[發明專利]多模式曲面相控陣超聲層析成像裝置

在審

• 申請號: 201910798140.0
• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN110470744A
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發明（設計）人: 董峰;劉皓;譚超
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/34
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 程毓英<國際申請>=<國際公布>=<進入

1.一種多模式曲面相控陣超聲層析成像裝置，用于對流經管道被測截面內的油氣水三相流體相分布進行重建，包括超聲傳感器陣列，信號控制模塊，高壓激勵模塊，信號采集與解調模塊、工業總線及上位機模塊；信號控制模塊可選通不同模式，通過固定時序控制其他所有模塊與傳感器陣列的激勵、測量過程，在信號控制模塊控制下，高壓激勵模塊產生時長、頻率、占空比可調的激勵電壓信號并施加在激勵超聲傳感器上；接收超聲傳感器上的感應電壓信號由信號采集與解調模塊進行記錄、處理和模數轉換，將得到的數字信號通過LVDS通道差分傳輸至信號控制模塊中的FPGA控制芯片以完成解調；解調后的數據打包通過CPCI總線發送至工業總線及上位機模塊，進行圖像重建、參數提取后處理；超聲傳感器陣列由多個獨立小尺寸超聲換能器組成并在同一管道截面內沿管道外壁均勻分布以形成曲面陣列，相鄰傳感器的夾角相同，每個超聲探頭有獨立的超聲發射通道及電壓測量、數據采集通道。其中，

信號控制模塊包括直接數字合成電路DDS、現場可編程門陣列FPGA控制芯片、可編程超聲波束成形器芯片LM96570；通過上位機向FPGA控制芯片發送指令，指定選定的激勵測量模態及相關參數，利用FPGA控制芯片向DDS電路發送控制數據，給出時長、頻率、占空比可調的控制信號；同時，由FPGA控制芯片計算給定波束合成參數所需的通道時延信息，并通過串行外設接口通信SPI控制可編程波束成形器LM96570生成不同時延下時長、頻率、占空比可調的控制信號，以實現激勵信號時長、頻率、占空比的實時動態調節和方向、角度、幅值、頻率可調的激勵聲場；直接數字合成電路DDS和可編程波束成形器生成的控制信號根據所需的敏感模態在FPGA控制下進行選通，作為信號控制模塊的控制信號輸出；

超聲激勵模塊由多路并行的雙極性脈沖電路組成，每路雙極性脈沖電路包括光電耦合電路、MOSFET驅動電路、高壓雙極性直流開關電路、阻抗匹配網絡電路；其中，光點耦合電路接收信號控制模塊的控制信號輸出，經光電隔離生成具有驅動能力的5V模擬驅動信號，其輸出接在MOSFET驅動電路的輸入端；MOSFET驅動電路將輸入的5V模擬驅動信號轉為12V，作為輸出接入高壓雙極性直流開關電路的輸入端；高壓雙極性直流開關電路使用12V模擬驅動信號驅動一對增強型功率MOSFET輪流導通，產生高壓雙極性電壓信號，作為輸出接入阻抗匹配網絡電路；阻抗匹配網絡電路將高壓雙極性電壓信號轉變為正弦信號并通過低諧波模擬開關陣列選通激勵通道，作為超聲激勵模塊的輸出；

信號采集與解調模塊包括單端轉差分電路、模擬前端電路、FPGA采集電路；超聲傳感器接收到的感應電壓信號接入單端轉差分電路的輸入端，其輸出信號為差分電壓信號，接入模擬前端電路的輸入端；模擬前端電路包含AFE5801模擬前端芯片及其周邊電路，生成經低噪聲放大、可編程增益及抗混疊濾波處理后的數字信號作為輸出，接入FPGA采集電路的輸入端；FPGA采集電路的輸入端包含FPGA采集芯片及其周邊電路，并與FPGA控制芯片通信，其生成解調后的數字信號，作為信號采集與解調模塊的輸出；

工業總線及上位機模塊將解調后的數據通過工業標準總線送往上位機進行實時圖像重建。