CN103384571B - 超声波发生装置的改进及生成超声波的方法 - Google Patents

Abstract

超生波发生装置（10），包括：任意波形发生器（12），其在（14）处提供表示波形的波形输出。功率放大器（16），其可以是运算放大器，可操作地在功率和幅值上放大波形输出（14），以提供用于施加到超声波换能器（20）的功率输出（18）。

Description

超声波发生装置的改进及生成超声波的方法

技术领域

本发明涉及超声波发生装置及用于生成超声波的方法。

背景技术

术语“超声波”用于指在可听频率范围之上的声音，通常在20KHz以上。超声波已经被用于各种测试技术，例如无损测试，在无损测试中，将超生波注入到工件中，然后检测超声波，以揭示关于工件的信息。可以披露的信息的性质和质量都取决于生成和使用超生波的方式。

发明内容

本发明的示例提供超生波发生装置，该超生波发生装置包括：

任意波形发生器，其可操作用于提供表示波形的波形输出；

功率放大器，其可操作用于接收波形输出和在功率和幅值上放大波形输出，以用于施加到超声波换能器。

功率放大器可以包括运算放大器。

波形输出在使用中可以是作为波形采样（或具有或构成该波形或其采样）的离散输出值的时间序列。离散输出可以具有该波形的频率的至少10倍的采样率，例如100MS/s（当使用10MHz的换能器时）。发生器可以包括波形源、用户输入和转换器，波形源提供该波形的表示，用户输入可操作地限定所表示的波形的参数，转换器可操作地提供该波形输出作为具有该表示的波形的信号。

表示可以是数字表示，并且转换器可以是数-模转换器。波形源可以通过软件控制下的计算设备而提供。

发生器可以可操作地提供波形输出作为载波频率的脉冲。

发生器可以可操作地提供波形输出作为用于产生超声波的脉冲以及随后的用于抑制超声波换能器中的谐振的阻尼脉冲。

本发明的示例还提供一种生成超声波的方法，包括以下步骤：

生成表示波形的波形输出；

在功率和幅值上放大该波形输出，以提供用于施加至超声波换能器的功率输出。

波形输出可以通过功率放大器被放大，该功率放大器包括运算放大器。

波形输出被生成为作为该波形的采样的离散输出值的时间序列。离散输出可以具有该波形的频率的至少10倍的采样率，例如100MS/s（当使用10MHz的环能器时）。

生成波形可以包括提供该波形的表示，接收用户输入以限定所表示的波形的参数，以及提供波形输出作为具有该表示的波形的信号。该表示可以是数字表示，并且可以通过软件控制下操作的计算设备而提供。生成波形可以包括提供波形输出作为载波频率的脉冲。生成波形可以包括提供波形输出作为用于产生超声波的脉冲以及随后的用于抑制超声波换能器中的谐振的阻尼脉冲。

本发明的示例还提供一种工件尺寸的超声波测量方法，包括以下步骤：

对波形输出整形以表示波形；

将整形的波形输出施加至超声波换能器，以将超声波发送进工件；

从工件接收超声波信号，所接收的信号包括所发送信号的反射；

从所接收信号中提取与所述尺寸有关的信息；其中通过任何上述限定的装置该波形输出被整形和施加。

附图说明

现在将参考附图，仅通过示例的方式更详细地描述本发明的示例，其中：

图1是根据描述的本发明的一个示例的超声波发生装置的简单示意图；

图2更详细地图示图1的装置；

图3图示图1和图2的装置中各个点的信号；

图4图示所描述的装置中可以使用的类型的另一示例信号；

图5图示可替换的超声波发生装置的简单示意图。

具体实施方式

概述

图1示出超声波发生装置(整体上以10表示)，其包括任意波形发生器12，该波形发生器可操作地在14处提供表示波形的波形输出。功率放大器16可操作地接收波形输出14，并在功率和幅值上放大波形输出14，以在18处提供用于施加到超声波换能器的功率输出。在20处表示示例的超声波换能器。

在本说明书中，术语“任意波形发生器”用于指如下装置：该装置能够产生表示由用户所限定的很宽范围的任何波形的波形输出。对于本领域的技术人员，许多示例是已知的。这些包括软件套装（softwarepackage）。在所描述的本发明的示例中可以使用的软件套装的一个示例是LabVIEW^TM软件，其可以从国家仪器公司(NationalInstrumentsCorporation)获得。

第一示例

图2更详细地图示装置10。在该示例中，任意波形发生器12基于如上所述的软件套装，该软件套装运行于计算机设备22上。计算机设备22可以是传统的PC或包括处理装置24、输入设备（诸如键盘26）和输出设备（诸如显示器28）的其它计算机设备。运行于处理装置24中的软件29允许发生器12在显示器28上提供波形表示。用户输入（诸如键盘26）允许用户限定显示器28上表示的波形的参数。例如，用户可以选择所表示的波形的形状和频率或者其他参数。因此，用户操纵在计算机设备22内的数字表示。

如果软件创建该波形为离散采样的时间序列，则可以期待改善对波形形状的精细控制。如果能够单独地操纵每个采样，则可以在用户限定波形形状时为用户提供相当多的控制。这种控制程度随着采样率增加而增强。我们设想使用至少100MS/s（每秒百万采样）的采样率。这允许——对于10MHz换能器——10倍于10MHz波形的频率的采样。

计算机设备22包含数-模转换器30或将数-模转换器30与其相关联。当将要使用用户限定的波形时，计算机设备22使用转换器30在32处将信号提供至功率放大器16。32处的信号表示用户限定的波形。示例将在以下描述。

在这个处理阶段，信号为低电压和低功率，通常为传统计算机设备（例如设备22）和信号处理电路（例如数-模转换器30）中看到的电压和功率水平。例如，32处的波形可以具有1V的幅值（2V峰-峰值）。功率放大器16的目的是接收32处的低电压和低功率水平的波形输出，和在功率和幅值上放大波形输出32。例如，我们设想功率放大器16将波形输出32从幅值1V（2V峰-峰值）放大到幅值10V（峰-峰值20V）。

在本示例中，功率放大器16基于运算放大器34，并且还包括诸如电源（未示出）的适当的传统辅助电路。

在本说明书中，术语“运算放大器”用于指提供很高增益电压放大的器件种类中的一类。增益可以为数万。器件具有两个输入和单个输出，输出表示输入之间的电压差乘以该器件的增益。亦即，运算放大器具有差动输入。各种反馈技术允许总体增益由外部元件支配，并且高度独立于操作条件。我们设想使用运算放大器将提供以下优势：来自任意信号发生器的信号可以在幅值和功率上被放大，而波形的形状具有最小的劣化。有助于使所描述环境中的信号劣化水平低的运算放大器的其它特征包括：高带宽、高线性度、低噪声、短上升时间和高电压转换速率（一般可以称作“高速”）。适当的运算放大器电路的一个示例是使用THS3001^TM器件（可从德州仪器公司获得）的非反相运算放大器配置。

运算放大器34的输出形成功率放大器16的功率输出18，并被提供至超声波换能器20。因此，当该装置在使用中时，计算机设备22内——在用户控制下——已经创建的任意波形被转换为转换器30处的模拟形式，被功率放大器34从32处的信号水平放大至18处的功率水平，然后被超声波换能器20用于创建超声波。

超声波换能器的示例是锆钛酸铅陶瓷换能器。

使用中，将换能器20与工件36相关联——通常通过将换能器放置为与工件36密切接触以将超声波从换能器20发送进工件36的主体。在图示的实施例中，换能器20也用于从工件36采集反射的超声波（回声），回声经过适当的接口电路38和模-数转换器40以被计算机设备22接收用于记录和分析。在可替换的示例中，可以使用分开的换能器创建超声波和检测回声。这可以帮助阻止发射的超声波直接影响回声接收换能器。图2中通过划分换能器20的破折线表示分开的换能器的可行性。

我们设想使用任意波形发生器12，例如基于适当的软件套装的发生器，将允许波形输出14具有很高质量，因为用户在限定波形的形状时可以获得精确控制。我们设想波形输出14将具有高的信噪比。此外，我们设想运算放大器34的使用将在保持高的信噪比的同时，允许放大功率和幅值（创建功率输出18）。因此，可以期待，最终引入到工件36的超声波具有充足的功率以穿透工件36，创建反射和其它相互作用，并因此揭示关于工件36的信息，这些以一种提供高质量输出（因此也是高质量信息）的方式来实现。这源于初始波形的高的信噪比和波形初始整形的精度，也是由于运算放大器引入最少的波形劣化。即使输出波形幅值与接收回声幅值的比值可能比传统超声波系统中的小，也可以期待这些结果。可以期待的是，对波形的精确整形（可能是具有复杂形状）将揭示出不能从传统超声波发生技术中获得的信息。示例包括对工件尺寸或特征的高精度测量。

图3图示出现在装置中各个点处的波形。图3（a）示出了表示大体正弦波形的采样的离散输出值42的时间序列。对这些采样中每一个的单独操纵（包括采样的高度和极性）提供对波形形状的高水平控制，尤其在高采样速率（诸如至少100MS/s和至少10倍于波形频率）的情况下。在这一级，波形纯粹以发生器12中的数字表示来表示，并且可以通过显示器28为用户获得。

图3（b）示出接收图3（a）的波形采样后转换器30的输出。由图可见，形成波形输出14的模拟波形具有由图3（a）的采样限定的大致正弦波形，并且处于相对低的功率和幅值下（1V；2V的峰-峰值）。然后该波形被施加到功率放大器16，以提供功率输出18（图3（c）以截断形式图示）。图3（c）的波形具有和图3（b）相同的形状，但已被放大到更大功率和幅值（20V峰-峰值），同时保持先前波形的高信噪比。通过使用运算放大器34能够实现这种波形质量。

图4图示出在超声波无损测试中已经发现为有利的示例的波形。波形44包括两个脉冲46、48，分别是生成脉冲46和阻尼脉冲48。生成脉冲46是高频载波脉冲，大体正弦幅度包络施加于其上。阻尼脉冲48也是高频载波脉冲，也是采用大体正弦幅度包络。

生成脉冲46的目的是激发换能器20在工件36中生成超声波。我们已经发现，用正弦脉冲（例如脉冲46）激励换能器20能够在换能器20中产生谐振效应，这使得工件36中的超声波振动比提供给换能器20的信号更长久。一个示例被表示在47处。阻尼脉冲48的目的是解决这一问题。可以选择阻尼脉冲48的时序和相位使阻尼脉冲48抑制换能器20内的任何残留谐振。具体地，可取的是，在预期的将从工件36内接收到反射的超声波的时刻之前抑制换能器20，使得当接收到反射时换能器20处于安静。可以期待，这将带来来自工件36的更高质量的信号恢复。

第二实施例

图5示意性地绘出可替换的超声波生成系统100。该系统100和装置10有许多共同的特征。系统100包括超声波收发器118和控制系统120，控制系统120包括脉冲生成模块124和控制器模块126。

超声波收发器模块118包括压电换能器，该换能器在使用中使用例如粘着剂的固定手段固定至待测物件（未示出）。如果需要，超声波换能器可以原位沉积在物件的表面。所选择的固定手段主要取决于物件和预期物件使用中将经历的条件，但需要能够实现超声波信号在使用中预期的温度范围内的良好发送。当传感器被固定就位时，可以用衬背（backing）覆盖传感器以帮助将超声波信号发送至物件，所述衬背如环氧树脂衬背（例如钢加固环氧树脂）。换能器118具有大约10MHz的中心频率，但是其它频率也是可能的。

脉冲生成模块124可操作地生成具有峰值幅值大约10V的电压脉冲。脉冲生成模块包括脉冲发生器140、放大器142和信号阻断器（blocker）144（如果需要的话）。脉冲发生器可操作地生成大致1V的电压脉冲，其具有可重复的形状。在本示例中，脉冲包括物理上表现为具有频率大约10MHz的正弦波的方波，脉冲发生器140包括诸如现场可编程门阵列（FPGA1）的第一可编程元件。除了生成待发送的初始脉冲，FPGA1可操作地接收反射信号。

在本示例中，放大器142可操作地将FPGA1产生的整形后的信号放大到大约10V脉冲，而不改变其频率或形状。如果这样的高电压信号被FPGA1接收，则它将破坏FPGA1。因此，当放大器为激活状态（active）时，信号阻断器144（在本示例中，它是场效应晶体管（FET））同时被激活以确保没有任何部分的10V信号可以被发送回FPGA1。一旦放大器已发送该10V脉冲，信号阻断器144被去活（deactivated）以允许反射信号通过FPGA1被检测。

在另一示例中，可以使用分开的换能器生成超声波及用于探测回声，如以上关于图2所述。如果是这样，则在激发能量和探测用换能器之间形成了自然的阻断，这将使信号阻断器不必要。

控制器模块126包括另外的可编程元件146（诸如第二现场可编程门阵列（FPGA2））、处理器148和存储器149。FPGA2可操作地从诸如热电偶的温度传感器150采集温度数据，温度传感器被布置用于测量待测物件的温度。

处理器148与两个可编程元件140和146进行信号通信，并从FPGA1接收信号数据，从FPGA2接收温度数据。处理器使用接收的信号数据和温度数据产生尺寸测量结果。

在操作中，系统100在处理器控制下基本同时执行以下两组操作：

首先，可编程元件140生成1V脉冲，持续50ns。激活信号阻断器144，放大器142放大1V脉冲到10V。然后将信号阻断器去活。通过电缆将10V信号发送至超声波收发器118。超声波收发器将该信号转换为超声波脉冲，并将该脉冲发送进待测物件。随后，超声波收发器接收反射的超声波，并将其转换为电信号，并且被可编程元件140检测。将标识所接收的信号的数据（特别是一个共同表示所接收的信号的形状的离散测量集合）发送至处理器，用于分析/存储，特别地用于生成飞行时间值（timeofflightvalue）。

伴随着上述飞行时间数据的采集，处理器命令第二可编程元件146从温度传感器150采集温度数据。测量的温度值（包括两个测量值）被存储在存储器中直到FPGA1已经采集接收的信号。这些操作被安排为基本同步地开始和结束。

一旦信号数据已经被采集，处理器确定使用温度值校准的飞行时间。然后计算不依赖于温度的尺寸值。该值表示尺寸，例如待测物件的厚度。

总结

我们已经发现，和传统的技术相比，对波形形状的精细调节和操纵使得所选波形能够产生增加的回声幅值（当该回声幅值被表达为所引入的幅值的百分比时）。这代表更高的效率和源于生成任意波形并将它们在运算放大器中精确和重复放大的能力。

从上述装置出发，可以进行很多变型，而这些变型不脱离本发明的范围。例如，可以使用其它形式的任意波形发生器代替基于软件套装的发生器。根据信号处理和电路设计中的传统考虑，可以使用其它形式的功率放大器和可以选择其它运算放大器器件。

尽管在上述说明书中尽力将注意力置于本发明中的那些被认为特别重要的技术特征上，应该理解，申请人要求保护以上所指和/或附图所示的任何可授予专利权的特征，不管是否对其进行特别强调。

Claims (13)

1.超声波发生装置，其适用于工件尺寸的超声波测量，包括：

发生器，其可操作地提供表示波形的波形输出；

功率放大器，其可操作地接收所述波形输出并且放大所述波形输出以提供施加于超声波换能器的输出；

其中，所述发生器是任意波形发生器，所述发生器包括在软件控制下操作作为波形源并提供波形表示的计算设备，所述发生器具有用户输入和转换器，所述用户输入可操作地限定所表示的波形的参数以操纵波形形状用于工件测量，所述转换器可操作地提供所述波形输出作为具有所述表示的波形的信号，

其中，所述功率放大器包括运算放大器，所述运算放大器在使用中从所述发生器接收所述波形输出并在功率和电压上放大所述波形输出，所述运算放大器的输出被施加至所述换能器。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波形输出在使用中是具有所述波形的采样的离散输出值的时间序列。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述离散输出具有所述波形的频率的至少10倍的采样率。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述离散输出具有100MS/s的采样率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述表示是数字表示，并且所述转换器是数-模转换器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述发生器可操作地提供所述波形输出作为载波频率的脉冲。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述发生器可操作地提供所述波形输出作为用于产生超声波的脉冲以及随后的用于抑制超声波换能器中的谐振的阻尼脉冲。

8.生成用于工件尺寸的超声波测量的超声波的方法，包括以下步骤：

生成表示波形的波形输出；

放大所述波形输出，以提供用于施加至超声波换能器的输出；

其中，通过任意波形发生器生成波形，所述发生器包括波形源，该波形源通过在软件控制下操作并提供波形表示的计算设备来提供，所述发生器具有用户输入和转换器，所述用户输入可操作地限定所表示的波形的参数以操纵波形形状用于工件测量，所述转换器可操作地提供所述波形输出作为具有所述表示的波形的信号，

其中，通过功率放大器放大所述波形，所述功率放大器包括运算放大器，所述运算放大器在使用中从所述波形源接收所述波形输出并在功率和电压上放大所述波形输出，所述运算放大器的输出被施加至所述换能器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述波形输出被生成为离散输出值和所述波形的采样的时间序列。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述离散输出具有所述波形的频率的至少10倍的采样率。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述离散输出具有100MS/s的采样率。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，生成所述波形包括提供波形输出作为载波频率的脉冲。

13.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，生成所述波形包括提供波形输出作为用于产生超声波的脉冲以及随后的用于抑制超声波换能器中的谐振的阻尼脉冲。