超聲波無(wú)損檢測(cè)作為鐵道機(jī)車車輛檢修領(lǐng)域的重要方法在保證零部件性能安全與穩(wěn)定方面起著重要的作用，然而，目前廣泛使用的模擬式超聲檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足快速發(fā)展的軌道車輛及其部件的檢測(cè)要求，因此，研究并設(shè)計(jì)數(shù)字化、智能化、小型化的超聲檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于拓展超聲檢測(cè)技術(shù)在鐵道機(jī)車車輛領(lǐng)域中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)論是模擬式或數(shù)字式超聲探傷儀，都是由超聲波傳感器發(fā)出一定頻率的超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波在實(shí)際介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衰減。為了補(bǔ)償因隨著傳播距離增加而損失的回波信號(hào)的由散射衰減和吸收衰減產(chǎn)生的能量損失，減少對(duì)傷情檢測(cè)的誤差，對(duì)于相同性質(zhì)的傳播介質(zhì)，必須根據(jù)深度或者波的傳播時(shí)間長(zhǎng)短，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大器增益，使不同深度的缺陷信號(hào)，顯示出相同的幅值。

為了解決信號(hào)衰減的問題，需要設(shè)計(jì)出可靈活控制放大回波信號(hào)增益倍數(shù)的電路，使缺陷在任何深度都顯示出相同的幅值。因此，與傳統(tǒng)的模擬電路相比，在這里，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)數(shù)字式可控增益電路配合PLL數(shù)字鎖相環(huán)管理模塊能更靈活地控制增益范圍與時(shí)序精度，使得采用數(shù)字化手段控制模擬量放大成為可能。

1 系統(tǒng)概述與框圖

手持式動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架超聲波探傷儀系統(tǒng)以超聲探頭為傳感器件，Xilinx的 XC6SLX16型 FPGA為主要控制與處理芯片，具體如框圖1所示。系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，F(xiàn)PGA通過(guò)通信接口與上位機(jī)通信，接到上位機(jī)的采集開始命令后，通過(guò)存儲(chǔ)在Flash內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行初始化，如果，打開超聲波探頭發(fā)射電路，讓接收電路接收回波信號(hào)，設(shè)置重復(fù)脈沖頻率等。由高壓電源通過(guò)激勵(lì)模塊的激勵(lì)與發(fā)射電路產(chǎn)生高壓窄脈沖后，激發(fā)超聲探頭的壓電晶片產(chǎn)生超聲波，超聲波在待測(cè)工件的內(nèi)部傳播后，會(huì)形成表面回波，缺陷回波和底面回波，連同著3種信號(hào)的回波信號(hào)由接收電路進(jìn)入到采集與預(yù)處理模塊后，進(jìn)行深度增益補(bǔ)償，和放大電路放大的預(yù)處理，再進(jìn)入處理與顯示模塊，進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)字檢波、數(shù) 據(jù)壓縮等再處理，最后通過(guò)F1系列芯片與上位機(jī)進(jìn)行USB到UART／FIFO轉(zhuǎn)換通信，在上位機(jī)上顯示檢測(cè)結(jié)果。

2 深度增益補(bǔ)償原理與電路設(shè)計(jì)

2．1 深度增益補(bǔ)償原理

同樣的缺陷當(dāng)其與探測(cè)面的距離不同時(shí)，回波幅值會(huì)有改變，在晶片的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，距離愈遠(yuǎn)，回波幅值愈低，這是由于聲束的擴(kuò)展和聲在材料中被衰減引起的，因此，需要對(duì)不同深度的回波電信號(hào)進(jìn)行不同程度的補(bǔ)償增益，這就是采用深度增益補(bǔ)償電路的目的，也就是用電子學(xué)的方法對(duì)之進(jìn)行補(bǔ)償，使處于不同深度處同樣大小的缺陷，其回波幅度在坐標(biāo)系上具有大致相同的回波幅度，這樣就會(huì)使遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的回波信號(hào)與近場(chǎng)區(qū)的回波信號(hào)幅值基本相同，不會(huì)因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的距離遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度衰減大，而沒有判斷到深度的缺陷，產(chǎn)生誤判漏判。隨著超聲波傳輸距離的增加會(huì)使總能量逐漸呈指數(shù)級(jí)衰減，因此，需要對(duì)不同深度的微弱(通常為A級(jí))的反射回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償增益并由放大電路放大，便于后級(jí)模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理顯示，其原理如圖2所示。

其中，圖 2(a)，(b)是補(bǔ)償前的示意圖，圖 2(C)，(d) 是補(bǔ)償后的示意圖，可以看出：經(jīng)過(guò)深度增益補(bǔ)償后，通過(guò)A型顯示方法，待測(cè)工件中不同深度處的缺陷將顯示出相同的幅度，不會(huì)因?yàn)樗p而造成當(dāng)量顯示的不足，而產(chǎn)生誤判。

一般對(duì)于平面余弦波來(lái)說(shuō) ，聲壓衰減規(guī)律可表示為

式中 P。為入射到材料界面上時(shí)的聲壓；P為超聲波在材料中傳播一段距離a后的聲壓；為衰減系數(shù)。

需要指出的是，對(duì)于大多數(shù)固體和金屬介質(zhì)來(lái)說(shuō) ，通常所說(shuō)的超聲波衰減，即由o／(衰減系數(shù))表征的衰減包括散射衰減a和吸收衰減，假設(shè)超聲波的來(lái)回傳播具體為20，則由公式(1)可得

從公式(3)可以看出，超聲波傳播距離與傳播介質(zhì)中的固有傳播速率和時(shí)間t有關(guān)，當(dāng)待測(cè)工件確定時(shí)，衰減系數(shù)和傳播速率就不會(huì)變化，所以，超聲波在傳播距離上幅度減少的分貝數(shù)與傳播時(shí)間t呈正比關(guān)系，因此，需要補(bǔ)償的幅值分貝數(shù)與傳播時(shí)間有著直接的關(guān)系，深度補(bǔ)償增益又稱作時(shí)間補(bǔ)償增益。

2．2 深度增益補(bǔ)償放大電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)

深度補(bǔ)償放大電路主要是由DAC902和軌到軌運(yùn)算放大器 OPA350以及D／A轉(zhuǎn)換芯片AD8330組成。DAC902的數(shù)字輸入部分由FPGA完成，并且由FPGA的IP核生成DCM時(shí)鐘管理模塊，利用PLL數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生DAC902芯片所需要的精確時(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)下，DAC902產(chǎn)生時(shí)序，開始D／A轉(zhuǎn)換工作，當(dāng)D／A轉(zhuǎn)換完成后，輸出的變化電壓量，輸入到可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8330的輸入端，根據(jù)輸入電壓與補(bǔ)償增益的線性關(guān)系圖，就可以實(shí)現(xiàn)深度增益補(bǔ)償功能。

DAC902是一種具有12位的分辨率能力，低噪聲低功耗的高速D／A轉(zhuǎn)換器，它的采樣速率最高可達(dá)165MSPS，且數(shù)據(jù)端口為并行，與FPGA通信方便。它具有較高的電流輸出阻抗(200kI1)一個(gè)20mA標(biāo)稱范圍，輸出符合最多1．25V。差動(dòng)輸出端允許是一個(gè)差分或單端模擬信號(hào)接口，緊密匹配的電流輸出確保出色的動(dòng)力性能差分配置。在如圖3電路中，它的12位 DA數(shù)據(jù)輸入端與XC6SLX16的引腳相連，電源端由電容起到濾波作用，數(shù)字地與模擬地已經(jīng)做好隔離，CLK端與FPGA引腳相連，這里使用5O％的占空比信號(hào)，以滿足高速轉(zhuǎn)換的性能需要。因?yàn)?DAC902比較特殊，沒有芯片使能端信號(hào)輸入，所以，從時(shí)序圖可以看出：它的數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換是由時(shí)鐘控制完成，這就更顯得FPGA產(chǎn)生精確時(shí)鐘控制的重要性，相比于其他微控制器，F(xiàn)PGA更能產(chǎn)生精確誤差極小的時(shí)鐘信號(hào)，配合時(shí)序工作，減少探傷誤差。

圖 3 深度增益放大電路設(shè)計(jì)

從圖3分析可得，DAC902輸出電流i，呈現(xiàn)差分形式，經(jīng)過(guò)電阻匹配，分壓后進(jìn)入電壓反饋運(yùn)算放大器OPA350中，由運(yùn)算放大器放大后的電壓信號(hào) ，進(jìn)入前置可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8330中進(jìn)行深度增益補(bǔ)償；之后，模擬輸出信號(hào)進(jìn)入LTC2249芯片進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再與 FPGA連接，完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。AD8330的補(bǔ)償電壓的供給是由 DAC902來(lái)實(shí)現(xiàn)的，DAC902的輸出電壓的算法如下：

通過(guò)式(6)的計(jì)算結(jié)果，可以看出，DAC902的輸出電壓是mA級(jí)的，所以，需要由后級(jí)的OPA350運(yùn)算放大器對(duì)電壓進(jìn)行放大，放大到后級(jí)AD8330電壓輸入端允許的電壓有效值才可以使模數(shù)芯片正常工作。此時(shí)，F(xiàn)PGA需要根據(jù)深度補(bǔ)償原理，如圖2所示，距離遠(yuǎn)的回波反射到接收電路的時(shí)間長(zhǎng)，距離近的回波反射到接收電路的時(shí)間短，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生由小到大數(shù)值不斷變化的數(shù)字信號(hào)，才可以控制DAC902產(chǎn)生不斷變化的電壓信號(hào)，進(jìn)而控制增益放大電路器件AD8330對(duì)輸入的微弱的回波信號(hào)模擬量進(jìn)行深度增益補(bǔ)償。另外，OPA350是一種軌到軌 CMOS運(yùn)算放大器，在電路中為了抑制噪聲，防止電源串入噪聲信號(hào)，在電源的進(jìn)線處還加了2只旁路電容器進(jìn)行了濾波，另外，因?yàn)锳D8330的輸入阻抗R=100Q，所以，加了前級(jí)放大器OPA350以提高輸入阻抗，增加后級(jí)電路的匹配能力。

AD8330是一種低功耗、電壓控制型可變?cè)鲆娣糯笃鳎?與AD603，AD8331相比具有更大的恒帶寬為150MHz，它的基本增益范圍是0—50dB，最高值可以提高20dB(即20-70dB)，最低值可以降低30dB(即-30一+20dB)，從而提供了前所未有的100dB增益范圍。

2．3 A／D轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)進(jìn)行深度增益補(bǔ)償放大電路的處理后，回波模擬信號(hào)由AIN±引腳進(jìn)入LTC2249，開始A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，輸入到XC6SLX16中，再做進(jìn)一步數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)字濾波、檢波、數(shù)字壓縮、抽點(diǎn)等一系列算法，以便與上位機(jī)通信，顯示較為清晰的傷情信息。電路原理圖如圖4所示

圖 4 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

LTC2249是一種專為對(duì)高頻、寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理而設(shè)計(jì)的l4位 8OMSPS、低功率3VA／D轉(zhuǎn)換器。一個(gè)單端時(shí)鐘輸入引腳由FPGA的DCM時(shí)鐘管理模塊負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)換器的時(shí)序操作，其中，任選的時(shí)鐘占空比穩(wěn)定器可在寬時(shí)鐘占空比范圍內(nèi)以全速運(yùn)行的條件下與前級(jí)可變?cè)鲆娣糯箅娐放浜咸峁└咝阅艿霓D(zhuǎn)換速率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在本電路中，實(shí)驗(yàn)的思想是：利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器向超聲波探傷儀電路板的接收端發(fā)送正弦波信號(hào)，在上位機(jī)界面上觀察輸出波形并判斷深度增益補(bǔ)償放大電路的設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)USB到UART／FIFO轉(zhuǎn)換電路芯片F(xiàn)T2232完成FPGA到上位機(jī)的接口通信，用正弦波模擬的超聲回波信號(hào)經(jīng)過(guò)深度增益補(bǔ)償電路傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后，經(jīng)過(guò)上位機(jī)軟件的一系列處理，可以在顯示界面區(qū)域觀察其波形。在這里，向探傷儀發(fā)送頻率5MHz、峰峰值2mV的正弦波，當(dāng)增益初值設(shè)為34dB時(shí)，并設(shè)置步進(jìn)為5dB的3種不同增益，觀察其幅值變化。

4 結(jié) 論

利用XilinxISE12．3集成開發(fā)環(huán)境，完成對(duì)深度增益補(bǔ)償程序的輸入、仿真、綜合，通過(guò) Testbench編寫的驗(yàn)證后，再結(jié)合電路設(shè)計(jì)，在電路板上調(diào)試，達(dá)到與上位機(jī)通信的目的，最后實(shí)現(xiàn)了深度增益補(bǔ)償放大電路的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：在電路的輸入端加入頻率為5MHz、峰峰值為2mV的正弦波激勵(lì)后，在上位機(jī)上設(shè)置步進(jìn)為5dB 的3種不同增益后，觀察其幅值變化，從上位機(jī)接收到的正弦波信號(hào)幅值增加l倍，這說(shuō)明超聲波探傷儀可以順利地采集與傳輸并在上位機(jī)上顯示信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的放大增益，使衰減得到補(bǔ)償。

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