超声相控阵实时检测系统的研制

    20世纪90年代,超声相控阵检测成像技术^[1~4]开始在欧美等国家逐步应用于石油天然气长输管线焊缝检测^{[5, 6]}、海洋平台结构环焊缝检测[7]及核电站检测等领域^{[8, 9].}但在工业无损检测应用中,由于检测系统的复杂,制作成本高昂,其应用受到一定的限制^[10].然而,随着压电复合材料、纳秒级别脉冲信号控制、计算机模拟等多种相关高技术在超声相控阵检测成像领域中的综合运用,超声相控阵检测成像技术在工业无损检测领域上的应用得以快速发展.

    本文针对实际工程需要,设计研制了一种应用超声相控阵检测原理的无损检测系统,该系统已经应用在检测海洋平台管结点的无损检测上^[11].该系统最多可以支持64阵元的相控阵超声探头或64个独立的传统超声探头,可实现相邻32阵元同时独立超声脉冲触发和独立超声信号接收.应用于海洋平台管结点检测的超声相控阵检测装置包括超声相控阵探头、超声相控阵实时检测系统和计算机.

    1　系统硬件组成与功能实现

    超声相控阵实时检测系统的硬件电路结构如图1所示,包括1块主板、1块主控板和8块超声触发/接收板组成.其中主板负责连接主控板、8块超声触发/接收板以及超声相控阵探头,并为各部分提供电源供电.表1为超声相控阵实时检测系统的性能指标.

    1·1　主控板结构及工作原理

    主控板的原理如图2所示,包括主控芯片和USB接口模块两部分.主控芯片采用的是Altera公司的EP1C6Q240C8型号的FPGA芯片,外部时钟频率为25MHz,经内部锁相环倍频5倍后,芯片内部采用125MHz时钟的工作频率.在该系统中,主控板一方面通过USB接口模块接收来自计算机的配制方案以及控制命令,另一方面通过主控芯片将配制方案通过内部数据总线配制到各超声触发/接收板的相应内存里,完成对8个超声触发/接收板进行检测方案的配制.主控板可以实现对超声触发/接收板内部RAM的寻址方式的读写操作和DMA方式的读写操作,将超声触发/接收板采集的数据通过高速USB数据总线传输到计算机.同时,主控板还为各超声触发/接收板提供同步信号和时钟信号.其中同步信号用来实现超声阵元的触发和超声信号的接收提供同步时间基准,而时钟信号为各超声触发/接收板提供工作时钟,时钟频率为25MHz.

    1·2　超声触发/接收板结构及工作原理

    超声触发/接收板的原理如图3所示.在该系统中,8块超声触发/接收板具有相同的电路功能,其中,每块超声触发/接收板能实现4路信号的同时触发和4路回波信号的同时采集,经超声阵元切换电路的二选一开关,扩展为8路信号.超声触发/接收板主要完成超声阵元的触发和超声回波信号的调理和采集工作.在该系统中,超声阵元采用64芯同轴电缆通过连接器和主板,分别与8块超声触发/接收板相连.其中,64个超声阵元被顺序由1~64进行编号,阵元编号相隔32的两个阵元通过切换电路共用同一超声触发和接收通道.