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CN177
电磁超声精密测厚仪
哈尔滨工业大学电气工程及其自动化
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Project
Name of Project: 电磁超声精密测厚仪
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Name: 汪开灿 E-Mail: wcc215@163.com Telephone: 0451-86402514 Mobile Phone: 13704801805 Mailing Address: 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号哈尔滨工业大学逸夫楼207室
Contest Advisor
Name: 王淑娟 E-Mail: wsj603@hit.edu.cn Telephone: 13895723603
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No. Name English Name 1 汪开灿 wcc215@163.com Wang Kaican 2 米武军 281459044sx@163.com Mi Wujun 3 段伟亮 stzdwl@163.com Duan Weiliang
Project Paper - view as Preliminary(2009/06/15), Final(2009/09/14), Draft, Latest
1. 设计概述 (Preliminary Paper)
厚度的测量关系到国民经济的众多领域，对人们的生活、生产安全具有重大的意义。壁厚是板材、管材极为重要的参数之一，也是生产厂家首要控制并给予用户保证的参数。实现壁厚的高效、可靠测量，有利于板材、管材生产企业保证产品质量，提高经济效益。超声波应用于材料测厚已经是非常成熟的技术，但现在实际用于测厚的多是压电超声波探头，简称压电探头。压电探头具有制造工艺简单、体积小、重量轻等优点，在超声测厚方面发挥了举足轻重的作用。但是，压电探头也有不足之处：(1) 压电探头必须使用耦合剂，使用时需要人工涂抹耦合剂，且高温下耦合剂的特性容易发生改变，因此难以用于自动测厚和高温测厚。(2)压电探头很难激发横波，由于横波的速度为纵波的一半左右，在相同频率下，横波的测量精度是纵波的两倍。EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer，电磁超声换能器) 是一种新型的超声波发射接收装置，已经逐步成为国内外较为主流的超声检测技术之一。由于试件本身就是换能器的一部分，因此EMAT无需耦合剂，这大大拓宽了电磁超声测厚的应用领域。EMAT可以通过改变线圈的绕制方式以及外加磁场的方向来产生横波、纵波、表面波和导波等多种类型的超声波，有利于提高测厚的精度。国外电磁超声测厚仪已经有相关产品，国内还未见报道。由于需要对超声回波信号进行较高频率采样，并进行快速的数字信号处理，普通单片机无法完成，即使使用DSP也会由于接口复杂而难于实现。Altera的SOPC技术将软核CPU和可编程逻辑有机的结合在一起，充分发挥了各自优势，可以灵活高效地解决片上系统方案，设计周期短、成本低。Nios II系列32位RISC嵌入式处理器是Altera公司开发的第二代嵌入式微处理器软核，具有超过200 DMIPS的性能，在低成本FPGA中实现成本只有35美分。NiosII指令系统可通过自定义指令和标准处理器选项，利用硬件来明显提高系统性能，配置和使用具有很大的灵活性，可以在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要求。另外，随着电子工艺的不断改进，低成本FPGA器件推陈出新，这一切促使FPGA成为测厚仪处理器的首选。因此，设计一种基于FPGA的电磁超声测厚仪，对提高厚度测量的精度、效率和自动化水平，具有重要的理论意义和实用价值。(Revision: 5 / 2009-06-10 11:19:54)
2. 功能描述 (Final Project Paper)
1 功能描述：本文设计的基于FPGA电磁超声测厚仪采用电磁超声技术实现板材厚度的在线测量，无需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理。测厚仪具体指标如下：(1) 超声频率2MHz，发射电流50A以上；(2) 接收电路增益80dB，增益可调，采样率40MHz；(3) 测量厚度范围10mm~150mm，测量精度(1%*H + 0.1) mm，其中H为试件的厚度。(4) 适用范围：各种非铁磁性导体板材、管道等的厚度测量。2 功能实现方法本文设计的电磁超声精密测厚仪采用电磁超声技术实现板材厚度的在线测量，无需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理；采用了基于FPGA的数字信号处理方法，实现了电磁超声回波信号的实时处理；采用了SOPC技术，增强了软件灵活性，简化了系统硬件电路。通过以上措施改善了测厚仪抗干扰能力、降低了系统复杂度、提高了测量效率。(1) 基于电磁超声的厚度测量原理本文设计的电磁超声精密测厚仪采用电磁超声技术实现板材厚度的在线测量，无需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理。EMAT可以通过洛仑兹力机理或磁致伸缩效应在导体或磁性材料中激发和接收超声波。EMAT主要由3部分组成：发射、接收线圈，提供静磁场的永磁铁、电磁铁或脉冲电磁铁，以及待测试件本身。典型的电磁超声测厚仪工作机理如图1所示。发射电路在螺旋线圈内通以高频交变电流，并在试件集肤深度内产生与之方向相反的涡流；涡流在钕铁硼永磁体的强磁场作用下，引起质点产生周期性的振动和弹性形变；当这种振动以波的形式在试件中传播时，就形成了超声波。电磁超声接收过程是发射的逆过程。在已知声速c的情况下，通过计算超声波在试件内的往返时间，便可由下式得到试件厚度h。
图1 电磁超声测厚仪工作机理(2) 超声回波信号的数字信号处理相关检测是一种十分有效的微弱信号检测方法，它包括互相关检测和自相关检测。其中，互相关用于度量两个随机过程间的相关性，自相关用于度量同一随机过程前后的相关性。两种方法均可对电磁超声回波信号进行有效处理，本文采用自相关方法提取回波信号的包络。结合FIR滤波器和自相关检测算法，利用Altera公司的DSP Builder在Simulink下，设计了电磁超声回波信号处理模块，实现对回波信号的处理。(3) 厚度的计算及显示通过Nios II CPU完成厚度计算、控制系统发射电路、数据采集电路和液晶键盘等功能。
(Revision: 5 / 2009-09-14 20:58:34)
3. 性能参数 (Final Project Paper)
数字信号处理的实现本文设计的电磁超声精密测厚仪，超声工作频率在2MHz，我们选用了40MSPS的采样率，可以很好满足精度要求。在这么高的速度下进行数字信号处理，普通的微处理器是很难做到实时处理的，即使使用DSP也得需要较长时间。本文使用的Altera的FPGA以及配套软件很好解决了这一问题，在实际设计中，为了减少开发周期，我们使用了Altera的DSP Builder设计软件，很快地实现了需要的算法。实际使用中，我们实现自相关算法仅需要μs级的时间，系统实时性很高。这些是普通微处理器无法比拟的。(Draft / 2009-09-14 21:03:35)
4. 设计结构 (Preliminary Paper)
系统硬件的总体结构框图如图14所示，在FPGA内部嵌入NiosII软核处理器，CPU通过Avalon总线控制发射电路发射电磁超声信号。信号以超声波的形式在试件中传播，遇到试件上下端面会发生来回反射，接收探头接收到后经调理电路放大滤波，经AD转换后在FPGA内部通过硬件设计的数字信号处理模块进行快速的信号处理，提取回波包络，然后在Nios II中通过必要算法对厚度进行计算。液晶实时显示测量结果。
图14 系统总体结构框图EMAT发射接收部分采用了转换开关实现了单探头的收发电路。为了获得较高的发射功率，采用了D类功率放大电路进行发射电路的设计，发射频率2MHz，发射电流50A以上；接收部分采用高增益的放大电路以及滤波网络对接收信号进行调理。数字信号处理模块方面采用基于的FPGA的相关算法来实现回波信号的处理，能够有效提取回波包络。设计上使用DSP Builder，通过Matlab的Simulink进行设计，具有实现简单、方便快捷的特点，能够实现各种数字信号处理算法，开发周期短。超声信号在试件中会发生来回多次反射，如图15所示为其回波的示意图，通过提取包络，计算各次回波时间即可根据波速计算试件的厚度。图15 超声回波信号示意图
(Revision: 2 / 2009-06-10 15:23:50)
5. 设计方法 (Final Project Paper)
1 实现方案：基于FPGA的电磁超声精密测厚仪的硬件总体框图如图1所示，FPGA及其外围电路负责发出控制信号和对回波信号进行采集、处理，并最后显示厚度。发射接收电路完成超声波的发射、接收、放大、滤波以及调理。图1 装置硬件结构框图
2.1 装置硬件电路设计2.1.1超声波发射接收电路设计为了获得较高的发射功率，采用D类功率放大电路进行发射电路的设计，具体的实现原理如图2所示。在图1中通过FPGA控制部分发出两路脉冲信号，两路信号为6个低电平的脉冲信号，信号频率2MHz，两路信号相位相差180º，经驱动电路反相后，控制功率放大电路的功率器件的通断，驱动线圈产生交变电流，从而产生超声波信号。
图2 发射电路原理框图接收部分采用高增益的放大电路以及选频电路对接收回波进行处理。如图3所示，接收电路主要由EMAT、放大电路、滤波电路、选频电路等几个部分组成。图3 接收部分原理框图2.1.2 FPGA及其外围硬件电路设计如图4所示，基于FPGA的主控电路及其外设除FPGA外，包括了串行配置芯片、SRAM、SDRAM、FLASH、JTAG接口、CONFIG接口、液晶接口等电路单元。图4 FPGA硬件电路及其外设原理框图(1) 存储器设计 基于SOPC技术的嵌入式系统的设计中需要用到SRAM、 Flash等存储器。在Nios系统工作时，片外RAM一般存放运行程序和数据，Nios处理器通过Avalon总线与片外RAM连接，完成RAM中程序和数据的读写。在片外RAM存储器中保存的数据是易丢失的，即系统掉电后RAM中信息随之丢失，为了解决这个问题，一般在Nios系统中还要加入快闪存储器Flash，用于存放系统掉电后需要保存的程序和数据。(2) 数据采集电路 AD9224是美国AD公司生产的一种12位、40MSPS高性能模数转换器。它具有片内高性能采样保持放大器和电压参考。在单一＋5V电源下，它的功耗仅有376mW，信噪比与失真度为±0.7dB，且具有信号溢出指示位，并可直接以二进制形式输出数据。AD9224采用多级差动流水线式结构对输出错误进行逻辑纠正，以保证在整个工作温度范围内不失码。AD9224的接口十分方便，可广泛应用在图象、通信系统以及医疗超声波设备中。本装置数据采集部分使用的AD9224其12位的精度、40MSPS的最高采样率完全可以满足装置的检测要求，并留有很大的余量，装置的AD转换部分的原理图如图5所示。图 5 数据采集部分原理图由于AD9224内部参考电压为Vref = +2V，参考器件手册，其电压输入范围为：0~2×Vref，即0~4V。按照图示接法，运放供电电压为±5V，设输入电压为Ui，运放的输入电压为Uo，则它们之间的关系可以用下式表示：(2-1)
如图5所示，当Ui的输入范围为 -5V~5V，Uo 的范围为0~4V，满足AD的输入要求，并且能够充分利用AD的量程。2.2 装置软件设计2.2.1发射控制器设计基于FPGA的发射控制器实现对发射接收电路的控制，在Quartus II编译环境下，采用Verilog语言编程实现。图6为发射控制器模块图，图7为仿真波形图。图6发射控制器模块图图7 发射控制器的仿真结果2.2.2基于FPGA的数字信号处理方法EMAT回波信号中所含噪声成分十分复杂，既有工频分量，又包含大量随机噪声。因此，在上述硬件电路模拟滤波基础上，还需采用数字信号处理方法进一步提高回波信号的信噪比。数字信号处理模块主要包括滤波和检波两部分，通过在FPGA内部搭建各类数字滤波器等，实现对回波信号的处理。所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。常用的数字滤波器主要包括有限脉冲响应 (FIR) 和无限脉冲响应 (IIR) 。两种滤波器各有不同特点。IIR滤波器可用较低阶数获得高的选择性，但相位是非线性的。而FIR滤波器则与之相反。此外FIR滤波器主要采用非递归结构，无论在理论上还是在实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题，运算误差也较小。因此，选用FIR滤波器进行回波信号处理模块的设计。图8为用DSP Builer实现的32阶的FIR滤波器的原理图。图8 32阶FIR滤波器原理图相关检测是一种十分有效的微弱信号检测方法，它包括互相关检测和自相关检测。其中，互相关用于度量两个随机过程间的相关性，自相关用于度量同一随机过程前后的相关性。两种方法均可对电磁超声回波信号进行有效处理，本文采用自相关方法提取回波信号的包络。结合FIR滤波器和自相关检测算法，利用Altera公司的DSP Builder在Simulink下，设计了电磁超声回波信号处理模块，其原理图如图9示，处理前后的波形如图10所示。图9 电磁超声回波信号处理模块原理图
图10 处理前后的电磁超声回波信号2.2.3 Nios II CPU主程序设计基于FPGA的电磁超声测厚仪由硬件和软件两部分共同组成。硬件电路设计是测厚仪功能得以实现的基础，软件设计是连接各电路模块、使功能得以实现的桥梁。Nios II CPU完成厚度计算、控制系统发射电路、数据采集电路和液晶键盘等功能。电磁超声测厚仪主程序流程图如图11所示。图11 电磁超声测厚仪主程序流程图2.3 实验调试及结果用示波器观察到0.125的采样电阻上的波形如图12所示。可见，发射电路能够满足发射电流超过50A的设计要求。图12 示波器观察到的采样电阻上的信号将实验装置的前端发射接收电路安放在铝板表面，通过示波器观察信号回波，实际采得的波形如图13所示。
图13 回波信号根据JJF 1126-2004超声波测厚仪校准规范的要求，对一系列标准厚度块进行测试，其中标准厚度块的材料为铝合金板材12A09，环境温度为20℃，超声波的声速为3230m/s，测量结果如表1所示。实验结果表明误差范围在mm之内 (h为标准厚度块的标称值)，可知本电磁超声测厚仪的分辨力达到0.1mm。表1 实验数据
电磁超声精密测厚仪样机照片如图14所示。
图14 电磁超声精密测厚仪样机照片
(Revision: 6 / 2009-09-14 21:34:59)
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6. 设计特点 (Preliminary Paper)
本文设计的基于FPGA的电磁超声精密测厚仪，使用电磁超声技术，无需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理，检测效率高。测厚仪发射频率较高，需要对其进行精确的控制以及回波信号的高速采样，本文使用FPGA进行设计，充分发挥了FPGA的优势，整体结构紧凑。电磁超声回波较压电超声弱100倍左右，微弱信号检测成为难点。本文设计了基于FPGA的数字信号处理模块，可以有效从超声回波信号中提取有用信号，消噪效果显著。使用DSP Builder来实现信号处理算法，开发效率高。基于SOPC技术，将嵌入式CPU NiosII应用在测厚仪中，整个系统控制和处理部分有机结合在一起，整体结构紧凑，可靠性高。Altera的FPGA内部资源丰富，片内Memory和DSP模块富足，各种IP核完备，特别适合信号采样和数字信号处理算法的实现。Altera提供的各种工具软件齐全，DSP算法、系统集成易于实现。这些优势使得本文在设计上开发效率高、结构紧凑、开发周期短。(Draft / 2009-06-10 11:53:12)
7. 总结 (Final Project Paper)
Altera Nios II是软硬件的完美结合，对时序要求比较严格的，计算量大的部分，通过定制组件，定制指令等方式快速准确的实现；对那些控制逻辑复杂，时间要求相对宽松的部分通过嵌在FPGA的Nios II CPU实现，缩短了开发周期。对于需要实时性很高的系统，选用SOPC的方式架构，能够很好实现系统的功能，而且结构紧凑，修改方便；对于复杂的数字信号处理算法，使用DSP Builder能够很快加以实现并验证，可视化的图形界面可以很方便修改，大大减少了开发周期，提高产品在市场的竞争力。可以预见，SOPC将是以后片上系统的一种趋势。
(Draft / 2009-09-14 20:46:33)