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ep3sl150的fpga硬件電路系統(tǒng)設(shè)計和延時細分算法與fpga實現(xiàn)改基于fpga的相控陣延遲聚焦算法的實現(xiàn)-文庫吧

2025-06-16 10:25 本頁面


【正文】 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(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 ................................................ 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 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(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細延遲模塊 .................................................... 32 3. 6. 1 鎖相環(huán)模塊 ............................................. 33 3. 6. 2 時鐘產(chǎn)生模塊 ........................................... 34 3. 6. 3 延遲模塊 ............................................... 35 3. 6. 4 計算模塊 ............................................... 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 .............................................................. 47 附錄:源程序代碼 ...................................................... 49 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 1 頁 第 1章 緒論 注意論文標題中 點號是英文格式 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,有以下幾個明顯的優(yōu)勢: 第一 , 在整個檢測的過程中,其不會破壞被檢測物體;第二 , 在必要的時候可以對被檢測物進行 全方位的檢測,這個是有損檢測無法達到的;第三 , 有損檢測針對的對象基本都是原材料,而無損檢測的對象可以是生產(chǎn)工藝中任何一個生 產(chǎn)環(huán)節(jié)。無損檢測是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個重要分支,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。 自十九世紀末到 20 世紀初,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)對水下物體進行檢測。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。 超聲相控陣技術(shù)來自于雷達 相控陣技術(shù), 相控陣雷達技術(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壓電晶片發(fā)出超聲波的時間,實現(xiàn)超聲波的聚焦、偏移等特性,完成整個掃描過程,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聲束,實現(xiàn)對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 (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 算機技術(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)展促進了整個超聲相控陣技術(shù)的準確性。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: 在超聲相控陣技術(shù)中,完成對波束的聚焦是通過控制各個壓電晶片發(fā)出超聲波的時間來實現(xiàn)的,從而避免了對聲學(xué)透鏡的使用。所以檢測的范圍十分廣,可以實現(xiàn)對十分復(fù)雜的物體進行檢測,避免傳統(tǒng)檢測中存在的掃描盲區(qū),提高了檢測的范圍,同時也確保了檢測結(jié)果的準確性和檢測的速率。 利用超聲相控陣完成物體檢測 的整個過程我們并不需要移動被檢測物體,直接通過改變 聚焦偏轉(zhuǎn)角度 改變就可以實現(xiàn)對物體進行多個角度的檢測,在對大型復(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,通過對各個換能器進行一定的時序控制,使得每一個換能器發(fā)出的超聲波都作用在被聚焦點,這樣就可以在很大程度上提高該點的聲場強度,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 世界無損檢測的會議當中,關(guān)于超聲相控陣技術(shù)的文章也變得越來越多 [3]。由于其可以自動的實現(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、計算機技術(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。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)已在多個工業(yè)的無損檢測領(lǐng)域得到了應(yīng)用。比如:對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 (論文 ) 第 3 頁 究超聲相控陣的機構(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驗和研究 。 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,從而對患者進行診斷,此方法實施起來比較簡單,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超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)得到的很廣泛的應(yīng)用,并且對于焊縫檢測的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。他們在航空航天和核工業(yè)方面,對超聲相控陣技術(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。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,對超聲波的延遲時間的控制已經(jīng)可以達到納秒級別的精確控制。 90 年代末,國外對合成孔徑聚焦技術(shù)的研究對超聲相控陣的發(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),可以實現(xiàn)扇形掃面,動態(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)可以對混凝土進行檢測,并且
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