超声波电路控制与研究30813.pdf

超声波发射与控制电路研究 2012-02-17 22:58:00 来源：互联网 关键字：ARM 超声波 控制电路 随着科学技术的发展，高温、高压、高速和高负荷已成为现代工业的重要标志，但它的实现是建立在材料高质量的基础之上的，为确保这种优异的质量，必须采用不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能的检测方法，对产品进行百分之百地检测，以确保其可靠性和安全性，这种技术就是无损检测技术。超声波检测在无损检测中占据着主要地位，广泛应用于金属、非金属材料以及医学仪器等领域。近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力，为了提高检测的可靠性和提高检测效率，研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声仪是当今无损检测领域发展的一个重要趋势。而传统的超声波检测仪存在准确性差、精度低、体积大、功耗大、人机界面不友好等问题。而超声波发射与控制电路正是在一种基于 ARM 的超声波检测系统的基础上，以 ARM 微控制器为核心，使用 C 语言编程，方便地实现了发射频率与激励电压脉冲幅度的调节。1 超声波检测系统的总体设计结构 基于 ARM 超声波检测系统的总体结构框图，如图 1 所示。该系统主要由 3 部分组成：超声波前端发射接收电路、DSP 和 ARM 处理器。超声波前端发射电路负责产生激励脉冲电压和重复频率可调的超声波。接收电路首先将反射回来的微弱信号经放大、滤波等电路处理，然后通过 A/D 转换电路对信号进行采集并将采集的信号经数据缓冲 FIF0 送入 DSP。DSP 接收由 A/D 转换器经 FIF0 缓冲后的数据，主要完成计算结构复杂的信号处理算法，提高超声探伤仪器的精度和数据处理能力。ARM 处理器主要完成两部分功能：一是控制功能，调节激励脉冲的宽度和重复频率以及放大电路的放大倍数；二是实现信号的实时显示、存储以及和外部的通信等功能。ARM 微处理器采用基于 ARM920T 的 16/32 位 RISC 微处理器 S3C2440A。其内核频率最高为400MHz，功耗低，体积小，集成外设多，数据处理能力好，因而可广泛应用于手持设备等。2 超声波发射电路 根据被测件的材料、厚度等不同条件，所需的相应超声波探头的频率、发射电压也不同。发射的超声波频率一般为几 MHz，高压激励脉冲一般为几十到几百伏，脉冲的上升时间不超过 100ns。根据频谱分析，激励脉冲宽度探头频率之间存在着最佳关系式，当脉冲宽度满足这一关系式时，接收探头的接收信号质量最好。该关系式即为：式中，f0 为探头频率，2a 为脉冲宽度。本设计所选探头频率为，由式(1)确定的脉冲宽度为600ns，所以放电时间应尽量控制在 600ns。超声波探伤法的种类很多，实际运用中，大部分选用脉冲反射法，其发射电路多选用非调谐式，超声波发射电路如图 2 所示。电路由可调高压电源、电阻 R1 和 R2、能量存储电容C、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)VQ、快速恢复型二极管 VD1、VD2 和探头组成，设二极管等效电阻为 R3，开关等效电阻为 R4。ARM 微处理器的 PWM 模块产生频率和占空比可调的脉冲，经 IGBT 的驱动和保护电路后送入开关管 VQ 的栅极形成控制脉冲 V1。当 V1 为负脉冲时，IGBT 关断，高压电源通过 R1、VD2 对电容 C 充电，充电时间常数为1=C(R1+R3)。当 t51 时，认为电容 C 充满。当 V1 为正脉冲时，IGBT 开通，电容 C 通过开关管 VQ、R2 和二极管 VD1 对探头放电，放电时间常数为l=C(R2+R3+R4)。超声波探头收到高压负脉冲的激励后便产生一定频率的超声波。电路中元件作用：1)电阻 R1 用来限制充电时高压电源对电容 C 的充电电流，即起到限流作用，并减小发射单元工作时对电源的影响，从这点考虑，要求电阻 R1 阻值越大越好。另一方面，电路的重复频率 f 较高，为了使电容 C 在触发前能充满电，就必须满足 CR11/5f。所以要选择合适的电阻 R1 的阻值。2)电阻 R2 有 2 个作用：一是调节放电时间和发射功率，二是作为阻尼电阻，调节超声脉冲宽度。R2 的阻值越小，发射功率越小，发射脉冲越窄；R2 阻值越大，发射功率越大，发射脉冲越宽。3)快速恢复型二极管 Vd1、Vd2 滤去充电脉冲，使 A 点只有放电时的负电压激励脉冲。充电时，电流 i 与电压 UR 的关系式如式(2)式(3)所示。所研制的电路板可激发探头产生10MHz 的超声波，激励脉冲电压最高可达 830V，脉冲的上升时间小于 50ns。3 基于 ARM 的 PWM 脉冲的产生 ARM 嵌入式处理器是具有极低功耗、极低成本的高性能处理器，运算速度快、精度高，而且便于实时操作系统的移植，真正成为实时多任务系统。S3C2440A 内嵌 PWM 脉冲模块含4 通道 16 位定时器，占空比、频率、极性可编程，且具有自动重载和双缓冲功能。主频FCLK 最高达 400M-Hz，APB 总线设备使用的 PCLK 最高达 68 MHz。具体过程为：首先，开启自动重载功能，对 PWM 脉冲的各个参数通过 PWM 寄存器进行设置，如定时器配置寄存器(TCFGn)，定时器控制寄存器(TCON)，定时器计数缓存寄存器(TCNTBn)，定时器比较缓存寄存器(TCMPBn)，定时器计数观察计数器(TCNTOn)等的设置。其次，设置相应定时器的手动更新位，然后设置开始位，在等待时间后定时器开始倒计数，当 TCNTn 和 TCMPn 的值相同时，TOUTn 的逻辑电平由低变为高。当 TCNTn 为 0，TCNTn 用 TCNTBn 的值自动重载。如果要重新设置 TCNTn 的初始值，则要执行手动更新。通过使用 TCMPBn 来执行 PWM 功能，PWM 的频率由 TCNTBn 来决定。双缓冲功能允许对下个 PWM 周期在当前 PWM 周期任意时间点由 ISR 或其他程序改写 TCMPBn。4 高压电源及其控制 超声波发射电路对激励电压脉冲要求较高，需要一定的幅值，而且脉冲宽度要求越小越好，且须有一定的发射功率，这决定了超声波探伤的灵敏度，还关系到工件探伤的深度。如果要穿透较厚的工件，就需将较大的电功率转换成声功率。发射功率为：式中，uA0 为电容放电时的瞬间电压，C 为电容容量，t 为放电时间，为有效功率。当放电时间常数确定后，放电时间和 C 即确定。所以加大发射电压是提高发射功率的主要途径，由放电电压公式可知，除电路中的各个电阻影响外，高压电源的电压是一个主要因素。但电压又不能太高，否则会使压电晶片加速老化。一般发射电压不超过 1800V。这里采用美国 Ultravoh 公司的高压电源模块。其中“V”系列的型号为电源模块，能完全满足该设计的需求，其输入电压为 12V，输出电压为 01000V，控制电压为 05V，功率为。低功耗、体积小、重量轻，并带有输出电压监测和自保护电路。高压电源控制电路如图 3 所示。ARM 微处理器输出的控制信号经 D/A 转换后可输出 05V 的控制信号 V2，相应的高压电源模块即可输出 01000V 的电压。5 仿真及分析 为验证本设计是否能满足实验的需要，对电路进行软件仿真。因为 t=51，约为 500s 时认为充电电容充满，所以把开关频率设置为 1kH-z。仿真结果如图 4 和图 5 所示。图 4 中，高压电源输出为 725V，R1=10k，R2=100，C=F，得到的激励脉冲约为600V，宽度为 600ns。此脉冲满足本设计中超声波频率为时，探头对激励脉冲宽度的要求。图 5 中，当高压电源输出最大为 1000V，R1=10k，R2=100，C=F 时，得到的激励脉冲约为 830V，宽度为 600ns。由于带充电电阻器的高压直流电源效率不是很高，所以激励脉冲的电压也不能达到高压电源的电压。通过 ARM 微处理器发射不同频率和占空比的控制脉冲，可以控制发射电路发射宽度和重复频率可调的激励脉冲。6 结论 通过对发射电路工作原理以及各个元件作用的分析，得出了各个元件对超声波所起的不同作用，以及 ARM 的 PWM 模块如何对激励脉冲宽度和重复频率进行调制。经验证。该电路发射的超声波功率、脉冲宽度和重复频率均可调。能满足多种检测需求。