一种超声导波信号激励集成模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超声导波信号激励集成模块，包括多波形发生器、超声导波探头信号激励电源和超声导波探头，所述多波形发生器的输出端连接于所述超声导波探头信号激励电源的输入端，所述超声导波探头信号激励电源的输出端连接于超声导波探头的输入端；所述多波形发生器由相位累加器、波形控制器、波形存储器组、Sigma-Delta调制器、Butterworth滤波器和数据传输与控制接口组成。本实用新型利用波形存储器组和波形控制器配置固体介质中超声导波波形，实现多波形超声导波信号激励的高度通用性。
【专利说明】
一种超声导波信号激励集成模块
技术领域
[0001]本发明涉及无损检测领域和通信领域，特别涉及一种超声导波信号激励集成模块。
【背景技术】
[0002]绞线是由多股金属丝拧制而成的柔性构件，广泛应用于土建、交通、电力等行业的物料搬运机械或建筑结构中。在使用过程中，金属绞线由于各种损伤，如断丝、变形、锈蚀、磨损等，极易造成断裂失效，从而导致安全生产事故。管道作为中空的流体输送构件，广泛应用于化工、运输、土建等行业的流体传送设备中。运输管道所处的环境与运输的液体或气体通常具有微量腐蚀性，管道内外壁若受到腐蚀直至破裂，内部高压流体喷射而出，人民生命财产安全将受到威胁。
[0003]对于由绞线和管道等外形细长的构件构成的大型固体结构，如电网、炼油塔等，仅靠良好的制造质量并不能保证长时间持续服役，而现有的定期缺陷检测方法又会破坏其连续工作条件。伴随着超声在无损检测领域研究和应用的发展，超声导波无损检测技术体系逐步建立。利用超声导波探头在固体介质中激励超声导波信号，可以实现长距离、无损伤的缺陷检测。
[0004]超声导波激励集成模块一般由信号发生器、功率放大器和超声导波探头三部分构成。信号发生器用于产生特定的驱动信号，该驱动信号由功率放大器放大后用于驱动超声导波探头，在固体介质中激励超声导波。
[0005]现有的超声导波信号激励集成模块仅能在固体介质中激励出波形特定的超声导波，而不同的缺陷对不同超声导波波形的敏感度不同，由于超声导波波形的限制，结构中的部分缺陷无法准确检测，限制了超声导波无损检测技术的推广应用。同时，利用超声导波获得的大量结构完整性信息需要采取措施传输到数据终端存储和利用。常规的通信方式，如无线通信、光纤通信、电缆通信等，可用于数据传输，但是无法在极端环境，如深层土壤、密闭金属结构等中通信。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术中超声导波信号激励集成模块只能激励波形特定的超声导波用于检测特定结构缺陷的缺点与不足，并考虑到结合超声导波通信用于结构完整性信息传输，提供一种新型的超声导波信号激励集成模块。
[0007]本发明的目的通过如下技术方案实现:一种超声导波信号激励集成模块，包括:多波形发生器、超声导波探头信号激励电源和超声导波探头，所述多波形发生器的输出端连接于所述超声导波探头信号激励电源的输入端，所述超声导波探头信号激励电源的输出端连接于超声导波探头的输入端;所述多波形发生器由相位累加器、波形控制器、波形存储器组、S i gma -D e 11 a调制器、Bu 11 e r wo r t h滤波器和数据传输与控制接口组成;所述相位累加器、波形控制器、波形存储器组、Sigma-De I ta调制器和Butterworth滤波器依次连接。
[0008]优选地，所述超声导波信号激励集成模块具有通信工作模式，在所述通信工作模式下，所述波形控制器与通信电路相连。
[0009]优选地，所述波形存储器组存储了多种基本数字波形信号，包括正弦波、三角波、矩形波。
[0010]优选地，所述波形存储器存储了用户自定义波形信号和结构完整性信息。
[0011]优选地，所述超声导波探头信号激励电源包括微弱信号放大器、高压功率放大器和高压功率开关变换器，其中所述微弱信号放大器和所述高压功率开关变换器都与所述高压功率放大器连接。
[0012]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0013]1、本发明利用波形存储器组和波形控制器配置固体介质中超声导波波形，实现多波形超声导波信号激励的高度通用性。
[OOM] 2、本发明利用Sigma-Delta调制器和Butterworth滤波器完成数字波形信号到模拟波形信号的转换过程，无需额外的数模转换器。
[0015]3、本发明采用微弱信号放大器和高压功率放大器两级放大器的形式，实现微弱模拟波形信号的高压功率放大。
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述的超声导波信号激励集成模块的结构示意框图。
[0017]图2为经功率放大且驮载了结构完整性信息的二进制相移键控信号波形图。
[0018]元件标号说明
[0019]I多波形发生器
[0020]2超声导波探头信号激励电源
[0021]3超声导波探头
[0022]11相位累加器
[0023]12波形控制器
[0024]13波形存储器组
[0025]14 Si gma-De Ita调制器
[0026]15 Butterworth滤波器
[0027]16数据传输与控制接口
[0028]21高压功率开关变换器
[0029]22微弱信号放大器
[0030]23高压功率放大器
【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0032]图1是本发明所述超声导波信号激励集成模块的结构示意框图。所述超声导波信号激励集成模块包括:多波形发生器1、超声导波探头信号激励电源2和超声导波探头3，所述多波形发生器的输出端连接于所述超声导波探头信号激励电源的输入端，所述超声导波探头信号激励电源的输出端连接于超声导波探头的输入端。
[0033]多波形发生器I由相位累加器(PAH1、波形控制器(WSC)12、波形存储器组(WSMG)13、Sigma-Delta调制器(SDM) 14、Butterworth滤波器(BF) 15和数据传输与控制接口 16组成。波形存储器组(WSMG)13存储多种基本波形，包括正弦波、三角波、矩形波等，通过波形控制器(WSC)12将特定波形，如由计算机生成的各种检测脉冲、利用超声导波获得的结构完整性信息等，存储进波形存储器组(WSMG)13，再由波形控制器(WSC)12选择需要发生的波形。由于后续在固体介质中激励的超声导波依赖波形存储器组(WSMG)13和波形控制器(WSC)12的配置，因此实现了超声导波的多波形激励。相位累加器(PA) 11连接于波形存储器组(WSMG)13输入端，相位累加器(PA)Il不断进行相位累加操作，输出为波形存储器组(WSMG)13中存储数字波形信号的相位，通过该相位进行查表操作，输出对应数字波形信号的幅值。波形存储器组(WSMG) 13的输出端连接于Sigma-Delta调制器(SDM) 14的输入端，多位的数字波形信号在Sigma-Delta调制器(SDM) 14内经过Sigma-Delta调制，输出I位的二进制Sigma-De I ta调制信号。Si gma-De I ta调制器(SDM) 14的输出端连接于Butterwor th滤波器(BF) 15的输入端，Butterworth滤波器(BF) 15对输入的I位二进制Sigma-Delta调制信号进行平坦的带通滤波操作，将I位二进制Sigma-Delta调制信号中的低频分量和高频分量滤除，得到所需的模拟波形信号。
[0034]具体地，在本实施例中，多波形发生器I除却Butterworth滤波器(BF)15外其余均米用Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208C8型FPGA设计，Butterworth滤波器(BF)15和微弱信号放大器(WSA)22采用集成运放0P482设计。
[0035]更进一步地，在本实施例中，集成模块通电后，选择超声导波信号激励集成模块的工作模式，即检测模式或通信模式。在检测模式下，波形控制器(WSC)12通过数据传输与控制接口 16与计算机相连，上位机生成的数字波形信号经数据传输与控制接口 16在波形控制器(WSC)12的控制下存储进波形存储器组(WSMG)13中的一个波形存储器，并将相位累加器(PA)(Il)与该波形存储器相连，也可以选择波形存储器组(WSMG)13中的基本波形。在通信模式下，波形控制器(WSC)12通过数据传输与控制接口 16与通信电路相连，通信电路的作用为处理结构完整性信息，包括分组、编码、调制、组帧等。经过通信电路处理后的结构完整性信息，包括固体结构中缺陷的三维位置、立体形状和体积，以及固体结构各部分的温度、应力状况等，在波形控制器(WSC)12的控制下存储进波形存储器组(WSMG)13中的一个波形存储器，并将相位累加器(PA)(Il)与该波形存储器相连。
[0036]具体地，在本实施例中，相位累加器(PA)(Il)不断进行相位累加操作，输出波形存储器组(WSMG) 13中存储数字波形信号的相位，通过该相位进行查表操作，输出对应数字波形信号的幅值。在检测模式下，输出为用户自定义波形信号或者某一个选定的基本波形;在通信模式下，输出为经过处理的结构完整性信息。该输出幅值为多位的二进制信号，需要经过数模转换后才能转换为模拟信号，否则不能直接用于高压功率放大。
[0037]更进一步地，在本实施例中，波形存储器组(WSMG) 13的输出端连接于Sigma-Delta调制器(SDM) 14的输入端，多位的数字波形信号在Sigma-Delta调制器(SDM) 14内经过Sigma-De I ta调制，输出I位的二进制Si gma-De I ta调制信号。该S i gma-De I ta调制信号包含模拟波形信号的所有信息，同时包含有大量的低频噪声和高频噪声，将该Sigma-Delta调制信号送入Butterworth滤波器(BF) 15，进行平坦的带通滤波操作，将I位二进制Sigma-Delta调制信号中的低频分量和高频分量滤除，得到所需的模拟波形信号。经过Sigma-Delta调制器(SDM) 14和Butterworth滤波器(BF) 15，数模转换过程结束，因此不需要额外的数模转换器。
[0038]超声导波探头信号激励电源2由高压功率开关变换器(HVPSC)21、微弱信号放大器(WSA)22和高压功率放大器(HVPA)23组成。其中高压功率开关变换器(HVPSC)21用于将低压大电流直流电通过开关电路转换为高压小电流直流电，该高压小电路直流电为高压功率放大器(HVPA)23的供电电源，使得该超声导波信号激励集成模块在特殊环境下能脱离电网，使用电池运作。多波形发生器I连接于超声导波探头信号激励电源2的输入端。经过Butterworth滤波器(BF)15获得的模拟波形信号在超声导波探头信号激励电源2中首先送入微弱信号放大器(WSA)22进行幅值放大，得到幅值放大信号。微弱信号放大器(WSA)22的输出端连接于高压功率放大器(HVPA)23的输入端。高压功率放大器(HVPA)23对幅值放大信号进行功率放大，以使得获得的功率放大信号有足够的电压和功率来驱动超声导波探头3，为了提升高压功率放大器(HVPA)23的稳定性，在高压功率放大器(HVPA)23的输入端和输出端之间配置了电容反馈网络。
[0039]进一步地，在本实施例中，调节微弱信号放大器(WSA)22的放大倍数，使微弱信号放大器(WSA)22工作在线性范围。经过Butterworth滤波器(BF) 15获得的模拟波形信号在超声导波探头信号激励电源2中首先送入微弱信号放大器(WSA)22进行幅值放大，得到幅值放大信号。调节高压功率放大器(HVPA)23的放大倍数，并且调节电容反馈网络的电容大小，使得超声导波探头3处于稳定状态。高压功率放大器(HVPA)23对幅值放大信号进行功率放大，以使得获得的功率放大信号有足够的电压和功率来驱动超声导波探头3。高压功率开关变换器(HVPSC)21将低压大电流直流电通过开关电路转换为高压小电流直流电，该高压小电流直流电为高压功率放大器(HVPA)23的供电电源，使得超声导波信号激励集成模块在特殊环境下能脱离电网，使用电池运作。图2为经功率放大且驮载了结构完整性信息的二进制相移键控信号波形图，其幅值为± 140V。
[0040]更进一步地，在本实施例中，微弱信号放大器(WSA)22采用集成运放0P482设计，高压功率放大器(HVPA)23采用Apex公司的高压功放PA78EU设计。
[0041]超声导波探头信号激励电源2连接于超声导波探头3的输入端。为使功率放大信号利用率达到最大，在超声导波探头3内部配置了阻抗匹配网络以平衡超声导波探头3内压电陶瓷片等效电路的阻抗。
[0042]进一步地，在本实施例中，所述超声导波探头3包含压电陶瓷片、半密闭金属盒以及封装剂，压电片封装与金属盒中以隔绝辐射干扰，金属盒开口处用封装剂密闭以隔绝外界环境，超声导波探头3可通过超声耦合剂，如油基耦合剂、水基耦合剂等与固体结构紧密接触，并且固定在固体结构表面，保持固体结构静止且不因在超声导波探头(3)的作用之下出现振动。
[0043]更进一步地，在本实施例中，超声导波探头3所包含的压电陶瓷片材料为PZT-5，集成模块采用12V磷酸铁锂动力电池供电。
[0044]被高压功率信号驱动的超声导波探头3即在固体结构中激励出超声导波，超声导波波形由波形存储器组(WSMG)13中的数字波形信号决定，由此实现了多波形超声导波的激励。
[0045]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种超声导波信号激励集成模块，其特征在于，包括多波形发生器、超声导波探头信号激励电源和超声导波探头，所述多波形发生器的输出端连接于所述超声导波探头信号激励电源的输入端，所述超声导波探头信号激励电源的输出端连接于超声导波探头的输入端；所述多波形发生器由相位累加器、波形控制器、波形存储器组、Sigma-Delta调制器、Butterworth滤波器和数据传输与控制接口组成;所述相位累加器、波形控制器、波形存储器组、Sigma-Delta调制器和Butterworth滤波器依次连接;所述数据传输与控制接口与波形控制器和波形存储器组连接。2.根据权利要求1所述的超声导波信号激励集成模块，其特征在于，所述波形存储器组存储了多种基本数字波形信号，包括正弦波、三角波、矩形波。3.根据权利要求1所述的超声导波信号激励集成模块，其特征在于，所述波形存储器存储了用户自定义波形信号和结构完整性信息。4.根据权利要求1所述的超声导波信号激励集成模块，其特征在于，所述超声导波探头信号激励电源包括微弱信号放大器、高压功率放大器和高压功率开关变换器，其中所述微弱信号放大器和所述高压功率开关变换器都与所述高压功率放大器连接。
【文档编号】G01N29/34GK205426862SQ201521030075
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月10日
【发明人】洪晓斌, 许维蓥
【申请人】华南理工大学