超声检测技术是无损检测(NDT)领域中一种非常重要的检测方法。其现已广泛应用于制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域,也广泛应用于航空航天、铁路交通、船舶航行、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。此外,超声波检测技术在地质结构、岩石构造、灾害防治与环境保护等地质探测领域中也得到了初步应用。本文结合我国当前的“嫦娥”探月工程项目,基于超声波无损检测技术的诸多检测优点以及较为成熟的应用技术,研究设计了用于模拟月壤结构探测的超声波物理探测仪。以期望通过对地球上的模拟月壤的浅表构造进行实验探测研究而获取有价值的结果,对于实际研究月面土壤结构和成份、分析月球表面有用元素、有用矿产和物质类型的分布有着重要指导意义,更有利于载人航天与探月工程中月面研究计划的实施。本文系统设计主要分为主控单元的设计,超声发射装置的设计和超声接收装置的设计三大部分。全文系统设计采用模块化的设计思想,主控单元的设计包括微控制器模块的设计,时钟模块的设计,显示模块的设计,数据存储模块的设计,数据通信模块的设计以及电源模块的设计；超声发射装置的设计包括隔离模块的设计,驱动模块的设计和升压模块的设计；超声接收装置的设计包括限幅模块的设计,前级增益模块的设计、带通滤波模块的设计、程控增益模块的设计,信号调理模块的设计以及A/D转换模块的设计。在主控单元的设计中,微控制器模块的设计采用的是ARM Cortex-M3内核的处理器STM32F103VET,作为整个系统的控制核心,实现对系统的智能控制；时钟模块的设计采用的是微控制器STM32F103VET片内RTC实时时钟控制模块,通过控制实现仪器系统的正常计时功能；显示模块的设计采用的是TFT液晶显示屏,实现系统的显示界面；数据存储模块的设计采用的是SD卡存储方式,实现对系统检测数据的自动存储；数据通信模块的设计采用的是USB通信方式,实现系统检测数据与计算机客户终端软件之间的传输；电源模块的设计采用的是电池与低压差线性稳压器,实现对整个系统提供所需电源电压。在超声发射装置中,隔离模块的设计采用的是磁耦隔离元件,实现超声发射信号与微控制器之间的隔离；驱动模块的设计采用的是ADP3625集成驱动芯片,实现对MOSFET管的驱动；升压模块的设计采用的是MOSFET管组成的推挽变换电路与脉冲变压器,实现对脉冲信号的升压,激励超声换能器发射超声波。在超声接收装置中,限幅模块的设计采用的是二极管与稳压管,实现对超声回波信号中可能存在的高压信号进行限幅,以保护后级回波接收电路；前级增益模块的设计采用的是AD8250带可编程增益的仪表放大器,实现对回波信号的有效接收和前级增益控制；带通滤波模块的设计采用的是高性能的运算放大器AD8099设计成的压控电压源二阶带通滤波器,实现对超声回波信号中干扰信号的滤除；程控增益模块的设计采用的是多路复用器模拟开关ADG1604与运放AD8099相结合的方式,实现对超声回波信号的自动增益控制；信号调理模块的设计采用的是OPA2335运放设计的信号差分变换电路,实现对超声回波信号在A/D转换前的电平变换；A/D转换模块采用的是系统微控制器STM32F103VET片内集成的12位A/D转换器,实现对超声回波信号的采样。本文经过对系统设计的主控单元、超声发射装置、超声接收装置以及各个功能模块的调试与测试,结果表明系统的整体设计均已达到了系统设计的基本要求,实现了其相应功能,完成了系统样机的设计。本文在该课题中的主要研究内容是设计应用于模拟月壤结构探测的超声波物理探测仪系统样机,主要完成的工作：1.学习超声波检测的基本理论原理,掌握超声无损检测技术的应用；2.根据超声检测技术原理,结合系统设计要求,构建系统总体设计框架；3.根据系统设计框架原理,研究设计系统主控单元及其各功能模块,包括硬件设计与软件设计；4.研究设计系统超声发射装置及其各功能模块,包括硬件设计与软件设计；5.研究设计系统超声接收装置及其各功能模块,包括硬件设计与软件设计;6.分别调试测试系统主控单元、超声发射装置、超声接收装置以及各装置的功能模块;7.联合调试系统设计的主控单元、超声发射装置与超声接收装置,并进行系统测试；8.完成系统原理样机。