低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲相控陣檢測(cè)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陣列形式和超聲波頻率可通過實(shí)時(shí)選擇變化的低功耗超聲相控陣，可方便的進(jìn)行陣列樣式和超聲波頻率的變化，可應(yīng)用于根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇不同的陣列形式的特殊環(huán)境機(jī)器人上攜帶的超聲檢測(cè)
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波檢測(cè)作為一種無損檢測(cè)在檢測(cè)領(lǐng)域占有越來越重要的地位，它不僅應(yīng)用在軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域，現(xiàn)在也越來越多的被應(yīng)用到工業(yè)探傷、特殊環(huán)境探測(cè)、手勢(shì)識(shí)別等領(lǐng)域。隨著工業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，對(duì)于超聲相控陣的精度、準(zhǔn)確性和分辨率的要求也越來越高，然而不同樣式的相控陣在精度、準(zhǔn)確性和分辨率方面有著各自的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)不同的狀況。
[0003]傳統(tǒng)的相控陣一般有方陣、圓陣、米字陣、線陣、三角陣、梅花形陣等等，它們各自有缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)景。一般它們各自只能適用于固定的幾種場(chǎng)合，如果用于其他場(chǎng)合就會(huì)有很大的缺陷，所以在不同的場(chǎng)合可能需要換不同的陣列去檢測(cè)，從而導(dǎo)致使用很不方便，大大增加硬件成本。同時(shí)，現(xiàn)階段的發(fā)射和接收陣列大都采用模擬的超聲波環(huán)能器，這樣就需要復(fù)雜的信號(hào)處理電路，在增加硬件成本的同時(shí)還會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的功耗增大。因此，能夠在最少的硬件上組合出不同的常用陣列形式進(jìn)行低功耗可變化陣列的檢測(cè)成了現(xiàn)有超聲相控陣所面臨的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗的可實(shí)時(shí)選擇陣列形式的超聲波檢測(cè)裝置。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:通過使用相同數(shù)量的模擬傳感器組成的發(fā)射陣列和數(shù)字傳感器組成的接收陣列交叉等間距的排列在一塊集成電路板上形成超聲檢測(cè)相控陣，其中的一排發(fā)射陣元一排接收陣元相互交錯(cuò)排列且各陣元之間的間距相等，發(fā)射和接收陣元各自組成的排數(shù)相等。每個(gè)發(fā)射陣元都有獨(dú)立的脈沖觸發(fā)通道，每個(gè)接收陣元都有獨(dú)立的回波信號(hào)處理通道。陣列中的每個(gè)接收陣元都與信號(hào)處理模塊中的一個(gè)濾波模塊相連，省去了放大和Α/D轉(zhuǎn)換電路從而簡(jiǎn)化接收回波信號(hào)的處理電路，處理后的信號(hào)直接送給FPGA中的波速控制單元進(jìn)行后續(xù)處理。同時(shí)通過按鍵陣列選擇不同的陣列樣式和超聲波頻率，F(xiàn)PGA的脈沖控制單元檢測(cè)到輸入的信號(hào)后，根據(jù)已經(jīng)編好的程序產(chǎn)生所需頻率的脈沖觸發(fā)相應(yīng)的陣元組合出所需要的陣列樣式，同時(shí)產(chǎn)生所需要頻率的超聲波。
[0006]本發(fā)明使用的按鍵陣列可以與FPGA集成在一塊電路板上縮小體積，而傳感器整列可以通過總線與FPGA連接，方便按鍵陣列探伸到更遠(yuǎn)的距離。
[0007]通過按鍵陣列的選擇不僅可以選擇不同的頻率，還可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要將發(fā)射陣列和接收陣列選擇成不同或者相同的陣列形式。
[0008]通過以上的技術(shù)方案可以看出，由于本發(fā)明采用數(shù)字式的MEMS傳感器接收整列簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路大大節(jié)約了處理時(shí)間和硬件成本，降低了功耗，同時(shí)通過按鍵的選擇，在不需要重新更換硬件的基礎(chǔ)上就可以選擇不同的陣列樣式，大大方便了陣列的選擇，降低了使用成本。
【附圖說明】
[0009]通過參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0010]圖1為本發(fā)明的相控陣排列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為檢測(cè)裝置的系統(tǒng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0013]在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做具體的描述和說明，實(shí)施例所采用的參數(shù)不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
[0015]本發(fā)明設(shè)計(jì)一個(gè)有64個(gè)MEMS傳感器組成的8X8方形超聲波陣列如圖1所示，此陣列由一排發(fā)射陣列和一排接收陣列交叉排布，黑色實(shí)心的表示發(fā)射陣元，空心的表示接收陣元，陣元都焊接在集成電路板上，那么發(fā)射陣列和接收陣列都為8X4的方形陣列。
[0016]結(jié)合圖2，每個(gè)發(fā)射陣元通過程控放大器和濾波單元后直接與FPGA的一個(gè)口相連，而每個(gè)接收陣元先與信號(hào)處理模塊的一個(gè)濾波單元相連再連接到FPGA上。每個(gè)接收陣元在接受到回波信號(hào)后不需要進(jìn)行放大和Α/D轉(zhuǎn)換而直接將信號(hào)進(jìn)行濾波處理，處理后的信號(hào)直接送給FPGA的脈沖控制單元處理用于顯示檢測(cè)結(jié)果，這樣既節(jié)約了信號(hào)處理時(shí)間同時(shí)也使信號(hào)處理電路變得更加簡(jiǎn)單，降低了硬件成本。4X4按鍵陣列的每個(gè)按鍵分別以FPGA的一個(gè)口相連，這樣每個(gè)按鍵代表不同的輸入信號(hào)。當(dāng)FPGA的脈沖控制單元采集到不同按鍵的輸入信號(hào)時(shí)，根據(jù)FPGA里面已經(jīng)編寫好的程序做出相應(yīng)的處理，就可以產(chǎn)生同步頻率的觸發(fā)脈沖輸出到不同的控制陣元的端口接通相應(yīng)的放大器，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)連接的陣元，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，這樣就形成了所需要的陣列樣式和超聲波頻率，從而使同一種硬件結(jié)構(gòu)可以方面的變化出許多種陣列樣式和超聲波頻率，大大的簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。通過FPGA程序的延時(shí)處理可以使相應(yīng)的陣元產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)相位的控制，從而進(jìn)行超聲掃描檢測(cè)。最后，可以通過總線將掃描檢測(cè)的結(jié)果送給顯示屏或者PC機(jī)顯示。
[0017]以上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本發(fā)明的體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，功耗小，可以用最少的硬件組合出最多的陣列樣式，特別適合不同環(huán)境狀況的檢測(cè)。
[0018]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，其特征在于:所述裝置包括MEMS超聲傳感相控陣、陣列形式和超聲波頻率選擇模塊、信號(hào)處理模塊、FPGA控制模塊；所述陣列形式和超聲波頻率選擇模塊用于選擇陣列形式和期望超聲波頻率，并將信號(hào)傳給FPGA ；MEMS超聲傳感器組成NXN的相控陣用于觸發(fā)相應(yīng)的陣元形成方形、圓形、米字型或線型等相應(yīng)的陣列樣式。
2.如權(quán)利要求1所述的低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，其特征在于，由若干個(gè)MEMS超聲傳感器組成NXN的方形陣列中包括由模擬MEMS超聲傳感器組成的發(fā)射陣列和由數(shù)字MEMS超聲傳感器組成的相同大小的接收陣列，其中的一排發(fā)射陣元一排接收陣元相互交錯(cuò)排列且各陣元之間的間距相等，發(fā)射和接收陣元各自組成的排數(shù)相等。
3.如權(quán)利要求1所述的低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，其特征在于，接收陣列由數(shù)字超聲傳感器組成，每個(gè)接收陣元后面分別連接信號(hào)處理模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，其特征在于，每個(gè)發(fā)射陣元有獨(dú)立的脈沖觸發(fā)通道，檢測(cè)裝置采用按鍵陣列和FPGA相結(jié)合的方法進(jìn)行多種陣列形式和超聲波頻率的選擇。
5.如權(quán)利要求1所述的低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，其特征在于，所述FPGA控制模塊包括脈沖控制單元和波束控制單元。
6.如權(quán)利要求2所述的低功耗可變換陣列形式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊由與接收陣元數(shù)量相等的放大單元和濾波單元構(gòu)成；陣列形式和頻率選擇模塊由按鍵陣列組成。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種低功耗可實(shí)時(shí)變換陣列樣式的超聲波相控陣檢測(cè)裝置。整個(gè)系統(tǒng)包括：FPGA控制模塊，方形MEMS超聲傳感陣列，PCI總線，信號(hào)處理模塊，陣列形式和頻率選擇模塊。FPGA模塊包括脈沖控制單元和波束控制單元，而方形MEMS超聲傳感陣列由許多個(gè)MEMS超聲傳感器組成橫排和縱排個(gè)數(shù)相等且間距恒定的正方形相控陣，同時(shí)陣列的排布由一排發(fā)射陣列和排接收陣列交叉排列，每個(gè)發(fā)射陣元都有獨(dú)立的脈沖激勵(lì)通道，每個(gè)接收陣元都有獨(dú)立的回波接收通道；信號(hào)處理模塊由與接收陣元數(shù)量相等的放大單元和濾波單元構(gòu)成；陣列形式和頻率選擇模塊由按鍵陣列組成，可分別表示若干種種不同的陣列樣式和不同的超聲波頻率以適應(yīng)不同的檢測(cè)情況，從而簡(jiǎn)化了陣列的硬件結(jié)構(gòu)，更加適合應(yīng)用在各種不同的特殊環(huán)境機(jī)器人進(jìn)行各種探測(cè)。
【IPC分類】G01N29-22
【公開號(hào)】CN104820023
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510180902
【發(fā)明人】楊濤, 張華 , 皮明, 陳曦
【申請(qǐng)人】西南科技大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月16日