无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统及探伤方法技术方案

本发明专利技术涉及水下超声波相控阵探伤技术领域，尤其涉及无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统及探伤方法，包括云平台、PC端和超声波相控阵探伤仪，所述超声波相控阵探伤仪包括FPGA芯片集成板、高压脉冲发射电路、发射端波形采集电路、回波信号接收采集电路、相控阵探头、电平转换电路和GPRS模块，所述超声波相控阵探伤仪探伤所得数据由GPRS模块以无线传输的方式发送到PC端和云平台，所述发射端波形采集电路包括分压衰减电路和多通道ADC模块一。本发明专利技术的探伤系统不仅采集超声波的探伤回波信号，也采集发射端所发出的波形信号，能够有效提高波束聚焦、扫描的精度，使用的探伤方法先实行初始检测再进行聚焦扫描，可以有效提高检测效率。

Underwater ultrasonic phased array flaw detection system and method for wireless data transmission

【技术实现步骤摘要】
无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统及探伤方法
本专利技术涉及水下超声波相控阵探伤
，尤其涉及无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统及探伤方法。
技术介绍
超声波探伤仪是近年来比较流行的一种无损检测仪器，广泛应用于铁路交通、金属加工、管道和建筑行业。超声相控阵技术通过控制阵列换能器各阵元的发射，达到合成声束的聚焦、扫描等各种效果，从而进行超声成像。在相控阵超声发射状态下，阵列换能器中各阵元按一定延时规律顺序激发，产生的超声发射子波束在空间合成，形成聚焦点和指向性。改变各阵元激发的延时规律，可以改变焦点位置和波束指向，形成在一定空间范围内的扫描聚焦。现有的超声波相控阵探伤仪大多数应用于陆上，水下探伤仪较少。以往的超声波相控阵探伤仪只对回波信号进行采集，根据聚焦、扫描的声束波形判定缺陷损伤。缺乏发射端的波形信号反馈校正，在外界复杂的情况下发射的波形可能受到干扰，无法观察到具体的发射波形。没有初始探测波形，无法与回波信号进行比较，降低了探伤仪的准确性。通用串行总线(USB)是一种快速灵活的总线接口，在现行的许多超声波探伤仪上广泛应用。用户通过USB数据线将探伤仪中测量的数据传输到PC机上进行分析处理。传统的超声波探伤仪的数据传输方式较为单一，传输时会受到传输数据线的限制，而且不能实时传输数据。数据需要先传输到PC机中才能上传到互联网，临时存储的数据可能会丢失。现行的水下仪器多采用同轴电缆来实现数据的实时传输和供电，这种方式在水下作业时不方便。综上所述，超声波相控阵探伤仪具有以下不足：一、没有发射端波形信号数据，无法与探测结果进行对比分析处理，不利于提高波束聚焦、扫描的精度；二、在初始检测时，无法快速确定缺陷损伤的位置，需要不断调整波束聚焦、扫描位置；三、数据传输不便，无法实时随地传输数据，或传输数据受到线缆限制；四、无法上传到互联网存储平台，不能及时共享数据，检测数据也可能会丢失。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统及探伤方法，该探伤系统不仅采集超声波的探伤回波信号，也采集发射端所发出的波形信号，能够有效提高波束聚焦、扫描的精度，使用的探伤方法先实行初始检测再进行聚焦扫描，可以有效提高检测效率。本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，包括云平台、PC端和超声波相控阵探伤仪，所述超声波相控阵探伤仪包括FPGA芯片集成板、高压脉冲发射电路、发射端波形采集电路、回波信号接收采集电路、相控阵探头、电平转换电路和GPRS模块，所述超声波相控阵探伤仪探伤所得数据由GPRS模块以无线传输的方式发送到PC端和云平台，所述发射端波形采集电路包括分压衰减电路和多通道ADC模块一。进一步，所述分压衰减电路上设置有电阻分压电路和减法运算放大器，所述电阻分压电路中的电阻采用低温漂高精度薄膜电阻，所述减法运算放大器对电阻分压电路粗分压后的波形电压进行细分压，使输出的波形电压达到ADC模块一的输入电压范围之内。分压衰减电路通过电阻分压电路进行粗分压，将波形电压减小到一定范围，电阻分压电路中的电阻采用低温漂高精度薄膜电阻以减少分压时波形信号变化产生误差。通过分压衰减电路对波形信号进行分压衰减处理，不改变波形仅减小电压，以满足ADC模块一输入端所能承受的电压范围。进一步，所述FPGA芯片集成板集成有延时参数存储器、至少两个SDRAM和至少两个LVDS接口，所述延时参数存储器用于存储PC端计算出控制相控阵的延时参数，所述SDRAM用于存储发射端波形采集电路采集发射出的波形信号和回波信号接收采集电路采集的回波信号，所述波形信号和回波信号均在FPGA芯片集成板内完成串并转换、波束合成、数字检波后，再存储在不同的SDRAM中。进一步，所述发射端波形采集电路采集发射出的波形信号在FPGA芯片集成板内的波束合成，是将每个通道发射的波形采集后分别进行不同的加权，使每个通道的波形幅值不同，再对加权过的各通道波形进行延时补偿和叠加，分析合成后的波形，判断控制超声波发射的延时参数是否准确。进一步，所述GPRS模块配置TCP/IP协议传输所述PC端的控制信号，将所述FPGA芯片集成板处理后数据发送到云平台和PC端；所述GPRS模块采用串行通讯方式，所述FPGA芯片集成板对采集到的波形数据进行暂存处理，所述GPRS模块先发送超声波相控阵探伤仪发射端波形数据再发送回波信号数据；通过所述GPRS模块使FPGA芯片集成板与PC端之间实现直接通信。进一步，所述探伤系统还包括电源模块和外部电源接口，所述电源模块包括电池、升压模块和降压模块一，所述升压模块将电池输出电压升高以满足高压脉冲发射电路所需的电压，所述降压模块一将电池输出电压降低以满足FPGA芯片集成板和GPRS模块所能接受的电压；所述外部电源接口包括降压模块二和整流滤波电路，所述降压模块二和整流滤波电路将外部电缆提供的高压交流电转换为低压直流电。上述水下超声波相控阵探伤系统主要用于浅水区的水下探伤，装置外部采用密封防水、耐压、耐腐蚀外壳进行防水包装，相控阵探头连接处进行水密性处理，通过标有刻度的伸缩杆将含探伤系统的装置送入水下进行探伤检测。进一步，所述FPGA芯片集成板根据存储的延时参数控制高压脉冲发射电路产生激励高压脉冲信号实现聚焦偏转发射，所述高压脉冲发射电路采用具有m个通道的高压脉冲发生芯片，由多个m通道高压脉冲发生芯片组成n通道的超声波发射电路系统。进一步，所述回波信号接收采集电路包括限幅电路、可控增益放大电路、滤波电路和多通道ADC模块二；所述限幅电路对可能存在的大电压回波信号限幅；所述可控增益放大电路对在传播中衰减的回波信号进行放大处理和增益补偿；所述滤波电路对回波信号进行滤波处理后由所述多通道ADC模块二转换成数字信号送入FPGA芯片集成板内处理。探伤方法，包括以下步骤：PC端计算出控制相控阵的延时参数，通过GPRS模块发送给FPGA芯片集成板内部的延时参数存储器；FPGA芯片集成板根据延时参数，控制高压脉冲发射电路产生激励高压脉冲信号实现聚焦偏转发射；相控阵探头由高压脉冲信号激发，产生发射波信号；发射端波形采集电路采集发射出的波形信号在FPGA芯片集成板内的一个SDRAM中暂存，之后数据经过电平转换电路由GPRS模块发送到云平台和PC端；超声波探伤的回波信号由回波信号接收采集电路采集后在FPGA芯片集成板内完成波束合成和数字检波，然后存储在另外一个SDRAM中，在发射端波形数据无线传输完成后再传输回波信号数据；PC端分析处理发射端的合成叠加后的波形数据，判断延时精度是否达到要求并调整延时参数；PC端分析处理回波信号数据，得出被测物体的检测结果。进一步，在实行超声波聚焦检测之前先对物体进行初始探伤检测：设置超声波发射通道之间的延时时间为Δt，第i个通道的阵元从发出声波到接收到回波的时间为ti,在Δt<ti的条件下实行第一次探伤检测；FPGA芯片集成板对回波信号只进行延时补偿，不进行叠加处理；将每个通道的回波波形数据发送到PC端，根据其中若干通道的某处波形与其余通道的波形的差异，判断缺陷损伤的大致位置；根据初始检测的位置，调整延时参数进行聚焦检测，以便更加精确地判断缺陷损伤的位置与程度。本专利技术的有益本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，包括云平台、PC端和超声波相控阵探伤仪，所述超声波相控阵探伤仪包括FPGA芯片集成板、高压脉冲发射电路、发射端波形采集电路、回波信号接收采集电路、相控阵探头、电平转换电路和GPRS模块，所述超声波相控阵探伤仪探伤所得数据由GPRS模块以无线传输的方式发送到PC端和云平台，所述发射端波形采集电路包括分压衰减电路和多通道ADC模块一。

【技术特征摘要】
1.无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，包括云平台、PC端和超声波相控阵探伤仪，所述超声波相控阵探伤仪包括FPGA芯片集成板、高压脉冲发射电路、发射端波形采集电路、回波信号接收采集电路、相控阵探头、电平转换电路和GPRS模块，所述超声波相控阵探伤仪探伤所得数据由GPRS模块以无线传输的方式发送到PC端和云平台，所述发射端波形采集电路包括分压衰减电路和多通道ADC模块一。2.根据权利要求1所述的无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，所述分压衰减电路上设置有电阻分压电路和减法运算放大器，所述电阻分压电路中的电阻采用低温漂高精度薄膜电阻，所述减法运算放大器对电阻分压电路粗分压后的波形电压进行细分压，使输出的波形电压达到ADC模块一的输入电压范围之内。3.根据权利要求2所述的无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，所述FPGA芯片集成板集成有延时参数存储器、至少两个SDRAM和至少两个LVDS接口，所述延时参数存储器用于存储PC端计算出控制相控阵的延时参数，所述SDRAM用于存储发射端波形采集电路采集发射出的波形信号和回波信号接收采集电路采集的回波信号，所述波形信号和回波信号均在FPGA芯片集成板内完成串并转换、波束合成、数字检波后，再存储在不同的SDRAM中。4.根据权利要求3所述的无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，所述发射端波形采集电路采集发射出的波形信号在FPGA芯片集成板内的波束合成，是将每个通道发射的波形采集后分别进行不同的加权，使每个通道的波形幅值不同，再对加权过的各通道波形进行延时补偿和叠加，分析合成后的波形，判断控制超声波发射的延时参数是否准确。5.根据权利要求4所述的无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，所述GPRS模块配置TCP/IP协议传输所述PC端的控制信号，将所述FPGA芯片集成板处理后数据发送到云平台和PC端；所述GPRS模块采用串行通讯方式，所述FPGA芯片集成板对采集到的波形数据进行暂存处理，所述GPRS模块先发送超声波相控阵探伤仪发射端波形数据再发送回波信号数据；通过所述GPRS模块使FPGA芯片集成板与PC端之间实现直接通信。6.根据权利要求1-5任一所述的无线数据传输的水下超声波相控阵探伤系统，其特征在于，所述探伤系统还包括电源模块和外部电源接口，所述电源模块包括电池、升压模块和降压模块一，所述升压模块将电池输出电压升高以满足高压脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵进慧，胡天宇，郑瑞芳，王鹏峰，魏艳红，
申请(专利权)人：中国计量大学，赵进慧，
类型：发明
国别省市：浙江,33