CN110531344B - 超声多通道相控阵检测自动谐振和定向接收专用集成电路 - Google Patents

超声多通道相控阵检测自动谐振和定向接收专用集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于钢材超声多通道相控阵检测自动谐振调节和定向接收的专用调整芯片电路，包括多个通道，每个通道包括谐振模块和独立增益放大器。其中：每个通道的谐振模块通过其谐振控制输入端进行独立控制，每个通道的谐振模块的谐振参数通过软件扫描自动调节，使每个通道的谐振模块处于最佳谐振工作状态；每个通道的独立增益放大器通过其增益控制输入端进行独立控制，每个通道的独立增益放大器的增益参数基于该通道的增益值与各通道的平均增益值之间的差值进行修正。本发明电路具有自动调节谐振参数以及增益偏差调整的优点，使每个超声通道的单元能够处于最佳工作状态，实现灵敏度最高，增益最稳定。

Description

超声多通道相控阵检测自动谐振和定向接收专用集成电路
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，更具体地指一种超声多通道相控阵自动谐振及定向接收专用集成电路。
背景技术
超声检测是检测材料内部缺陷的一种重要的探伤技术。它的成本低、使用方便、无损、安全。在钢铁产品生产过程中，超声探伤是一种重要的内部质量检测技术，不仅应用于离线检测，也应用于在线检测，既适用板材、棒材、管材等规则对象，也适用于焊缝等不规则对象。超声检测仪器种类繁多，应用广泛的，包括A型显示屏、脉冲反射式、单通道便携式、在线自动检测设备。
检测复杂对象的超声设备，特别是在线自动检测设备中，经常采用多探头阵列、相控阵技术。多通道与相控阵技术是超声探伤技术的重要分支，也是未来技术发展方向，能够大幅度提高超声检测的方向灵活性与分辨率、信噪比与距离分辨率，大幅度提升缺陷检测效果。
相控阵超声检测涉及多通道超声单元，通道数量非常多。由不同超声单元产生、接收的超声波有一定的时序差异。信号接收电路需要对超声单元接收的信号进行阻抗匹配、放大、滤波和AD转换，最终得到数字化的超声信号，如图1和图2所示。
传统的信号处理技术对于各个单元互相之间完全硬件锁定，采用完全相同参数模拟信号前端处理电路。依靠软件和算法计算缺陷所在位置。使用现有技术，如通道数比较多，在操作系统前每个通道使用传统人工调整的做法，耗费的时间很多，系统不易处于最佳状态。
对于相控阵超声的定向接收检测，来自同一缺陷的超声回波，到达相控阵列的各个超声晶元，走过的路径长度不同、传播的时间不同、衰减程度不同。如果被测对象的声波阻抗很大，各个晶元之间的衰减就非常大了，需要进行增益补偿，再进行相位处理。由于传统的超声检测前端处理芯片的各个通道采用相同的增益参数，所以只能在A/D采集之后，采用数字信号处理的方法对采集到的信号进行数字放大。现有技术的数字噪声非常大，不能完全发挥探头的检测特性。比如，芯片制造商AD公司、TI公司的超声检测处理芯片，其各个通道之间的控制通道是公用的，各个通道的增益参数完全相同，如图1所示。现有技术无法实现最佳的超声定向接收功能。
由于超声在线探伤工作，由于超声探头损坏，需要经常更换，或者由于长时间工作，性能发生改变，因此需要对每个通道进行工作点调整。如果通道数比较多，传统人工调整的做法耗时多，且系统不易处于最佳状态。
对于钢铁等声阻抗比较大的材料的超声相控阵在线探伤检测技术而言，为提高检测的分辨率，不得不提高超声检测的工作频率，而高频超声信号会造成单位距离上的衰减非常大。现有技术在钢铁超声检测中有时严重影响接收效果。
因此需要增加特定的电路单元对现有技术的超声信号进行补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的相控阵超声多通道检测信号前端处理芯片技术。该芯片技术具有定向接收优化、通道特性自动匹配的功能。它在传统超声检测芯片具有的联合增益控制的基础上，每个通道增加可以对每个通道的增益参数分别进行独立控制的增益模块。既可以单独控制增益，也可以进行快速的联合控制。该专用芯片的增益控制的输入端，采用多路输入形式，对每个通道的增益进行控制。必要时可以取消联合增益控制端，减少系统的复杂性，降低成本。
本发明专利申请的芯片技术的自动匹配功能，可以配合软件扫描，自动调节谐振参数，使每个超声通道的单元能够处于最佳工作状态，实现灵敏度最高，增益最稳定。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于钢材超声多通道相控阵检测自动谐振调节和定向接收的专用调整芯片电路，包括多个通道，每个通道包括谐振模块和独立增益放大器。其中：每个通道的谐振模块通过其谐振控制输入端进行独立控制，每个通道的谐振模块的谐振参数通过软件扫描自动调节，使每个通道的谐振模块处于最佳谐振工作状态；每个通道的独立增益放大器通过其增益控制输入端进行独立控制，每个通道的独立增益放大器的增益参数基于该通道的增益值与各通道的平均增益值之间的差值进行修正。
谐振电路利用自动谐振算法确定各晶元的最佳谐振点，并将各晶元设定到最佳谐振点。
每个通道的谐振模块的谐振参数通过超声模拟前端芯片内的谐振电容而设定。
在软件扫描过程中，所述电路取最大值作为晶元的最佳谐振参数。
所述电路确定各个晶元在最佳谐振状态下的增益，计算一晶元的增益与各个晶元的平均增益之间的差值，作为该晶元的增益修正值。
所述独立增益放大器通过其增益控制输入端定向接收增益修正值。
本发明还提供一种用于钢材超声多通道相控阵检测自动谐振调节和定向接收的集成专用芯片电路，该电路包括多个通道，每个所述通道包括：带通滤波器、与所述带通滤波器耦合的高速A/D转换器、以及与所述高速A/D转换器耦合的高速接口，所述带通滤波器、高速A/D转换器和高速接口对从超声单元接收的信号进行滤波、A/D转换并输出。该电路还包括上述的自动谐振调节和定向接收专用调整芯片电路。
该集成专用芯片电路的每个通道还包括联合增益放大器；每个所述联合增益放大器以联合增益控制方式对其增益进行控制并以联合增益对接收的信号进行放大，每个通道的所述联合增益放大器耦合在该通道的所述独立增益放大器与所述带通滤波器之间。
本发明的电路具有自动调节谐振参数以及增益偏差调整的优点，使每个超声通道的单元能够处于最佳工作状态，实现灵敏度最高，增益最稳定。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是现有技术的通用钢材超声专用检测芯片的方框图；
图2是超声相控阵定向接收原理图；
图3是根据本发明的用于钢材超声多通道相控阵检测的集成专用芯片的方框图；
图4是图3中的钢材超声检测的专用调整芯片部分的方框图；
图5是自动谐振电路的原理图；
图6是根据本发明的自动谐振过程的工作流程。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体说明。
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图1示出现有技术的通用钢材超声专用检测芯片的方框图。如图1所示，该钢材超声专用检测芯片包括多个通道，每个通道包括：联合增益放大器；与联合增益放大器耦合的带通滤波器；与带通滤波器耦合的高速A/D转换器；以及与高速A/D转换器耦合的高速接口。联合增益放大器、带通滤波器、高速A/D转换器和高速接口对超声单元接收的信号进行放大、滤波、A/D转换并输出。以联合增益控制方式对每个联合增益放大器进行增益控制。
图2是超声相控阵定向接收的原理图。
当钢铁超声探伤频率比较高、钢材晶粒粗大、探头尺寸比较大时，超声信号衰减非常严重。来自缺陷F的超声波散射信号通过介质和传声层到达探头的各个晶元C0～CN的距离为d0～dN。如图2所示，各距离之间有一定差别。如果到达第1个晶元的信号强度适中，那么到达最后一个晶元的信号强度通常就非常微弱，近乎噪声，无法起到相位计算的目的。传统超声检测芯片的多通道增益采用联合增益控制方法控制，因此无法补偿各个通道的超声路径长度不同所造成的衰减程度不一的问题。
图3是根据本发明的用于钢材超声多通道相控阵检测的集成专用芯片的方框图。
图4是图3中的钢材超声检测的专用调整芯片部分的方框图。
与图1所示的现有通用钢材超声专用检测芯片相比，本发明的超声多通道相控阵自动谐振调节和定向接收的集成专用芯片电路的每个通道还包括谐振模块和独立增益放大器。每个通道的谐振模块和独立增益放大器通过通道分配控制对各谐振模块的谐振设定和各独立增益放大器的增益设置进行独立控制。每个谐振模块接收谐振设定信号，自动调节其谐振参数，每个独立增益放大器接收增益设定信号，对其增益参数分别进行独立控制。
图5是自动谐振电路原理图。
使用本发明集成专用芯片电路的钢材超声多通道相控阵检测的基本工作原理如下：
多通道最优自动谐振
超声多通道探头包含多个晶元。由于加工制造等方面的原因，每个晶元的等效电容等关键参数有一定的偏差，由此影响到接收信号强度的一致性。通过本发明的芯片技术的谐振单元，利用自动谐振算法，可以寻找到各个晶元的最佳谐振点。在实际探伤工作中，将各晶元直接设定到最佳谐振点。如图3和4所示。
由于离散性，各个晶元在最佳谐振点的增益也有一定的区别。通过本发明的芯片技术的独立增益放大器单元，将每个晶元的增益值与平均增益值的差作为修正值，在实际使用时，使各个晶元的实际增益相同。这有助于超声回波信号的分析、计算。
图6是根据本发明的自动谐振过程的工作流程，具体步骤如下：
1.1首先将超声探伤仪处于工作状态，并将标准试块放置在探头前方的工作位置上，使每个晶元的工作状态相同。
1.2从第1个晶元开始，对各个晶元逐个进行最佳谐振点检测。
1.3对选定的晶元M，对于超声模拟前端芯片内的谐振电容CXM，从0开始设定谐振参数Cx，逐步递增。
1.4在每个谐振参数下，触发晶元输出超声脉冲，接收超声回波，计算该谐振参数下的增益数值。在该晶元M的全部扫描过程中，取最大值作为该晶元的最佳谐振参数。并记录该晶元在最佳谐振状态下的增益Gm。
1.5计算该晶元的增益Gm与各个晶元的平均增益Ga之差Gma，作为该晶元增益修正值，用于消除晶元的离散性。
1.6重复1.3～1.5的操作，直到最后一个晶元。将全部晶元的谐振参数和增益偏差记录下来。
定向接收独立增益设定
当钢铁超声探伤频率比较高、钢材晶粒粗大、探头尺寸比较大时，超声信号衰减非常严重。如图2所示，来自缺陷F的超声散射信号，到达各个晶元的距离d0～dN有一定的差别，如果到达第1个晶元的信号强度比较适中，那么到达最后一个晶元的信号强度通常就非常微弱，近乎为噪声，无法起到相位计算的目的。
传统的超声检测芯片的多通道增益采用联合控制方法，因此无法补偿各个通道超声路径长度不同造成的衰减程度不一的问题。
本发明的用于钢材超声多声道相控阵检测的集成专用检测芯片的每个通道包括独立增益放大器，这些独立增益放大器通过其增益控制输入端接收各自的增益设定进行独立控制。基于通道的增益值与各通道的平均增益值之间的差值对每个通道的独立增益放大器的增益参数进行修正。由此可以解决现有技术无法补偿各个通道超声路径长度不同造成的衰减程度不一的问题。
在工业化钢材超声在线智能探伤仪开发及应用的国家重点项目中，钢材超声在线探伤系统的主要环节之一是多通道超声前端处理AFE集成电路。对多通道高速回波信号的本底噪声的抑制。针对钢铁多通道超声应用特点，本发明的集成专用检测芯片集成了自动谐振、通道独立增益定向控制、数字时间增益控制(TGC)、带通滤波电路、模数转换器(ADC)等，大幅提高采集模块和系统集成度，提高可靠性。多通道超声激发控制电路按照相控阵时序，调整各个通道的激发脉宽与波形，产生与换能器实际中心频率对应的激发脉冲，提高激发信号质量。集成模拟前端专用芯片，提高了检测的灵敏度、空间分辨率，改善系统工作状态，提高集成度。
本发明的集成专用检测芯片针对定向接收进行优化，在原超声模拟前端芯片的基础上，每个通道增加可以对其增益参数分别进行独立控制的增益模块，如图3所示。既可以单独控制增益，也可以进行快速的联合控制。在专用超声模拟前端芯片的增益控制输入端，采用多路输入形式，对每个通道的增益进行控制。为了减少系统的复杂性，降低成本，该集成专用检测芯片可取消原芯片中的联合增益控制端。
本发明的集成专用检测芯片具有自动匹配功能，可以配合软件扫描，自动调节谐振参数，使每个超声通道的单元能够处于最佳工作状态，实现灵敏度最高，增益最稳定。
本发明的集成专用检测芯片可应用于宝钢股份/宝武集团在特钢、钢管、条钢、厚板、烟台钢管、八一钢厂、宁波钢厂等生产单元的超声检测装备中，替换逐渐老旧的进口装备，将其升级为国产高性能装备。
本发明的超声多通道相控阵定向接收专用集成电路较好地解决了在特殊环境下多年来一直困扰钢铁超声生产检测技术人员难以检测钢材内部质量的难题。通过自动调整阻抗匹配元件参数，实现最优接收阻抗匹配，使系统处于最佳信噪比，大幅提高系统适应性。同时搭配申请人拥有完全自主知识产权的信号采集芯片，可实现钢材超声探伤仪核心电路元件完全国产化。
最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种用于钢材超声多通道相控阵检测自动谐振调节和定向接收的专用调整芯片电路，其特征在于，所述电路包括多个通道，每个通道包括谐振模块和独立增益放大器，其中：
每个通道的谐振模块通过其谐振控制输入端进行独立控制，每个通道的谐振模块的谐振参数通过软件扫描自动调节，使每个通道的谐振模块处于最佳谐振工作状态；
每个通道的独立增益放大器通过其增益控制输入端进行独立控制，每个通道的独立增益放大器的增益参数基于该通道的增益值与各通道的平均增益值之间的差值进行修正，由此解决无法补偿各个通道超声路径长度不同造成的衰减程度不一的问题，
所述电路确定超声多通道探头的各个晶元在最佳谐振状态下的增益，计算一晶元的增益与各个晶元的平均增益之间的差值，作为该晶元的增益修正值。
2.如权利要求1所述的专用调整芯片电路，其特征在于：谐振电路利用自动谐振算法确定各晶元的最佳谐振点，并将各晶元设定到最佳谐振点。
3.如权利要求1所述的专用调整芯片电路，其特征在于：每个通道的谐振模块的谐振参数通过模拟前端芯片内的谐振电容而设定。
4.如权利要求1所述的专用调整芯片电路，其特征在于：在软件扫描过程中，所述电路取最大值作为晶元的最佳谐振参数。
5.如权利要求1所述的专用调整芯片电路，其特征在于：所述独立增益放大器通过其增益控制输入端定向接收增益修正值。
6.一种用于钢材超声多通道相控阵检测自动谐振调节和定向接收的集成专用芯片电路，所述电路包括多个通道，每个所述通道包括：
带通滤波器；
与所述带通滤波器耦合的高速A/D转换器；以及
与所述高速A/D转换器耦合的高速接口，
所述带通滤波器、高速A/D转换器和高速接口对从超声单元接收的信号进行滤波、A/D转换并输出，
其特征在于，所述电路还包括如权利要求1－5之一所述的自动谐振调节和定向接收专用调整芯片电路。
7.如权利要求6所述的集成专用芯片电路，其特征在于：所述集成专用芯片电路的每个通道还包括联合增益放大器；每个所述联合增益放大器以联合增益控制方式对其增益进行控制并以联合增益对接收的信号进行放大，
每个通道的所述联合增益放大器耦合在该通道的所述独立增益放大器与所述带通滤波器之间。
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