基于ZigBee技術的相控陣探頭自適應阻抗匹配系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超聲相控陣技術領域，具體涉及基于ZigBee的相控陣探頭自適應阻抗匹配系統。
【背景技術】
[0002]采用電子方法控制聲束聚焦和掃描的相控陣超聲相對于傳統超聲檢測技術具有更高的工作效率、更好聲束可達性，還可通過優化控制焦點尺寸、焦區深度和聲束方向提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能。因此，近年來相控陣超聲檢測技術在國外學術界和工業界受到越來越多的關注。與傳統超聲檢測技術類似，相控陣超聲的發射部分由信號發生系統、功率放大器、匹配電路、相控陣探頭及傳輸線組成。由于信號發生系統、功率放大器的輸出阻抗和傳輸線的特性阻抗均呈純阻性，而相控陣探頭為電抗性元件，直接驅動它會產生反射功率，使換能器溫度升高，電聲轉換效率降低，嚴重時甚至燒毀換能器，必須對其進行匹配。
[0003]靜態匹配技術根據阻抗分析儀測試出的相控陣探頭各振元的阻抗來設計匹配電路的元件參數，并將匹配原件固定于各發射通道。但相控陣探頭工作時，自身的溫度及負載變化、環境因素等都會引起其阻抗特性的改變，但靜態匹配電路的元件并未隨之改變，此時必然導致相控陣探頭無法保持最佳工作狀態。另外匹配元件是基于相控陣探頭的等效電路計算得到的，這使匹配電路很難調整到最佳諧振狀態。而動態匹配技術將信號發生系統、功率放大器、匹配網絡和換能器組成閉環系統，根據電路的反饋信號相應調節超聲電源或匹配網絡的參數，使換能器始終處于諧振狀態，彌補了靜態匹配技術的不足。然而動態匹配自身作為一種閉環自動化控制系統，需要大量傳感器和通訊總線，對于具有上百通道的相控陣探頭，必然造成匹配電路體積龐大、布線復雜，故動態匹配技術在相控陣超聲領域還是空白。
[0004]ZigBee技術作為一種基于IEEE 802.15.4標準協議的短距離、低功耗、低復雜度的無線通信技術，數據傳輸具有高可靠性，廣泛應用于無線傳感網絡、遠程自動控制領域，可以嵌入各種設備，將其應用于相控陣超聲中各阻抗匹配通道的組網通訊具有極大潛力。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于ZigBee技術的相控陣探頭自適應阻抗匹配系統及方法，解決相控陣超聲中靜態匹配技術無法應對由于系統溫度、負載變化及環境因素等引起的阻抗特性改變而造成的不匹配問題，避免對價格高昂的相控陣探頭造成損傷；本發明以ZigBee無線通訊網絡作為信息傳輸橋梁實現便攜式控制終端和多通道阻抗匹配陣列中的各個通道節點間的數據通信，可以根據相控陣探頭各振元的阻抗設置各阻抗匹通道節點的初始化參數，便于相控陣探頭快速進入諧振狀態，同時可以監控各通道的實時工作狀態。整個系統具有結構簡單、適應性強、操作方便等諸多優點，形成了可靈活拓展的通道節點，易于模塊化，便于維修和調試，另外數字化系統結構保證了較高的控制精度。
[0006]為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]基于ZigBee技術的相控陣探頭自適應阻抗匹配系統，包括便攜式控制終端1和由若干阻抗匹配通道節點2組成的多通道阻抗匹配陣列，所述便攜式控制終端1與阻抗匹配通道節點2通過ZigBee無線通訊網絡連接；
[0008]所述便攜式控制終端1包括移動設備101和ZigBee通訊模塊102，移動設備101和ZigBee通訊模塊102通過USB接口相連；
[0009]所述阻抗匹配通道節點2設置于相控陣信號發射單元和作為負載的相控陣探頭振元之間，多通道阻抗匹配陣列中阻抗匹配通道節點2的個數由相控陣探頭包含的振元數量決定；單個阻抗匹配通道節點2包括中心控制及通訊模塊201，電壓檢測模塊202，電流檢測模塊203，相位檢測模塊204，驅動模塊205和阻抗匹配網絡206 ;相位檢測模塊204、驅動模塊205均與中心控制及通訊模塊201連接，電壓檢測模塊202、電流檢測模塊203均與相位檢測模塊204連接，相控陣信號發射單元輸出端、阻抗匹配網絡206以及相控陣探頭振元輸入端依次相接，阻抗匹配網絡205還與電壓檢測模塊202、電流檢測模塊203和驅動模塊205相接。
[0010]所述的移動設備101作為人機交互設備用于設置作為負載的相控陣探頭各陣元的阻抗參數并顯示相控陣探頭的工作狀態，根據不同工作場合可選便攜式計算機、平板電腦或手機。
[0011]所述的ZigBee通訊模塊102通過無線局域網絡將移動設備101設置的工作參數發送到各阻抗匹配通道節點2，并接收各阻抗匹配通道節點2上傳的實時工況信息；具體包括CC2531微控制器、晶振、電源管理電路、復位電路、USB接口電路和射頻天線；所述晶振、電源管理電路、復位電路、USB接口電路和射頻天線分別與CC2531微控制器相連。
[0012]所述的中心控制及通訊模塊201通過無線局域網絡接收便攜式控制終端1發送的工作參數、發送所在通道的實施工況信息，同時對相位檢測模塊204輸出的數據采樣、模數轉換并分析負載相控陣探頭振元的阻抗特性，進而向驅動模塊205發送控制指令，實現阻抗匹配網絡的動態調節；具體包括CC2530微控制器、晶振、電源管理電路、復位電路和射頻天線；所述晶振、電源管理電路、復位電路和射頻天線分別與CC2530微控制器相連。
[0013]所述的電壓檢測模塊202用于檢測相控陣發射單元的輸出電壓幅值，具體包括依次相連的電容式分壓電路放大電路和濾波電路。
[0014]所述的電流檢測模塊203用于檢測整個電路中的電流幅值，具體包括依次相連的采樣電阻、基于儀表放大器的預防大電路、濾波電路和二級放大電路。
[0015]所述的相位檢測模塊204根據電壓檢測模塊202和電流檢測模塊203獲取的數據計算并輸出負載相控陣探頭振元的阻抗值和阻抗角，具體包括AD8302幅值與相位測量電路、阻抗值放大電路和阻抗角放大電路。
[0016]所述的驅動模塊205按照中心控制及通訊模塊201的指令通過控制一系列繼電器的開關動態調整阻抗匹配網絡，具體包括基于緩沖門電路的譯碼電路、基于M0SFET的驅動電路、繼電器組及泄流保護電路。
[0017]所述的阻抗匹配網絡206用于動態調整接入電路的阻抗，具體包括電感、電容或電阻。
[0018]上述所述的基于ZigBee技術的相控陣探頭自適應阻抗匹配系統的匹配方法，如果相控陣探頭各陣元阻抗參數已知，則首先將作各陣元的阻抗參數通過人機交互界面輸入移動設備101，再通過USB接口將輸入參數發送至ZigBee通訊模塊102，并經ZigBee無線局域網絡發送到各阻抗匹配通道節點2 ;中心控制及通訊模塊201通過無線局域網絡接收到工作參數后，分析負載相控陣探頭振元的阻抗特性，計算出對于每個振元需要接入阻抗匹配網絡的電容、電感和電阻，進而向驅動模塊205發送控制指令，通過緩沖門電路的譯碼電路閉合相應的繼電器，實現阻抗匹配網絡的初始調節；相控陣探頭工作過程中，電壓檢測模塊202和電流檢測模塊203分別采樣相控陣發射單元的輸出電壓幅值和電流幅值并輸入相位檢測模塊204，相位檢測模塊204經計算并輸出負載相控陣探頭振元的當下工況的阻抗值和阻抗角至中心控制及通訊模塊201 ;中心控制及通訊模塊201內部的模數轉換器將輸入的模擬量轉換為數字量，再次分析負載相控陣探頭振元的阻抗特性，動態調節阻抗匹配網絡從而保證相控陣探頭始終處于最佳工作狀態；在此工作過程中各陣元的實時阻抗參數通過ZigBee無線局域網絡上傳至移動設備101并顯示于人機交互界面；
[0019]如果相控陣探頭各陣元阻抗參數未知，電壓檢測模塊202和電流檢測模塊203分別采樣相控陣發射單元的輸出電壓幅值和電流幅值并輸入相位檢測模塊204，相位檢測模塊204經計算并輸出負載相控陣探頭振元的當下工況的阻抗值和阻抗角至中心控制及通訊模塊201 ;中心控制及通訊模塊201內部的模數轉換器將輸入的模擬量轉換為數字量，分析負載相控陣探頭振元的阻抗特性，計算出對于每個振元需要接入阻抗匹配網絡的電容、電感和電阻，進而向驅動模塊205發送控制指令，通過緩沖門電路的譯碼電路閉合相應的繼電器，實現阻抗匹配網絡的初始調節，然后即可重復上述阻抗匹配網絡動態調節過程。
[0020]本發明和現有技術相比，具有如下優點:
[0021]1、可以針對相控陣探頭工作時，自身的溫度及負載變化、環境因素等引起其阻抗特性的改變，通過實時采樣相控陣探頭的加載電壓和電流，經中心控制及通訊模塊分析探頭阻抗特性來動態調節阻抗匹配網絡中的元件的接入，實現動態匹配，保證相控陣探頭始終輸出最大有用功率。
[0022]2、本發明所述系統采用了 ZigBee無線通訊技術實現便攜式控制終端和多通道阻抗匹配陣列中的各個通道節點間的數據通信，組網簡單，避免了復雜總