低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声相控阵检测识别技术领域，具体涉及一种阵列形式和超声波频率可通过实时选择变化的低功耗超声相控阵，可方便的进行阵列样式和超声波频率的变化，可应用于根据不同的工作环境选择不同的阵列形式的特殊环境机器人上携带的超声检测
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【背景技术】
[0002]超声波检测作为一种无损检测在检测领域占有越来越重要的地位，它不仅应用在军事领域、航空航天领域、医疗领域，现在也越来越多的被应用到工业探伤、特殊环境探测、手势识别等领域。随着工业环境越来越复杂，对于超声相控阵的精度、准确性和分辨率的要求也越来越高，然而不同样式的相控阵在精度、准确性和分辨率方面有着各自的优点，适应不同的状况。
[0003]传统的相控阵一般有方阵、圆阵、米字阵、线阵、三角阵、梅花形阵等等，它们各自有缺点和优点，适用于不同的场景。一般它们各自只能适用于固定的几种场合，如果用于其他场合就会有很大的缺陷，所以在不同的场合可能需要换不同的阵列去检测，从而导致使用很不方便，大大增加硬件成本。同时，现阶段的发射和接收阵列大都采用模拟的超声波环能器，这样就需要复杂的信号处理电路，在增加硬件成本的同时还会使整个系统的功耗增大。因此，能够在最少的硬件上组合出不同的常用阵列形式进行低功耗可变化阵列的检测成了现有超声相控阵所面临的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种低功耗的可实时选择阵列形式的超声波检测装置。
[0005]本发明的目的是这样实现的:通过使用相同数量的模拟传感器组成的发射阵列和数字传感器组成的接收阵列交叉等间距的排列在一块集成电路板上形成超声检测相控阵，其中的一排发射阵元一排接收阵元相互交错排列且各阵元之间的间距相等，发射和接收阵元各自组成的排数相等。每个发射阵元都有独立的脉冲触发通道，每个接收阵元都有独立的回波信号处理通道。阵列中的每个接收阵元都与信号处理模块中的一个滤波模块相连，省去了放大和Α/D转换电路从而简化接收回波信号的处理电路，处理后的信号直接送给FPGA中的波速控制单元进行后续处理。同时通过按键阵列选择不同的阵列样式和超声波频率，FPGA的脉冲控制单元检测到输入的信号后，根据已经编好的程序产生所需频率的脉冲触发相应的阵元组合出所需要的阵列样式，同时产生所需要频率的超声波。
[0006]本发明使用的按键阵列可以与FPGA集成在一块电路板上缩小体积，而传感器整列可以通过总线与FPGA连接，方便按键阵列探伸到更远的距离。
[0007]通过按键阵列的选择不仅可以选择不同的频率，还可以根据实际检测需要将发射阵列和接收阵列选择成不同或者相同的阵列形式。
[0008]通过以上的技术方案可以看出，由于本发明采用数字式的MEMS传感器接收整列简化了信号处理电路大大节约了处理时间和硬件成本，降低了功耗，同时通过按键的选择，在不需要重新更换硬件的基础上就可以选择不同的阵列样式，大大方便了阵列的选择，降低了使用成本。
【附图说明】
[0009]通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中:
[0010]图1为本发明的相控阵排列结构示意图；
[0011]图2为检测装置的系统原理图。
【具体实施方式】
[0012]在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
[0013]在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
[0014]下面结合附图对本发明做具体的描述和说明，实施例所采用的参数不构成对本发明的限定。
[0015]本发明设计一个有64个MEMS传感器组成的8X8方形超声波阵列如图1所示，此阵列由一排发射阵列和一排接收阵列交叉排布，黑色实心的表示发射阵元，空心的表示接收阵元，阵元都焊接在集成电路板上，那么发射阵列和接收阵列都为8X4的方形阵列。
[0016]结合图2，每个发射阵元通过程控放大器和滤波单元后直接与FPGA的一个口相连，而每个接收阵元先与信号处理模块的一个滤波单元相连再连接到FPGA上。每个接收阵元在接受到回波信号后不需要进行放大和Α/D转换而直接将信号进行滤波处理，处理后的信号直接送给FPGA的脉冲控制单元处理用于显示检测结果，这样既节约了信号处理时间同时也使信号处理电路变得更加简单，降低了硬件成本。4X4按键阵列的每个按键分别以FPGA的一个口相连，这样每个按键代表不同的输入信号。当FPGA的脉冲控制单元采集到不同按键的输入信号时，根据FPGA里面已经编写好的程序做出相应的处理，就可以产生同步频率的触发脉冲输出到不同的控制阵元的端口接通相应的放大器，驱动相应连接的阵元，产生相应频率的超声波，这样就形成了所需要的阵列样式和超声波频率，从而使同一种硬件结构可以方面的变化出许多种阵列样式和超声波频率，大大的简化了硬件结构。通过FPGA程序的延时处理可以使相应的阵元产生的超声波进行偏转实现相位的控制，从而进行超声扫描检测。最后，可以通过总线将扫描检测的结果送给显示屏或者PC机显示。
[0017]以上对本发明进行了详细的介绍，本发明的体积小，结构简单，成本低，功耗小，可以用最少的硬件组合出最多的阵列样式，特别适合不同环境状况的检测。
[0018]以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置，其特征在于:所述装置包括MEMS超声传感相控阵、阵列形式和超声波频率选择模块、信号处理模块、FPGA控制模块；所述阵列形式和超声波频率选择模块用于选择阵列形式和期望超声波频率，并将信号传给FPGA ；MEMS超声传感器组成NXN的相控阵用于触发相应的阵元形成方形、圆形、米字型或线型等相应的阵列样式。
2.如权利要求1所述的低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置，其特征在于，由若干个MEMS超声传感器组成NXN的方形阵列中包括由模拟MEMS超声传感器组成的发射阵列和由数字MEMS超声传感器组成的相同大小的接收阵列，其中的一排发射阵元一排接收阵元相互交错排列且各阵元之间的间距相等，发射和接收阵元各自组成的排数相等。
3.如权利要求1所述的低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置，其特征在于，接收阵列由数字超声传感器组成，每个接收阵元后面分别连接信号处理模块。
4.如权利要求1所述的低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置，其特征在于，每个发射阵元有独立的脉冲触发通道，检测装置采用按键阵列和FPGA相结合的方法进行多种阵列形式和超声波频率的选择。
5.如权利要求1所述的低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置，其特征在于，所述FPGA控制模块包括脉冲控制单元和波束控制单元。
6.如权利要求2所述的低功耗可变换阵列形式的超声波相控阵检测装置，其特征在于，所述信号处理模块由与接收阵元数量相等的放大单元和滤波单元构成；阵列形式和频率选择模块由按键阵列组成。
【专利摘要】本发明提供了一种低功耗可实时变换阵列样式的超声波相控阵检测装置。整个系统包括：FPGA控制模块，方形MEMS超声传感阵列，PCI总线，信号处理模块，阵列形式和频率选择模块。FPGA模块包括脉冲控制单元和波束控制单元，而方形MEMS超声传感阵列由许多个MEMS超声传感器组成横排和纵排个数相等且间距恒定的正方形相控阵，同时阵列的排布由一排发射阵列和排接收阵列交叉排列，每个发射阵元都有独立的脉冲激励通道，每个接收阵元都有独立的回波接收通道；信号处理模块由与接收阵元数量相等的放大单元和滤波单元构成；阵列形式和频率选择模块由按键阵列组成，可分别表示若干种种不同的阵列样式和不同的超声波频率以适应不同的检测情况，从而简化了阵列的硬件结构，更加适合应用在各种不同的特殊环境机器人进行各种探测。
【IPC分类】G01N29-22
【公开号】CN104820023
【申请号】CN201510180902
【发明人】杨涛, 张华 , 皮明, 陈曦
【申请人】西南科技大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月16日