一種超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊，包括多波形發(fā)生器、超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源和超聲導(dǎo)波探頭，所述多波形發(fā)生器的輸出端連接于所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸入端，所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸出端連接于超聲導(dǎo)波探頭的輸入端；所述多波形發(fā)生器由相位累加器、波形控制器、波形存儲(chǔ)器組、Sigma-Delta調(diào)制器、Butterworth濾波器和數(shù)據(jù)傳輸與控制接口組成。本實(shí)用新型利用波形存儲(chǔ)器組和波形控制器配置固體介質(zhì)中超聲導(dǎo)波波形，實(shí)現(xiàn)多波形超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)的高度通用性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域和通信領(lǐng)域，特別涉及一種超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]絞線是由多股金屬絲擰制而成的柔性構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于土建、交通、電力等行業(yè)的物料搬運(yùn)機(jī)械或建筑結(jié)構(gòu)中。在使用過(guò)程中，金屬絞線由于各種損傷，如斷絲、變形、銹蝕、磨損等，極易造成斷裂失效，從而導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故。管道作為中空的流體輸送構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于化工、運(yùn)輸、土建等行業(yè)的流體傳送設(shè)備中。運(yùn)輸管道所處的環(huán)境與運(yùn)輸?shù)囊后w或氣體通常具有微量腐蝕性，管道內(nèi)外壁若受到腐蝕直至破裂，內(nèi)部高壓流體噴射而出，人民生命財(cái)產(chǎn)安全將受到威脅。
[0003]對(duì)于由絞線和管道等外形細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件構(gòu)成的大型固體結(jié)構(gòu)，如電網(wǎng)、煉油塔等，僅靠良好的制造質(zhì)量并不能保證長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)服役，而現(xiàn)有的定期缺陷檢測(cè)方法又會(huì)破壞其連續(xù)工作條件。伴隨著超聲在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的發(fā)展，超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)體系逐步建立。利用超聲導(dǎo)波探頭在固體介質(zhì)中激勵(lì)超聲導(dǎo)波信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、無(wú)損傷的缺陷檢測(cè)。
[0004]超聲導(dǎo)波激勵(lì)集成模塊一般由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和超聲導(dǎo)波探頭三部分構(gòu)成。信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生特定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)由功率放大器放大后用于驅(qū)動(dòng)超聲導(dǎo)波探頭，在固體介質(zhì)中激勵(lì)超聲導(dǎo)波。
[0005]現(xiàn)有的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊僅能在固體介質(zhì)中激勵(lì)出波形特定的超聲導(dǎo)波，而不同的缺陷對(duì)不同超聲導(dǎo)波波形的敏感度不同，由于超聲導(dǎo)波波形的限制，結(jié)構(gòu)中的部分缺陷無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)，限制了超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用。同時(shí)，利用超聲導(dǎo)波獲得的大量結(jié)構(gòu)完整性信息需要采取措施傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端存儲(chǔ)和利用。常規(guī)的通信方式，如無(wú)線通信、光纖通信、電纜通信等，可用于數(shù)據(jù)傳輸，但是無(wú)法在極端環(huán)境，如深層土壤、密閉金屬結(jié)構(gòu)等中通信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊只能激勵(lì)波形特定的超聲導(dǎo)波用于檢測(cè)特定結(jié)構(gòu)缺陷的缺點(diǎn)與不足，并考慮到結(jié)合超聲導(dǎo)波通信用于結(jié)構(gòu)完整性信息傳輸，提供一種新型的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊，包括:多波形發(fā)生器、超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源和超聲導(dǎo)波探頭，所述多波形發(fā)生器的輸出端連接于所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸入端，所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸出端連接于超聲導(dǎo)波探頭的輸入端;所述多波形發(fā)生器由相位累加器、波形控制器、波形存儲(chǔ)器組、S i gma -D e 11 a調(diào)制器、Bu 11 e r wo r t h濾波器和數(shù)據(jù)傳輸與控制接口組成;所述相位累加器、波形控制器、波形存儲(chǔ)器組、Sigma-De I ta調(diào)制器和Butterworth濾波器依次連接。
[0008]優(yōu)選地，所述超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊具有通信工作模式，在所述通信工作模式下，所述波形控制器與通信電路相連。
[0009]優(yōu)選地，所述波形存儲(chǔ)器組存儲(chǔ)了多種基本數(shù)字波形信號(hào)，包括正弦波、三角波、矩形波。
[0010]優(yōu)選地，所述波形存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了用戶自定義波形信號(hào)和結(jié)構(gòu)完整性信息。
[0011]優(yōu)選地，所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源包括微弱信號(hào)放大器、高壓功率放大器和高壓功率開(kāi)關(guān)變換器，其中所述微弱信號(hào)放大器和所述高壓功率開(kāi)關(guān)變換器都與所述高壓功率放大器連接。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0013]1、本發(fā)明利用波形存儲(chǔ)器組和波形控制器配置固體介質(zhì)中超聲導(dǎo)波波形，實(shí)現(xiàn)多波形超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)的高度通用性。
[OOM] 2、本發(fā)明利用Sigma-Delta調(diào)制器和Butterworth濾波器完成數(shù)字波形信號(hào)到模擬波形信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，無(wú)需額外的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0015]3、本發(fā)明采用微弱信號(hào)放大器和高壓功率放大器兩級(jí)放大器的形式，實(shí)現(xiàn)微弱模擬波形信號(hào)的高壓功率放大。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0017]圖2為經(jīng)功率放大且馱載了結(jié)構(gòu)完整性信息的二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)波形圖。
[0018]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0019]I多波形發(fā)生器
[0020]2超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源
[0021]3超聲導(dǎo)波探頭
[0022]11相位累加器
[0023]12波形控制器
[0024]13波形存儲(chǔ)器組
[0025]14 Si gma-De Ita調(diào)制器
[0026]15 Butterworth濾波器
[0027]16數(shù)據(jù)傳輸與控制接口
[0028]21高壓功率開(kāi)關(guān)變換器
[0029]22微弱信號(hào)放大器
[0030]23高壓功率放大器
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0032]圖1是本發(fā)明所述超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖。所述超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊包括:多波形發(fā)生器1、超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源2和超聲導(dǎo)波探頭3，所述多波形發(fā)生器的輸出端連接于所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸入端，所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸出端連接于超聲導(dǎo)波探頭的輸入端。
[0033]多波形發(fā)生器I由相位累加器(PAH1、波形控制器(WSC)12、波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13、Sigma-Delta調(diào)制器(SDM) 14、Butterworth濾波器(BF) 15和數(shù)據(jù)傳輸與控制接口 16組成。波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13存儲(chǔ)多種基本波形，包括正弦波、三角波、矩形波等，通過(guò)波形控制器(WSC)12將特定波形，如由計(jì)算機(jī)生成的各種檢測(cè)脈沖、利用超聲導(dǎo)波獲得的結(jié)構(gòu)完整性信息等，存儲(chǔ)進(jìn)波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13，再由波形控制器(WSC)12選擇需要發(fā)生的波形。由于后續(xù)在固體介質(zhì)中激勵(lì)的超聲導(dǎo)波依賴(lài)波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13和波形控制器(WSC)12的配置，因此實(shí)現(xiàn)了超聲導(dǎo)波的多波形激勵(lì)。相位累加器(PA) 11連接于波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13輸入端，相位累加器(PA)Il不斷進(jìn)行相位累加操作，輸出為波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13中存儲(chǔ)數(shù)字波形信號(hào)的相位，通過(guò)該相位進(jìn)行查表操作，輸出對(duì)應(yīng)數(shù)字波形信號(hào)的幅值。波形存儲(chǔ)器組(WSMG) 13的輸出端連接于Sigma-Delta調(diào)制器(SDM) 14的輸入端，多位的數(shù)字波形信號(hào)在Sigma-Delta調(diào)制器(SDM) 14內(nèi)經(jīng)過(guò)Sigma-Delta調(diào)制，輸出I位的二進(jìn)制Sigma-De I ta調(diào)制信號(hào)。Si gma-De I ta調(diào)制器(SDM) 14的輸出端連接于Butterwor th濾波器(BF) 15的輸入端，Butterworth濾波器(BF) 15對(duì)輸入的I位二進(jìn)制Sigma-Delta調(diào)制信號(hào)進(jìn)行平坦的帶通濾波操作，將I位二進(jìn)制Sigma-Delta調(diào)制信號(hào)中的低頻分量和高頻分量濾除，得到所需的模擬波形信號(hào)。
[0034]具體地，在本實(shí)施例中，多波形發(fā)生器I除卻Butterworth濾波器(BF)15外其余均米用Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208C8型FPGA設(shè)計(jì)，Butterworth濾波器(BF)15和微弱信號(hào)放大器(WSA)22采用集成運(yùn)放0P482設(shè)計(jì)。
[0035]更進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，集成模塊通電后，選擇超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊的工作模式，即檢測(cè)模式或通信模式。在檢測(cè)模式下，波形控制器(WSC)12通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸與控制接口 16與計(jì)算機(jī)相連，上位機(jī)生成的數(shù)字波形信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸與控制接口 16在波形控制器(WSC)12的控制下存儲(chǔ)進(jìn)波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13中的一個(gè)波形存儲(chǔ)器，并將相位累加器(PA)(Il)與該波形存儲(chǔ)器相連，也可以選擇波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13中的基本波形。在通信模式下，波形控制器(WSC)12通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸與控制接口 16與通信電路相連，通信電路的作用為處理結(jié)構(gòu)完整性信息，包括分組、編碼、調(diào)制、組幀等。經(jīng)過(guò)通信電路處理后的結(jié)構(gòu)完整性信息，包括固體結(jié)構(gòu)中缺陷的三維位置、立體形狀和體積，以及固體結(jié)構(gòu)各部分的溫度、應(yīng)力狀況等，在波形控制器(WSC)12的控制下存儲(chǔ)進(jìn)波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13中的一個(gè)波形存儲(chǔ)器，并將相位累加器(PA)(Il)與該波形存儲(chǔ)器相連。
[0036]具體地，在本實(shí)施例中，相位累加器(PA)(Il)不斷進(jìn)行相位累加操作，輸出波形存儲(chǔ)器組(WSMG) 13中存儲(chǔ)數(shù)字波形信號(hào)的相位，通過(guò)該相位進(jìn)行查表操作，輸出對(duì)應(yīng)數(shù)字波形信號(hào)的幅值。在檢測(cè)模式下，輸出為用戶自定義波形信號(hào)或者某一個(gè)選定的基本波形;在通信模式下，輸出為經(jīng)過(guò)處理的結(jié)構(gòu)完整性信息。該輸出幅值為多位的二進(jìn)制信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后才能轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，否則不能直接用于高壓功率放大。
[0037]更進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，波形存儲(chǔ)器組(WSMG) 13的輸出端連接于Sigma-Delta調(diào)制器(SDM) 14的輸入端，多位的數(shù)字波形信號(hào)在Sigma-Delta調(diào)制器(SDM) 14內(nèi)經(jīng)過(guò)Sigma-De I ta調(diào)制，輸出I位的二進(jìn)制Si gma-De I ta調(diào)制信號(hào)。該S i gma-De I ta調(diào)制信號(hào)包含模擬波形信號(hào)的所有信息，同時(shí)包含有大量的低頻噪聲和高頻噪聲，將該Sigma-Delta調(diào)制信號(hào)送入Butterworth濾波器(BF) 15，進(jìn)行平坦的帶通濾波操作，將I位二進(jìn)制Sigma-Delta調(diào)制信號(hào)中的低頻分量和高頻分量濾除，得到所需的模擬波形信號(hào)。經(jīng)過(guò)Sigma-Delta調(diào)制器(SDM) 14和Butterworth濾波器(BF) 15，數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束，因此不需要額外的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0038]超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源2由高壓功率開(kāi)關(guān)變換器(HVPSC)21、微弱信號(hào)放大器(WSA)22和高壓功率放大器(HVPA)23組成。其中高壓功率開(kāi)關(guān)變換器(HVPSC)21用于將低壓大電流直流電通過(guò)開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換為高壓小電流直流電，該高壓小電路直流電為高壓功率放大器(HVPA)23的供電電源，使得該超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊在特殊環(huán)境下能脫離電網(wǎng)，使用電池運(yùn)作。多波形發(fā)生器I連接于超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源2的輸入端。經(jīng)過(guò)Butterworth濾波器(BF)15獲得的模擬波形信號(hào)在超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源2中首先送入微弱信號(hào)放大器(WSA)22進(jìn)行幅值放大，得到幅值放大信號(hào)。微弱信號(hào)放大器(WSA)22的輸出端連接于高壓功率放大器(HVPA)23的輸入端。高壓功率放大器(HVPA)23對(duì)幅值放大信號(hào)進(jìn)行功率放大，以使得獲得的功率放大信號(hào)有足夠的電壓和功率來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲導(dǎo)波探頭3，為了提升高壓功率放大器(HVPA)23的穩(wěn)定性，在高壓功率放大器(HVPA)23的輸入端和輸出端之間配置了電容反饋網(wǎng)絡(luò)。
[0039]進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，調(diào)節(jié)微弱信號(hào)放大器(WSA)22的放大倍數(shù)，使微弱信號(hào)放大器(WSA)22工作在線性范圍。經(jīng)過(guò)Butterworth濾波器(BF) 15獲得的模擬波形信號(hào)在超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源2中首先送入微弱信號(hào)放大器(WSA)22進(jìn)行幅值放大，得到幅值放大信號(hào)。調(diào)節(jié)高壓功率放大器(HVPA)23的放大倍數(shù)，并且調(diào)節(jié)電容反饋網(wǎng)絡(luò)的電容大小，使得超聲導(dǎo)波探頭3處于穩(wěn)定狀態(tài)。高壓功率放大器(HVPA)23對(duì)幅值放大信號(hào)進(jìn)行功率放大，以使得獲得的功率放大信號(hào)有足夠的電壓和功率來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲導(dǎo)波探頭3。高壓功率開(kāi)關(guān)變換器(HVPSC)21將低壓大電流直流電通過(guò)開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換為高壓小電流直流電，該高壓小電流直流電為高壓功率放大器(HVPA)23的供電電源，使得超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊在特殊環(huán)境下能脫離電網(wǎng)，使用電池運(yùn)作。圖2為經(jīng)功率放大且馱載了結(jié)構(gòu)完整性信息的二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)波形圖，其幅值為± 140V。
[0040]更進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，微弱信號(hào)放大器(WSA)22采用集成運(yùn)放0P482設(shè)計(jì)，高壓功率放大器(HVPA)23采用Apex公司的高壓功放PA78EU設(shè)計(jì)。
[0041]超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源2連接于超聲導(dǎo)波探頭3的輸入端。為使功率放大信號(hào)利用率達(dá)到最大，在超聲導(dǎo)波探頭3內(nèi)部配置了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以平衡超聲導(dǎo)波探頭3內(nèi)壓電陶瓷片等效電路的阻抗。
[0042]進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，所述超聲導(dǎo)波探頭3包含壓電陶瓷片、半密閉金屬盒以及封裝劑，壓電片封裝與金屬盒中以隔絕輻射干擾，金屬盒開(kāi)口處用封裝劑密閉以隔絕外界環(huán)境，超聲導(dǎo)波探頭3可通過(guò)超聲耦合劑，如油基耦合劑、水基耦合劑等與固體結(jié)構(gòu)緊密接觸，并且固定在固體結(jié)構(gòu)表面，保持固體結(jié)構(gòu)靜止且不因在超聲導(dǎo)波探頭(3)的作用之下出現(xiàn)振動(dòng)。
[0043]更進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，超聲導(dǎo)波探頭3所包含的壓電陶瓷片材料為PZT-5，集成模塊采用12V磷酸鐵鋰動(dòng)力電池供電。
[0044]被高壓功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)的超聲導(dǎo)波探頭3即在固體結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出超聲導(dǎo)波，超聲導(dǎo)波波形由波形存儲(chǔ)器組(WSMG)13中的數(shù)字波形信號(hào)決定，由此實(shí)現(xiàn)了多波形超聲導(dǎo)波的激勵(lì)。
[0045]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊，其特征在于，包括多波形發(fā)生器、超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源和超聲導(dǎo)波探頭，所述多波形發(fā)生器的輸出端連接于所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸入端，所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源的輸出端連接于超聲導(dǎo)波探頭的輸入端；所述多波形發(fā)生器由相位累加器、波形控制器、波形存儲(chǔ)器組、Sigma-Delta調(diào)制器、Butterworth濾波器和數(shù)據(jù)傳輸與控制接口組成;所述相位累加器、波形控制器、波形存儲(chǔ)器組、Sigma-Delta調(diào)制器和Butterworth濾波器依次連接;所述數(shù)據(jù)傳輸與控制接口與波形控制器和波形存儲(chǔ)器組連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊，其特征在于，所述波形存儲(chǔ)器組存儲(chǔ)了多種基本數(shù)字波形信號(hào)，包括正弦波、三角波、矩形波。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊，其特征在于，所述波形存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了用戶自定義波形信號(hào)和結(jié)構(gòu)完整性信息。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)集成模塊，其特征在于，所述超聲導(dǎo)波探頭信號(hào)激勵(lì)電源包括微弱信號(hào)放大器、高壓功率放大器和高壓功率開(kāi)關(guān)變換器，其中所述微弱信號(hào)放大器和所述高壓功率開(kāi)關(guān)變換器都與所述高壓功率放大器連接。
【文檔編號(hào)】G01N29/34GK205426862SQ201521030075
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年12月10日
【發(fā)明人】洪曉斌, 許維鎣
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)