CN105021713B - 超声波探头性能侦测及补偿装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波探头性能侦测及补偿装置与方法，该装置包括超声波接收器、类比‑数位转换器、时间差补偿电路、比对电路以及侦测电路。超声波接收器用以接收由超声波探头发送的超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号。时间差补偿电路根据超声波发送时的时间差补偿此组扫描讯号。比对电路用以比对扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值。侦测电路用以判断探头中各个超声波阵元的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的其中的扫描讯号。本发明中的超声波探头性能侦测及补偿装置与方法在不需更换探头的情况下，仍能继续使用超声波探头，以节省成本。

Description

超声波探头性能侦测及补偿装置与方法

本申请是申请日为2013年4月26日、申请号为201310151107.1、发明名称为《超声波探头性能侦测及补偿装置与方法》的原申请的分案申请。

技术领域

本发明是有关于一种超声波检测，且特别是有关于一种超声波探头性能侦测及补偿装置与方法。

背景技术

在非破坏性检测当中，常应用超声波扫描器来发射超声波，并接收反射此超声波产生的回波讯号，以进行检测。超声波探头内具有精密的超声波阵元，用以侦测扫描讯号的强度，但超声波阵元的性能会因使用状况、时间增加而逐渐损耗，因而必须调整参数以符合超声波检测的要求。然而，目前超声波扫描器只有调整超声波发射器的讯号强度及增益，以弥补回波讯号衰退而失真的问题，但无法侦测衰退的程度，且无法针对个别的超声波阵元的性能进行补偿，因而无法使失真的讯号回复到正常值，有待进一步改善。

发明内容

本发明有关于一种超声波探头性能侦测及补偿装置与方法，具有自行侦测及补偿的功能，以使讯号值回复到正常。

根据本发明一方面，提出一种超声波探头性能侦测及补偿装置，包括超声波接收器、类比-数位转换器、时间差补偿电路、比对电路、侦测电路以及使用者介面。超声波接收器用以接收由超声波探头发送的超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号，超声波探头包含多个超声波阵元，此组扫描讯号对应此些超声波阵元。类比-数位转换器用以接收此组扫描讯号，并转换成数位形式的超声波扫描资讯。时间差补偿电路根据超声波发送时的时间差补偿该数位形式的超声波扫描资讯，以得到扫描线上不同位置的超声波扫描资讯。比对电路连接时间差补偿电路，用以比对扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值。侦测电路连接比对电路，用以判断探头中各个超声波阵元的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的其中的扫描讯号。使用者介面连接该侦测电路，其中当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度在该可补偿的范围内时，以该使用者介面显示该复数个超声波阵元的损坏程度，而当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度超过该可补偿的范围时，以该使用者介面显示该复数个超声波阵元无法使用或失效。

在一个优选的实施例中，该侦测电路包括均值补偿单元，用以接收该受损的扫描讯号的相邻两侧未受损的至少两个扫描讯号，并以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，其中该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，该侦测电路以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，该侦测电路包括线性回归补偿单元，用以计算该组扫描讯号的回归函数中对应于该受损的扫描讯号的回归值，并以该回归值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，其中该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，该侦测电路以该受损的扫描讯号的回归值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，其中该侦测电路包括增益补偿单元，用以放大该受损的扫描讯号的增益值，以补偿该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，其中该受损的扫描讯号的衰退程度高于出厂性能测试的70％以上时，该侦测电路以放大该受损的扫描讯号的增益值的方式，放大该受损的扫描讯号的讯号值。

根据本发明一方面，提出一种超声波探头性能侦测及补偿方法，包括下列步骤。接收由超声波探头发送的超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号，超声波探头包含多个超声波阵元，此组扫描讯号对应此些超声波阵元。根据超声波发送时的时间差补偿此组扫描讯号，以得到扫描线上不同位置的超声波扫描资讯。比对扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值。判断探头中各个超声波阵元的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的其中的扫描讯号。当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度在该可补偿的范围内时，还包括以使用者介面显示该复数个超声波阵元的损坏范围，而当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度超过该可补偿的范围时，还包括以该使用者介面显示该复数个超声波阵元无法使用或失效。

在一个优选的实施例中，该进入该补偿模式包括接收该受损的扫描讯号的相邻两侧未受损的至少两个扫描讯号，并以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，该进入该补偿模式包括计算该组扫描讯号的回归函数中对应于该受损的扫描讯号的回归值，并以该回归值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，以该受损的扫描讯号的回归值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

在一个优选的实施例中，该进入该补偿模式包括放大该受损的扫描讯号的增益值，以补偿该受损的扫描讯号的强度。

在一个优选的实施例中，该受损的扫描讯号的衰退程度高于出厂性能测试的70％以上时，该侦测电路以放大该受损的扫描讯号的增益值的方式，放大该受损的扫描讯号的讯号值。

本发明实施例中的超声波探头性能侦测及补偿装置与方法，可侦测到各个超声波阵元接收的扫描讯号是否衰退，并可补偿讯号值，因此在不需更换超声波探头的情况下，仍能继续使用超声波探头，以节省成本。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明一实施例的超声波探头性能测试系统的示意图；

图2-图4为不同实施方式的讯号补偿单元的示意图；

图5为本发明一实施例中侦测结果显示在使用者介面上的示意图。

具体实施方式

本实施例的超声波探头性能侦测及补偿装置，可自行侦测各个超声波阵元的性能，若各个超声波阵元的衰退程度在可补偿的范围内，则进行软件补偿或以可编程逻辑阵列电路来补偿。例如：当侦测到超声波阵元接收的扫描讯号衰退时，对此超声波阵元做增益补偿，以放大扫描线上相对应受损的扫描讯号的讯号值；或是当侦测到超声波阵元接收的扫描讯号衰退时，统计所有超声波阵元的讯号强度，由回归曲线求得相对应受损的扫描讯号的回归值，以作为此受损的扫描讯号的讯号值。或是，当侦测到超声波阵元接收的扫描讯号衰退时，计算相邻两侧未受损的至少两个扫描讯号，并以至少两个未受损的扫描讯号的平均值作为此受损的扫描讯号的讯号值。

以下为提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。

图1示出为本发明一实施例的超声波探头性能测试系统100的示意图。在图1中，超声波探头110包含多个超声波阵元111，每一个超声波阵元111为一个转能器，用以将高频脉冲产生器输出的脉冲电压讯号转换成机械震荡的超声波，而传送入检测物(图中未示出)内。接着，再将检测物内反射此超声波产生的回波讯号转换成脉冲电压讯号，并输出至超声波接收器121，以使超声波接收器121得到一组扫描讯号Vscan。

本实施例可对任何形式的超声波探头110进行性能测试，例如线性阵列的超声波探头、相位阵列的超声波探头或其他型态的超声波探头。一旦发现各个超声波阵元111接收到的回波讯号，相对于出厂性能测试的测试值127明显衰退时，则进行性能补偿，以回复其应有的数值。以下简略介绍性能测试的流程：

首先，在测试用的容器内装满水或其他介质，将超声波探头110固定在容器(图中未示出)的上方，并使超声波探头110面对位于容器底部的反射板112。启动测试软件，并选择准备测试的超声波探头110的型号及规格，以读取出厂设定的性能参数及测试值127。进行性能测试，得到测试报告，以分析超声波探头110的性能，例如脉冲讯号的宽度及中心频率等参数。接着，比对超声波探头110所得到的脉冲讯号是否符合出厂设定的测试值127，若是，则表示超声波探头110所得到的讯号值在容许范围内，若未符合出厂设定的测试值127，则需对讯号值进行补偿。

请参照图1，超声波探头性能侦测及补偿装置120包括超声波接收器121、类比-数位转换器122、时间差补偿电路123、比对电路124以及侦测电路125。

超声波接收器121用以接收由超声波探头110发送的一超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号Vscan。此组扫描讯号Vscan表示扫描线上不同位置所传回的扫描讯号Vscan，也就是超声波探头110上对应各个超声波阵元111所得到的讯号值。

类比-数位转换器122用以接收此组扫描讯号Vscan，并转换成数位形式的超声波扫描资讯，以得知超声波探头110上对应各个超声波阵元111所得到的讯号值。

时间差补偿电路123用以接收同一时间所得到的超声波扫描资讯，但因各个超声波阵元111是在不同时间点依序发送超声波，故时间差补偿电路123必须根据超声波发送时的时间差，补偿同一时间所得到的扫描讯号Vscan，才能得到扫描线上不同位置的超声波扫描资讯。

在一个实施例中，时间差补偿电路123可包括插值器以及时间排比器，利用数值内差演算以及时间排比，得到相对于扫描线上各个扫描讯号Vscan的讯号值。

比对电路124连接时间差补偿电路123，用以比对扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值127。例如：比对扫描讯号Vscan的宽度及中心频率等参数，若符合出厂设定的标准值，表示超声波探头110所得到的讯号值在容许范围内，若未符合出厂设定的标准值，则需对讯号值进行补偿。

侦测电路125连接比对电路124，用以判断超声波探头110中各个超声波阵元111的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的其中的扫描讯号Vscan。此外，侦测电路125更可连接使用者介面126，以显示侦测的结果。

上述的比对电路124与侦测电路125例如以现场可编程逻辑阵列(FPGA)电路来实现，但不以此为限，本实施例亦可使用软件来模拟上述的比对电路124及侦测电路125，利用软件补偿的方式对受损的扫描讯号Vscan进行补偿。

请参照图2～图4，以下介绍数种讯号补偿单元的实施方式。在图2中，侦测电路125包括均值补偿单元131，用以接收受损的扫描讯号Vscan-1的相邻两侧未受损的至少两个扫描讯号Vscan-2及Vscan-3，并以至少两个未受损的扫描讯号Vscan-2及Vscan-3的平均值作为受损的扫描讯号Vscan-1的讯号值。

举例来说，相邻的三个扫描讯号中有一个损坏，以相邻两侧未受损的两个扫描讯号的平均值作为受损的扫描讯号的讯号值。若相邻的五个扫描讯号中有两个或三个损坏，以相邻两侧未受损的二或三个扫描讯号的平均值作为受损的扫描讯号的讯号值。依此类推，只要在可补偿的范围内，利用均值补偿的方式可使讯号值回复到正常。

在图3中，侦测电路125包括线性回归补偿单元132，用以计算所有扫描讯号Vscan的回归函数中对应于受损的扫描讯号Vscan-1的回归值，并以此回归值作为受损的扫描讯号Vscan-1的讯号值。因此，利用线性回归补偿的方式可使讯号值回复到正常。

在一个实施例中，当受损的扫描讯号Vscan-1的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，较佳以均值补偿或回归补偿的方式取代受损的扫描讯号Vscan-1的讯号值，如此得到的补偿效果明显提升。

在另一个实施例中，当受损的扫描讯号Vscan-1的衰退程度不明显，例如高于出厂测试性能的70％以上时，较佳以增益补偿的方式放大受损的扫描讯号Vscan-1的讯号值，使讯号值回复到正常。如图4所示，侦测电路125包括增益补偿单元133，用以放大受损的扫描讯号Vscan-1的增益值，得到放大增益值，以补偿受损的扫描讯号Vscan-1的讯号值，进而实现以放大该受损的扫描讯号的增益值的方式，放大该受损的扫描讯号的讯号值。

由上述的说明可知，本发明可利用均值补偿、回归补偿或增益补偿的方式来具体实现超声波探头性能侦测及补偿方法，其各个步骤包括：

步骤1：接收由超声波探头110发送的超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号Vscan，此组扫描讯号Vscan一对一对应所有超声波阵元111；

步骤2：根据超声波发送时的时间差补偿组扫描讯号Vscan，以得到扫描线上不同位置的超声波扫描资讯；

步骤3：比对扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值127；

步骤4：判断超声波探头110中各个超声波阵元111的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的其中的扫描讯号Vscan-1。

此外，请参照图5，其示出侦测结果显示在使用者介面126上的示意图。侦测结果大致上可分为提醒、警告及失效的三个等级，用以显示各个超声波阵元111的状态。例如：以黄色显示区块代表提醒，以红色显示区块代表警告，以黑色显示区块代表失效。当侦测到第N个阵元损坏或衰退时，根据侦测的结果就显示第N个显示区块为黄色、红色或黑色。超声波阵元111的数量不限，例如为M个(M为64～256)，当侦测到各个超声波阵元111的衰退程度还在可补偿的范围内，以使用者介面126显示此些超声波阵元111的损坏程度。当侦测到各个超声波阵元111的衰退程度超过可补偿的范围时，以使用者介面126显示此些超声波阵元111无法使用或失效。

因此，使用者可根据显示的侦测结果，来判断是否继续使用或更换超声波探头110。

上述实施例所揭露的超声波探头性能侦测及补偿装置与方法，可侦测到各个超声波阵元接收的扫描讯号是否衰退，并可补偿讯号值，因此在不需更换探头的情况下，仍能继续使用超声波探头，以节省成本。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种超声波探头性能侦测及补偿装置，其特征在于该装置包括：

超声波接收器，用以接收由超声波探头发送的超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号，该超声波探头包含复数个超声波阵元，该组扫描讯号对应该复数个超声波阵元；

类比-数位转换器，用以接收该组扫描讯号，并转换成数位形式的超声波扫描资讯；

时间差补偿电路，根据该超声波发送时的时间差补偿该数位形式的超声波扫描资讯，以得到扫描线上不同位置的超声波扫描资讯；

比对电路，连接该时间差补偿电路，用以比对该扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值；

侦测电路，连接该比对电路，用以判断该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的扫描讯号；以及

使用者介面，连接该侦测电路，其中当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度在该可补偿的范围内时，以该使用者介面显示该复数个超声波阵元的损坏程度，而当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度超过该可补偿的范围时，以该使用者介面显示该复数个超声波阵元无法使用或失效。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于该侦测电路包括均值补偿单元，用以接收该受损的扫描讯号的相邻两侧未受损的至少两个扫描讯号，并以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于其中该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，该侦测电路以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于该侦测电路包括线性回归补偿单元，用以计算该组扫描讯号的回归函数中对应于该受损的扫描讯号的回归值，并以该回归值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于其中该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，该侦测电路以该受损的扫描讯号的回归值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于其中该侦测电路包括增益补偿单元，用以放大该受损的扫描讯号的增益值，以补偿该受损的扫描讯号的讯号值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于其中该受损的扫描讯号的衰退程度高于出厂性能测试的70％以上时，该侦测电路以放大该受损的扫描讯号的增益值的方式，放大该受损的扫描讯号的讯号值。

8.一种超声波探头性能侦测及补偿方法，其特征在于该方法包括：

接收由超声波探头发送的超声波的回波讯号，以得到一组扫描讯号，该超声波探头包含复数个超声波阵元，该组扫描讯号对应该复数个超声波阵元；

根据该超声波发送时的时间差补偿该组扫描讯号，以得到扫描线上不同位置的超声波扫描资讯；

比对该扫描线上不同位置的超声波扫描资讯是否符合出厂性能测试值；以及

判断该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度是否在可补偿的范围内，若是，则进入补偿模式，以补偿受损的扫描讯号；

当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度在该可补偿的范围内时，还包括以使用者介面显示该复数个超声波阵元的损坏范围，而当该超声波探头中各个超声波阵元的衰退程度超过该可补偿的范围时，还包括以该使用者介面显示该复数个超声波阵元无法使用或失效。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于该进入该补偿模式包括接收该受损的扫描讯号的相邻两侧未受损的至少两个扫描讯号，并以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，以该至少两个未受损的扫描讯号的平均值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于该进入该补偿模式包括计算该组扫描讯号的回归函数中对应于该受损的扫描讯号的回归值，并以该回归值作为该受损的扫描讯号的讯号值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于该受损的扫描讯号的衰退程度低于出厂测试性能的70％以下时，以该受损的扫描讯号的回归值取代该受损的扫描讯号的讯号值。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于该进入该补偿模式包括放大该受损的扫描讯号的增益值，以补偿该受损的扫描讯号的强度。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于该受损的扫描讯号的衰退程度高于出厂性能测试的70％以上时，该侦测电路以放大该受损的扫描讯号的增益值的方式，放大该受损的扫描讯号的讯号值。