超声检测信号的高速数字化研究

　　超声波检测技术作为无损检测的重要手段,提供了一种评价固体材料的微观组织及相关力学性能、微观和宏观不连续性的有效方法。超声波检测早期仅使用模拟信号分析,需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论。20世纪80年代后期,由于计算机技术和高速模/数转换器件(A/D)的快速发展,使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了许多数字化超声波检测设备,并已成为超声波检测的发展方向。但是,由于受到高速A/D和高速存储技术的限制,这些设备也仅停留在较低频率的超声波检测的信号处理上。因此,对高速A/D技术及大容量缓冲技术进行研究,并应用到超声波检测工程上去,是一项具有现实意义的课题。介绍了一种基于FPGA的高速超声信号A/D采集方法,并从超声检测的实际应用要求出发,详细地介绍了含有FIFO存储器的A/D采样控制电路的设计方法。

　　1　高速A/D数据采集

　　1.1　采样频率和缓存容量的确定本文是针对超声波工业检测设备而开发的高速数据采集技术,因此,检测对象基本为钢铁材料。超声波在钢中传播纵波cL的速度为5 900 m/s,横波cS的速度为3230m/s,速度c、距离(声程)D和时

　　从以上各式可以看出,对于钢质材料的超声波检测,由于传播时间很短,一般需采用较高的检测频率。尤其对于薄壁材料,为了得到足够的纵向分辨力,采用高的检测频率就更为重要。如对1 mm厚的材料,若采用直探头反射法进行检测,其传播时间仅为0.619μs,要达到10%(0.1 mm)的检测精度,必须能分辨0.061 9μs的信号周期,才不至于因信号重叠而无法分辨。这就要求检测频率fM至少大于16.2 MHz(1/0.061 9μs)。采样频率FN必须满足Nyquist条件:FN> 2 ,也就是至少要达到32.4 MHz。但是对于超声检测而言,如果仅高于工作频率的两倍,在采样过程中很有可能会漏检最高信号值。因此其采样率往往要求大于检测频率的3~4倍。所以在实际应用中,对于超声信号的采集一般需要65 MHz甚至更高。当然,整个系统为了满足不同检测要求的需要,采样速率是可以调整的。在检测频率不是很高时,可以降低采样速率,以减小缓冲容量的要求。

　　由于整个系统的采样速率较高,要对信号数据进行实时存储,就需要使用高速缓存器。缓存器的容量应该能使探测范围内的时域信号得以保存。假设选用了128 kB容量的缓存器。在80 MHz采样速率的情况下,128 kB缓存器可存储的时域信号的时间长度为:

　　1.2　器件选择

　　为了满足对超声波信号进行高速采集的要求,设计中A/D转换器采用AD9054芯片。该芯片采用+5 V单电源供电,转换电压量程为1 V,转换速率最高为200 MHz,有两个8位TTL数据输出端口,可工作于单/双口输出两种模式。在单通道模式下,最高采样频率达100 MHz。输入模拟带宽为350 MHz。根据A/D转换器的动态特性[2],系统采用80MHz的采样频率,完全能满足超声检测的实际应用要求。