一種基于FPGA的A超數字式探傷系統的研究

超聲波是一種機械波，機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。超聲波在媒介中傳播，有波的疊加、反射、折射、透射、衍射、散射及吸收衰減等特性，一般遵循幾何光學的原則。A超探傷儀采用幅度調制（Amplitude Modulation）顯示，在顯示屏幕上以橫坐代表被測物的深度，縱坐標代表回放脈沖的幅度。

　　超聲波探傷的方法很多，按其原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。本系統采用脈沖反射法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發射脈沖到被檢測試塊內，根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等，這里只介紹缺陷回波法。圖1是缺陷回波法示意圖。當試件完好時，超聲波可順利傳播到達底面，探傷圖形中只有表面發射脈沖T及底面回波B兩個信號，如圖1（a）所示；若試件中存在缺陷，在探傷圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如圖1（b）所示。

　　整個系統的硬件原理結構如圖2所示，主要包括模擬和數字兩部分，以下分別介紹。

　　1 模擬部分

　　該系統的模擬部分主要由發射電路、限幅機構、高頻放大、帶通濾波、檢波等幾部分組成。

　　發射電路主要用來產生高壓窄脈沖信號（400V），以激勵超聲波探頭發射超聲波。由于不同探頭的諧振頻率不同，所以要求脈沖激勵信號的寬度可調。在發射電路的設計中，由FPGA提供給發射電路低壓可調脈寬的激勵信號，再由發射電路將其轉換為高壓的窄脈沖激勵信號，其脈沖寬度可變。

　　隔幅機構是對某些過大的回波電信號進行電壓幅值的限制，以免電壓過大影響后繼高頻放大器的正常工作，甚至燒毀電路器件。限幅電路的限幅幅值為±3V左右。

　　高頻放大電路用來對回波電信號進行放大，放大范圍可從-10dB到110dB。由于測試對象鋼板的厚度不一，故回波信號的強弱也不定。所以，要把高頻放大電路設計成可以動態控制增益值的程控放大電路，可通過MCU來實現。

　　帶通濾波電路對信號放大過程中引入的噪聲進行控制。由于超聲探頭的發射頻率范圍較寬（400kHz～10MHz），如果使放大器通帶范圍固定為400kHz～10MHz，勢必影響濾波效果。在本文中，設計了可程控的兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz。

　　超聲波探傷系統回波波形的顯示方式通常有兩種：射頻顯示（不檢波顯示）和視頻顯示（檢波顯示），如圖3所示。射頻顯示可以保持波形狀態，有助于缺陷性質的識別；而視頻顯示則有利于峰值采集，以便確定缺陷當量。為了分別滿足這兩種顯示的要求，在設計中加入了檢波與非檢波的切換電路，電路的切換受MCU控制。