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原文传递一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置

专利名称：	一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置
摘要：	本发明公开了一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元。该激励信号源单元的输出端与所述自适应高压脉冲发射单元的输入端连接，用于提供系统的激励信号；该自适应高压脉冲发射单元的输出端通过开关单元与该超声换能器和该回波接收电路与反馈单元的输入端连接；该回波接收电路与反馈单元的输出端与该数字信号处理单元的输入端连接；该数字信号处理单元的输出端与所述反馈控制单元的输入端连接。本发明可以提高发射信号的强度和接收信号的灵敏度，抑制噪声影响，并适应多种超声换能器的特性。
专利类型：	发明专利
申请人：	中山大学
发明人：	王自鑫;张锡斌;陈弟虎;洪晓斌;蔡志岗;贾莲莲;孔庆钊;赵伟鸿
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
申请号：	CN202010053257.9
公开号：	CN111157623A
代理机构：	广州新诺专利商标事务所有限公司
代理人：	张玲春
分类号：	G01N29/04;G01N29/12;G01N29/22;G01N29/36;G01N29/44;G;G01;G01N;G01N29;G01N29/04;G01N29/12;G01N29/22;G01N29/36;G01N29/44
申请人地址：	510275 广东省广州市海珠区新港西路135号
主权项：	1.一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元，其中，所述激励信号源单元通过隔离单元与所述自适应高压脉冲发射单元连接，用于向所述自适应高压脉冲发射单元提供激励信号；所述自适应高压脉冲发射单元通过开关单元的第一可控继电器与超声换能器连接，产生高压信号到所述超声换能器；所述超声换能器与待测试块通过耦合剂间接接触，用于发射大功率超声波至所述待测试块；所述超声换能器还通过所述开关单元的第二可控继电器连接至所述回波接收电路与反馈单元；所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接,所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接，用于采集所述超声换能器接收的来自所述待测试块的超声导波信号，并对所述超声导波信号进行信号调理和数字化；所述数字信号处理单元与所述反馈控制单元连接，用于对数字化的所述超声导波信号进行处理，计算及分析所述待测试块的弹性性能和结构特征，同时输出所述超声导波信号的幅度和频率信息至所述反馈控制单元；所述反馈控制单元与所述激励信号源单元连接，用于实现自适应的反馈调整链路。 2.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述激励信号源单元包括高精度温度补偿型晶体振荡器参考源、振荡器频率上变频器、及脉冲生成器；所述振荡器频率上变频器以所述温度补偿型晶体振荡器参考源为参考，产生高频参考时钟源，所述高频参考时钟源频率应不小于200MHz，用于产生足够时间精度的信号；所述脉冲生成器以所述振荡器频率上变频器输出为参考时钟，通过现场可编程门阵列和嵌入式处理器进行控制，产生可调整重复频率和时间长度的第一控制信号和第二控制信号。 3.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述自适应高压脉冲发射单元包括高压半桥驱动单元，高压隔离控制单元和高压脉冲发射单元；所述高压半桥驱动单元包括高侧驱动单元和低侧驱动单元；所述高侧驱动单元包括第一数字隔离器、第一死区时间控制单元和第一高压驱动单元，所述第一数字隔离器、所述第一死区时间控制单元和所述第一高压驱动单元沿传播方向依次连接；所述低侧驱动单元包括第二数字隔离器、第二死区时间控制单元和第二高压驱动单元，所述第二数字隔离器、所述第二死区时间控制单元和所述第二高压驱动单元沿传播方向依次连接；所述第一数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第一控制信号输出端连接，用于隔离所述第一控制信号和所述第一死区时间控制单元。所述第一控制信号输出端用于输出所述第一控制信号；所述第一死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第一控制信号的第一同相信号和第一反相信号；所述第一高压驱动单元的高侧输入端与所述第一同相信号连接，所述第一高压驱动单元的低侧输入端与所述第一反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的高侧控制信号；所述第二数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第二控制信号输出端连接，用于隔离所述第二控制信号和所述第二死区时间控制单元；所述第二控制信号输出端用于输出所述第二控制信号；所述第二死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第二控制信号的第二同相信号和第二反相信号；所述第二高压驱动单元的高侧输入端与所述第二同相信号连接，所述第二高压驱动单元的低侧输入端与所述第二反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的低侧控制信号。 4.如权利要求3所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述高压隔离控制单元包括高侧隔离控制单元和低侧隔离控制单元；所述高侧隔离控制单元为一个单输入多输出隔离变压器，所述高侧隔离控制单元的输入端连接到所述第一高压驱动单元的高侧控制信号输出端，用于输出高侧驱动信号；所述高侧控制信号输出端用于输出高侧控制信号，受继电器控制输入到可控匝数的所述单输入多输出隔离变压器的原边线圈；所述低侧隔离控制单元为一个1：1单输出变压器，所述低侧隔离单元的输入端连接到所述第二高压驱动单元的低侧控制信号输出端，用于输出低侧驱动信号；所述低侧控制信号输出端用于输出低制信号。 5.如权利要求3所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述高压脉冲发射单元包括高侧开关电路和低侧开关电路；所述高侧开关电路为串联和并联的场效应管阵列，所述高侧开关电路的高侧驱动端各自连接到所述高侧隔离控制单元的高侧驱动信号输出端，所述高侧驱动信号输出端用于输出高侧驱动信号；所述低侧开关电路的低侧驱动端连接到低侧驱动信号输出端，所述低侧驱动信号输出端用于输出低侧驱动信号。 6.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述回波接收电路与反馈单元包括钳位衰减单元、程控放大器单元、抗混叠滤波器单元和ADC信号采集单元，所述钳位衰减单元、所述程控放大器单元、所述抗混叠滤波器单元和所述ADC信号采集单元沿信号传递方向依次连接；所述钳位衰减单元，用于滤除接收所述超声导波信号中的高压部分；所述程控放大器单元，用于将所述钳位衰减单元输出的电压信号进行放大处理，并根据所述反馈控制单元输出信号调整程控放大倍数；所述抗混叠滤波器单元，用于对经放大后的所述电压信号进行滤波处理；所述ADC信号采集单元，用于将放大及滤波后的所述电压信号转换成数字信号。 7.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述数字信号处理单元包括一超声导波信号输入端、周期积分单元、频率计算单元、幅度计算单元、中频调制单元和多谐波相敏检测单元，所述超声导波信号输入端分别于频率计算单元，幅度计算单元，周期积分单元和中频调制单元的一个输入端连接；所述频率计算单元的输出端与所述中频调制单元的另一个输入端连接；所述中频调制单元的输出端与所述多谐波相敏检测单元的一个输入端连接；所述多谐波相敏检测单元的输出端，所述周期积分单元分别与所述上位机单元的输入端连接。 8.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述反馈控制单元的输入端分别与所述数字信号处理单元的幅度计算单元和频率计算单元的输出端连接；所述反馈控制单元的输出端分别与所述激励信号源单元，所述回波接收电路与反馈单元，所述自适应高压脉冲发射单元一个控制输入端连接；所述反馈控制单元从所述数字信号处理单元的频率计算单元获取超声导波信号的频率，计算该频率下所需的激励脉冲宽度，用于控制所述激励信号源单元输出脉冲信号的宽度；所述反馈控制单元从所述数字处理单元的幅度计算单元获取超声导波信号的幅度，用于控制所述回波接收电路与反馈单元的程控放大器单元的放大倍数，同时控制所述自适应高压脉冲发射单元的高压脉冲发射单元的阻抗匹配单元。 9.一种基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法，其特征在于，包括如下步骤： S1：发射大功率的高压脉冲信号至超声换能器；所述超声换能器发射大功率的超声波至待测试块；通过所述超声换能器获取来自所述待测试块的非线性超声导波信号，并将其转换为电信号；所述电信号进行钳位，衰减，放大和滤波处理，转换为数字信号；所述数字信号进行离散傅里叶变换，得到离散频域信息，计算峰值，得到各个频率分量的信号幅值，计算得出所述待测试块的缺陷信息；所述数字信号经过频率计算得出频率信息，幅度计算得出幅度信息，中频调制计算得到中频信号；所述频率信息和所述幅度信息输入到所述反馈控制单元，生成对所述激励信号源单元的脉冲控制信号，对所述自适应高压脉冲发射单元的阻抗匹配控制信号和对所述回波接收电路与反馈单元的放大倍数控制信号；所述中频调制信号经过多谐波相敏检测和计算得出所述待测试块的缺陷信息；所述中频调制信号经过多谐波相敏检测和计算得出所述待测试块的缺陷信息的具体步骤是： S11：利用所述多谐波相敏检测单元的一个直接数字频率合成器生成中频参考信号； S12：将所述中频调制信号与所述中频参考信号进行双相相敏检测计算，计算得到所述中频调制信号的中频成分的幅度和相位信息； S13：再利用所述多谐波相敏检测单元的另一个直接数字频率合成器生成对应中频参考信号的n倍频谐波参考信号；同时将所述中频调制信号与所述n倍频谐波参考信号进行双相相敏检测计算，计算得到所述中频调制信号对应n倍频谐波成分的幅度和相位信息； S14：利用所述中频成分的幅度和相位信息与所述n倍频谐波成分的幅度和相位信息计算分析所述待测试块的缺陷信息； S2：将离散傅里叶变换方法计算得出的缺陷信息与多谐波相敏检测计算得出的缺陷信息进行综合比对，得到所述待测试块的缺陷信息。 10.如权利要求9所述的基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法，其特征在于：所述数字信号经过频率计算得出频率信息，幅度计算得出幅度信息，中频调制计算得到中频调制信号的具体步骤是：将所述数字信号进行频率计算，得到所述数字信号的频率信息，然后再将所述频率信息输入到所述频率计算单元的直接数字频率合成器生成同频信号；将所述同频信号和所述数字信号进行相敏检测，得到所述数字信号对应所述频率信息处的幅度信息；同时利用所述中频调制单元的直接数字频率合成器生成高频的调制信号；将所述调制信号与所述数字信号进行数字混频计算，再经过数字滤波运算得到所述中频调制信号。
所属类别：	发明专利