一种基于超声背散射的多用途检测系统

1.本实用新型涉及无损检测设备技术领域，具体为一种基于超声背散射的多用途检测系统。


背景技术：

2.目前超声检测技术被用于近80％的无损检测，其优点是穿透性强，可以对检测物体的缺陷进行精确定位，由于超声波可以穿透很多不透光的物体，所以利用超声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声检测技术将这些信息变成人眼可见的特性指标。
3.对于同一被检测物体，利用不同的声学参量，例如声阻抗率、声速或声衰减等，可以了解材料介质的特性。超声波无损检测技术分析声波的指向性比较好，其超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息，超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧以及成本低廉，可即时得到探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在线检查。超声法检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能以及重复性良好。
4.但是现阶段，大多数超声无损检测方法在实际检测时结构较为繁琐，不仅提高了系统的成本和复杂度，并且诸多检测系统中，其数据传输速度较慢，受到限制，影响工作效率。
5.为此，本实用新型研发了一种基于超声背散射的多用途检测系统。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于超声背散射的多用途检测系统，解决了上述背景技术中提出的问题。
8.(二)技术方案
9.为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种基于超声背散射的多用途检测系统，包括检测物体、供电模块、控制模块、显示模块，还包括传感器模块，所述控制模块包括fpga处理器和arm主控制器，所述fpga处理器与arm主控制器通过4条传输线连接，所述传感器模块包括超声探头和接收发电路。
10.可选的，所述供电模块的电压范围为1.2
‑
5v，优选低压差线性稳压器、开关式dc
‑
dc稳压器或开关式电源模块。
11.可选的，所述供电模块分别与传感器模块、控制模块以及显示模块电性连接。
12.可选的，所述显示模块采用pc机。
13.可选的，所述检测物体与超声探头之间设置有耦合剂。
14.可选的，所述显示模块的表面分别设置有电源和开关，所述显示模块与超声探头
通过导线连接。
15.可选的，所述超声探头包括压电晶片、保护膜以及吸收块。
16.可选的，4条所述传输线包括串行时钟线、主机输入和从机输出数据线、主机输出和从机输入数据线以及从机选择线。
17.(三)有益效果
18.本实用新型提供了一种基于超声背散射的多用途检测系统，具备以下有益效果：
19.该基于超声背散射的多用途检测系统，仅使用一个超声探头实现对物体的检测，具有小型化和集成化的特点，降低了成本和复杂度，同时可对不同的物体材料通过不同的技术指标可以有效分析物体的特性和状态，并且arm处理器通过spi3连接方式与fpga芯片进行通信，选用4条传输线连接，在主控制器器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，数据传输速度比i2c总线要快，数据传输速率高，进而提高了数据传输速度和工作效率。
附图说明
20.图1为本实用新型整体结构示意图；
21.图2为本实用新型超声探头内部结构示意图；
22.图3为本实用新型耦合剂结构示意图；
23.图4为本实用新型背散射原理示意图；
24.图5为本实用新型控制模块示意图；
25.图6为本实用新型水中钢板检测显示波形示意图；
26.图7为本实用新型人体松质骨根骨部位检测波形示意图；
27.图8为本实用新型供电模块框架示意图
28.图中：1、超声探头；101、压电晶片；102、保护膜；103、吸收块；104、匹配电感；105、输入端；106、接地端；107、壳体；2、检测物体；3、耦合剂；4、控制模块；401、arm主控制器；402、fpga处理器；5、导线；6、显示模块；7、电源；8、开关。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
30.请参阅图1至图8，本实用新型提供一种技术方案：一种基于超声背散射的多用途检测系统，包括检测物体2、供电模块、控制模块4、显示模块6，还包括传感器模块，控制模块4包括fpga处理器402和arm主控制器401，fpga处理器402与arm主控制器401通过4条传输线连接，传感器模块包括超声探头1和接收发电路，由控制模块4进行控制，控制模块4负责在整个系统的运行，对接收的背散射信号进行处理，显示模块6将处理好的信号进行显示，将信号分析出的各项指标在界面显示；
31.fpga处理器是402本系统的核心处理器之一，其功能包括高速数据接收、超声回波信号数据存储、和arm主控制器401之间的通信、a/d转换器的控制以及超声探头1高压激励控制信号的产生、传感器的控制；
32.fpga处理器402选用xc3s1000型号，容量为100万门，工作频率为80mhz，fpga处理器402在整个控制模块4中充当从机角色，对传感器模块采集传输的数据进行处理，将处理好的数据信息发送给arm主控制器401；其中arm和fpga之间采用spi3连接方式实现通信传输；
33.arm主控制器401采用at9lrm9200型号作为主控制器，工作环境基于arm920t内核，主频为180mhz，采用开源的linux操作系统，编程环境友好。
34.接收发电路的核心包括高压激励信号的产生，超声回波信号的隔离、限幅、缓冲电路。由于输入系统的被测信号的电压幅值可能会很高，无法直接对被测信号进行采集处理，因此本系统相比其他检测系统设计了信号调理电路对输入系统的模拟信号进行滤波处理和幅值控制，保护系统正常工作。
35.本实用新型中，供电模块的电压范围为1.2
‑
5v，优选低压差线性稳压器、开关式dc
‑
dc稳压器或开关式电源模块，整个硬件平台arm和fpga芯片均是3.3v直流电输入，因此，整个硬件系统的供电模块设计上设计专门的dc
‑
dc电路实现3.3v电源稳压，保证整个硬件系统的供电稳定。本实用新型专利设计了3.3v
‑
5v电源之间的转换电路，确保电源质量，以满足硬件平台的电源要求。
36.本实用新型中，供电模块分别与传感器模块、控制模块4以及显示模块6电性连接。
37.本实用新型中，显示模块6采用pc机，在控制中作为上位机，用于后级下位机arm的控制和管理。上位计算机主要用于人机交互，完成对显示控制电路的显示数据发送以及设置led显示屏的显示效果。用户在上位机上通过控制软件将编辑好的文字图片信息和相应的控制命令通过串行通信传输至系统的控制电路部分，led显示屏即可根据用户选择的方式循环显示用户编辑好的文字和图片，该系统还具有脱机显示的功能，用户将显示的内容传送至显示控制电路部分后，上位计算机可以不再介入显示的过程，显示系统可以根据用户设定的模式显示所要显示的信息内容。数据转换信号控制部分采用arm主控制器401实现，led显示屏的扫描驱动电路采用fpga处理器402来完成。上位机与下位机之间的通信采用标准的rs232/rs485计算机数据串行通信方式，二者相对独立，但相互间协调工作。显示屏以led为像素，由led点阵显示单元拼接而成的，本设计的显示屏为16行&times；256列，采用640&times；480点阵结构。。
38.本实用新型中，检测物体2与超声探头1之间设置有耦合剂3。
39.本实用新型中，显示模块6的表面分别设置有电源7和开关8，显示模块6与超声探头1通过导线5连接。
40.本实用新型中，超声探头1包括压电晶片101、保护膜102、吸收块103和壳体107，其内部还设置有匹配电感104，匹配电感104的顶端与输入端105连接，输入端105的一侧设置有接地端，保护膜102的功能是避免晶片与工件直接接触而磨损晶片，同时也保护晶片不被碰伤，还作为中间介质以改善透声性能；
41.吸收块103主要有以下三个方面的功能：作为支承晶片的背衬材料、吸收晶片向背面发射的声波和抑制杂波、吸收晶片的振动能量，缩短晶片的振铃时间，使晶片被发射脉冲激励后能很快停止下来，起到降低机械q值(qm)的作用，以保证波形不失真和分辨率的要求。
42.本实用新型中，4条传输线包括串行时钟线、主机输入和从机输出数据线、主机输
出和从机输入数据线以及从机选择线。
43.该实用新型的基于超声背散射多用途检测系统基于背散射原理对不同物体通过背散射波信号进行分析，背散射机理如下：
44.超声波的散射是当声波传播过程中遇到其线度接近或小于声波波长的障碍物时，反射波就不再是平面波，而是向各个方向散射出去，这种情况与界面的反射大不相同，这就是声散射。除了声的吸收以及反射，其它的原因引起声场的变化，都可以理解为散射。超声波在生物组织中的衰减主要由吸收与散射组成。超声波的散射有一个重要条件，即反射界面对于超声波波长来说是无限大的:d>>λ。当d与λ可比，则发生绕射；当d<<λ，则发生散射。d代表反射界面距离，λ代表超声波波长。
45.arm主控制器401和fpga处理器402之间的spi通信方式是在主机和外围低速器件之间进行同步串行数据传输的一种方式，在主控制器器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，数据传输速度比i2c总线要快，数据传输速率高，该接口方式一般使用4条线：串行时钟线sclk、主机输入和从机输出数据线miso、主机输出和从机输入数据线mosi以及低电平有效的从机选择线cs。该连接方式的优点在于：
46.(1)当有多个spi从设备与spi主机相连时，设备的其它信号线sck、mosi及miso同时并联到相同的spi总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线；
47.(2)每个从设备都有独立的一条cs信号线，cs信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条cs片选信号线。
48.(3)spi协议中没有设备地址，是通过使用cs信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的cs信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行spi通讯。所以spi通讯以cs线置低电平为开始信号，以cs线被拉高作为结束信号。
49.(4)sck作为时钟信号线，用于通讯数据同步。由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样。
50.整个检测系统的控制模块主从机之间的工作模式如下：spi在sclk时钟信号线控制下通过移位寄存器，每个sclk时钟周期传输1字节的数据，共有四种工作模式,各个工作模式的不同在于sclk不同,具体工作由时钟极性cpol,时钟相位cpha决定。
51.(1)cpol：决定时钟空闲时的电平为高或低；
52.(2)1＝时钟低电平时有效，空闲时为高
53.(3)0＝时钟高电平时有效，空闲时为低
54.(4)cpha：定义spi数据传输的两种基本模式
55.0代表时钟周期的上升沿采集数据，时钟周期的下降沿输出数据；1代表时钟周期的下降沿采集数据，时钟周期的上升沿输出数据。
56.综上所述，该基于超声背散射的多用途检测系统，工作流程如下：
57.超声探头1接收到背散射回来的信号时，arm主控制器401对采集到的背散射信号进行算法处理，计算出相应的背散射信号参数指标，之后arm主控制器401进行算法处理，包括：从fpga读取完整采集的背散射信号、对采集到的信号采用解调滤波器进行处理，恢复出未经调制的背散射信号、对恢复后的背散射信号进行滤波，使信噪比得以增强、对增强后的背散射信号采用时频分析算法进行处理，并计算背散射参数指标；再根据这些参数给出判
断结果，并显示在led显示器上。
58.该实用新型的多用途之处在于对不同的物体材料通过不同的技术指标可以有效分析物体的特性和状态：
59.(1)非金属材料的超声波检测衰减大，比如橡胶、塑料等材料可以通过超声波在非金属材料中接收背散射波信号的衰减系数作为技术参考指标分析材料的相关特性。
60.(2)金属材料通过超声探头1发射超声波，经过耦合剂3入射到检测物体2中传播，遇到缺陷或者不同结构时散射回来，背向散射波被探头接收。根据接受波在显示屏上的位置和波幅高低判断缺陷的大小和位置。可以对圆形钢管、钢板、工业金属根据接收的超声波的特征，评估物体本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。
61.(3)在生物医学检测上可以对人体松质骨骨骼部位进行骨质诊断评价。
62.arm主控制器401通过spi3连接方式与fpga处理器402进行通信，arm主控制器401充当控制模块4中的主控制器，fpga处理器402充当副控制器，通过spi3通信方式向fpga副控制器发送控制命令，并通过该通信方式从fpga处理器402获取采集到的背散射信号。
63.fpga处理器402根据arm主控制器401发过来的命令通过控制高压脉冲发射电路、高压隔离电路、调理电路和a/d转换电路，控制电路产生相应的信号时序；超声探头1发射出的超声信号穿过物体和超声探头1间的耦合剂3到达被检测物体2，根据散射机制，背向散射的超声信号穿透超声耦合剂3被超声探头1接收，并转换为电信号，该信号经过高压隔离电路，再经过调理电路进行滤波和放大，到达a/d转换电路；fpga处理器402控制a/d转换电路将接收的背散射信号转换为数字信号，采集到fpg处理器402a内部的存储区进行缓存，然后再发回给arm主控制器401进行相应算法处理。
64.本实用新型的基于超声背散射多用途检测系统通过探头检测物体，沿着不同平面区域全方位对物体进行检测，通过控制器模块的处理获得背散射信号波形，最后输入到显示模块6，就可以直观看到检测波形和相应技术参数指标。
65.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。