CN101469978A - 超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，包括：a.通过反馈回波强度和设定固定的增益获得基准增益电压；b.在测量厚度范围内超声波传输时间对反射超声波进行积分得到增益补偿电压；c.将增益补偿电压和基准增益电压叠加在一起生成最终增益控制电压。本发明还提供一种可调式波幅自动增益补偿电路。本发明相对于超声探伤中应用的波幅补偿曲线和深度增益补偿方式，具有自动性高，反应快，与现场测试环境密切相关，改善了现有补偿方法存在的自动性差，反应慢，与现场测试不一致的情况；利用积分电路的原理产生增益电压曲线来设计超声测厚波幅自动补偿电路，相对其它的时间和距离补偿方法，具有设计简单，成本低，应用可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声测量技术，特别涉及一种超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法及电路。
背景技术
超声脉冲反射测量是根据超声波脉冲反射原理来进行测量的。当超声探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达二种不同材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度和其它相关指标，该方法被广泛的应用到超声测厚仪和超声探伤仪以及其它相关超声测量产品。
参照图1所示的超声脉冲反射测量的原理示意图，其中通过键盘13输入指令给处理单元11，由处理单元控制发射电路14输出电脉冲至探头，激励压电晶片产生脉冲超声波，超声波在被测物体上下两面之间形成多次反射，反射波经过压电晶片转变成电信号，经接收电路16进行放大整型后，传送至逻辑电路17，读取逻辑电路17中的测量数据后传送至处理单元进行处理，并将最后结果输出至显示屏12。
由于采用固定增益使得反射超声波波形受测试厚度影响较大，传统的固定增益单晶探头测量方式或双晶探头测量方式，即接收电路的放大倍数是固定不变，其反射超声波波形如图2所示，随着测量物体厚度的增加，反射超声波波形越来越弱，通过相同的放大增益后的波形还是保持不变。
由于微电子技术飞速发展，放大模拟器件也有了较大提高，现在可调增益的放大模拟器件被应用到超声接收电路中，使得深度增益补偿得到实现。参照图3所示的一种波幅补偿超声脉冲反射测量的原理框图，其中，由键盘33输入指令给处理单元31，由处理单元控制发射电路34输出电脉冲至探头，激励压电晶片产生脉冲超声波，超声波在被测物体上下两面之间形成多次反射，反射波经过压电晶片转变成电信号，通过波幅补偿电路38控制接收电路36进行放大整型后，传送至逻辑电路37，读取逻辑电路37中的测量数据后传送至处理单元进行处理，并将最后结果输出至显示屏32。
深度增益补偿即波幅补偿就是自动接收电路增益控制，随着测量物体厚度的增加，使得反射超声波波形基本保持一致。参照图4所示的现有技术中采用波幅补偿增益获得反射超声波的波形图，随着测量物体厚度的增加，反射超声波波形越来越弱，通过不同的放大增益后的波形还是保持不变。
深度增益补偿即波幅补偿在超声探伤、超声诊断仪、医学超声中得到应用，通过对文献和专利调研，例如：“时间补偿电路在超声诊断仪中的应用”《中国医学装备》2005年02期，“超声诊断仪TGC电路的改进”《武汉科技学院学报》2005年08期，“超声衰减增益补偿电路的设计”《声学技术》2003年04期，“自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究”《测控技术》2005年07期，“深度增益补偿在超声波探伤仪中的应用”《仪器仪表用户》2003年05期，“一种用于超声医学测量的增益补偿电路的设计”《医疗卫生装备》2002年03期等，“AD604及其在医用超声系统中的应用”《电子工程博客》2007年3月，下面对目前的深度增益补偿应用技术进行简单的介绍。
目前在超声探伤中应用最多的是DAG波幅补偿曲线，即没有通过接收电路增益进行深度补偿，而是通过波幅补偿曲线对测量结果进行补偿。参照图5所示的DAG波幅补偿曲线，随着测量物体厚度的增加，反射超声波波形越来越弱，但是对于相应的对比曲线数值也是在减小。该种方式并不能对反射超声波波形进行改善，不能解决由于传播距离引起反射超声波波形变形或丢失的问题；另外一种方式深度增益补偿(DGC)电压解决这个问题。请参照图6，将预先设计好的DGC电压曲线存储在存储器中，在探伤仪接收反射超声波时，通过对存储器的寻址操作读取DGC电压，经过D/A转换后对放大器的增益进行控制，从而实现对反射波的补偿，较好的解决了反射波的一致性问题。对于通过读取DGC电压进行深度补偿控制，具有反应速度慢，现场测试情况不一致的问题。
深度时间增益补偿电路TGC(Time Gain Compensation)的基本原理，即通过器件或电路的产生控制放大器的增益电压曲线，基本的应用方式是通过AD电路采样对信号进行采集，再由处理器控制DA电路产生控制电压进行深度时间增益补偿，该种方式对于测量过程要求反应灵敏，测量实时性高的应用领域。
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路，积分电路原理和波形请参照图7。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理是基于电容的冲放电原理，当矩形脉冲Ui通过电阻对电容充电，在电容两端产生的Uo锯齿波电压。其中电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。因此可以利用积分电路的原理产生增益电压曲线来设计超声测厚波幅自动补偿电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调式波幅自动增益补偿方法，改善现有补偿方法存在的自动性差，反应速度慢，与现场测试不一致的情况。
本发明的另一目的在于提供一种可调式波幅自动增益补偿电路，利用积分电路的原理产生增益电压曲线来设计超声测厚波幅自动补偿电路，相对其它的时间和距离补偿方法，具有设计简单，成本低廉。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种可调式波幅自动增益补偿方法，该方法包括：
a、通过反馈回波强度和设定固定的增益获得基准增益电压；
b、在测量厚度范围内超声波传输时间对反射超声波进行积分得到增益补偿电压；
c、将增益补偿电压和基准增益电压叠加在一起生成最终增益控制电压；
在步骤b中，通过积分电路将反射超声波积分为三角电压。
在步骤b中，当超声波传输距离越长，反射超声波的波幅自动补偿就越大。
步骤a包括，根据反射波信号的强度获得可调波幅补偿参数增益补偿。
反射波信号的强度越大，对应的调波幅补偿参数增益补偿越小，和设定固定的增益获得基准增益电压越小。
步骤b还包括，针对不同的被测材料调节放电回路的电流来控制波幅补偿的斜率补偿。
步骤c包括，将基准增益电压和波幅补偿的斜率补偿叠加得到补偿增益电压。
为实现上述目的，本发明实施例还提供一种可调式波幅自动增益补偿电路，该电路包括：可调积分电路和叠加电路，可调积分电路在控制时间内进行特定斜率波幅自动补偿产生斜率增益补偿电压，叠加电路将斜率增益补偿电压与固定控制电压叠加生成可调波幅补偿控制增益。
反射波强度反馈电路，该反射波强度反馈电路根据反射波强度产生波幅自动补偿电压，所述叠加电路将波幅自动补偿电压，斜率增益补偿电压和固定控制电压叠加生成可调波幅补偿控制增益。
所述叠加电路包括加法器或减法器。
所述反射波强度反馈电路包括可调波幅补偿参数叠加电容，反射波信号的强度增加使得可调波幅补偿参数叠加电容的电荷增加，从而使得反射波越强，需要的波幅自动补偿电压越小。
可调积分电路包括第一三极管、第三三极管，可调电位器和电容；其中，第一三级管实现超声测厚波幅自动补偿时间控制，当波幅补偿宽度的控制脉冲的时间内进行超声测厚波幅自动补偿；第三三级管和可调电位器与电容构成波幅自动补偿积分电路。
可调电位器采用数字电位器通过处理器进行阻值控制。
反射波强度反馈电路包括放大器和第二三极管；其中，通过放大器，反馈回波信号受数字逻辑技术控制，当反馈回波信号脉冲越多，波幅自动补偿电压的基准就越高，即需要进行波幅自动补偿电压越小；第二三级管是起开关作用，当波幅补偿宽度的控制脉冲没来时，利用反馈回波信号产生的波幅自动补偿电压位于所述电容两端，当波幅补偿宽度的控制脉冲产生时，叠加波幅自动补偿积分电压。
本发明实施例的有益效果在于，相对于超声探伤中应用的波幅补偿曲线和深度增益补偿方式，具有自动性高，反应速度快，与现场测试环境密切相关，改善了现有补偿方法存在的自动性差，反应速度慢，与现场测试不一致的情况；利用积分电路的原理产生增益电压曲线来设计超声测厚波幅自动补偿电路，相对其它的时间和距离补偿方法，具有设计简单，成本低廉，应用可靠的优点，采用数字逻辑技术将反射信号的强弱因素作为补偿基础，利用数字电位器控制积分电路的阻值，实现测试材料的不同人为事先设定或在线设定补偿的斜率大小，较好的改善了反射超声波波形，提高了测量灵敏度和测量范围，提高了超声测厚仪的测量指标。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是超声脉冲反射测量的原理示意图；
图2是现有技术中通过固定增益获得的反射波的波形图；
图3是波幅补偿超声脉冲反射测量的原理框图；
图4是现有技术中采用波幅补偿增益获得反射超声波的波形图；
图5是DAG波幅补偿曲线；
图6是深度增益补偿(DGC)电压曲线的示意图；
图7是积分电路的电路图，原理图和输出脉冲的波形图；
图8a是本发明一个实施例的波幅补偿电路图；
图8b是本发明一个实施例的波幅补偿方法的步骤示意图；
图9是本发明超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法的步骤示意图；
图10是可调波幅补偿电路的模块示意图；
图11是可调波幅补偿电路的电路结构图；
图12是可调波幅补偿超声测厚仪的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明该实施例提供一种超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，以下结合图8a，图8b和图9对本发明的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法进行详细说明。
首先，设定固定的增益电压；然后，利用超声波传输距离的影响，当超声波传输距离越长，反射超声波的波幅就越小，通过积分电路在超声波传输时间内产生三角电压，通过加法器将三角电压和增益电压叠加在一起，从而实现超声测厚波幅自动补偿，其基本具体的电路设计请参照图8a，能够得到波幅补偿电路的补偿后的控制增益，请参照图8b。
参照图9所示的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法的示意图，假设固定控制电压V，根据不同的反射波信号的强度获得可调波幅补偿参数叠加电容的基准增益电压为V01、V02和V03，反馈调节使得增益值和反射波强度相关，作为如图所示反射波信号的强度在V03时最强，对应的调波幅补偿参数增益相对最小；然后，针对不同的被测材料，调节可调电位器来调节放电回路的电流来控制波幅补偿的斜率，对于V01、V02和V03，波幅补偿的斜率分别为θ01、θ02和θ03，然后将可调波幅补偿电路的波幅补偿的大小补偿和斜率补偿与固定控制电压叠加，得到的可调波幅补偿控制增益为V1，V2和V3，这样波幅补偿电路随着测量物体厚度的增加，自动接收电路增益控制，使得反射超声波波形基本保持一致。
参照图10所示的可调波幅补偿电路的模块图，该电路包括可调积分电路、反射波强度反馈电路以及减法电路。可调积分电路实现超声测厚波幅自动补偿时间控制，以及波幅自动补偿斜率的控制，即在控制时间内进行特定斜率波幅自动补偿。反射波强度反馈电路包括可调波幅补偿参数叠加电容，反射波信号的强度增加使得可调波幅补偿参数叠加电容的电荷增加，从而使得反射波强度反馈电路是根据反射波强度控制波幅自动补偿电压的基准。反射波越强，波幅自动补偿电压的基准就越高，即需要进行波幅自动补偿电压越小。最后利用减法电路将可调波幅补偿参数与固定控制电压生成可调波幅补偿控制增益。采用负电压控制增益是由于积分出波幅自动补偿电压是负电压。
参照图11所示的可调波幅补偿电路的电路结构图，该电路包括可调积分电路、反射波强度反馈电路以及减法电路。可调积分电路包括三极管D1和D3。其中，三级管D1是实现超声测厚波幅自动补偿时间控制，当波幅补偿宽度的控制脉冲的时间内进行超声测厚波幅自动补偿。三级管D3和可调电位器R1与电容C1产生负波幅自动补偿积分电压，其中可调电位器R1可以采用数字电位器通过处理器进行阻值控制。反射波强度反馈电路包括放大器U1，三极管D2。其中，通过放大器U1，反馈回波信号受数字逻辑技术控制，当反馈回波信号脉冲越多，波幅自动补偿电压的基准就越高，即需要进行波幅自动补偿电压越小。三级管D2是起开关作用，当波幅补偿宽度的控制脉冲没来时，利用反馈回波信号产生的波幅自动补偿电压的基准位于电容C1两端，当波幅补偿宽度的控制脉冲产生时，负波幅自动补偿积分电压叠加产生的可调波幅补偿增益控制电压。
脉冲反射超声测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的仪器，当超声测厚仪的探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达二种不同材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。下面参照图12所示的可调波幅补偿超声测厚仪的原理框图，说明本发明的可调波幅补偿超声测厚仪。由键盘b3输入指令给处理单元b1，由处理单元控制发射电路b4输出电脉冲至探头，激励压电晶片产生脉冲超声波，超声波在被测物体上下两面之间形成多次反射，反射波经过压电晶片转变成电信号，处理单元b1和逻辑电路b7控制波幅补偿电路b8，产生可调波幅补偿控制增益作用接收电路b6进行放大整型后，传送至逻辑电路b7，读取逻辑电路b7中的测量数据后传送至处理单元进行处理，并将最后结果输出至液晶显示屏b2。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1、一种超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于，该方法包括：
a、通过反馈回波强度和设定固定的增益获得基准增益电压；
b、在测量厚度范围内超声波传输时间对反射超声波进行积分得到增益补偿电压；
c、将增益补偿电压和基准增益电压叠加在一起生成最终增益控制电压。
2、根据权利要求1所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于：步骤a包括，根据反射波信号的强度获得可调波幅补偿参数增益补偿。
3、根据权利要求1所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于：在步骤b中，通过积分电路将反射超声波积分为三角电压。
4、根据权利要求2所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于：在步骤c中，测量厚度范围内，当超声波传输距离越长，增益控制电压就越大，反射超声波的波幅自动补偿就越大。
5、根据权利要求2所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于：反射波信号的强度越大，对应的调波幅补偿参数增益补偿越小。
6、根据权利要求3所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于：步骤b还包括，针对不同的被测材料调节放电回路的电流来控制波幅补偿的斜率补偿。
7、根据权利要求6所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿方法，其特征在于：步骤b还包括，将设定固定的增益与可调波幅补偿参数增益补偿和波幅补偿的斜率补偿叠加得到补偿增益电压。
8、一种超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于，该电路包括：可调积分电路和叠加电路，可调积分电路在控制时间内进行特定斜率波幅自动补偿产生斜率增益补偿电压，叠加电路将斜率增益补偿电压与固定控制电压叠加生成可调波幅补偿控制增益。
9、根据权利要求8所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于还包括：反射波强度反馈电路，该反射波强度反馈电路根据反射波强度产生波幅自动补偿电压，所述叠加电路将波幅自动补偿电压，斜率增益补偿电压和固定控制电压叠加生成可调波幅补偿控制增益。
10、根据权利要求8所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于：所述叠加电路包括加法器或减法器。
11、根据权利要求9所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于：所述反射波强度反馈电路包括可调波幅补偿参数叠加电容，反射波信号的强度增加使得可调波幅补偿参数叠加电容的电荷增加，从而使得反射波越强，需要的波幅自动补偿电压越小。
12、根据权利要求8所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于：可调积分电路包括第一三极管、第三三极管，可调电位器和电容；其中，第一三级管实现超声测厚波幅自动补偿时间控制，当波幅补偿宽度的控制脉冲的时间内进行超声测厚波幅自动补偿；第三三级管和可调电位器与电容构成波幅自动补偿积分电路。
13、根据权利要求12所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于：可调电位器采用数字电位器通过处理器进行阻值控制。
14、根据权利要求9所述的超声测厚仪可调式波幅自动增益补偿电路，其特征在于：反射波强度反馈电路包括放大器和第二三极管；其中，通过放大器，反馈回波信号受数字逻辑技术控制，当反馈回波信号脉冲越多，波幅自动补偿电压的基准就越高，即需要进行波幅自动补偿电压越小；第二三级管是起开关作用，当波幅补偿宽度的控制脉冲没来时，利用反馈回波信号产生的波幅自动补偿电压位于所述电容两端，当波幅补偿宽度的控制脉冲产生时，叠加波幅自动补偿积分电压。
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