(1)、高速DSP數(shù)據(jù)處理器(2)、微處理器(3)，其特征在于，該裝置還包括一可編程門陣列芯片(4)，該可編程門陣列芯片(4)內(nèi)貯留同步電路(42)及接口電路(41)、該裝置還包括分別與接口電路(41)相連接的可編程延遲線(7)、發(fā)射控制通道切換器(9)、接收控制通道切換器(8)，所述的同步電路(42)發(fā)送同步信號給可發(fā)射控制通道切換器(9)以控制輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，該裝置還包括依次與接口電路(41)相連接的變頻電路(5)、聚焦變焦參數(shù)方案庫(6)，所述的變頻電路(5)還與發(fā)射控制通道切換器(9)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的同步電路(42)包括時(shí)基電路、時(shí)基計(jì)數(shù)器、接收時(shí)序控制電路、發(fā)射信號輸出通道、接收調(diào)相控制輸出通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的可編程門陣列芯片(4)采用XC2S100現(xiàn)場可編程門陣列芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的變頻電路(5)采用DS1023可編程延遲線構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的聚焦變焦參數(shù)方案庫(6)采用DS1245 NVRAM芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，共設(shè)有32片DS1023可編程數(shù)字延遲線(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，在本實(shí)施例中發(fā)射通道切換器(9)包括2片XC95216現(xiàn)場可編程邏輯電路，接收通道切換器(8)也包括2片XC95216現(xiàn)場可編程邏輯電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述接口電路(41)的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳同序號分別與PC機(jī)、嵌入式電腦接口的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的接口電路(41)與高速DSP數(shù)據(jù)處理器(2)連接，其接口總線符合DSP數(shù)據(jù)處理器接口要求。接口電路(41)的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE線腳同序號分別與數(shù)據(jù)處理器(2)的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE相連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的接口電路(41)的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD線腳同序號分別與微處理器(3)的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD相連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的接口電路(41)的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE線腳同序號分別對應(yīng)連接聚焦、變焦參數(shù)方案庫電路(6)的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的接口電路(41)的MF-1、A/B、A[70]依次對應(yīng)發(fā)射通道切換器(9)、接收通道切換器(8)的MF-1、A/B、A[70]。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的發(fā)射信號輸出通道的T[321]分別與32個(gè)可編程延遲線(7)的輸入信號T[321]一一對應(yīng)連接。所述的接收調(diào)相控制輸出通道(RC-2T)[321]分別與2片接收控制通道切換器(8)對應(yīng)(RC-2T)[321]連接。
專利摘要一種全數(shù)字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置包括接口電路(41)及分別與接口電路(41)相連接的嵌入式電腦(1)、高速DSP數(shù)據(jù)處理器(2)、微處理器(3)，該裝置還包括一可編程門陣列芯片(4)，該可編程門陣列芯片(4)內(nèi)貯留同步電路(42)及接口電路(41)、該裝置還包括分別與接口電路(41)相連接的可編程延遲線(7)、發(fā)射控制通道切換器(9)、接收控制通道切換器(8)，所述的同步電路(42)發(fā)送同步信號給可發(fā)射控制通道切換器(9)以控制輸出信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、全自動(dòng)的聚焦、變焦，是傳統(tǒng)超聲無損檢測儀所不具備的。本實(shí)用新型具有高速、可編程方式的特征，適用各種不同主機(jī)的控制接口，適用性強(qiáng)，適用于各種不同類型全數(shù)字式超聲無損檢測系統(tǒng)。
文檔編號G01N29/04GK2549468SQ0226502
公開日2003年5月7日 申請日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者王志宏, 熊明光, 章民融, 張國彬, 鄧長安, 陸元龍 申請人:上海市計(jì)算技術(shù)研究所