[发明专利]轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统及测试方法

权利要求书

1.一种轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统的测试方法，轮轴检测专用超声波探头角度自动测试系统包含FPGA模块、超声发射模块、超声接收模块、信号调理模块、AD采样模块、闸门位置控制模块、闸门宽度控制模块，MCU模块和人机接口模块；超声发射模块与探头连接用于超声波的发射；超声接收模块与探头连接用于接收超声回波；信号调理模块与超声接收模块连接用于将接收的超声回波进行放大；AD采样模块与信号调理模块连接用于将模拟信号转换为数字信号；FPGA模块与超声发射模块和AD采样模块连接用于数据采样、最值查找、数据缓冲、数据压缩和数据存储控制；闸门位置控制模块和闸门宽度控制模块分别与FPGA模块连接用于与FPGA模块内部的最值查找模块一起工作确定最高回波在采样点序列中的索引，由此来确定传输时间；MCU模块与FPGA模块连接用于控制整个系统；人机接口模块与MCU模块连接用于进行人机对话，查看波形，设置参数，按键操作，所述测试方法包含以下步骤：

步骤一：用户通过人机接口模块设置系统参数，完成电路初始化；

步骤二：进行小角度探头角度测试；

探头置于TZS-R试块B面，当闸门内A面下棱角回波最高时，按确认键系统自动计算并记录当前时间数值；

探头置于TZS-R试块B面，当闸门内A面上棱角回波最高时，按确认键系统自动计算探头零点；

当小角度入射角在9°-12°时，系统程序自动计算角度值并显示结果；

当小角度入射角在6°-8°时，探头置于TZS-R试块C面，闸门内A面上棱角回波最高时按确认键，系统程序自动计算角度值并显示结果；

小角度探头角度测试具体过程为：

探头置于TZS-R试块B面，A面下棱角回波最高时，从发射到A面下棱角传播时间的为t₁；

探头置于TZS-R试块B面，A面上棱角回波最高时，从发射到A面上棱角传播时间为t₂；

得到超声波在探头晶片中传输的时间T＝2×t₁-t₂；

当小角度入射角在9°-12°时，得到公式

当小角度入射角在6°-8°时，探头置于TZS-R试块C面，A面上棱角回波最高时，从发射到A面上棱角传播时间为t₃，得到公式

其中：θ为探头折射角，C为超声波在试块传播声速；

步骤三：进行斜探头角度测试；

探头置于LG-R试块上探测R100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至R100圆弧面反射波达到最高，按确认键系统自动计算探头零点；将探头置于车轮踏面，闸门内人工孔回波最高时，按确认键，系统自动计算角度值并显示结果；

斜探头角度测试具体过程为：

探头置于LG-R试块上探测R100圆弧面，前后移动探头并保持探头与试块侧面平行，直至R100圆弧面反射波达到最高，从发射到圆弧面时间为t₄；

超声波在探头晶片中传输的时间T＝t₄-100/C×1000；

探头置于车轮踏面，超声波遇到人工孔会产生回波，此时从发射到人工孔传输时间为t₅；

设车轮半径为R，人工孔径为r，探头折射角为θ，超声波在工件中声速为C，人工孔中心点B至车轮外壁的距离为h，建立如下数学模型，由探头入射点A，车轮中心点O和人工孔中心点B构成的三角形OAB中，由余弦定理得到AO²+AB²-2×AB×AO×cosθ＝BO²，

求得θ＝arccos((AO²+AB²-BO²)/(2×AB×AO))

其中，θ为探头折射角，C为超声波在试块传播声速，AO＝R，AB＝C×(t₅-T)/1000+r，BO＝R-(h+r)。

2.按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤一具体为系统上电后，用户通过人机接口模块设置系统参数，并由通信接口传到MCU控制模块中，MCU控制模块将参数传输给FPGA模块完成电路的初始化。

3.按照权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述系统参数包括闸门宽度、闸门位置、试块中声速C、采样声程和采样点压缩比。

4.按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述回波最高确认的具体过程为，

开始采样后，计数器开始工作并从零开始计数，每采样一个点计数器值加1；

从闸门位置时间开始处，每一次经过AD转换后的当前值都会送入到比较器的a[7:0]端与b[7:0]端的数据进行大小比较；b[7:0]端数据由最值寄存器的输出端提供，最值寄存器中保留闸门宽度范围内采集的最大值；

系统中最值寄存器的加载过程受信号Signal1的控制；信号Signal1为比较器的输出信号，表示当前输入的AD数字信号量大于最值寄存器内的值，该信号将使最值暂存器把当前的新值载入最值寄存器中，更新最值寄存器中数值；

最值索引寄存器加载过程受信号Signal2控制，表示当前输入的AD数字信号量大于最值寄存器内的值，该信号将计数器当前值载入最值索引寄存器中，更新最值索引寄存器的值；

经过闸门宽度时间后，计数器和比较器停止工作；系统获取最值索引寄存器中的值MaxIndex，即为最大幅值的位置，AD采样模块的采样频率为100MHz/8bit，每间隔10ns采样一个点，超声波从发射到达缺陷的传输时间为：10×MaxIndex/1000μs，保存到存储器中供计算使用；

回波信号采集完后，FPGA模块将经AD采样模块采样后的数据进行压缩并存储到FIFO缓冲区中，最后由MCU模块读出并送至显示器显示；当屏幕出现最高回波时，MCU模块获取人机接口模块中用户通过键盘给出的确认命令，调用程序自动计算角度值。