【正文】 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 VII 頁 目錄 摘要是否需要顯示 摘 要 ................................................................. IV Abstract ............................................................... V 第 1 章 緒論 ............................................................ 1 1． 1引言 ........................................................... 1 1． 2超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................... 2 1． 2． 1國內(nèi)超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 ..................... 2 1． 2． 2國外超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 ..................... 3 1． 3本課題研究的內(nèi)容 ............................................... 4 1． 4本章小結(jié) ....................................................... 5 第 2 章 超聲相控陣聚焦原理的概述 ........................................ 6 2． 1超聲波聲場基本概念 ............................................. 6 2． 2超聲相控陣的檢測原理 ........................................... 6 2． 2． 1超聲相控陣的組成 ......................................... 6 2． 2． 2超聲相控陣的聚焦法則 ..................................... 7 2． 3總結(jié) ........................................................... 9 第 3 章 FPGA 的實(shí)現(xiàn) ..................................................... 10 3． 1 EP3SL150 的 FPGA 硬件 .......................................... 10 3． 1． 1 FPGA ................................................... 10 3． 1． 2 FPGA 內(nèi)部鎖相環(huán) ......................................... 11 3． 2 相控陣的發(fā)射模塊 .............................................. 13 3． 3 掃描模塊的設(shè)計(jì) ................................................ 16 3． 3． 1 偏轉(zhuǎn)角度的掃描 ......................................... 18 3． 3． 2 PO 值的掃描 ............................................. 21 3． 4 算法的實(shí)現(xiàn)模塊 ................................................ 24 3． 4． 1 聚焦算法的基本原理 ..................................... 24 3． 4． 2 算法的硬件實(shí) 現(xiàn)模塊 ..................................... 26 3． 5 延遲模塊 ...................................................... 30 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 VIII 頁 3． 5． 1 延遲譯碼模塊 ........................................... 30 3． 5． 2 延遲發(fā)射模塊 ........................................... 31 3． 6細(xì)延遲模塊 .................................................... 32 3． 6． 1 鎖相環(huán)模塊 ............................................. 33 3． 6． 2 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊 ........................................... 34 3． 6． 3 延遲模塊 ............................................... 35 3． 6． 4 計(jì)算模塊 ............................................... 37 3． 7超聲相控陣發(fā)射頂層模塊 ........................................ 38 硬件仿真結(jié)果 ................................................... 40 3． 9本章小結(jié) ...................................................... 42 結(jié) 論 ................................................................. 43 致 謝 ................................................................. 46 參考文獻(xiàn) .............................................................. 47 附錄：源程序代碼 ...................................................... 49 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁 第 1章 緒論 注意論文標(biāo)題中 點(diǎn)號(hào)是英文格式 引言 無損檢測技術(shù)是 利用物質(zhì)的聲、光、電特性，在不損害物質(zhì)的前提下，檢測 物質(zhì)中是否存在缺陷，并且可以準(zhǔn)確的給出缺陷的大小 ，位置。與傳統(tǒng)的有損檢測相比，有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)： 第一 ， 在整個(gè)檢測的過程中，其不會(huì)破壞被檢測物體；第二 ， 在必要的時(shí)候可以對(duì)被檢測物進(jìn)行 全方位的檢測，這個(gè)是有損檢測無法達(dá)到的；第三 ， 有損檢測針對(duì)的對(duì)象基本都是原材料，而無損檢測的對(duì)象可以是生產(chǎn)工藝中任何一個(gè)生 產(chǎn)環(huán)節(jié)。無損檢測是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)重要分支，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得 到了十分廣泛的應(yīng)用，而超聲檢測更是無損檢測技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的。 自十九世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)之后 [1]，人們開始利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生控制超聲波，從而迅速推 廣了超聲波的發(fā)展史。在第一次世界大戰(zhàn)期間，人們就已經(jīng)開始利用超聲波技術(shù)對(duì)水下物體進(jìn)行檢測。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，超聲波檢測技術(shù)已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、和石油開采等方面。對(duì)著超聲波技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷結(jié)合，從而已經(jīng)開始產(chǎn)生了很多不同的領(lǐng)域 。在工業(yè)上，近幾年發(fā)展起來的超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為無損檢測 技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。 超聲相控陣技術(shù)來自于雷達(dá) 相控陣技術(shù)， 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)是由許多輻射單元組成的，通過控制 各輻射單元輻射電磁波的相位和幅度 ，可以靈活調(diào)整合成電磁波的輻射方向，從而完成在一定區(qū)域 的掃描。 在超聲相控陣，其由很多的壓電晶片組成，這些壓電晶片在脈沖的控制作用下可以連續(xù)不斷的發(fā)出超聲波，所以可以通過控制各個(gè)壓電晶片發(fā)出超聲波的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超聲波的聚焦、偏移等特性，完成整個(gè)掃描過程，從而檢測物體中是否存在缺陷。 超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)有了 20多年的發(fā)展歷史 [2]。初期主要是應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)中，用相控陣換能器的快速移動(dòng)聲束，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測物體的成像功能。最初由于超聲相控陣技術(shù)的復(fù)雜性，超聲波在固體中傳播的復(fù)雜性，以及西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 生產(chǎn)成本高等缺陷，使得超聲相控陣技術(shù)難以得到廣泛的應(yīng)用。然而隨著 計(jì) 算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)得到的很快的發(fā)展，尤其在工業(yè) 發(fā)展特別迅速，數(shù)字電路的發(fā)展促進(jìn)了整個(gè)超聲相控陣技術(shù)的準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)相比，超聲相控陣有很多優(yōu)勢(shì)： 在超聲相控陣技術(shù)中，完成對(duì)波束的聚焦是通過控制各個(gè)壓電晶片發(fā)出超聲波的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，從而避免了對(duì)聲學(xué)透鏡的使用。所以檢測的范圍十分廣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)十分復(fù)雜的物體進(jìn)行檢測，避免傳統(tǒng)檢測中存在的掃描盲區(qū)，提高了檢測的范圍，同時(shí)也確保了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和檢測的速率。 利用超聲相控陣完成物體檢測 的整個(gè)過程我們并不需要移動(dòng)被檢測物體，直接通過改變 聚焦偏轉(zhuǎn)角度 改變就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行多個(gè)角度的檢測，在對(duì)大型復(fù)雜工業(yè)的檢測中，可以大大提高檢測的效率。 超聲相控陣技術(shù)擁有聚焦特性，通過對(duì)各個(gè)換能器進(jìn)行一定的時(shí)序控制，使得每一個(gè)換能器發(fā)出的超聲波都作用在被聚焦點(diǎn)，這樣就可以在很大程度上提高該點(diǎn)的聲場強(qiáng)度，大大提高了檢測靈敏度。 在超聲相控陣技術(shù)中，聚焦的偏轉(zhuǎn)角度、聚焦半徑的增量等這些重要的參數(shù)都是可以自定義的，所以可以通過對(duì)這些參數(shù)的不斷優(yōu)化，提高整套檢測系統(tǒng)的可靠性以及檢測精度，同時(shí)還可以減少檢測的盲區(qū)。 近幾年來，超聲相控陣技術(shù)得到了很快地發(fā)展，在 世界無損檢測的會(huì)議當(dāng)中，關(guān)于超聲相控陣技術(shù)的文章也變得越來越多 [3]。由于其可以自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)聚焦特性，已經(jīng)在業(yè)界得到了廣泛的關(guān)注。隨著壓電復(fù)合材料、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字電路的不斷發(fā)展，為超聲相控陣技術(shù)提供了很好的發(fā)展平臺(tái)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)已在多個(gè)工業(yè)的無損檢測領(lǐng)域得到了應(yīng)用。比如：對(duì)石油傳輸管道的檢測、火車車軸的檢測、核電站的檢測以及航空材料的檢測 [4]。由此我們可以看出超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用前景是十分好的。 1． 2 超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 1． 2． 1 國內(nèi)超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)的超聲相控陣技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)監(jiān)測中。 國內(nèi) 已經(jīng)出現(xiàn)了很多的研西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁 究超聲相控陣的機(jī)構(gòu)，其中就包含許多高校，比如：清華大學(xué)，上海交通大學(xué)， 等一些知名高校和研究所對(duì)相控陣系統(tǒng)中的自適應(yīng)聚焦和相控陣的延遲技術(shù)方面都做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究 。 國外超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展初期是為了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上，最早是為了實(shí)現(xiàn)診斷和治療，主要是向人體發(fā)射超聲波，并接收超聲波，來獲得人體組織的一些信息，從而對(duì)患者進(jìn)行診斷，此方法實(shí)施起來比較簡單，并且得到的圖像也比較清楚，所以得到了很快的發(fā) 展。 目前，國外研究的應(yīng)用于管道檢測中的全自動(dòng)超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)得到的很廣泛的應(yīng)用，并且對(duì)于焊縫檢測的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。他們?cè)诤娇蘸教旌秃斯I(yè)方面，對(duì)超聲相控陣技術(shù)提出了更高質(zhì)量的要求。超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為國外無損檢測的研究熱點(diǎn)。近幾年來，在國外超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展中，超聲相控陣系統(tǒng)中的壓電還能晶片的質(zhì)量已經(jīng)得到了很大的提高，由于數(shù)字電路的快速發(fā)展，對(duì)超聲波的延遲時(shí)間的控制已經(jīng)可以達(dá)到納秒級(jí)別的精確控制。 90 年代末，國外對(duì)合成孔徑聚焦技術(shù)的研究對(duì)超聲相控陣的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。目前已經(jīng)有公司 推出了全新的超聲相控陣的檢測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)扇形掃面，動(dòng)態(tài)聚焦等功能，使得相控陣技術(shù)的應(yīng)用又得到了很大程度的發(fā)展。麻省理工學(xué)院研究出來的超聲相控陣檢測技術(shù)可以對(duì)混凝土進(jìn)行檢測，并且