隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高溫,、高壓,、高速和高負(fù)荷已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要標(biāo)志，但它的實(shí)現(xiàn)是建立在材料高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的,，為確保這種優(yōu)異的質(zhì)量,，必須采用不破壞產(chǎn)品原來的形狀、不改變其使用性能的檢測方法,，對產(chǎn)品進(jìn)行百分之百地檢測,，以確保其可靠性和安全性，這種技術(shù)就是無損檢測技術(shù),。
超聲波檢測在無損檢測中占據(jù)著主要地位,，廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬材料以及醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域,。近年來以微電子學(xué)和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展,，超聲無損檢測儀器也得到了前所未有的發(fā)展動力，為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率,，研制數(shù)字化,、智能化、自動化,、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無損檢測領(lǐng)域發(fā)展的一個重要趨勢,。而傳統(tǒng)的超聲波檢測儀存在準(zhǔn)確性差、精度低,、體積大,、功耗大、人機(jī)界面不友好等問題,。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，以ARM微控制器為核心,，使用C語言編程，方便地實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻率與激勵電壓脈沖幅度的調(diào)節(jié),。
1 超聲波檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)
基于ARM超聲波檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖,，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：超聲波前端發(fā)射接收電路,、DSP和ARM處理器,。
超聲波前端發(fā)射電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵脈沖電壓和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波。接收電路首先將反射回來的微弱信號經(jīng)放大,、濾波等電路處理,，然后通過A／D轉(zhuǎn)換電路對信號進(jìn)行采集并將采集的信號經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖FIF0送入DSP。
DSP接收由A／D轉(zhuǎn)換器經(jīng)FIF0緩沖后的數(shù)據(jù),，主要完成計算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的信號處理算法,，提高超聲探傷儀器的精度和數(shù)據(jù)處理能力。
ARM處理器主要完成兩部分功能：一是控制功能,，調(diào)節(jié)激勵脈沖的寬度和重復(fù)頻率以及放大電路的放大倍數(shù),；二是實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時顯示、存儲以及和外部的通信等功能,。ARM微處理器采用基于ARM920T的16／32位RISC微處理器S3C2440A,。其內(nèi)核頻率最高為400 MHz，功耗低,，體積小,，集成外設(shè)多，數(shù)據(jù)處理能力好,，因而可廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備等,。
2 超聲波發(fā)射電路
根據(jù)被測件的材料、厚度等不同條件,，所需的相應(yīng)超聲波探頭的頻率,、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz,，高壓激勵脈沖一般為幾十到幾百伏,，脈沖的上升時間不超過100 ns。根據(jù)頻譜分析,，激勵脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關(guān)系式,，當(dāng)脈沖寬度滿足這一關(guān)系式時，接收探頭的接收信號質(zhì)量最好,。該關(guān)系式即為：
式中,，f0為探頭頻率，2a為脈沖寬度,。本設(shè)計所選探頭頻率為2．5 MHz,，由式(1)確定的脈沖寬度為600 ns,，所以放電時間應(yīng)盡量控制在600 ns。
超聲波探傷法的種類很多,，實(shí)際運(yùn)用中,，大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式,，超聲波發(fā)射電路如圖2所示,。電路由可調(diào)高壓電源、電阻R1和R2,、能量存儲電容C,、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ,、快速恢復(fù)型二極管VD1,、VD2和探頭組成，設(shè)二極管等效電阻為R3,，開關(guān)等效電阻為R4,。ARM微處理器的PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖，經(jīng)IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路后送入開關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1,。當(dāng)V1為負(fù)脈沖時,，IGBT關(guān)斷，高壓電源通過R1,、VD2對電容C充電,，充電時間常數(shù)為τ1=C(R1+R3)。當(dāng)t>5τ1時,，認(rèn)為電容C充滿,。當(dāng)V1為正脈沖時，IGBT開通,，電容C通過開關(guān)管VQ,、R2和二極管VD1對探頭放電，放電時間常數(shù)為τl=C(R2+R3+R4),。超聲波探頭收到高壓負(fù)脈沖的激勵后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波,。
電路中元件作用：
1)電阻R1用來限制充電時高壓電源對電容C的充電電流，即起到限流作用,，并減小發(fā)射單元工作時對電源的影響,，從這點(diǎn)考慮，要求電阻R1阻值越大越好,。另一方面,，電路的重復(fù)頻率f較高，為了使電容C在觸發(fā)前能充滿電,，就必須滿足CR1<1／5f,。所以要選擇合適的電阻R1的阻值,。
2)電阻R2有2個作用：一是調(diào)節(jié)放電時間和發(fā)射功率，二是作為阻尼電阻,，調(diào)節(jié)超聲脈沖寬度,。R2的阻值越小，發(fā)射功率越小,，發(fā)射脈沖越窄,；R2阻值越大，發(fā)射功率越大,，發(fā)射脈沖越寬,。
3)快速恢復(fù)型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖,，使A點(diǎn)只有放電時的負(fù)電壓激勵脈沖,。
充電時，電流i與電壓UR的關(guān)系式如式(2)～式(3)所示,。
所研制的電路板可激發(fā)探頭產(chǎn)生0．5～10 MHz的超聲波,，激勵脈沖電壓最高可達(dá)830 V，脈沖的上升時間小于50 ns,。
3 基于ARM的PWM脈沖的產(chǎn)生
ARM嵌入式處理器是具有極低功耗,、極低成本的高性能處理器，運(yùn)算速度快,、精度高,，而且便于實(shí)時操作系統(tǒng)的移植，真正成為實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng),。S3C2440A內(nèi)嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時器,，占空比、頻率,、極性可編程,，且具有自動重載和雙緩沖功能。主頻FCLK最高達(dá)400M-Hz,，APB總線設(shè)備使用的PCLK最高達(dá)68 MHz,。具體過程為：首先，開啟自動重載功能,，對PWM脈沖的各個參數(shù)通過PWM寄存器進(jìn)行設(shè)置,，如定時器配置寄存器(TCFGn)，定時器控制寄存器(TCON),，定時器計數(shù)緩存寄存器(TCNTBn),，定時器比較緩存寄存器(TCMPBn),，定時器計數(shù)觀察計數(shù)器(TCNTOn)等的設(shè)置,。其次,，設(shè)置相應(yīng)定時器的手動更新位,，然后設(shè)置開始位，在等待時間后定時器開始倒計數(shù),，當(dāng)TCNTn和TCMPn的值相同時,，TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦摺．?dāng)TCNTn為0,，TCNTn用TCNTBn的值自動重載,。如果要重新設(shè)置TCNTn的初始值，則要執(zhí)行手動更新,。
通過使用TCMPBn來執(zhí)行PWM功能,，PWM的頻率由TCNTBn來決定。雙緩沖功能允許對下個PWM周期在當(dāng)前PWM周期任意時間點(diǎn)由ISR或其他程序改寫TCMPBn,。
4 高壓電源及其控制
超聲波發(fā)射電路對激勵電壓脈沖要求較高,，需要一定的幅值，而且脈沖寬度要求越小越好,，且須有一定的發(fā)射功率,，這決定了超聲波探傷的靈敏度,，還關(guān)系到工件探傷的深度,。如果要穿透較厚的工件，就需將較大的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率,。發(fā)射功率為：
式中,，uA0為電容放電時的瞬間電壓，C為電容容量,，t為放電時間,，
為有效功率。
當(dāng)放電時間常數(shù)確定后,，放電時間和C即確定,。所以加大發(fā)射電壓是提高發(fā)射功率的主要途徑，由放電電壓公式可知,，除電路中的各個電阻影響外,，高壓電源的電壓是一個主要因素。但電壓又不能太高,，否則會使壓電晶片加速老化,。一般發(fā)射電壓不超過1 800 V。
這里采用美國Ultravoh公司的高壓電源模塊,。其中“V”系列的型號為1V12-P0．4電源模塊,，能完全滿足該設(shè)計的需求，其輸入電壓為12 V,，輸出電壓為0～1 000 V,，控制電壓為0～5 V,，功率為0．4 W。低功耗,、體積小,、重量輕，并帶有輸出電壓監(jiān)測和自保護(hù)電路,。高壓電源控制電路如圖3所示,。
ARM微處理器輸出的控制信號經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后可輸出0～5 V的控制信號V2，相應(yīng)的高壓電源模塊即可輸出0～1 000 V的電壓,。
5 仿真及分析
為驗證本設(shè)計是否能滿足實(shí)驗的需要,，對電路進(jìn)行軟件仿真。因為t=5τ1,，約為500μs時認(rèn)為充電電容充滿,，所以把開關(guān)頻率設(shè)置為1kH-z。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示,。
圖4中,，高壓電源輸出為725V，R1=10 kΩ,，R2=100 Ω,，C=0．01μF，得到的激勵脈沖約為600 V,，寬度為600 ns,。此脈沖滿足本設(shè)計中超聲波頻率為2．5 MHz時，探頭對激勵脈沖寬度的要求,。
圖5中,，當(dāng)高壓電源輸出最大為1 000 V，R1=10 kΩ,，R2=100 Ω,，C=0．01μF時，得到的激勵脈沖約為830 V,，寬度為600 ns,。
由于帶充電電阻器的高壓直流電源效率不是很高，所以激勵脈沖的電壓也不能達(dá)到高壓電源的電壓,。通過ARM微處理器發(fā)射不同頻率和占空比的控制脈沖,，可以控制發(fā)射電路發(fā)射寬度和重復(fù)頻率可調(diào)的激勵脈沖。
6 結(jié)論
通過對發(fā)射電路工作原理以及各個元件作用的分析,，得出了各個元件對超聲波所起的不同作用,，以及ARM的PWM模塊如何對激勵脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)驗證。該電路發(fā)射的超聲波功率,、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào),。能滿足多種檢測需求。