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1、分类号：T V 9 6 8 1 + 5T B 5 5 2题目英文并列题目单位代码：学号：密级：北京工业大学硕士学位论文j 占2 册胱时，认为该波束值对应空间位 置有反射体存在，对其施加的幅值加权系数为l ；当髓所伽时，则认为该波束值对应空间处无反射体存在，该波束值由干扰噪声引起，对其施加的幅值权系数需要通过进一步优化处理得到：第3 章兰姆波换能器阵列虚拟聚焦检测方法研究2 ) 对噪声产生声束进行幅值加权优化过程为：选定备选权系数集合，( 刀) ，( ”) 从l 逐渐开始逐渐增大，步长为万。由小到大逐步对噪声产生声束施加权系数髓，( 刀) ，利用优化方法从权系数集合中寻找最小能满足符合迭代终止条
2、件的权系数，( 行) ，即最小的能满足髓，( 丹) I n i n E 的权系数为该位置处声束待施加的权系数。将优化得到的权系数施加到对应位置的角度指向矩阵中，即可达到降低噪声干扰对检测结果的影响。图3 2 2 不同距离处波束值分布F i g 3 2 2D i s t r i b u t i o no fb e 锄p a t t e ma td i f 诧托n td i s t a n c e方位，( 。)图3 2 3 波束指向性图F i g 3 - 2 3B e 锄p a 钍e m方位，( 。)图3 2 4 优化后波束指向性图F 嘻3 2 4o p t i m i 恐db e 锄p a n
3、e m当换能器阵列直径为4 九，阵元数目为1 6 ，反射体位于为0 = 0 ，= l m 处，声束数量为5 0 条件下，利用等相位叠加的方法处理得到的成像结果如图3 2 1 所示，可以看出，成像结果受噪声影响很大。在对声束进行幅值加权处理前，对不同距离处声束指向分布特征进行研究，结果如图3 2 2 所示。图中以不同颜色线条2 7北京下业大学T 学硕l 二学位论文表示出不同距离处声束的最大值、平均值、最小值以及加权系数后的平均值( 图中取朋= 0 5 ) 。从图中各数值变化趋势可以看出，本文以加权系数后平均值( 黑线) 作为判断不同位置处是否存在反射体的判据，当波束最大值( 红线) 大于加权系数
4、后平均值( 黑线) 时，认为该位置处存在反射体，幅值权系数为l 。图3 2 5 优化后仿真结果( m = o 5 )F i g 3 2 5O p t i m i z e dr e s u I t s ( m = 0 5 )图3 - 2 6 优化后仿真结果( m = 0 3 5 )F i g 3 - 2 6o p t i m i z e d 他s u I t S ( m 卸3 5 )第3 章兰姆波换能器阵列虚拟聚焦检测方法研究当波束值小于加权系数后平均值( 黑线) 时，认为该位置处不存在反射体，幅值权系数需要优化。权系数集合，( 行) 为从1 到2 0 0 ，步长万为0 5 。满足波束值小于该距
5、离下最小声束值的最小权系数，即为该位置待施加的权系数。距离阵列中心1 m 处波束指向性如图3 2 3 所示。可以看出，波束图中出现很多旁瓣，影响了成像结果。经过优化后的波束指向性如图3 - 2 4 所示，可以看出，旁瓣噪声明显减少，主瓣值没有变化，达到了控制旁瓣的目的。优化后的成像结果如图3 2 5 所示。可以看出，优化的成像结果旁瓣噪声明显减小，但没有完全去除。将聊值减小为0 3 5 ，重复以上优化过程，得到优化结果如图3 2 6 所示。可以看出，旁瓣噪声完全被去除，实现了波束优化的目的。3 4 小结基于相控阵检测原理，在无需相位控制硬件基础上，进行了板结构换能器阵列虚拟聚焦检测方法研究，主
6、要研究内容包括：1 ) 提出了一种换能器阵列虚拟聚焦信号处理方法。基于等相位叠加理论，对换能器阵列接收信号施加相移，使换能器阵列接收数据在指向方向上具有相同的相位，从而实现该方向上声束的指向聚焦；2 ) 利用数值仿真数据，研究了换能器阵列直径、阵元数量和声束数量对主瓣宽度和旁瓣噪声的影响。研究表明，换能器阵列直径和声束数量对主瓣宽度有很大影响，而阵元数目对旁瓣噪声水平有很大影响；3 ) 基于非均匀波束优化思想，将幅度加权优化处理引入换能器阵列虚拟聚焦检测方法中，以达到减少旁瓣噪声的影响。2 9北京1 = 业大学工学硕士学位论文第4 章换能器阵列自动检测系统研制4 1 引言第4 章换能器阵列自动
7、检测系统研制为解决板结构大范围无损检测问题，可以利用多个阵元组成的环形换能器阵列进行兰姆波检测试验，通过对各换能器阵元组合接收到回波信号进行虚拟聚焦软件处理，实现对板结构中换能器阵列周围大范围缺陷的聚焦检测的目的。函数发生器功率放大器信号激励通道信号 接收通道计算机示波器O缺陷试件换能器阵列图4 - l 常规超声导波检测系统组成F i g 4 lE l 锄e n t so f 仃a d i t i o n a lu l n a s o n i cg u i d e dw a V em e 勰u r e m e n tS y S t e m利用实验室常规超声导波检测系统进行换能器阵列检测试验系统
8、组成如图4 1 所示。个阵元( 图中为8 个，下面以其为例进行说明) 组成的环形阵列粘贴( 压电陶瓷片) 或吸附( 电磁超声换能器) 在板上。检测过程中，一般首先将阵元l 与超声导波激励端( 功率放大器) 相连，阵元2 - 8 作接收换能器，依次与超声导波检测系统数据采集端( 示波器) 相连，然后阵元2 作为激励阵元( 与功率放大器相连) ，阵元1 ，3 8 作为接收阵元( 依次与示波器相连) ，其后依次进行其它所有阵元组合的激励接收试验。同时，基于超声检测的互易原理，无需进行同一对换能器阵元的激励接收互换试验。因此，个阵元组成的换能器阵列共需采集( 一1 ) 组回波信号。在图4 1 所示系统
9、条件下，每进行一对换能器阵元组合的超声导波检测试验，就需要进行一次激励阵元与导波激励端( 功率放大器) 的连接以及接收阵元与采集端( 示波器) 的连接。因此，检测过程中需要多次( ( 一1 ) 次) 拆装换能器阵列与超声导波激励采集端的连线，检测过程繁琐，检测效率低。3 l北京I ：业大学T 学硕十学位论文为简化板结构兰姆波检测试验过程，提高检测效率，需要研制一种能够实现换能器阵元激励接收切换的可控开关。这种可控开关能够通过软件控制换能器阵列中各阵元组合的激励接收工作状态，自动完成兰姆波检测。在实验室常规超声导波检测系统基础上，构建一套适用于换能器阵列自动检测的超声导波检测系统，如图4 2 所
10、示。主要包括自动切换开关、H S 3 综合测试仪、功率放大器、换能器阵列和计算机等组成。图4 2 超声导波自动检测系统组成F i g 4 - 2E l e m e n t so f a u t o m a t i cu l 仃a S o n i cg u i d e dW a V em e 舔u r e m e n tS y s t e mH s 3 是一款基于P C 的五合一综合测试仪，它功能强大，能实现数字存储示波器、F F T 频谱分析仪、任意波形发生器、瞬态波形记录仪、数字多用表等功能。H S 3 通过U S B 口与计算机连接，即插既用，方便携带。实验室选购的H S 3 主要性能指标
11、为：8 位分辨率，1 0 0 M H z 采样频率，满刻度输入范围2 0 0 m v 8 0 v ，输出电压范围士1 2 V ，存储深度1 2 8 K 。本文工作中主要利用了H S 3 的数字存储示波器、任意波形发生器的功能。利用多通道转换开关实现对多个阵元组成换能器阵列激励接收状态的自动控制。设计的自动切换开关有八个通道，分别与八个阵元相连，转换开关的激励端T 与功率放大输出端相连，功率放大器输入端与H S 3 的输出通道( o U T ) 相连，转换开关的接收端R 与H S 3 的采集通道( C H l ) 相连。转换开关与计算机的D B 2 5第4 章换能器阵列自动检 9 1 c 系统研
12、制接口相连，通过P C 机实现对开关各通道状态的控制以及对H S 3 的信号输出、输入控制。下面具体介绍多通道切换开关的研制以及控制采集软件设计进行介绍。4 2 多通道切换开关研制4 2 1 多通道切换开关总体设计图4 3 多通道可控开关模块示意图F i g 4 - 3M o d u l e so fm u l t i - c h a n n e ls w i t c h，；磊、千r全加器L 斗数码管( ，荔磊一激励通道数H 控制芯片卜一继电器卜换l 计算机卜叫并行口卜能器阵 一接收通道数卜一控制芯片H 继电器卜斗列土 全加器卜_ 一数码管压磊我I 丘冬山繁gJ 型竺竺图4 4 多通道切换开关
13、组成框图F 培4 - 4D i a g r 锄o fm u h i c h 锄e ls w i t c h多通道切换开关主要用于换能器阵列中各阵元激励接收工作状态的自动控制。按照功能，设计的多通道切换开关主要包括开关控制模块、显示模块及保护电路三部分，如图4 3 所示。控制模块主要由御C 5 0 6 A 芯片和继电器组成，控制通道的工作状态。显示模块主要由数码管显示激励和接收通道的序号，即显示北京工业大学工学硕士学位论文通道的工作状态。控制开关通过D B 2 5 接口与计算机相连，利用M a t l a b 程序自动控制各通道的工作状态( 激励接收) 。多通道自动切换开关组成框图如图4 - 4
14、所示。下面分别详细介绍多通道切换开关控制模块、显示模块及保护电路的具体设计过程。4 2 2 多通道切换开关控制模块设计控制模块主要利用M P C 5 0 6 和继电器实现各通道工作状态( 激励或接收) 控制的目的。 C 5 0 6 是多通道切换开关控制模块的核心器件，它是一个1 6 通道单端模拟开关。M P C 5 0 6 有A o 、A 1 、A 2 、A 3 四个输入端，共有1 6 种工作状态。如果每个四位二进制数对应一个通道，则M P C 5 0 6 最多可以连接1 6 个通道。通过改变M P C 5 0 6 输入端的四位二进制数值，就能够控制信号在哪个通道输出，实现开关可控的作用。表4
15、 1 为C 5 0 6 的逻辑图。只有当使能端为高电平时，改变不同的输入状 态，脚C 5 0 0 6 的逻辑关系图才可以成立。同时，M P C 5 0 6 有输入电压过高保护设计，模拟输入电压的值可以超过电源电压值而芯片不被损坏。继电器是自动控制电路中常用的一种电子控制器件，主要包括控制系统( 又称输入回路) 和被控制系统( 又称输出回路) 两部分。本质上，继电器是一种用小电流去控制大电流电路的“自动开关”。因此，它在电路中可以起到自动调节、安全保护、转换电路等作用。在本文中主要用于转换电路。继电器采用欧姆龙G 6 A 2 7 4 P S T - U S5 V D C ，其控制图如图4 5 所
16、示。当1 端接入激励电流时，4 将与6 断开，与8 相连；1 3 与1 1 断开，与9 相连。这样就完成了通道间的切换的过程。自动切换开关的通道切换原理如图4 6所示。第一路激励信号( o 0 0 0 ) 首先到达M P C 5 0 6 的第一多路复用器，第一多路复用表4 1M P C 5 0 6 逻辑图F i g 4 1L o g i cd i a i 争i L mo fM P C 5 0 6。伽”A ，A 2A 1A o刚C H A N N E LLN O n eLLLLHlLLLHH2LLHLH3LLHHH4LHLLH5LHLHH6LHHLH7LHHHH8HLLLH9HLLHHl OHLHLHl lHLHHH1 2HHLLH1 3HHLHH1 4HHHLH1 5HHHHH1 6图4 5 继电器控制图F i g 4 5C o n n 0 lc h a r to fr e l a y第
