[发明专利]铁路供电触网销钉的便携式超声检测仪

权利要求书

1.铁路供电触网销钉的便携式超声检测仪，其特征在于：该检测仪由主控 制器、超声信号激励接收模块、输入/输出设备、电源模块四部分组成；其结构 特点是：主控制器由单片FPGA构成；超声信号激励接收模块的超声激励接电路 在FPGA的控制下发射高压脉冲激励超声换能器，电源模块通过直流升压的方式 利用电池产生高压直流电源；超声换能器与销钉连接，超声换能器产生超声波并 通过耦合剂传入销钉；超声波经由销钉端面或裂纹反射，再由同一换能器接收； 回波信号通过限幅器、前置放大器、程控增益放大器以及无源滤波网络调理后， 经高速模数转换器转换为数字信号并被主控制器采集，经运算处理后将回波波形 显示在屏幕上，并自动识别出是否存在缺陷及缺陷的位置，回波信号数据写入 SD存储卡保存，用于进一步分析。

2.根据权利要求1所述的铁路供电触网销钉的便携式超声检测仪，其特征 在于：基于FPGA编写的主控程序由硬件逻辑程序和操作系统软件两部分组成； 硬件逻辑程序由Verilog语言编写，用于脉冲信号控制，高速数模转换，显示屏 驱动功能；操作系统由C语言编写，运行在基于软核技术构建的CPU中，用于 控制输入输出操作及实现缺陷的自动识别算法；程序具有两种操作模式，既能够 通过键盘人工调节检测参数，通过回波波形判断缺陷，也能够通过程序自动调节 参数并自动识别缺陷；

高压脉冲激励信号的幅值为-300V，脉冲宽度为100ns，所用超声换能器中 心频率为5MHz；

程控增益放大器的放大倍数由参考电压控制，参考电压FPGA控制的数模转 换芯片给出；

彩色显示屏分辨率为800x480像素，其驱动方式为：由SRAM高速静态随 机寄存器芯片作为数据缓存，操作系统程序首先将屏幕像素点的颜色值写入 SRAM，然后硬件逻辑程序以25MHz的时钟频率将像素值读出并送入显示屏， 屏幕刷新率为每秒30帧；

缺陷自动识别程序解决了不同材质和工艺的销钉回波幅值不同的问题，可以 在检测中，针对每一枚销钉自动设置最佳检测参数；

SD卡存储功能由专用FAT32磁盘管理芯片实现，通过FPGA软核CPU内 嵌的SPI总线进行读写操作；

仪器显示屏可以显示回波波形，当前工作模式，放大器增益，被测销钉信息， 检测人员工号信息。

3.根据权利要求1所述的铁路供电触网销钉的便携式超声检测仪，其特征 在于：仪器以单片FPGA为主控单元，并利用FPGA片上逻辑单元构建软核CPU； 核心最小系统包括：晶振，为FPGA提供工作时钟信号；EPSC存储器，用于下 载和保存程序；SDRAM，用于软核CPU运行程序的内存；

主控模块控制的其他功能有：脉冲信号发生电路，将FPGA输出的100ns 的逻辑电平信号转换为相同时间长度的高压脉冲信号，用以激励超声换能器；高 速模/数转换器的采样频率为50MS/s，分辨率为12位，由FPGA提供采样时钟， 用于采集回波信号；串行数/模转换器，其输出电压值控制程控增益放大器的放 大倍数；SRAM，用于显示屏像素数据的数据缓存；实时时钟，提供准确的系统 时间；其他输入输出设备包括键盘，显示屏以及SD卡读写电路均由FPGA主控 芯片操作。

4.根据权利要求1所述的铁路供电触网销钉的便携式超声检测仪，其特征 在于：超声波信号激励与接收的过程为：FPGA首先输出100ns的3.3V逻辑电 平信号，信号经双电源总线传输器转换为5V的标准逻辑电平信号，之后输入场 效应管驱动器，基于开关型场效应管的脉冲发生电路在超声换能器的输入端产生 一个高压脉冲信号从而激励出超声波；回波信号由同一换能器接收，经过限幅， 前置放大器、程控增益放大器、无源滤波器后，由高速模数转换器采集；其中， 限幅器用于隔离激励换能器的高压信号，保护后继电路；前置放大器用于对信号 的初步放大和阻抗匹配，程控增益放大器将信号进一步放大至可识别的幅度，滤 波器用于滤除高频噪声，高速模数转换器由高速模数芯片和信号运算电路等外围 电路组成。