CN1184473C - 数字式超声波探伤仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式超声波探伤仪，涉及无损检测中的超声波探伤技术，尤其涉及一种超声波探伤仪的数字采样技术。为了克服现有的顺序采样法和峰值保持采样法存在的不能保证水平时间精度的缺点，而提出的时间小数采样法是在峰值保持采样法的基础之上，通过加上另外一个存储器，将一定时间间隔内的峰值所对应的时间存储下来。数字式超声波探伤仪由超声探头(7)、模拟电路(8)、采样电路(9)、数字电路(10)组成并依次电连接；由于仪器的时间精度与探伤测量的范围无关，本发明不仅能有效地应用于数字式超声波探伤仪中，而且还能广泛、有效地应用于其他与时间测量有关的数字式仪器中。

Description

数字式超声波探伤仪

技术领域

本发明涉及无损检测中的超声波探伤技术，尤其涉及一种超声波探伤仪的数字采样技术。

背景技术

电子计算机的高速发展，使得社会的各个领域出现了翻天覆地的巨大变化。广泛应用于国民经济各个部门的各类仪器逐步走向数字化、智能化，正是这种变化的典型体现。智能仪器，在原来模拟仪器的基础上，采用了最新的计算机、高速数字信号处理等技术，具有新的、前所未有的“智能化”特征：操作更简便；处理过程自动化，很少、甚至不需人工干涉；能输出各种用户可定制的报表等。

智能仪器处理的是数字信号，不能直接对来自自然界中的信号进行处理。自然界中存在的大部分信号是非电的信号，必须通过各种专用的传感器(比如温度传感器、压力传感器、超声波探头等)将其转换成电的信号。这些信号都是连续的模拟信号，智能仪器也还不能处理。必须通过后续的采样过程将其转换成数字信号，才可以处理。因而在智能仪器中，特别是与测量有关的智能仪器(比如数字式超声波探伤仪、数字示波器等等)中，采样处于一种举足轻重的地位，直接关系到所获取数字信号的“精度”。此精度指的是所获取的数字信号的失真程度：是否如实地反映了原来的模拟信号，是否加入了原来模拟信号中并不存在的成分(比如转换噪声等)。

采样精度，通常包括采样信号的垂直(幅度)精度和水平(时间)精度。垂直精度与ADC(Analog Digital Converter，模拟数字转换器，一种将模拟信号转换成数字信号的转换装置。)的位数有关，与之成正比，位数越高，精度越高。水平精度取决于ADC转换速度以及采样方法，与转换速度成正比，采用不同的采样方法将导致不同的水平精度。除非特别提及，本文中的采样精度指的是水平(时间)精度。

目前广泛使用的采样方法主要是：“顺序采样法”和“峰值保持采样法”。顺序采样法技术简单，容易实现。将ADC转换后的数据按一定的时间间隔存储下来，这些数据是采样时间间隔边界处的幅度值。极有可能将原始信号的峰值丢失，造成极大采样失真。也不能保证时间精度。峰值保持采样法仍旧按一定的采样时间间隔对转换后的数据进行存储。不过，存储的不是采样时间间隔边界处的数据，而是通过使用一个峰值比较器，将一定的时间间隔之间的峰值存储下来。使用这种方法可以很好地将原始信号的峰值保存下来，但缺陷是并不知道该峰值所对应的时间间隔内的时间，采样信号的时间精度仍不能保证。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有的顺序采样法和峰值保持采样法存在的缺点和不足，而提出一种数字式超声波探伤仪。时间小数采样法，不但能够极好地将原始信号的峰值保存下来，而且能够获得极好的时间精度。

本发明的目的是这样实现的。

1、时间小数采样法

该方法是在峰值保持采样法的基础之上通过加上另一个存储器，将一定时间间隔内的峰值所对应的时间存储下来。

2、数字式超声波探伤仪

由超声探头7、模拟电路8、采样电路9、数字电路10组成并依次电连接；又数字电路10分别与波形显示器11、制作报表12、打印机13电连接；

采样电路9由峰值保持器A、分频器B、峰值对应时间记录器C、峰值比较器D、幅度存储器a、时间存储器c组成，其连接关系是峰值保持器A与幅度存储器a相电连接；分频器B分别与峰值比较器D和峰值对应时间记录器C相电连接；峰值对应时间记录器C与时间存储器c相电连接；峰值比较器D分别与峰值比较器A和峰值对应时间记录器C相电连接。

本发明具有以下优点和积极效果：

本发明时间小数采样法用于数字式超声波探伤仪中，可以获得极好的探伤测量效果。使得仪器的时间精度与探伤测量的范围无关，无论探伤距离的远近，均可以获得一致的、均匀的时间精度。从而为仪器探伤结果的高可靠性、高可信性提供坚实的技术保障。使用一般的顺序采样法和峰值保持法的仪器，将出现时间误差与测量范围成正比(测量范围越远，时间误差越大)，不能精确测量距离，因而不能精确确定缺陷的位置。本方法还可以用于与时间测量有关的数字式仪器比如数字式示波器中，对于时间的精确测量提供了一种很好的解决方案，具有很大的实用价值。

附图说明

图1为智能仪器一般组成原理框图，其中：

1-传感器，    2-ADC(模数转换器)，    3-数字信号处理器，

4-记录输出(包括屏幕显示、制作和打印报表等)，5-DAC(数模转换器)，

6-控制输出。

图2为数字式超声波探伤仪的一般组成原理图，其中：

7-超声波探头，    8-模拟电路(发射与接收)，  9-采样电路(包含ADC)，

10-数字电路(数字电路处理)，11-波形显示器，12-制作报表，13-打印机。

图3为顺序采样法的波形图。

图4为峰值保持采样法的波形图。

图5为时间小数采样法的波形图，其中：

横轴为时间轴，单位为毫微妙(ns)；

纵轴为采样数值(对于八位ADC而言，范围为：0-255)。

图6为采样电路9的组成框图，其中：

A-峰值保持器，    B-分频器，        C-峰值对应时间记录器，

D-峰值比较器，    a-幅度存储器，    c-时间存储器。

图7为采样电路9的实施例电原理图，

图7(A)为分频器B和峰值比较器D部分；

图7(B)为峰值保持器A和峰值对应时间记录器C部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

由图1可知，一般的智能仪器都是由传感器1、ADC2、数字信号处理器3、记录输出4、DAC5、控制输出6组成。

智能仪器处理的原始信号来自于自然界。它们各式各样、变化多端。这些信号大多是非电的信号，必须通过各种各样的传感器将其转换成电的信号。光是转换成电的信号(连续的模拟信号)，智能仪器还不能处理，还必须用ADC将它们转换成离散的数字信号才行。

由图2可知，一般的数字式超声波探伤仪，由超声波探头7、模拟电路8、采样电路9、数字电路10组成并依次电连接；又数字电路10分别与波形显示器11、制作报表12、打印机13相电连接。

从图2可以看出，数字式超声波探伤仪所能处理的数字信号是由三个环节生成的，一个是探头传感器7，另一个是用于超声波的发射和接收的模拟电路8，再一个就是采样电路9。采样电路9是由模拟信号变成数字信号的桥梁，其作用举足轻重。采样电路的优劣，直接关系到生成数字信号的失真程度，是后续数字信号处理的基础。采样电路9的基本实现器件是ADC。

ADC有两个重要的指标：位数和速度。ADC的位数决定了采样的垂直(幅度)精度，位数越高，采样的量化误差越小。采样的最大量化误差等于±1/2LSB(LeastSignificant Bit，最底有效位。在这里指的是相邻两个量化级别之间的差距。)比如对于8位的ADC，其最大量化误差为±0.5/256。ADC的速度决定了采样的水平(时间)精度，速度越快，采样的时间间隔就越小，水平(时间)误差也就越小。比如速度为50MHz的ADC器件，其最小采样时间间隔为20ns。

理论上来说，ADC的位数越高、速度越快，采样的效果越好。但由于受到半导体工艺的限制，ADC的位数和速度不可能达到很高。实际上对于超声波信号而言，8位的、100MHz的ADC就可以满足要求。

对于从ADC转换得来的采样数据，由于受到仪器的存储器存储容量的限制，不可能全部存储下来，也没有必要这样做。为了满足长时间采样的需求，必须对采样的原始数据进行取舍，对这些数据的取舍的不同，实际上就构成了不同的采样方法。

目前广泛使用的采样方法有两种：顺序采样法和峰值保持法。

①顺序采样法

顺序采样法是以一定的时间间隔，将间隔分界处的采样数值存储下来。如图3所示，在图3中分别用t<I>和x<I>来表示该时间间隔的峰值和实际采样值(I表示时间间隔数)。这个一定的时间间隔是由分频器的分频系数决定的。假设现在分频系数为5，ADC的采样频率为50MHz，则这个时间间隔为：

5×1/50MHz＝5×20ns＝100ns

由于顺序采样法实际采样速度比较低，存储的又仅仅是间隔分界处的采样值，所以极有可能将一定时间间隔内的峰值丢失，造成采样数据和实际原始数据出现极大的失真。这种方法既不能保证采样的垂直(幅度)精度，更谈不上水平(时间)精度。所以，仅可用于对采样精度要求不高的场合。

②峰值保持采样法

峰值保持采样法是在顺序采样法的基础上改进而来的。具体地说，保持采样法也是以一定的时间间隔，不过存储的不再是时间间隔边界处的采样数值，而是通过引入一个极大值比较器，将一定时间间隔的峰值存储下来。如图4所示。在图4中分别用t<I>和x<I>来表示该时间间隔的峰值和实际采样值(I表示时间间隔数)。显然t<I>和x<I>是重合的。这种方法很好地解决了采样的垂直(幅度)精度，但水平时间的误差相当大，不能记录该峰值所对应的具体时间。比如，这种方法可以将200-250ns时间间隔内的峰值(t5或x5)存储下来，但不能确定该峰值所对应的具体时间，只能将时间间隔分界处的时间值作为其对应的时间。但无论用200ns当成其对应的时间，还是用250ns当成其对应时间，都将会出现极大的误差。所以，采样的水平时间精度还是不能保证。在这种情况之下，提出了本发明的时间小数采样法，能很好地解决水平(时间)误差的问题。

③时间小数采样法

时间小数采样法是在峰值保持采样法中的幅度存储器基础之上，又加上了一个时间存储器，用于存储在一定时间间隔内峰值所对应的具体的时间参数，如图5所示。

图5中，ADC的采样频率为100MHz，分频器的分频参数为5，因而固定时间间隔为50ns。比如在50-100ns的时间间隔内，幅度极大值比较器使得能将峰值y2存储下来，同时将y2采样点所对应的时间值x2存储下来。假设固定时间间隔为50ns，则分频器初始化参数为FBh，分频器记录到FFh表示时间间隔结束。从图5可看出，x2处的分频值为FEh。表明峰值y2是在50ns中第4(FEh-FBh+1)个10ns处获得。从而可以获知y2的具体的准确的时间参数。

从图5还可以看出，真正的峰值和实际采样的峰值有一定的差距。这是受ADC本身的速度所限制的。比如ADC的采样速度为100MHz，其采样的最小时间间隔为10ns，那么该ADC对于10ns之内的峰值不能分辨，只能采样10ns边界处的值。提高ADC的采样速度可以使得这种峰值采样的误差减小。实际上，对于超声波而言，10ns的采样精度是非常高的。根据位移公式：

S＝V×t

-S表示位移，在超声波探伤仪中表示声程

-V表示速度，在超声波探伤仪中表示声速，钢纵波中为5940m/s

-t表示时间，这里指的是ADC的最小采样时间10ns

可以计算得到：

S＝5940m/s×10ns＝0.005940mm/ns＝0.00594mm

这个采样时间精度实际上已经可以满足实际探伤要求。

如图6所示，组成本发明时间小数采样法的采样电路9由峰值保持器A、分频器B、峰值对应时间记录器C、峰值比较器D、幅度存储器a、时间存储器c等部件组成，其连接关系是峰值保持器A与幅度存储器a相电连接；分频器B分别与峰值比较器D和峰值对应时间记录器C相电连接；峰值对应时间记录器C与时间存储器c相电连接；峰值比较器D分别与峰值比较器A和峰值对应时间记录器C相电连接。

当对采样后的数字信号进行处理时，同时将幅度存储器a和时间存储器C的数值读取出来，一个用于确定峰值，另一个用于确定峰值所对应的具体的时间参数。

图7为采样电路9的实施例电原理图。其中：

A：峰值保持器。通过一个八位带时钟使能的D触发器来实现。当采样数据比峰值保持器A中的数据大时，峰值保持器A中的数据更新为采样数据；否则，峰值保持器A中的数据保持不变。

B：分频器。由一个八位计数器(B1)和一个反向器(B2)组成并相互电连接。产生一定时间间隔。

C：峰值对应时间记录器。通过一个八位带时钟使能的D触发器来实现。当采样数据比峰值保持器A中的数据大时，峰值对应时间记录器C中的数据更新为分频器B的分频输出；否则峰值对应时间记录器C中的数据保持不变。

D：峰值比较器。由一个八位大于比较器D1、一个两输入与门D2、一个两输入或门D3组成，并依次电连接。产生采样数据和峰值保持器A中的数据大于比较输出。

Claims (2)

1、一种数字式超声波探伤仪，由超声探头(7)、模拟电路(8)、采样电路(9)、数字电路(10)组成并依次电连接；又数字电路(10)分别与波形显示器(11)、制作报表(12)、打印机(13)电连接；

其特征在于：采样电路(9)由峰值保持器(A)、分频器(B)、峰值对应时间记录器(C)、峰值比较器(D)、幅度存储器(a)、时间存储器(c)组成，其连接关系是峰值保持器(A)与幅度存储器(a)相电连接；分频器(B)分别与峰值比较器(D)和峰值对应时间记录器(C)相电连接；峰值对应时间记录器(C)与时间存储器(c)相电连接；峰值比较器(D)分别与峰值比较器(A)和峰值对应时间记录器(C)相电连接。

2、按权利要求1所述的一种数字式超声波探伤仪，其特征在于：峰值比较器(D)，由一个八位大于比较器(D1)、一个两输入与门(D2)、一个两输入或门(D3)组成，并依次电连接；分频器(B)由一个八位计数器(B1)和一个反向器(B2)组成并相互电连接；峰值对应时间记录器(C)和峰值保持器(A)，均由一个八位带时钟使能的D触发器组成。

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