超声波腐蚀监控系统技术研究

超声波腐蚀监控系统技术研究研究目标、研究内容与考核指标一、研究目标超声波腐蚀监控系统是通过超声技术对船体的腐蚀情况进行监控，技术手段是通过超声发射电路发射超声波，然后通过接收电路以及数据采集电路对超声回波进行接收，根据处理后的超声数据计算船体的厚度变化，从而达到对船体的监控效果。

二、研究内容1、腐蚀监控系统的检测方法研究腐蚀监控系统在实际的生产中具有较高的实际意义，因此针对腐蚀监控系统，具有不同的实际实现方法。

其中包括厚度变化检测法、在线探针检测法、电化学检测法以及PH 浓度检测法等。

2、超声波的实际检测原理研究超声波检测的过程是，通过特定频率的激发脉冲对超声探头进行激发，从而在超声探头中产生固定频率的超声波，通过实际的耦合剂，超声波会在介质中进行传播，耦合剂的选择对系统的性能具有一定的影响性，如果耦合剂的效果较好，则超声波的大部分能量会在介质中进行传播，如果耦合剂的效果不佳，则在第一次超声波传输的过程中，会有能量的衰减，这种能量的衰减会对超声系统产生一定的影响。

在介质中传播的超声波，如果遇到介质中有缺陷，则会产生反射的现象，反射的波形会被接收端的接收器进行接收，接收器对超声回波进行处理，同时对数据进行转化和分析，从而判断出实际的缺陷的情况。

超声波腐蚀检测的过程即是对超声回波信息进行实时地分析，从而通过超声回波的实际信息对管道腐蚀情况进行检测。

通过超声波的幅度信息可以判断出腐蚀的具体情况，通过回波之间的时间间隔信息可以判断出腐蚀的具体位置和腐蚀的具体大小。

在实际的检测系统中，控制单元会实时地对超声的回波数据进行处理和分析，从而使得系统可以对腐蚀的实际情况进行监控，同时超声波腐蚀监控系统中通常配有显示单元，可以对检测的实际结果进行显示，及时地通知工作人员进行合理的操作。

超声波回波数据还需要进行定期的保存，从而方便用户对系统的合理监控，同时对未知的腐蚀情况进行推测。

3、高速数据采集技术研究为了对超声回波信号进行实时地接收，系统需要设计数据采集电路，数据采集电路的主要作用是对检波后的超声回波进行接收，从而对数据进行处理，通过接收到的超声数据，可以实时监控船体的实际腐蚀情况，从而完成对船体的腐蚀监控效果。

三、拟采取的研究方向及途径1、研究方案系统总体方案系统的核心控制器选用单片机，单片机的主要特点是控制能力较强，同时性价比较高，具有较好的实用价值。

同时，单片机的硬件设计简单，程序移植性强，在实际的工业场合具有较好的应用价值。

通过单片机作为超声腐蚀监控系统的核心控制器，单片机的主要作用是对整个系统进行控制以及对数据进行采集和显示。

根据实际应用场合，单片机根据一定的时间间隔，向驱动电路发送脉冲信号，脉冲信号的主要作用是通过发射电路，转换成高压脉冲信号，从而控制超声探头产生超声波。

驱动电路要求具有较高的驱动能力，同时驱动电路中驱动芯片的选取需要考虑芯片具有较小的上升时间、下降时间以及延迟时间，驱动芯片性能的优劣将直接影响后续的发射电路的发射强度。

驱动电路通常选用集成驱动芯片，通过集成驱动芯片，可以减少电路板的面积，同时集成驱动芯片具有较好的驱动效果，对整机性能的提高具有较为突出的效果。

通过驱动电路之后的脉冲信号，具有较好的驱动能力，可以直接控制发射电路产生高压负脉冲信号，高压负脉冲信号经过超声波探头，可以产生超声波信号，从而完成超声波发射的过程。

在超声波发射电路中，需要配有高压电路，超声波电路中的高压可以通过集成模块获得，也可以通过电路的形式获得，实际的应用过程中，集成高压模块性能较高，但是价格较贵，同时体积较大，不利于对电路板的设计，另外也不满足便携式仪器的设计要求，因此在本方案中，通过电路的设计产生超声波发射电路中所需要的高压，通过电路的设计，可以将系统的供电电压转化为所需要的高压信号，同时，减小了电路板的设计面积，有利于便携式超声波监控系统的设计，根据器件的实际参数，高压电路可以满足超声波腐蚀监控系统的实际要求。

接收电路部分主要是对超声回波信号进行接收和处理，由于系统设计的时候，选用收发为一体式超声波探头，因此，为了避免发射电路中的高压脉冲对接收电路产生干扰和破坏，实际设计的过程中，需要在接收电路的前端设计限幅电路，从而对接收电路进行保护，限幅电路设计的过程中，需要考虑实际的限幅数值大小，如果设计的限幅数值过大，高压脉冲会对后续的接收电路产生影响，如果实际设计的限幅数值较小，则将无法完整接收超声回波信号，从而使得超声接电路的性能不完善，实际的电路设计中，通过仿真手段，最终确定限幅电路的主要参数。

放大电路的主要作用是对超声回波信号进行放大，由于超声回波信号的幅度较小，因此无法对超声回波信号进行数据采集和处理，因此需要设计放大电路，使得超声回波的幅度可以满足数据采集的采集要求，从而进行超声回波的实际采集。

由于超声回波信号的频率较高，因此放大电路需要具有较高的带宽。

在放大电路的实际设计过程中，选用高速运算放大器作为放大电路的核心器件，从而使得放大电路对超声回波信号具有较好的放大效果。

经过放大电路之后的超声回波，需要经过滤波电路的处理，从而保证超声回波具有较好的波形稳定性。

在超声电路的实际设计过程中，由于发射电路的激发脉冲较大，会对超声接收电路的性能产生一定影响，而超声回波的幅度较小，很容易受到外界以及电路板自身的干扰，因此需要设计滤波电路，从而保证超声回波信号具有较好的稳定性。

超声接收电路中的滤波部分需要设计带通滤波器，通频带的中心频率应设计为超声回波的频率，从而对超声回波进行滤波处理，滤波后的超声回波具有较好的性能，可以提供给后续电路进行处理。

为了保证数据采集电路可以对超声回波信号进行采集，系统的硬件设计中，设计检波电路，检波电路的实际作用是通过电路对回波信号的包络进行检波，从而方便后续的数据采集电路对超声回波进行处理，数据采集电路对超声回波的包络进行采集，从而还原出回波的实际检测情况。

数据采集电路的主要作用是对超声回波信号进行采集，数据采集的电路的稳定性和准确性是超声检测系统的重点。

在本方案设计中，数据采集电路主要是对超声回波的包络进行采集，通过将超声回波信号的包络转化成数字量，从而可以计算出管道的实际腐蚀情况，进而达到对金属管道的腐蚀情况进行实时合理地监控。

数据采集电路要求具有较高的采集速度，从而可以满足对超声回波的采集要求，由于数据采集电路具有较高的采集速度，为了保证数据采集电路的实时性，系统设计FPGA 电路，FPGA 具有较高的工作频率，可以满足工业现场的数据采集要求。

FPGA 为数据采集电路提供较高的采集频率，在该采集频率下，高速数据采集电路可以对超声回波信号的包络进行实时地采集，从而完成数据采集要求。

由于FPGA 的工作频率较高，同时数据采集电路的采集频率也较快，因此系统的核心控制器单片机无法实时地对采集到的数据进行读取，因此硬件设计的过程中，设计FIFO 部分，从而对数据采集电路采集到的超声回波的包络数据进行存储，保证数据的实时性和完整性。

单片机控制器在需要的时候，可以读取FIFO 中的数据，并且对数据进行合理的处理，完成信号的采集和处理过程。

为了增加系统的人机交互性能，系统在硬件设计的过程中，设计了键盘控制电路和显示电路。

键盘控制电路的主要作用是对系统的参数进行设定，显示器的主要作用是对系统的运行状态进行实时地显示，同时可以对测量结果进行显示，从而使得用户可以实时地了解系统的测量情况。

2、技术途径超声波腐蚀监控系统的软件部分主要包括激发脉冲的时序控制程序、显示控制程序、AD 采集程序、数据存储程序以及结果计算程序等。

激发脉冲的时序控制程序的主要作用是通过软件延时，产生可以激发超声波探头的短暂脉冲信号，该脉冲信号要求脉冲宽度较窄，同时稳定性较强，从而可以有效地激发超声波探头。

显示程序的主要作用是通过程序，将实时的检测结果显示在显示器上，从而使得用户可以及时观察到仪器的工作状态和仪器的测量结果，增加了仪器的人机交互性能，保证了仪器的整体功能。

AD 采集程序的主要作用是通过FPGA 可以控制高速AD 接收到的超声回波进行数据采集，AD 采集程序对实时性要求较高，因此需要FPGA 对AD 变换器提供较高频率的时钟，从而保证AD 采集的高速性和实时性，通过AD 采集程序，可以实时地对超声回波信号进行数据采集。

数据存储程序的主要作用是通过软件将数据采集部分得到的超声回波数据进行合理地存储，从而使得控制器在进行数据处理时，可以对回波数据进行调用，由于FPGA 控制AD 采集的采集频率较高，因此如果不增加数据存储部分，则主控制器无法保证数据的处理速度，数据存储的过程是通过FPGA内部的FIFO 完成的。

结果计算程序的主要作用是通过控制器，对数据采集的结果进行比较和计算，从而计算出回波的时间点位置，进而计算出金属管道的实际厚度值，对金属管道的腐蚀情况可以进行合理地监控。

超声腐蚀监控系统的整体软件设计流程图如图 4.1 所示。

仪器上电后，首次运行时，需要进行软件的自检，软件的自检过程主要是保证系统各个组成部分没有异常，可以进行正常的超声腐蚀监测工作。

自检完成后，单片机需要通过软件程序产生超声系统所需要的激发脉冲信号，激发脉冲信号的脉冲宽度较窄，因此实际的软件设计过程中，采用延时程序产生超声激发脉冲信号，延时程序的速度快慢主要取决于系统的外接时钟大小，如果外接的系统时钟频率较高，则延时程序的时间分辨率较大，同时产生的超声激发脉冲的稳定性也较高。

超声激发脉冲也可以通过软件定时器产生，但是由于超声激发脉冲的宽度较窄，因此通过定时器较难达到实际的脉冲宽度，故实际软件设计时，不采用定时器产生器超声激发脉冲，而是采用软件延时的方法产生超声激发脉冲。

在超声波激励脉冲产生的同时，软件程序需要不断地判断超声波激励脉冲结束的时间点，如果超声波激脉冲没有结束，则程序会进行等待操作，如果超声波激励脉冲结束，则需要进行数据采集程序，即对超声回波数据进行采集。

数据采集程序主要是通过FPGA 控制高速AD 变换器完成的，根据高速AD变换器的时序要求，FPGA 可以产生相应的控制信号，从而保证高速AD 变换器可以完成数据采集的要求。

在单片机完成超声激励脉冲之后，单片机的软件程序需要提供给FPGA 一个开始信号，该开始信号的主要作用是通知FPGA 进行高速的数据采集。

因此在没有进行数据采集的情况下，单片机的控制引脚为低电平，而需要进行数据采集的时候，通过软件程序，将控制引脚的状态变为高电平，从而使得FPGA 可以开始进行数据采集，这种单片机控制FPGA 的数据采集方式可以降低系统功耗，同时可以保证数据采集的实时性。

FPGA 在控制高速的AD变换器的时候，可以根据实际的需要，对采集的时钟频率进行控制，从而调整数据采集的实际速度，使得数据采集的实际效果达到最优的状态。