基于ZigBee技術(shù)的相控陣探頭自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲相控陣技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于ZigBee的相控陣探頭自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]采用電子方法控制聲束聚焦和掃描的相控陣超聲相對于傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)具有更高的工作效率、更好聲束可達性，還可通過優(yōu)化控制焦點尺寸、焦區(qū)深度和聲束方向提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能。因此，近年來相控陣超聲檢測技術(shù)在國外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)類似，相控陣超聲的發(fā)射部分由信號發(fā)生系統(tǒng)、功率放大器、匹配電路、相控陣探頭及傳輸線組成。由于信號發(fā)生系統(tǒng)、功率放大器的輸出阻抗和傳輸線的特性阻抗均呈純阻性，而相控陣探頭為電抗性元件，直接驅(qū)動它會產(chǎn)生反射功率，使換能器溫度升高，電聲轉(zhuǎn)換效率降低，嚴(yán)重時甚至燒毀換能器，必須對其進行匹配。
[0003]靜態(tài)匹配技術(shù)根據(jù)阻抗分析儀測試出的相控陣探頭各振元的阻抗來設(shè)計匹配電路的元件參數(shù)，并將匹配原件固定于各發(fā)射通道。但相控陣探頭工作時，自身的溫度及負(fù)載變化、環(huán)境因素等都會引起其阻抗特性的改變，但靜態(tài)匹配電路的元件并未隨之改變，此時必然導(dǎo)致相控陣探頭無法保持最佳工作狀態(tài)。另外匹配元件是基于相控陣探頭的等效電路計算得到的，這使匹配電路很難調(diào)整到最佳諧振狀態(tài)。而動態(tài)匹配技術(shù)將信號發(fā)生系統(tǒng)、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)和換能器組成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)電路的反饋信號相應(yīng)調(diào)節(jié)超聲電源或匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使換能器始終處于諧振狀態(tài)，彌補了靜態(tài)匹配技術(shù)的不足。然而動態(tài)匹配自身作為一種閉環(huán)自動化控制系統(tǒng)，需要大量傳感器和通訊總線，對于具有上百通道的相控陣探頭，必然造成匹配電路體積龐大、布線復(fù)雜，故動態(tài)匹配技術(shù)在相控陣超聲領(lǐng)域還是空白。
[0004]ZigBee技術(shù)作為一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的短距離、低功耗、低復(fù)雜度的無線通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸具有高可靠性，廣泛應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、遠程自動控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，將其應(yīng)用于相控陣超聲中各阻抗匹配通道的組網(wǎng)通訊具有極大潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于ZigBee技術(shù)的相控陣探頭自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)及方法，解決相控陣超聲中靜態(tài)匹配技術(shù)無法應(yīng)對由于系統(tǒng)溫度、負(fù)載變化及環(huán)境因素等引起的阻抗特性改變而造成的不匹配問題，避免對價格高昂的相控陣探頭造成損傷；本發(fā)明以ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸橋梁實現(xiàn)便攜式控制終端和多通道阻抗匹配陣列中的各個通道節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，可以根據(jù)相控陣探頭各振元的阻抗設(shè)置各阻抗匹通道節(jié)點的初始化參數(shù)，便于相控陣探頭快速進入諧振狀態(tài)，同時可以監(jiān)控各通道的實時工作狀態(tài)。整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、操作方便等諸多優(yōu)點，形成了可靈活拓展的通道節(jié)點，易于模塊化，便于維修和調(diào)試，另外數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保證了較高的控制精度。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]基于ZigBee技術(shù)的相控陣探頭自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)，包括便攜式控制終端1和由若干阻抗匹配通道節(jié)點2組成的多通道阻抗匹配陣列，所述便攜式控制終端1與阻抗匹配通道節(jié)點2通過ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)連接；
[0008]所述便攜式控制終端1包括移動設(shè)備101和ZigBee通訊模塊102，移動設(shè)備101和ZigBee通訊模塊102通過USB接口相連；
[0009]所述阻抗匹配通道節(jié)點2設(shè)置于相控陣信號發(fā)射單元和作為負(fù)載的相控陣探頭振元之間，多通道阻抗匹配陣列中阻抗匹配通道節(jié)點2的個數(shù)由相控陣探頭包含的振元數(shù)量決定；單個阻抗匹配通道節(jié)點2包括中心控制及通訊模塊201，電壓檢測模塊202，電流檢測模塊203，相位檢測模塊204，驅(qū)動模塊205和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)206 ;相位檢測模塊204、驅(qū)動模塊205均與中心控制及通訊模塊201連接，電壓檢測模塊202、電流檢測模塊203均與相位檢測模塊204連接，相控陣信號發(fā)射單元輸出端、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)206以及相控陣探頭振元輸入端依次相接，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)205還與電壓檢測模塊202、電流檢測模塊203和驅(qū)動模塊205相接。
[0010]所述的移動設(shè)備101作為人機交互設(shè)備用于設(shè)置作為負(fù)載的相控陣探頭各陣元的阻抗參數(shù)并顯示相控陣探頭的工作狀態(tài)，根據(jù)不同工作場合可選便攜式計算機、平板電腦或手機。
[0011]所述的ZigBee通訊模塊102通過無線局域網(wǎng)絡(luò)將移動設(shè)備101設(shè)置的工作參數(shù)發(fā)送到各阻抗匹配通道節(jié)點2，并接收各阻抗匹配通道節(jié)點2上傳的實時工況信息；具體包括CC2531微控制器、晶振、電源管理電路、復(fù)位電路、USB接口電路和射頻天線；所述晶振、電源管理電路、復(fù)位電路、USB接口電路和射頻天線分別與CC2531微控制器相連。
[0012]所述的中心控制及通訊模塊201通過無線局域網(wǎng)絡(luò)接收便攜式控制終端1發(fā)送的工作參數(shù)、發(fā)送所在通道的實施工況信息，同時對相位檢測模塊204輸出的數(shù)據(jù)采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換并分析負(fù)載相控陣探頭振元的阻抗特性，進而向驅(qū)動模塊205發(fā)送控制指令，實現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)調(diào)節(jié)；具體包括CC2530微控制器、晶振、電源管理電路、復(fù)位電路和射頻天線；所述晶振、電源管理電路、復(fù)位電路和射頻天線分別與CC2530微控制器相連。
[0013]所述的電壓檢測模塊202用于檢測相控陣發(fā)射單元的輸出電壓幅值，具體包括依次相連的電容式分壓電路放大電路和濾波電路。
[0014]所述的電流檢測模塊203用于檢測整個電路中的電流幅值，具體包括依次相連的采樣電阻、基于儀表放大器的預(yù)防大電路、濾波電路和二級放大電路。
[0015]所述的相位檢測模塊204根據(jù)電壓檢測模塊202和電流檢測模塊203獲取的數(shù)據(jù)計算并輸出負(fù)載相控陣探頭振元的阻抗值和阻抗角，具體包括AD8302幅值與相位測量電路、阻抗值放大電路和阻抗角放大電路。
[0016]所述的驅(qū)動模塊205按照中心控制及通訊模塊201的指令通過控制一系列繼電器的開關(guān)動態(tài)調(diào)整阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，具體包括基于緩沖門電路的譯碼電路、基于M0SFET的驅(qū)動電路、繼電器組及泄流保護電路。
[0017]所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)206用于動態(tài)調(diào)整接入電路的阻抗，具體包括電感、電容或電阻。
[0018]上述所述的基于ZigBee技術(shù)的相控陣探頭自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)的匹配方法，如果相控陣探頭各陣元阻抗參數(shù)已知，則首先將作各陣元的阻抗參數(shù)通過人機交互界面輸入移動設(shè)備101，再通過USB接口將輸入?yún)?shù)發(fā)送至ZigBee通訊模塊102，并經(jīng)ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各阻抗匹配通道節(jié)點2 ;中心控制及通訊模塊201通過無線局域網(wǎng)絡(luò)接收到工作參數(shù)后，分析負(fù)載相控陣探頭振元的阻抗特性，計算出對于每個振元需要接入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電容、電感和電阻，進而向驅(qū)動模塊205發(fā)送控制指令，通過緩沖門電路的譯碼電路閉合相應(yīng)的繼電器，實現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的初始調(diào)節(jié)；相控陣探頭工作過程中，電壓檢測模塊202和電流檢測模塊203分別采樣相控陣發(fā)射單元的輸出電壓幅值和電流幅值并輸入相位檢測模塊204，相位檢測模塊204經(jīng)計算并輸出負(fù)載相控陣探頭振元的當(dāng)下工況的阻抗值和阻抗角至中心控制及通訊模塊201 ;中心控制及通訊模塊201內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再次分析負(fù)載相控陣探頭振元的阻抗特性，動態(tài)調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)從而保證相控陣探頭始終處于最佳工作狀態(tài)；在此工作過程中各陣元的實時阻抗參數(shù)通過ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)上傳至移動設(shè)備101并顯示于人機交互界面；
[0019]如果相控陣探頭各陣元阻抗參數(shù)未知，電壓檢測模塊202和電流檢測模塊203分別采樣相控陣發(fā)射單元的輸出電壓幅值和電流幅值并輸入相位檢測模塊204，相位檢測模塊204經(jīng)計算并輸出負(fù)載相控陣探頭振元的當(dāng)下工況的阻抗值和阻抗角至中心控制及通訊模塊201 ;中心控制及通訊模塊201內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，分析負(fù)載相控陣探頭振元的阻抗特性，計算出對于每個振元需要接入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電容、電感和電阻，進而向驅(qū)動模塊205發(fā)送控制指令，通過緩沖門電路的譯碼電路閉合相應(yīng)的繼電器，實現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的初始調(diào)節(jié)，然后即可重復(fù)上述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)節(jié)過程。
[0020]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0021]1、可以針對相控陣探頭工作時，自身的溫度及負(fù)載變化、環(huán)境因素等引起其阻抗特性的改變，通過實時采樣相控陣探頭的加載電壓和電流，經(jīng)中心控制及通訊模塊分析探頭阻抗特性來動態(tài)調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件的接入，實現(xiàn)動態(tài)匹配，保證相控陣探頭始終輸出最大有用功率。
[0022]2、本發(fā)明所述系統(tǒng)采用了 ZigBee無線通訊技術(shù)實現(xiàn)便攜式控制終端和多通道阻抗匹配陣列中的各個通道節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，組網(wǎng)簡單，避免了復(fù)雜總