CN101017154B - 超声相控阵检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是超声相控阵检测仪器。它包括超声相控阵探头、超声触发/接收板、主控板、主板及计算机；超声触发/接收板首先根据检测配制参数触发超声阵元，产生超声波。超声回波信号顺序经过阵元切换电路、信号放大调理电路、数模转换器，数字化后的回波数据被采集到超声触发/接收板部分的从控制芯片内部的存贮单元。在主控板的控制协调下，回波数据在进行数据处理等操作后，经主控板的高速数据传输模块被传输到个人计算机，个人计算机经进一步运算处理，获得检测结果。本发明采用超声相控阵技术原理，利用计算机高速传输、存贮、显示和计算等优势，提高了管道检测的准确率和检测效率。

Description

超声相控阵检测仪器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种检测仪器，具体地说是一种自动检测管道焊缝的超声相控阵检测仪器。

(二)技术背景

在许多管道建设项目中，需要对大口径管道的焊接进行检测。而在管道投入使用后，需要定期检查管道的健康状况。目前的管道检测手段存在检测能力有限、检测可靠性低、检测时间长、费用高，射线检测对人体有害等不足。

上世纪80年代荷兰NOVA，TCPL，以及其它无损检测公司开始自动超声检测仪器的研制。上世纪末，加拿大R/D Tech公司首先将超声相控阵检测应用于管道探伤领域，生产出适用于管道环焊缝检测超声相控阵系统PipeWIZARD-PA。该技术使用机械扫查器携带超声相控阵列探头沿着预定轨道进行扫描，管道环焊缝超声相控阵检测通常按美国ASTM E1961-1998标准进行。管道环焊缝超声相控阵检测技术采用区域划分法，根据壁厚、坡口形式和填充次数将焊缝分成几个垂直的区，各个区域用组合在阵列探头中的专用压电阵元组进行检测，检测主声束的角度按主要缺陷的方向来设定，采用聚焦声束进行扫查。检测时通常放置两个超声阵列探头于焊缝两侧，能够产生多种不同角度的声束，可形成40°～70°范围的扫查角度，以满足分区扫查的需要。2003年德国Rieder等人研究开发的小型化超声相控阵检测系统可用于管道表面和内部腐蚀损伤的检测，用于水浸式检测的相控阵探头被优化设计加工，具有很高的纵向和横向分辨率，可用于不同直径的管道的检测。

在我国，管道无损检测手段相对落后，大量使用人工检测手段。国内生产的检测设备的技术水平相对较低。

(三)发明内容

本发明的目的是为了克服现有管道检测仪器的不足，而提供的一种结构简单、成本低、高可靠性的超声相控阵检测仪器。

本发明的目的是这样实现的：它包括超声相控阵探头、超声触发/接收板、主控板、主板及个人计算机；所述的超声相控阵探头由64个晶片阵元组构成；所述的超声触发/接收板由从控制芯片、增益控制电路、数模转换器、触发延迟电路、信号放大调理电路、超声阵元触发电路和阵元切换电路相互连接构成；所述的主控板包括高速数据传输模块和主控制芯片；晶片阵元通过主板与超声触发/接收板的超声阵元触发电路、信号放大调理电路、阵元切换电路连接；超声触发/接收板的阵元切换电路、信号放大调理电路、数模转换器以及控制芯片顺序连接；超声触发/接收板的从控制芯片、增益控制电路、信号放大调理电路顺序连接；超声触发/接收板的从控制芯片、触发延迟电路、超声阵元触发电路以及阵元切换电路顺序连接；主控板的高速数据传输模块和主控制芯片连接；主控板的主控制芯片通过主板与超声触发/接收板的从控制芯片连接；主控板的高速数据传输模块通过高速传输线与计算机连接；主控板的同步信号与超声触发/接收板的从控制芯片连接；主控板的主控制芯片通过内部总线与超声触发/接收板的连接控制芯片连接；所述的主板连接超声相控阵探头、超声触发/接收板和主控板。

由于本发明采用了以上的技术方案，采用超声相控阵技术原理，利用计算机高速传输、存贮、显示和计算等优势，提高了管道检测的准确率和检测效率。

与常规的自动超声检测相比，超声相控阵检测技术具有如下优点：

1)生成可控的声束角度和聚焦深度，实现了复杂结构和盲区位置缺陷的检测。

2)通过局部晶片单元组合实现声场控制，可实现高速电子扫描；配置机械夹具，可对试件进行高速、全方位、多角度检测。

3)采用同样的脉冲电压驱动每个阵列单元，聚焦区域的实际声场强度远大于常规的超声波检测技术，从而对于相同声衰减特性的材料可以使用较高的检测频率。

4)优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辩力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

(四)附图说明

图1是本发明的电子装置的方框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图1，超声相控阵检测仪器的组成包括：超声相控阵探头部分1、超声触发/接收板部分2、主控板部分3、主板部分4及计算机5。

结合图1，所述的超声触发/接收板部分2由从控制芯片部分21、增益控制电路部分22、数模转换器部分23、触发延迟电路部分24、信号放大调理电路部分25、超声阵元触发电路部分26和阵元切换电路部分27。本实施例采用8块超声触发/接收板，每块超声触发/接收板可同时触发和接收4路阵元信号，通过阵元切换电路部分27，可以扩展到8路阵元信号。超声触发/接收板主要完成超声阵元的触发和超声回波信号的调理和采集工作。在本实施例中，相隔32个阵元的两个阵元通过阵元切换电路27共用同一超声触发和接收通道，如编号1阵元和编号33阵元，在系统运行时，通过切换电路的选择，实现编号1阵元或编号33阵元的阵元触发和超声回波信号的接收。

结合图1，所述的主控板3部分包括高速数据传输模块部分31和主控制芯片部分32。在本实施例中，共有主控板1块，高速数据传输模块部分31采用USB数据总线，主控制芯片部分32通过内部总线配置8块超声触发/接收板，为各超声触发/接收板提供同步信号。

结合图1，所述的主板连接超声相控阵探头部分1、超声触发/接收板部分2以及主控板部分3，同时为上述部分提供电源。

再结合图1，所述的超声相控阵探头部分1通过主板部分4与超声触发/接收板部分2的超声阵元触发电路部分26、阵元切换电路部分27连接；超声触发/接收板部分2的阵元切换电路部分27、信号放大调理电路部分25、数模转换器部分23以及从控制芯片部分21顺序连接；超声触发/接收板部分2的从控制芯片部分21、增益控制电路部分22、信号放大调理电路部分25顺序连接；超声触发/接收板部分2的从控制芯片部分21、触发延迟电路部分24、超声阵元触发电路部分26以及阵元切换电路部分27顺序连接；主控板部分3的高速数据传输模块部分31和主控制芯片部分32连接；主控板部分3的主控制芯片部分32通过主板4与超声触发/接收板部分2的从控制芯片部分21连接。主控板部分3的高速数据传输模块部分31与计算机5连接。

所述的超声相控阵探头部分1由多个晶片阵元组构成，本实施例采用了一组并列排在一条直线上的64个晶体阵元组成，中心频率为5MHz。探头利用64芯同轴电缆通过连接器和主板，分别与8块超声触发/接收板连接。

为了实现超声相控阵技术的动态聚焦，超声触发/接收板部分2通过触发延迟电路24实现触发脉冲的相位差。在本实施例中，各触发信号的延时控制由超声触发/接收板部分2中触发延迟电路24和从控制芯片21部分共同完成。从控制芯片是由FPGA芯片组成。一种适当的门阵列可以由Altera公司供应的选自Cyclone系列的门阵列芯片EP1C6Q240C8实现。触发延迟电路24由LC结构的延迟线实现。超声触发/接收板2触发延时控制可以实现0us-65us的时间延迟和1ns的延迟步进。

由缺陷反射的超声回波信号经阵元拾取后，由超声阵元转换为电信号，电信号经超声触发/接收板2的信号放大调理电路部分25进行放大和调理，并根据时间对电信号进行增益校正(TGC)。在实施例中，可以根据程序控制实现TGC控制功能，一种令人满意的这种芯片是AD公司制造的AD603芯片，TGC部分由2片AD603串联以实现-10dB至+70dB的动态增益控制，一个10位分辨率数字/模拟转换器由从控制芯片21控制实现增益步进，步进最小为0.04dB。

经放大调理的超声信号由数模转换器部分23采集，得到的数据被保存在主控芯片部分21内部的RAM中。在实施例中，数模转换器部分23采用8位分辨率的模拟/数字转换器，转换速率为62.5MHz或31.25MHz可选。每个采集通道最大可存储2047个数据，即信号采集深度为32.752us(在采样频率为62.5MHz的情况下)，根据需要，可以将采集深度扩大为65.504us(在采样频率为31.25MHz的情况下)。

所述的超声触发/接收板部分2的从控芯片部分21主要完成与主控板的数据交换，各通道的触发、接收控制，以及根据时间对电信号进行增益校正(TGC)。超声触发/接收板部分2的从控制控芯片21通过内部数据总线与主控板3的主控制芯片部分32实现数据交换，主控板3可以实现对超声触发/接收板2的从控芯片部分21内部RAM的寻址方式的读写操作和DMA方式的读写操作。在本实施例中，DMA方式的数据传输速率为12.5Mbit/s，主控板3的主控制芯片部分32由FPGA芯片组成。一种适当的门阵列可以由Altera公司供应的选自Cyclone系列的门阵列芯片EP1C6Q240C8实现。

在本实施例中，主控板3高速数据传输模块部分31与计算机5之间通过USB数据总线实现数据交换。USB接口模块是USB2.0设备通用接口模块，该模块隐藏了通过USB总线进行数据传输所需的繁琐技术细节，应用程序通过调用本模块提供的函数可以把相应的功能转变成模块硬件接口上的一系列脉冲和电平，发送到外围逻辑进行指定的数据传输，从而极大地简化USB设备的设计工作。本模块是一个USB2.0设备同时也兼容USB1.1标准。

实施例系统参数

系统带宽：650kHz-20MHz；

最大触发速率：2kHz；

检测模式：阵元脉冲触发/接收；

阵元电压：50V直流；

动态范围：60dB/通道；

脉冲延迟：0us-65us±1ns；

接收延迟：0us-16000us±1ns；

通讯端口：USB2.0(兼容USB1.1)；

运行操作系统：Windows 2000及Windous xp。

尽管已对发明的示例性实施例进行了展示和描述，本领域普通技术人员在不需脱离本发明精神和范围内，也可做出除前述段落描述以外的许多其它的改进、修饰和替换例

下面举一个对典型缺陷的检测是实例：

第一步，用户利用个人计算机将超声检测方案通过USB总线传输到超声相控阵检测设备内的相应内存。

第二步，通过控制超声相控阵检测设备内部的相应控制命令位，实现超声触发脉冲的延迟控制和触发控制，实现按一定时序触发相应超声阵元，实现超声的动态聚焦。

第三步，在一定的延迟时间后，系统启动超声回波信号的接收过程。超声回波信号被超声阵元拾取后，被转换为电信号。该电信号经过信号调理电路后，再经过时间补偿电路(TGC)，被放大到一定的幅度。

第四步，被调理后的信号经数模转换器转换为数字信号，数字信号存贮在超声触发/接收板上从控制芯片内部的内存里。

第五步，被采集和存贮的数字信号在主控板的控制下，通过USB总线传输到个人计算机内部的内存里。

第六步，个人计算机对数据进行进一步运算处理，获得检测结果。

Claims (1)

1.超声相控阵检测仪器，它包括超声相控阵探头、超声触发/接收板、主控板、主板及个人计算机；其特征是：所述超声触发/接收板(2)由从控制芯片(21)、增益控制电路(22)、数模转换器(23)、触发延迟电路(24)、信号放大调理电路(25)、超声阵元触发电路(26)和阵元切换电路(27)构成，采用8块超声触发/接收板，每块超声触发/接收板可同时触发和接收4路阵元信号，相隔32个阵元的两个阵元通过阵元切换电路(27)共用同一超声触发和接收通道；所述的主控板(3)包括高速数据传输模块(31)和主控制芯片(32)，共有主控板1块，高速数据传输模块(31)采用USB数据总线，主控制芯片(32)通过内部总线配置8块超声触发/接收板，为各超声触发/接收板提供同步信号；所述的主板连接超声相控阵探头(1)、超声触发/接收板(2)以及主控板(3)；所述的超声相控阵探头(1)通过主板(4)与超声触发/接收板(2)的超声阵元触发电路(26)、阵元切换电路(27)连接，超声触发/接收板(2)的阵元切换电路(27)、信号放大调理电路(25)、数模转换器(23)以及从控制芯片(21)顺序连接，超声触发/接收板(2)的从控制芯片(21)、增益控制电路(22)、信号放大调理电路(25)顺序连接，超声触发/接收板部分(2)的从控制芯片(21)、触发延迟电路(24)、超声阵元触发电路(26)以及阵元切换电路(27)顺序连接，主控板(3)的高速数据传输模块(31)和主控制芯片(32)连接，主控板(3)的主控制芯片(32)通过主板(4)与超声触发/接收板(2)的从控制芯片(21)连接，主控板(3)的高速数据传输模块(31)与计算机(5)连接；所述的超声相控阵探头(1)由多个晶片阵元组构成，采用一组并列排在一条直线上的64个晶体阵元组成，中心频率为5MHz，超声相控阵探头(1)利用64芯同轴电缆通过连接器连接主板，主板再由64芯同轴电缆通过连接器连接8块超声触发/接收板；超声触发/接收板(2)通过触发延迟电路(24)实现触发脉冲的相位差，各触发信号的延时控制由超声触发/接收板(2)中触发延迟电路(24)和从控制芯片(21)部分共同完成，从控制芯片是由FPGA芯片组成，由缺陷反射的超声回波信号经超声阵元拾取后，由超声阵元转换为电信号，电信号经超声触发/接收板(2)的信号放大调理电路(25)进行放大和调理，并根据时间对电信号进行增益校正；经放大调理的超声回波信号由数模转换器部分(23)采集，得到的数据被保存在主控芯片部分(21)内部的RAM中，数模转换器部分(23)采用8位分辨率的模拟/数字转换器；所述的超声触发/接收板(2)的从控芯片(21)主要完成与主控板的数据交换，各通道的触发、接收控制，以及根据时间对电信号进行增益校正，超声触发/接收板(2)的从控制控芯片(21)通过内部数据总线与主控板(3)的主控制芯片(32)连接；主控板(3)高速数据传输模块(31)与计算机(5)之间通过USB数据总线实现数据交换；所述的FPGA芯片为Altera公司供应的选自Cyclone系列的门阵列芯片EP1C6Q240C8。

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