CN103207011A - 一种基于电路相移的超声精确时延检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，包括如下步骤：（1）接收来自超声接收换能器的超声接收脉冲；（2）将所述超声接收脉冲输入超声回波信号调理电路；（3）根据超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型得到所述超声回波信号调理电路的总体相移数学模型；（4）根据相移和时延之间的转换关系，获取总体电路在不同频率下的时延；（5）根据回波信号调理电路总的时延量

的变化规律对检测时延进行补偿。本发明可用于超声无损检测中缺陷的量化、定位以及利用超声波进行物理参量精确检测的场合。

Description

一种基于电路相移的超声精确时延检测方法

技术领域

本发明涉及超声波检测领域，尤其涉及一种基于电路系统相移的超声精确时延检测方法。

背景技术

超声无损检测中缺陷量化、定位以及利用超声波进行物理参量精确检测时，都涉及到精确检测超声回波时延的技术问题。目前，可用于超声时延检测的方法很多，既有通过硬件电路实现时延检测的方法，又有采用软件算法来检测超声时延的方法。比如，主要的硬件时延检测方法有延迟线法、零频检测法、脉冲回波重合法、脉冲叠加法和回振法等；主要的软件时延检测方法有相关法、自适应法、小波法及双谱法等。这些方法各有所长：脉冲回波重合法测量精度虽高，但此方法和延迟线法所用仪器设备复杂程度高，易受主观因素影响；零频检测法和脉冲叠加法只适用于纵波类超声波的传播时延测量；回振法原理电路简单，适用范围广，能有效放大被测参量引起的时延变化量，提高测量分辨率，但是在放大被测参量引起的时延变化量的同时，超声换能器、耦合层、电路等环节引起的时延变化量也被重复放大，当循环次数较多时，产生的测量误差更大；相关法是最经典的时延估计方法，它通过信号的自相关函数滞后的峰值估计信号之间延迟的时间差。这种方法简单易懂，容易实现，但它的不足之处是要求信号和噪声、噪声和噪声互不相关，对非平稳信号和可变时延估计的估计误差大，甚至不能估计(C Knapp,G Cater.The generalized correlationmethod for estimation of time delay,IEEE Transaction on Acoustics,Speech andSignal Processing,24(4):320–327,1976.)；相位谱时延估计可以用相位加权函数在频域对相位函数进行加权，从而形成了广义相位谱时延估计方法，但也需要信号和噪声的统计先验知识，并且仅适用于无噪声干扰或不相关高斯噪声干扰的情况(ALLAN G.PIESOL.Time Delay Estimation UsingPhase Date,IEEE Transaction on Acoustics,Speech andSignal Processing,29(3):471–477,1981.)；自适应时延估计不需要获得信号和噪声的统计先验知识，可以通过调整自身参数，跟踪时变的时延，但当滤波器阶数高时，存在计算量大，收敛速度慢等缺点(Widrow B,Stearn S D.Adaptive signalprocessing.Englewood Cliffs:Prentice-Hall.Inc.1993.)；小波法可有效检测波达时刻，并抑制噪声干扰，但通用性和实时性受到了制约。

尽管工程技术人员采取了不同的方法来提高超声时延检测的精度，但很少考虑由于硬件电路系统本身产生的相移而带来的时延误差，这将导致无法进一步提高超声时延精确检测的技术瓶颈。

发明内容

本发明旨在提供一种硬件电路产生时延的检测方法，并进行补偿，从而达到进一步提高时延检测精度的目的。本发明针对超声无损检测中缺陷精确量化、定位与超声微参量检测时延检测精度不高的问题，首先通过对超声检测系统中回波信号调理电路进行相频特性建模、仿真和测量实验，得到回波信号调理电路相移对检测系统时延变化的影响规律；然后提出了回波信号调理电路由于相移引起的时延变化量的补偿方法。通过这一方法，本发明可以显著提高检测系统的测量精度。

本发明提出了一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，包括如下具体步骤：

（1）接收来自超声接收换能器的超声接收脉冲；

（2）将所述超声接收脉冲输入超声回波信号调理电路；

（3）根据超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型得到所述超声回波信号调理电路的总体相移数学模型；

（4）根据相移和时延之间的转换关系，获取总体电路在不同频率下的时延；

（5）根据回波信号调理电路总的时延量Δt的变化规律对检测时延进行补偿。

其中，步骤（2）所述建立所述回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型为根据电路原理图求出各单元电路的传递函数H(jω)，在此基础上建立相频特性

的数学模型，进而得到各单元电路的相频特性曲线。

其中，步骤（2）所述各单元电路包括前置放大电路、高增益放大电路、带通滤波电路、二极管检波电路、末级放大电路。

其中，建立超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型，其特征在于，

$H_n\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_o\left(\mathrm{j\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{U}}_i\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{a_1+b_{1}j}{a_2+b_{2}j}$

其中，

为电路的输出，

为电路的输入，a₁、b_a和a₂、b₂分别复数和

的实部和虚部。

其中，建立回波信号调理电路总体相移数学模型，其特征在于，

其中，

为回波信号调理电路的总体相移特性表达式，

为回波信号调理电路各单元电路的相移特性表达式。

其中，所述建立相移和时延之间的转换关系为：

其中，Δt为输入信号经过电路产生的时延，

为电路系统总的相移量，f为输入信号的频率。

其中，所述根据回波信号调理电路总的时延量Δt的变化规律对检测时延进行补偿为：在最终的时延测量结果中减去由于回波信号调理电路相移引起的时延量Δt。

本发明还提出了一种超声回波信号调理电路，其包括前置放大电路、高增益放大电路、带通滤波电路、二极管检波电路、末级放大电路，其特征在于：

前置放大电路，其由电荷放大器组成，与超声接收换能器进行阻抗匹配；

高增益放大电路，其由两级反相放大器组成，用于放大微弱回波信号；

带通滤波电路，其采用无限增益多路反馈型带通滤波电路，用于对回波信号进行降噪处理；

二极管检波电路，其采用二极管检波电路，用于提取超声回波信号包络；

末级放大电路，其采用一级反相放大，用于对得到的包络信号幅度进行放大。

利用本发明可有效消除由于检测电路本身产生的相移变化，最终达到提高超声时延检测精度的目的。该项发明可用于超声无损检测中缺陷的量化、定位以及利用超声波进行物理参量精确检测的场合。

附图说明

图1为与本发明实施例一致的基于电路相移的超声精确时延检测的信号原理框图；

图2为与本发明实施例一致的基于电路相移的超声精确时延检测方法流程框图；

图3为与本发明实施例一致的超声回波信号调理电路的原理框图；

图4为与本发明实施例一致的超声回波信号调理电路的电路图；

图5为与本发明实施例一致的超声回波信号调理电路的相频特性仿真曲线；

图6为与本发明实施例一致的超声回波信号调理电路的相频特性仿真结果最小二乘拟合直线；

图7为与本发明实施例一致的超声回波信号调理电路的相频特性测量结果；

图8为与本发明实施例一致的超声回波信号调理电路的相频特性测量结果最小二乘拟合直线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明实施例中采用的超声波换能器中心频率为5MHZ，通频带宽为4MHZ，本实施例中的超声回波信号调理电路的原理框图如图3所示。首先，使用超声检测脉冲通过被测物体，当超声接收换能器接收到回波信号后，超生接收脉冲先经过电荷放大电路完成阻抗匹配；然后经过放大、滤波、检波，提取回波信号的包络；最后经过末级放大电路放大回波信号以满足后端电路对输入电压的要求。

参考图4，其中（a）电荷放大电路；（b）高增益放大电路；（c）带通滤波电路；（d）二极管检波电路；（e）末级放大电路。由图3中的电路图可以分别求出回波信号调理电路各单元电路的传递函数和相频特性表达式：

(a)电荷放大电路

(b)高增益放大电路

$H_2\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{V_{02}}{V_{01}}=\frac{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^2{C}_3{R}_4{C}_5{R}_6}{(1+\mathrm{j\ω}{C}_3{R}_3)(1+\mathrm{j\ω}{C}_5{R}_5)}---\left(3\right)$

(c)带通滤波电路

$H_3\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{V_{03}}{V_{02}}=-\frac{\mathrm{j\ω}{C}_8{R}_8{R}_9}{R_8+\mathrm{j\ω}{C}_8{R}_7{R}_8+\mathrm{j\ω}{C}_7{R}_7{R}_8+R_7+{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^2{C}_7{C}_8{R}_7{R}_8{R}_9}---\left(5\right)$

(d)二极管检波电路

$H_4\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{V_{o4}}{V_{o3}}=\frac{1}{\frac{\mathrm{\π}{R}_{11}{C}_9}{\sin {\mathrm{\θ}}_D}\mathrm{j\ω}+1}---\left(7\right)$

(e)末级放大电路

$H_5\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{V_o}{V_{o4}}=-\frac{\mathrm{j\ω}{C}_{10}{R}_{14}}{\mathrm{j\ω}{C}_{10}{R}_{13}+1}---\left(9\right)$

由以上可知，超声回波信号调理电路的相频特性为

由式（11）可以得到超声回波信号调理电路的相频特性曲线如图5所示。对图4上的9个标记点进行最小二乘拟合，得到的最小二乘拟合直线如图6所示。

为测量超声回波信号调理电路的相频特性，根据图4搭建超声回波信号调理电路，输入一组幅值为10mv、频率f=3MHZ～7MHZ、步长0.5MHZ的正弦波信号，用数字示波器测得不同频率信号的相移

如图7所示。由图7中相移

得到的回波信号调理电路相频特性测量结果拟合直线如图8所示。对比图6和图8发现，测量结果与理论结果存在一定的偏差，该误差是可以接受的，产生偏差的原因可能和数字示波器分辨率有关。

由图7知频率为5MHZ的超声信号经过回波信号调理电路产生的相移代入相移和时延的转换关系式：

可得：Δt＝46ns，即：频率为5MHZ的超声波信号通过回波信号调理电路产生的时延为46ns，这一时延要比被测参量引起的时延变化量大很多。为了提高检测精度，采用在后续的处理电路中对回波信号调理电路产生的时延进行补偿，即：在最终的时延测量结果中减去由于回波信号调理电路相移引起的时延量Δt。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明实施例的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，包括如下具体步骤： 

（1）接收来自超声接收换能器的超声接收脉冲； 

（2）将所述超声接收脉冲输入超声回波信号调理电路； 

（3）根据超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型得到所述超声回波信号调理电路的总体相移数学模型； 

（4）根据相移和时延之间的转换关系，获取总体电路在不同频率下的时延； 

（5）根据回波信号调理电路总的时延量Δt的变化规律对检测时延进行补偿。 

2.如权利要求1所述一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，其中步骤（3）所述超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型是根据电路原理图求出所述超声回波信号调理电路的各单元电路的传递函数H(jω)，在此基础上得到相频特性φ(ω)，进而得到所述超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性曲线。 

3.如权利要求2所述一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，其中步骤（3）所述超声回波信号调理电路的各单元电路包括前置放大电路、高增益放大电路、带通滤波电路、二极管检波电路、末级放大电路。 

4.如权利要求3所述一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，其中所述超声回波信号调理电路的各单元电路的相频特性数学模型为， 

其中，

为电路的输出，

为电路的输入，a₁、b₁和a₂、b₂分别复数

和

的实部和虚部。 

5.如权利要求1所述一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，其中所述超声回波信号调理电路总体相移数学模型为： 

其中，φ（ω）为超声回波信号调理电路的总体相移特性表达式，φ_i(ω)为超声回波信号调理电路各单元电路的相移特性表达式。 

6.如权利要求1所述一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，其中所述相移和时延之间的转换关系为： 

其中，Δt为输入信号经过电路产生的时延，Δφ为电路系统总的相移量，f为输入信号的频率。 

7.如权利要求1所述一种基于电路相移的超声精确时延检测方法，其中所述根据超声回波信号调理电路总的时延量Δt的变化规律对检测时延进行补偿为：在最终的时延测量结果中减去由于超声回波信号调理电路相移引起的时延量Δt。 

8.一种超声回波信号调理电路，其包括前置放大电路、高增益放大电路、带通滤波电路、二极管检波电路、末级放大电路，其特征在于： 

前置放大电路，其由电荷放大器组成，与超声接收换能器进行阻抗匹配； 

高增益放大电路，其由两级反相放大器组成，用于放大微弱回波信号； 

带通滤波电路，其采用无限增益多路反馈型带通滤波电路，用于对回波信号进行降噪处理； 

二极管检波电路，其采用二极管检波电路，用于提取超声回波信号包络； 

末级放大电路，其采用一级反相放大，用于对得到的包络信号幅度进行放大。 

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