基于FPGA的电磁超声检测系统的研究

论文摘要

由于电磁超声技术检测效率高、环境适应性强,因此被广泛应用于无损在线检测研究领域。FPGA灵活性强、处理速度高,在实时信号处理中具有独特优势。本文研究基于FPGA的电磁超声检测系统具有重要的理论意义和实用价值。本文在深入研究国内外电磁超声检测方法的基础上,分析了电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducers,EMAT)的工作机理,成功研制了基于FPGA的电磁超声检测系统。该系统包括电磁超声发射、接收电路、基于FPGA的数字信号处理和基于SOPC的缺陷检测部分。基于DDS技术的电磁超声发射电路能够产生高频、大功率正弦电流脉冲串,脉冲串的频率、重复频率、波数及幅度均连续可调。本文设计的电磁超声接收电路具备强噪声背景下的微弱信号检测能力,采用2级级联的二阶无限增益多路反馈带通滤波电路能够显著提高接收信号的信噪比。本文在分析电磁超声接收信号成分及噪声来源的基础上,采用FIR带通滤波与小波消噪算法有效地降低了电磁超声接收信号中的噪声含量,并利用数字检波方法提取了接收信号的包络。上述算法通过硬件描述语言编程,并由FPGA实现,提高了检测系统的灵活性与实时性。本文基于SOPC技术实现了对消噪后接收信号的采集、缺陷判断、缺陷定位与显示。采用所研制的基于FPGA的电磁超声检测系统进行了钢板缺陷检测、声场指向性测量和列车轮对检测实验。实验结果验证了检测方法的有效性与正确性。该系统的研制为电磁超声在线检测技术的工程应用奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 电磁超声检测技术的国内外研究现状
• 1.3 FPGA在超声检测中应用的国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 电磁超声检测系统的总体方案设计
• 2.1 电磁超声检测原理
• 2.2 电磁超声发射接收原理
• 2.2.1 EMAT线圈种类
• 2.2.2 EMAT发射接收原理
• 2.2.3 影响EMAT接收信号强度的主要因素
• 2.3 EMAT检测系统的主要技术指标
• 2.4 系统的总体方案设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 电磁超声检测系统硬件电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 EMAT发射电路设计
• 3.2.1 基于DDS技术的控制电路设计
• 3.2.2 逆变电路设计
• 3.3 EMAT接收电路设计
• 3.3.1 低噪声前置放大电路设计
• 3.3.2 带通滤波电路设计
• 3.4 FPGA及其外围电路设计
• 3.4.1 AD转换电路设计
• 3.4.2 显示及开关电路设计
• 3.4.3 存储器设计
• 3.4.4 FPGA配置电路及电源转换电路设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于FPGA的电磁超声接收信号消噪处理
• 4.1 引言
• 4.2 EMAT接收信号特点及噪声来源
• 4.3 基于FPGA的FIR滤波
• 4.3.1 FIR滤波器原理
• 4.3.2 FIR滤波器设计
• 4.4 基于FPGA的小波消噪
• 4.4.1 小波原理
• 4.4.2 小波消噪
• 4.4.3 小波消噪后的EMAT接收信号
• 4.5 基于FPGA的数字检波
• 4.5.1 检波原理
• 4.5.2 数字检波
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于SOPC的电磁超声缺陷检测及实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 SOPC缺陷检测硬件系统的构建
• 5.2.1 SOPC硬件系统的构建
• 5.2.2 Avalon用户外设数据采集组件的设计
• 5.3 SOPC缺陷检测软件设计
• 5.4 EMAT检测系统的实验验证
• 5.4.1 钢板缺陷检测
• 5.4.2 EMAT指向性粗略测量
• 5.4.3 列车轮对初步检测
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢