專利名稱：全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超聲無損檢測裝置，尤其涉及一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦變焦裝置。
傳統的數字式超聲無損檢測儀器，也可采用多探頭(多陣元)的超聲無損檢測，也不存在聚焦和變焦，只是通過超聲波的不同角度的發射和從不同的角度接收回波信號，這些接收的回波信號互相沒有關聯或沒有必然聯系，形成的單幅或多幅A超曲線是互不相關的，然后對取得的被測數據進行數據處理，判別缺損性質。由于不存在聚焦和變焦，測量工件如要從不同角度進行無損檢測，則需要改變與振元相耦合的鍥塊的不同角度，或改變不同的測量位置，形成不同的檢測聲束，因此，對于自動檢測將帶來更多困難。既便如此，也只有產生有限的角度和聲束的變化不可能形成任意角度和聲束的檢測。
傳統的數字式醫用超聲波檢測裝置采用單探頭(多陣元線陣)的超聲醫用診斷儀。通常，采用若干固定聚焦點對人體進行掃查，形成B超圖像，構成人體解剖結構圖，然后判斷掃查結果，每次選擇固定數量的陣元對人身的某個區域進行定聚焦的往復掃描，主要是采用固定延遲線參數的不同來形成超聲波的聚焦也可以由凸陣機械聚焦方法形成B超圖像。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種在單探頭(多陣元線陣、多陣元面陣)或多個探頭(多個多陣元線陣、面陣)的機械物理位置不變的情況下，實現多個角度、多個聚焦點、多種變焦方式對被檢測物體進行電子掃描，即實現動態的聚焦、變焦的方式，對被檢測對象進行相控陣超聲無損檢測；本實用新型的技術方案是全數字式相控陣超聲無損檢測裝置，包括接口電路及分別與接口電路相連接的嵌入式電腦、高速DSP數據處理器、微處理器，該裝置還包括一可編程門陣列芯片，該可編程門陣列芯片內貯留同步電路及接口電路、該裝置還包括分別與接口電路相連接的可編程延遲線、發射控制通道切換器、接收控制通道切換器，所述的同步電路發送同步信號給可發射控制通道切換器以控制輸出信號。上述電路的構成是采用可編程邏輯電路來實現，大規模可編程邏輯電路的高速性，有力地支持了全數字式相控陣超聲波聚焦、變焦的控制，因此本實用新型的特征的實現是采用以高速大規模可編程邏輯電路為主的電路設計、制造的。
本實用新型的優點是全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置采用相控陣技術自動變焦、聚焦進行超聲無損檢測，將回收的超聲波信號進行調相處理，有效地提取相關信號，形成A超曲線、B超圖像、C超圖像。本實用新型與現有技術相比，本實用新型采用相控陣技術實現動態、全自動的聚焦、變焦，是傳統超聲無損檢測儀所不具備的。本實用新型具有高速、可編程方式的特征，適用各種不同主機的控制接口，適用性強，適用于各種不同類型全數字式超聲無損檢測系統。
與傳統超聲無損檢測裝置比較其優點是明顯的(1)可以有效地將多個被選擇的振元組成一個角度可變、聲束可變的超聲束對被測工件進行檢測，也就是可從不同角度對工件進行檢測。
(2)可以有效地將超聲波的能量聚焦于作用于被檢測點，形成一個超聲能量較強的焦柱區，有利于增強無損檢測的信噪比。在一個能量較強的焦柱區提取相關的超聲波回波信號，進行相關數據處理。
(3)可以在機械物理位置不變的情況，形成多種角度和多種聲束對工件進行檢測，因此可以很方便地用于和組成自動超聲無損檢測系統。
本實用新型的還可使用單個探頭或多個探頭，單個陣元或多個陣元對被測對象進行超聲無損檢測，達到傳統超聲無損檢測儀的功能，也就是本實用新型的技術涵蓋了傳統超聲無損檢測儀的功能，從單個或多個方向、角度發射超聲波進行檢測并從單個或多個方向角度回收超聲波信號，進行數據處理，形成單幅或多幅互不相關的超聲波A超曲線。
所述的現場可編程門陣列(FPGA)芯片4由一片芯片來實現，在本實施例中采用XC2S100現場可編程門陣列芯片，包括接口電路41、同步電路42。
所述的變頻電路5采用DS1023可編程延遲線構成的。
所述的聚焦變焦參數方案庫6由一片存貯器芯片來實現，在本實施例中采用DS1245NVRAM芯片。
所述的可編程數字延遲線7可構成相控制陣發射控制，在本實施例中共設有32片DS1023可編程數字延遲線7，以控制32個通道的發射操作。
在本實施例中發射通道切換器9包括2片XC95216現場可編程邏輯電路，實現32個通道轉換為128路(32×4)通道的切換操作，接收通道切換器8也包括2片XC95216現場可編程邏輯電路，實現128路接收切換成32個通道的接收，即可以由各不相同的32個通道同時發射，組成相控陣電子掃描，實現動態聚焦、變焦操作，并且由32個通道同時接收超聲波回波、透射波信號，通過相控陣調相技術提取相關信號實現動態電子掃描，完成相控陣超聲無損檢測操作。
上述各器件的連接關系如下所述的接口電路41分別用于連接PC機、嵌入式電腦1、高速DSP數據處理器2、微處理器3、變頻電路5、聚焦、變焦參數方案庫電路6、發射通道切換器9、接收通道切換器8、可編程數字延遲線7。由于接口電路41采用可編程邏輯控制器件，可與各種控制主機連接，構成雙向數據總線、地址總線、控制總線。
接口電路41與PC機連接，其接口總線符合PC機ISA接口要求，可與各種不同型號的PC機的ISA接口連接。接口電路41與嵌入式電腦1連接，其接口總線符合嵌入式電腦1的數據總線和地址總線控制總線接口要求，可與嵌入式電腦的接口總線連接。在本實施例中與PC機、嵌入式電腦連接時，接口電路41的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳同序號分別與嵌入式電腦PC104接口的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳連接。
接口電路41與高速DSP數據處理器2連接，其接口總線符合DSP數據處理器接口要求。接口電路41的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE線腳同序號分別與DSP的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE相連接。
接口電路41與微處理器3連接，其接口總線符合微處理器要求。接口電路41的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD線腳同序號分別與微處理器3的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD相連接。
接口電路41的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE線腳同序號分別對應連接聚焦、變焦參數方案庫電路6的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE。
接口電路41的MF-1、A/B依次對應接通道切換器8的MF-1、A/B。
所述的聚焦、變焦參數方案庫電路6的A[70]線腳同序號分別依次對應連接接收通道切換器8及發射通道切換器9的A[70]；下面詳述一下本實用新型的工作原理同步電路42如采用計數器作為時間計時器，經過多級計時器后會產生級與級之間的時間誤差。雖然這些操作都在FPGA片內進行，但是誤差還是存在，在本實施例中由同步電路(時基信號)作為同步信號，在控制輸出信號時，采用同步信號CLK再次進行觸發以取得一致，減少級與級之間的誤差。因此同步電路42是相控陣的主要部件之一，其包括時基電路、時基計數器、發射參數(32套)、接收參數(32套)、發射比較器(32套)、接收比較器(32套)、發射信號輸出通道T[321]、接收調相控制輸出通道(RC-2T)[321]。所述的發射信號輸出通道T[321]分別與32個可編程延遲線7的輸入信號T[321]一一對應連接。所述的接收調相控制輸出通道(RC-2T)[321]分別與2片接收控制通道切換器8對應(RC-2T)[321]連接。所述的時基計數器可表示0-130ms的時間寬度，對于發射信號輸出通道的控制時間間隔為500ns、頻率為2MC，對于接收調相控制輸出通道的控制時間間隔為20ns、頻率為50MC。發射控制采用同一個時基計時器，而所有對應的發射通道的時間控制器與時基計時器進行比較，在時基計時器與對應陣元發射擊通道的時間控制器一致時，即控制對應的發射陣元信號。
變頻電路5對于不同頻率的探頭(陣元)其最合適的觸發信號的要求是不同的，本實施例中變頻電路5由DS1023和單穩電路74LSOO復位電路組成，這里可編程延遲線DS1023的參數的修改可實現不同的延遲時間，形成不同脈寬的發射驅動信號，該發射驅動的脈寬不同，可調整適應不同陣元的頻率信號的觸發，控制發射驅動信號。
聚焦、變焦參數方案庫6采用掉電保護大規模存貯器，可存放256套聚焦變焦參數的方案。其256套方案在連續實時無損檢測過程中可實時被調用，同時還可以通過主機對聚焦、變焦方案庫參數進行改變和更新。
32片可編程延遲線7由聚焦、變焦參數方案庫6控制其延遲時間以達到相控陣發射的目的，實現動態超聲波的聚焦和變焦。
全數字式相控陣超聲波的發射同步電路42的時基發射電路產生發射時間控制的時間間隔T，并由t脈沖控制同步觸發可編程延遲線7，可編程延遲線7在聚焦、變焦參數方案庫6的控制下，可動態地變化精密延遲時間(時序)，達到相控陣發射的時序控制，脈沖經延遲后傳遞至發射通道切換81進行控制發射脈沖的通道切換，然后分別控制單個、多個探頭各個陣元，形成自動發射脈沖。這些操作都由數字化來實現時序控制，因此實現了全數字式相控陣超聲波的發射。
全數字式相控陣超聲波的接收接收時序的控制與發射時序的控制相同都是由基電路和若干計數器作為計時器操作，控制接收的起始時間控制。接收通道切換器8，可控制單個、多個探頭的各個通道之間的動態的切換控制。由于接收時序控制各個通道的不同的接收時間，實現了接收信號的調相控制，使相關的信號增強，不相關的信號互相減弱，達到相控陣接收控制。
凡本領域內技術人員所熟知的技術變換和修改，均落在本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置包括接口電路(41)及分別與接口電路(41)相連接的嵌入式電腦(1)、高速DSP數據處理器(2)、微處理器(3)，其特征在于，該裝置還包括一可編程門陣列芯片(4)，該可編程門陣列芯片(4)內貯留同步電路(42)及接口電路(41)、該裝置還包括分別與接口電路(41)相連接的可編程延遲線(7)、發射控制通道切換器(9)、接收控制通道切換器(8)，所述的同步電路(42)發送同步信號給可發射控制通道切換器(9)以控制輸出信號。
2.根據權利要求1所述一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，該裝置還包括依次與接口電路(41)相連接的變頻電路(5)、聚焦變焦參數方案庫(6)，所述的變頻電路(5)還與發射控制通道切換器(9)相連接。
3.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的同步電路(42)包括時基電路、時基計數器、接收時序控制電路、發射信號輸出通道、接收調相控制輸出通道。
4.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的可編程門陣列芯片(4)采用XC2S100現場可編程門陣列芯片。
5.根據權利要求2所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的變頻電路(5)采用DS1023可編程延遲線構成的。
6.根據權利要求2所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的聚焦變焦參數方案庫(6)采用DS1245 NVRAM芯片。
7.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，共設有32片DS1023可編程數字延遲線(7)。
8.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，在本實施例中發射通道切換器(9)包括2片XC95216現場可編程邏輯電路，接收通道切換器(8)也包括2片XC95216現場可編程邏輯電路。
9.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述接口電路(41)的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳同序號分別與PC機、嵌入式電腦接口的A[90]、DB[70]、-IOW、-IOR、AEN線腳連接。
10.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，其特征在于，所述的接口電路(41)與高速DSP數據處理器(2)連接，其接口總線符合DSP數據處理器接口要求。接口電路(41)的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE線腳同序號分別與數據處理器(2)的EA[70]、-CE[31]、-SSWE、-SSOE相連接。
11.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的接口電路(41)的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD線腳同序號分別與微處理器(3)的A[158]、-CE[31]、-WE、-RD相連接。
12.根據權利要求2所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的接口電路(41)的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE線腳同序號分別對應連接聚焦、變焦參數方案庫電路(6)的A[150]、D[70]、-WE、-OE、-CE。
13.根據權利要求1所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的接口電路(41)的MF-1、A/B、A[70]依次對應發射通道切換器(9)、接收通道切換器(8)的MF-1、A/B、A[70]。
14.根據權利要求3所述的一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置，所述的發射信號輸出通道的T[321]分別與32個可編程延遲線(7)的輸入信號T[321]一一對應連接。所述的接收調相控制輸出通道(RC-2T)[321]分別與2片接收控制通道切換器(8)對應(RC-2T)[321]連接。
專利摘要一種全數字式相控陣超聲無損檢測聚焦、變焦裝置包括接口電路(41)及分別與接口電路(41)相連接的嵌入式電腦(1)、高速DSP數據處理器(2)、微處理器(3)，該裝置還包括一可編程門陣列芯片(4)，該可編程門陣列芯片(4)內貯留同步電路(42)及接口電路(41)、該裝置還包括分別與接口電路(41)相連接的可編程延遲線(7)、發射控制通道切換器(9)、接收控制通道切換器(8)，所述的同步電路(42)發送同步信號給可發射控制通道切換器(9)以控制輸出信號。與現有技術相比，本實用新型采用相控陣技術實現動態、全自動的聚焦、變焦，是傳統超聲無損檢測儀所不具備的。本實用新型具有高速、可編程方式的特征，適用各種不同主機的控制接口，適用性強，適用于各種不同類型全數字式超聲無損檢測系統。
文檔編號G01N29/04GK2549468SQ0226502
公開日2003年5月7日 申請日期2002年6月25日 優先權日2002年6月25日
發明者王志宏, 熊明光, 章民融, 張國彬, 鄧長安, 陸元龍 申請人:上海市計算技術研究所