数字化超声探伤仪深度补偿在FPGA中的实现方法

摘要： 主要介绍A型超声探伤仪基本原理、探伤中深度补偿原理，并介绍数字式超声探伤仪的工作流程，和在探伤过程中深度补偿在FPGA中的实现时序和流程图。说明在FPGA中实现深度补偿，功能多变、修改简单、调试方便，而且集成度高，减少硬件成本。

关键词： 深度补偿；A型超声探伤仪；FPGA；D/A转换器

中图分类号：TG115.28文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510157－01

0 前言

超声波探伤仪的作用是产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。现在国内所采用的超声波探伤仪是A型探伤仪。

1 A型探伤仪检测基本原理

A型显示是一种波形显示，是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来（图1）；从图1可以看到脉冲反射法检测的典型A型显示图形，左侧的幅度很高的脉冲T称为始脉冲或始波，是发射脉冲直接进入接收电路后，在屏幕上的起始位置显示出来的脉冲信号；右侧的高回波B称为底波或底面回波，是超声波传播到与入射面相对的工件底面产生的反射波；中间的回波F则为缺陷的反射回波，由缺陷反射波的位置可以确定缺陷位置，由缺陷反射波的幅度可以估算缺陷大小。

超声波在工件中传播时，随着距离的增加，超声波能量会逐渐减弱。尺寸相同的缺陷反射回波高度随距探头的距离远近而不同，远场区回波幅度随距离增大而下降，这样，就不能通过观察回波幅度的大小直接评定不同埋深的缺陷尺寸。距离幅度补偿，即是将离探头不同深度（声程）、相同尺寸的缺陷反射体因声束扩散、材料衰减引起的波幅差异用电子方式加以修正，使它们得到同样高度的回波，其原理如图2所示。这在采用自动报警闸门检测缺陷时十分重要。或將探测深度较大的小缺陷补偿放大让小缺陷能显示出来，浅范围的信号幅度减小，减少杂波和噪声，使显示在屏幕上的波形信号更干净，便于检测人员判断缺陷。在采用幅度C扫描成像技术对较大深度范围内的缺陷进行检测时，不同深度的缺陷信号幅度差异较大，采用深度补偿消除距离对波高的影响，有助于正确判断图像中缺陷的大小。

3 数字式超声探伤仪电路原理

数字式超声探伤仪的电路组成如图3所示。

仪器的工作原理：处理器定时产生一定频率的脉冲触发信号，发射电路受触发产生高频脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波，超声波在工件中传播，遇缺陷或底面产生反射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，进入接收电路（前置放大器、可控增益放大器、差分放大器），再由A/D转换器将其变为数字信号，由FPGA和处理器处理后，显示在液晶屏上。

4 D/A转换器基本工作原理

接收电路的信号主放大就由可控增益放大器（VGA）组成。工业超声探伤仪一般采用线性增益控制可控增益放大器如AD600、AD604、AD603等，可用一连续可调的线性电压来控制可控增益放大器的放大倍数。而这连续可调的电压就由数字－模拟转换器即DA转换器产生，就是通过DA转换器将控制信号即数字信号转换成控制对象所需的模拟电压或电流。

D/A转换器输入的数字量是由二进制代码按数位组合起来表示的，任何一个n位的二进制数，均可用表达式DATA=D020+D121+D222+…… +Dn-12n-1 来表示。其中Di=0或1（i=0，1…n-1）；20，21，…2n-1分别为对应数位的权。在D/A转换中，要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。

D/A转换器主要性能指标：

分辨率：反映了D/A转换器对模拟量的分辨能力，定义为基准电压与2n之比值，其中n为D/A转换器的位数。

稳定时间（又称转换时间）：输入二进制数变化量是满量程时，D/A转换器的输出达到离终值±1/2LSB时所需要的时间。

还有其他的指标如线性误差、转换精度等指标。在超声探伤仪中，因为可控增益放大器的控制电压要求精度较高，D/A必须选择高分辨率，A/D采集的采集频率一般在40M-100MHz，如果要做深度补偿，D/A必须选择稳定时间快的，为了节省PCB，我们选择了串行DA器件AD5623，12位D/A，电压输出，转换时间为3μs。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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