[发明专利]一种相控阵无损探伤装置和系统

说明书

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的相控阵无损探伤装置和系统。

背景技术

超声相控阵成像对于无损检测具有重要的意义，近年来更是得到了广泛应用。相控阵探测具有极大的灵活性，可以检测不规则形状的零件。相对于传统的单阵元探伤系统，相控阵探测/探伤具有探查面积大、信噪比高、检测结果直观等优点。常用的相控阵的工作方式有平面波束、扇扫波束及聚焦波束等，不同的工作方式具有不同的探查范围和精度。同时，随着2D换能器的发展，零器件的三维体扫描技术在无损探伤领域中得到了广泛的应用。

随着电子技术的进步，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件包含百万门电路，数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)多核等技术促进了高速的相控阵探伤的发展。各种探伤技术使得工业制造、火车交通、航空航天和管道传输等行业中的无损探伤技术得到了巨大的发展。同时，在成像技术方面，各种高精度、高效的成像算法得以实现：包括脉冲编码、高精度波束形成等。相控阵探伤方面也有一些包括相控阵阵元一致性的基础研究；把相控阵应用于更加复杂的材料，例如复合材料相控阵和导波相控阵的研究，也都需要专门的相控阵可配置平台作为支撑。

利用可编程器件和处理器可以使得超声成像系统可配置为不同的成像策略及数据处理方法。目前国际上存在多个用于超声相控阵成像的平台，其中J.-Y.Lu构造的专门的超声成像硬件平台可以实现有限衍射波下的高帧率成像。丹麦理工大学开发的RASMUS系统可以采用不同的发射、接收策略用于合成孔径成像、医学血流成像等研究。在传统的无损探伤领域中，往往使用单阵元测试，近年来一些商用厂商，例如GE和Olympus也开发了一些商用产品，但是商用的相控阵探伤器一般采用的是专用芯片，系统的可配置性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的相控阵无损探伤装置及系统。

在本发明的第一方面，提供了一种相控阵无损探伤装置，包括：FPGA主控模块、发射模块、探头连接模块、信号调理模块，其中，所述发射模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，向所述探头连接模块发射高压脉冲信号；所述探头连接模块用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，激励相控阵中的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤；所述信号调理模块用于在所述FPGA主控模块的控制下，对通过所述换能器接收的回波信号进行信号调理；以及所述FPGA主控模块对进行信号调理后的数字回波信号进行波束形成处理以及对整个系统进行控制。

优选地，所述发射模块包括多路高压脉冲发生器，所述探头连接模块包括多个高压模拟开关：所述多路高压脉冲发生器用于在所述FPGA的控制下向所述多个高压模拟开关发射高压脉冲信号；所述多个高压模拟开关用于在所述FPGA主控模块的控制下以及所述高压脉冲信号的驱动下，其中的一部分高压模拟开关闭合，以激励相控阵中的与闭合的高压模拟开关相连接的换能器阵元以各种组合发射高频超声信号进行无损探伤。

优选地，所述FPGA主控模块以菊花链形式的控制字对所述高压模拟开关进行控制。

优选地，所述高压模拟开关的数量是所述高压脉冲发生器的数量的整数倍，闭合的高压模拟开关的数量与所述高压脉冲发生器的数量相等。

优选地，所述信号调理模块包括：低噪放大器，用于对所述回波信号进行低噪声放大；时间增益控制模块和可编程增益放大模块，用于对低噪声放大后的回波信号进行时间增益控制和可编程增益放大；低通滤波器，用于对时间增益控制和可编程增益放大后的回波信号进行低通滤波；以及模拟数字转换器，用于将低通滤波后的回波信号从模拟信号转换成数字信号。

优选地，所述信号调理后的数字回波信号以低压差分信号的电平形式送入所述FPGA主控模块。

优选地，所述装置还包括数字信号处理器，用于对波束形成后的数据进行处理。