基于多普勒效应的光纤超声检测研究.

哈尔滨工程大学硕士学位论文基于多普勒效应的光纤超声检测研究姓名:左会刚申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:梁艺军2012-03基于多普勒效应的光纤超声检测研究摘要随着近代科技的不断发展,超声检测技术作为一种非常重要的无损检测技术,已经受到人们的广泛关注,其应用领域也不断扩展。光纤传感技术因为其具有的多方面独特的优势,因此也受到人们的广泛关注,得到了很大的发展。因此将两者结合起来的光纤超声检测技术就有着广泛的应用前景。光在光纤中传播时,由于外界震动等影响,会产生一个频移,我们称之为光纤中的多普勒效应,根据此效应我们设计了一种新类型的光纤传感器,光纤多普勒(FOD传感器。本课题以光纤多普勒传感器为探头,进行了超声检测研究,并且利用FPGA(现场可编程逻辑门阵列在逻辑运算、实时控制以及信号处理等方面的强大功能,探讨了其在超声检测中的应用。主要完成了如下工作:(1分析了几种常用的光纤传感器的结构,以及光在光纤中传播的多普勒效应,设计并制作了基于多普勒效应的光纤传感器探头,对将其应用到超声检测中,对信号解调技术进行了研究,并用计算机进行了仿真。(2介绍了ALTERA公司CycloneII代FPGA的结构特点,设计了以EP2C8T144C8为核心芯片的超声检测简易系统。(3介绍了FPGA设计用到的Qutuars软件,用此软件进行了系统控制模块的编写以及仿真。(41构建了以光纤多普勒传感器作为探头的超声检测系统,进行了实验。关键词:光纤;多普勒效应;超声检测;FPGA基于多普勒效应的光纤超声检测研究ABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofmodemscienceandtechnology,ultrasonictestinghasreceivedextensiveattensionasaveryimportantnon—distructivetestingtechnologyanditsapplicationsarealsoexpanding.Opticalfibersensingtechnologyhasalsobeenwidespreadconcernedandgreatlydevelopedbecauseithasmanyuniqueadvantages.Therefore,opticalfiberultrasonictestingtechnology,whichcombinesultrasonictestingandopticalfibersensingtechnologytogether,hasabroadapplicationprospects.Whenlightpropagatesinfiber,affectingbyexternalvibrationitwillproduceafrequencyshift,whichwecallDopplereffectinopticalfiber.Accordingtothiseffectwehavedesignedanewtypeofopticalfibersensors,calledfiberopticDoppler(FODsensonThisresearchperformedultrasonictestusingFODasaprobe,andinvestigatedtheapplicationofFPGA(FieldProgrammableGateArrayinultrasonicdetectionbyutilizingitspowerfulfunctioninlogicaloperations,real-timecontrolandsignalprocessing.Completedworksareasfollowed:(1Graspedstructuresofseveralcommonlyusedopticfibersensors,analysisedDopplereffectinopticalfiber,designedandproductedopticfibersensorprobebasedonDopplereffect,studiedthesignaltechnologyandperformedcomputer‘simulation.(2BrieflyintroducedthestructuralfeaturesofALTERACompany’SCycloneIIgenerationFPGAanddesignedultrasonictestingsimplesystemswhichusedEP2C8T144C8asacorechip.(3DiscribedQutuarssoftwarewhichWasdemandedindesigningFPGA,andusedthissoftwaretowritethesystemcontrolmoduleandperformcomputersimulation.(4BulitaultrasonicdetetionsystemusingfiberopticDopplersensorasprobe.Performedtheexperimentsandachievedsatistactoryresults.Keywords:opticalfiber;Dopplereffect;ultrasonictesting;FPGA第1苹绪论i暑暑暑宣暑暑昌蛊暑暑宣暑i——暑暑;i暑暑i暑暑;;暑暑;i昌昌宣i暑宣;暑暑暑宣宣i昌ii暑ii宣宣i昌皇ii置ii暑宣宣昌置昌;i暑昌;i宣暑置高i置昌i昌置;;高第1章绪论随着近代科技的不断发展,超声检测技术作为一种非常重要的检测技术,已经受到人们的广泛关注,其应用领域也不断扩展。光纤传感技术因为其具有的多方面独特的优势,因此也受到人们的广泛关注,得到了很大的发展。因此将两者结合起来的光纤超声检测技术就有着广泛的应用前景。.1.1论文选题的背景和意义超声无损检测技术作为无损检测技术的一种重要分支,已经受到各国研究人员广泛的关注。无损检测是指在不损伤材料内部结构的情况下,研究材料试件表面以及内部有无缺陷的手段,主要是通过材料内部缺陷等引起的外加信号的变化来评价材料的危害程度【1】。常规无损检测方法有很多种。相对而言,超声波检测具有相当多的优势,因此超声检测广泛应用于医学、工程以及科学研究,几十年来得到了巨大的发展和广泛应用。目前为止,在超声检测技术当中应用最普遍的传感器是压电陶瓷传感器(PZT和光纤传感器。然而,由于电磁场干扰的作用以及压电陶瓷具有谐振频率等原因,限制了压电陶瓷传感器在实际当中的应用。但是,光纤传感器则不同,不仅具有超强的柔韧性,而且具有很强的抗电磁干扰以及抗腐蚀等优点,因此成为研究人员重要研究对象,有些已经应用到实际检测当中。因此,光纤传感器是未来传感器的研究和发展方向,而将光纤传感器应用到超声检测中也将是一种趋势。..超声检测系统主要有模拟式和数字式两种。传统的模拟超声检测系统因为需要手动保存记录、不能生成图像等缺点,无法满足现在工业以及其他科研领域的自动化、智能化、数字化等的要求,不利于超声检测的发展。数字式超声检测仪是在传统的超声检测仪的基础上,采用计算机技术实现仪器功能的精确和自动控制、信号获取和处理的数字化和自动化、检测结果的可记录性和可在现性。与传统模拟式超声检测仪器相比,数字式的优势在于:接收信号的数字化使信号的存储、记录、再现十分方便;改变了传统超声检测缺乏永久性记录的缺点;方便了信号的处理和分析,从而可从接收的超声信号得到更多量化信息;显示器不需要传统示波管,使得仪器便于小型化;便于实现遥控等功能,为自动检测提供更方便的条件。但是数字式仪器也存在一定的不利因素,因其数模转换器的采样频率、数据长度、显示器的分辨率、刷新速度等,可能会带来信号的失真,对检测信号的评价带来一定的影响。但是随着与超声检测技术相关的计算机技术、电子技术以及信号处理技术的快速发展,超声检测逐渐向数字化迈进,已经成为主要的检测哈尔滨工程大学硕士学位论文仪器,超声检测系统基本实现了智能控制和在线自动检测。而以ARM、FPGA(现场可编辑门阵列为代表的可编程逻辑器件的迅速发展,使得产品研发不在单纯使用模拟或数字电路,而是将所设计的系统的某些功能或系统直接由ARM、FPGA来实现【2】。因此借助光纤传感器的诸多优点以及FPGA在控制能力以及数据处理等方面的功能,本文探讨了以光纤传感探头在超声检测方面的应用以及FPGA在超声检测系统中数据采集、显示等方面的应用,并设计了以ALTREA公司CycloneII代芯片为核一tl,芯片的简易超声检测系统。1.1.1超声检测技术超声波的频率一般在20Hz~20KHz之间,这一频率范围高于人耳能听到的范围。超声波不仅具有声波的基本特性,而且其振幅比较小,传输的方向比较集中,对环境和人体是无害的,因此利用超声波进行检测可以做到以下几点:首先,检测更加迅速方便,能够做到实时控制,易于实现自动化检验,而且具有较高的精确度:其次,穿透力较大,并且不会损伤被检测得器件,能够做到无损检测的要求。在材料中传播的超声波,由于受到材料本身的声学特性以及内部组织变化的影响,其某些性质例如传播方向、衰减率等就会发上变化,通过分析超声波在传播过程中受影响程度和状况,就会得到材料性能和结构变化的信息,这就是超声检测技术[31。随着现代工业的高速发展,对超声波检测技术和检测设备提出了越来越高的要求,超声波检测技术在电力、航空航天、石化、军事、工业制造、医疗等领域被广泛的采用,用来诊断.和判别检测对象的情况,在经济和安全上起着至关重要的作用【4】。超声检测主要由以下几部分组成【5J:(1在被检测的试件中引入超声波;(2超声波在试件中传播时,由于试件材料作用,其传播方向或其他特征发生改变;(3处理和分析仪器检测到的发生改变的超声波,其中关心的信息主要有:超声波反射信号及其幅度、超声波在材料中传播时间、超声波衰减量等,通过分析检测到的超声波的这些方面的信息特性,评估材料试件的缺陷。超声检测与其它无损检测方法相比,主要优点有【5】:.(1适用范围更加广泛,不仅可以对金属、非金属进行无损评价,而且还适用于复合材料等;一(2具有较强的穿透力,可以检测较大厚度范围的试件的内部缺陷,对整个试件体积进行扫查。2第l苹绪论(3具有较高的灵敏度,即使材料内部尺寸比较小的缺陷(但也是有限度的也可以检测出来:(4具有较高的准确度,即使是缺陷的位置及其深度也可以准确的测定出来,这在某些场合的应用中是十分必要的;(5相对于其他设备而言,超声检测设备不仅更加轻便,可以用作现场检测,而且它对人体以及环境无害。・虽然超声检测技术有以上诸多的优点,但是试件形状以及结构的复杂性会影响到检测灵敏度以及信噪比,难以检测到位于表面和近表面的某些缺陷,而且对于定性、定量表征材料试件中的缺陷分析需要研究人员具有丰富经验,这些都限制了其应用。超声检测技术的分类方式有很多种,例如按原理、波形、显示方式、耦合方式等。虽然超声检测按照不同分类可以分为好多种,但是其工作方式通常是有接触式和非接触’式两类。接触式采用压电换能器(压电晶体、PZT、LiNd03、压电薄膜(PVDF和ZnO薄膜等作为探头,虽然其具有较高的灵敏度,但是换能器必须需要使用耦合剂紧贴在样品上才能进行检测,耦合剂的使用可能在一定程度上会影响到检测的结果,而且带宽有限,在高温高压、强腐蚀等恶劣环境下也无法使用,限制了其应用范围[61。1.1.2光纤传感技术传感技术是世界发展最迅速的高新科学技术之一,已经被广泛应用于各个领域。随.着传感技术的广泛应用,对传感器也将提出越来越高的要求。新型传感器应该具有更高的精度、检测灵敏度以及可靠性、测量量程也应该越来越宽、并向着智能化以及微型化发展,这样才能适应其在不同领域的研究以及应用。光纤传感器具有极高的技术含量、良好的经济效益、较强的渗透能力、广泛的市场前景等特点,这使得它为世人所瞩目,被认为是全球