基于FPGA的便携式超声探伤仪硬件系统设计与实现

论文摘要

便携式超声探伤仪由于其灵活性,在工业设备质量或使用寿命监测中得到了广泛的应用。本课题设计了一种分离式便携超声探伤仪,包括超声波激励/接收系统和Android设备两个部分。并且针对超声检测过程中存在各种各样会掩盖有效回波分量、限制现有超声探伤仪检测能力的噪声这一问题,提出了一种适用于便携式超声探伤仪的A扫信号去噪算法,算法的两个部分分别在FPGA和Android端实现后,用于所设计的便携式超声探伤仪。本文主要工作包括:1、分析超声检测过程中的主要噪声来源以及相关去噪方法,提出基于有限冲击响应数字滤波器和小波阈值法的联合去噪算法并进行设计,将该方法应用在后续设计的便携式超声探伤仪中,提升仪器的检测能力;2、提出便携式超声探伤仪方案设计,将仪器划分为超声波激励/接收系统和Android设备两个部分,两个部分分离,通过USB实现数据通信,提升仪器的可维护性;3、进一步阐述8通道超声波激励/接收系统设计方案,并对其中超声波激励、回波信号接收、前端模拟信号处理等外围电路进行设计,实现了脉冲幅值和宽度可调的超声波发射、多通道回波信号接收、回波信号可变增益放大等功能,同时对基于FPGA的数据读写控制、参数解析、基线校准、数字检波、数据压缩、峰值检测等电路进行设计,以满足系统控制和数字信号处理需求。通过搭建实验环境,对上述系统进行测试,给出系统与Android设备联合调试成像结果,通过仿真实验确定去噪算法中的较优参数并进一步实测。测试结果表明,配合2.5P20纵波直探头,仪器的灵敏度余量、动态范围和分辨力分别为57.9dB、30.8dB和40dB,水平线性与垂直线性分别为0.24%与0.7%,采样频率可达100MHz,满足性能指标要求,与已经商业化的便携式超声探伤仪CTS-1010和HS620相比,水平线性、灵敏度余量和分辨力分别比参考仪器低0.14%、2.1dB和9.2dB,但垂直线性和动态范围分别高出2.3%和8dB,说明本文仪器具有较高的增益精度和较宽的检测范围。该仪器和未添加去噪算法的便携式超声探伤仪相比,最大信噪比提升可达57.91dB,相对于只使用有限冲击响应数字滤波器,最大信噪比提升可达51.66dB,去噪算法在CS-1-5试块平底孔检测中明显提升了A扫信号的信噪比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 研究内容与设计指标
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 设计指标
•   1.4 论文组织
• 第二章 超声探伤仪相关技术理论与算法分析
•   2.1 超声检测理论基础
•     2.1.1 超声检测基本原理
•     2.1.2 声波在声场中运动的物理模型
•   2.2 超声探伤仪构成
•     2.2.1 总体结构
•     2.2.2 超声探头
•   2.3 主控制器与数据通信技术方案分析
•   2.4 超声探伤仪的基础性能指标
•   2.5 超声检测过程中噪声分析及相关去噪方法
•     2.5.1 噪声分析
•     2.5.2 相关去噪方法分析
•   2.6 A扫信号去噪算法
•   2.7 本章小结
• 第三章 超声探伤仪方案设计
•   3.1 去噪方案设计
•     3.1.1 FIR滤波器设计
•     3.1.2 小波阈值法设计
•   3.2 仪器需求分析与整体设计
•     3.2.1 仪器需求分析
•     3.2.2 仪器整体设计
•   3.3 外围电路设计
•     3.3.1 超声波激励电路设计
•     3.3.2 回波信号接收与处理电路设计
•     3.3.3 通信及编程接口电路设计
•   3.4 系统控制与数字信号处理设计
•     3.4.1 整体设计
•     3.4.2 数据读写控制模块设计
•     3.4.3 数据下行处理模块设计
•     3.4.4 数据上行处理模块设计
•   3.5 超声探伤仪软件
•   3.6 本章小结
• 第四章 超声波激励/接收系统关键电路实现
•   4.1 超声波激励电路实现
•     4.1.1 高压生成电路实现
•     4.1.2 脉冲激励控制电路实现
•   4.2 回波信号接收与处理电路实现
•     4.2.1 单通道输入电路实现
•     4.2.2 模拟信号处理电路实现
•     4.2.3 ADC电路实现
•   4.3 通信接口电路实现
•   4.4 数据读写控制模块实现
•     4.4.1 数据读写时序分析
•     4.4.2 数据读写状态机设计
•   4.5 数据下行和上行处理模块实现
•     4.5.1 数据下行处理模块实现
•     4.5.2 数据上行处理模块实现
•   4.6 本章小结
• 第五章 测试与分析
•   5.1 外围电路模块测试与分析
•     5.1.1 超声波激励电路测试与分析
•     5.1.2 DAC电路测试与分析
•     5.1.3 模拟信号处理电路测试与分析
•   5.2 系统控制与数字信号处理模块测试与分析
•     5.2.1 数据读写状态机模块测试与分析
•     5.2.2 数据下行处理模块测试与分析
•     5.2.3 数据压缩模块测试与分析
•     5.2.4 峰值检测模块测试与分析
•     5.2.5 FIR滤波测试与分析
•   5.3 系统测试与分析
•     5.3.1 数据通信测试与分析
•     5.3.2 系统成像测试与分析
•     5.3.3 系统基础性能测试与分析
•   5.4 去噪算法测试与分析
•     5.4.1 实验设置
•     5.4.2 实验结果与分析
•   5.5 测试结果总结
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡孟君

导师: 李冰

关键词: 超声波激励,接收系统,扫信号去噪,小波阈值法

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,工业通用技术及设备,无线电电子学

单位: 东南大学

分类号: TN791;TB559

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003620

总页数: 84

文件大小: 4579K

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