CN203824967U - 一种数字式超声波探伤信号采集处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，包括前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路、模数转换模块、数字信号处理芯片、主控芯片、芯片间传输模块；前置可变增益放大器模块与时间增益补偿电路相连；时间增益补偿电路与模数转换模块相连；模数转换模块与数字信号处理芯片相连；数字信号处理芯片通过芯片间通信模块与主控芯片相连，还分别与前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路相连；主控芯片与外部上位机相连，用以将上位机的初始化命令传输至数字信号处理芯片，将数字信号处理芯片处理后的超声波回波信号传输至上位机进行实时显示。本实用新型操作简单方便、高度集成化、体积小容易组装携带。

Description

一种数字式超声波探伤信号采集处理装置

技术领域

本实用新型涉及一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，属于超声波探伤以及无损检测技术领域。

背景技术

随着现代无损检测技术的提高，超声探伤技术是无损检测技术的一个重要分支。超声波在不同性质的介质中传播时将发生反射、折射和复杂的波型转换，使得超声波能量被吸收和散射，而被测材料的不连续性或不均匀性信息就己隐藏在超声信号中，检测并分析反射信号或透射信号即可实现对缺陷的检测。与其它常规无损检测技术相比，超声探伤技术具有探测对象范围广、灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低、缺陷定位准确和对人体无害等一系列优点，自引入铁道机车车辆检测领域以来，超声探伤技术一直是检测机车车辆零部件的重要手段，目前，还在大型锅炉，发动机组，输油气管道，铁路，桥梁，航空航天等国民经济的各个工业部门都得到了广泛的应用，并成为保证工程质量，确保设备安全的一种重要手段，在未来的无损检测领域中占有极其重要的地位。

超声波探伤系统按所处理的信号不同一般可分为模拟式，数字式两大类，模拟式探伤仪具有技术成熟，价格低，结构简单，便于维修等优点，但是由于模拟式探伤仪不具备对检测信号记录和信息处理功能现场检测时需要依赖操作人员对显示屏上的超声波信号进行判断和手工记录，所以检测结果受人为因素影响很大。

因此，为了克服模拟式探伤仪的缺点，提升现有数字化探伤装置的水平，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，操作简单方便，高度集成化，体积小容易组装携带，功耗相比于同类装置大大降低，灵敏度可调并且精度及功能得到很大提升。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，包括前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路、模数转换模块、数字信号处理芯片、主控芯片、芯片间传输模块；所述时间增益补偿电路包括依次相连的数模转换芯片、轨到轨运算放大器、可调增益放大芯片；其中：

所述前置可变增益放大器模块与时间增益补偿电路相连，用以将接收并放大后的超声波回波信号传输至时间增益补偿电路；

所述时间增益补偿电路与模数转换模块相连，用以将接收并补偿后的超声波回波信号传输至模数转换模块；

所述模数转换模块与数字信号处理芯片相连，用以将接收到的超声波回波信号转换为数字信号并传输至数字信号处理芯片进行处理；

所述数字信号处理芯片通过芯片间通信模块与主控芯片相连，用以将接收并处理后的超声波回波信号传输至主控芯片；所述数字信号处理芯片还分别与前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路相连，用以向两者传输控制信号；

所述主控芯片与外部上位机相连，用以将上位机的初始化命令传输至数字信号处理芯片，将数字信号处理芯片处理后的超声波回波信号传输至上位机进行实时显示。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述前置可变增益放大器模块包括依次连接的低噪声放大器、可变增益放大器、可编程增益放大器。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述模数转换模块包括高速模数转换器、并联谐振电路，具有高速模数转换和选通频率的功能。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述数字信号处理芯片根据检测的要求，输出随时间变化的数字量，作用到时间增益补偿电路中的数模转换芯片；输出可调电压，作用到可调增益放大器模块，用以使超声波回波信号得到时间增益补偿量。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述数字信号处理芯片采用现场可编程逻辑门阵列FPGA，同时与两片片外大容量高速存储器相连。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述芯片间通信模块采用PCI桥连接芯片，用以将数字信号处理芯片处理后的超声波回波信号同步同时钟传输至主控芯片。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述主控芯片通过以太网接口与外部上位机相连。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型中设计前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路来实现前置可变时间增益放大功能，与模拟式超声波探伤装置相比，不仅解决了信号衰减的问题，而且设计出了可灵活控制放大回波信号增益倍数的电路，使缺陷在任何深度都显示出相同的幅值，该装置理论上可达的增益范围，具有测量精度高的特点，且每个通道都具有可变增益放大功能；

（2）本实用新型中设计模数转换模块来实现多通道高速并行处理功能，在经过高采样频率的高速并行接口模数转换模块进行模数转换后，利用现场可编程逻辑门阵列FPGA内部的大量门电路，可以真正意义上做到多通道数据的高速并行处理，再配合片外大容量SRAM存储器，可以做到回波信号的大量缓存，使数据处理与时钟同步，这样不仅将大大降低FPGA解码的工作频率，而且可以大大降低功耗；

（3）本实用新型操作简单方便，高度集成化，体积小容易组装携带，功耗相比于同类装置大大降低，灵敏度可调并且精度及功能得到很大提升，通过对改装置进行组装与调试，高低温测试后，可靠运行在比较恶劣的工作环境下，可实现该装置的产品化。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构框图。

图2是本实用新型的硬件电路原理框图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型设计一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，如图1所示，一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，包括前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路、模数转换模块、数字信号处理芯片、主控芯片、芯片间传输模块；所述前置可变增益放大器模块与时间增益补偿电路；所述时间增益补偿电路与模数转换模块相连；所述模数转换模块与数字信号处理芯片相连；所述数字信号处理芯片通过芯片间通信模块与主控芯片相连，还分别与前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路相连；所述主控芯片与外部上位机相连，用以将上位机的初始化命令传输至数字信号处理芯片，将数字信号处理芯片处理后的超声波回波信号传输至上位机进行实时显示。

进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式，如图2所示，所述时间增益补偿电路包括依次相连的数模转换芯片、轨到轨运算放大器、可调增益放大芯片；所述模数转换模块包括高速模数转换器、并联谐振电路，具有高速模数转换和选通频率的功能；所述数字信号处理芯片采用现场可编程逻辑门阵列FPGA，同时与两片片外大容量高速存储器相连；所述芯片间通信模块采用PCI桥连接芯片；所述主控芯片通过以太网接口与外部上位机相连。

本实用新型一种数字式超声波探伤信号采集处理装置的工作流程如下：

上位机启动后，通过以太网接口发出初始化命令；主控芯片进行初始化，同时向FPGA传输初始化命令，进而完整整个装置的初始化。初始化完成后，上位机根据实际检测需求，设置采集参数，同时发出采集命令。

数字信号处理芯片根据上位机设置的采集参数，输出随时间变化的数字量，作用到时间增益补偿电路中的数模转换芯片，由数模转换芯片经轨到轨运算放大器输出一定大小的可调电压至可调增益放大芯片；数字信号处理芯片输出一定大小的可调电压，作用到可调增益放大器模块的输入端。前置可变增益放大器模块由低噪声放大器 (LNA)、可变增益放大器 (VCA)、可编程增益放大器 (PGA)组成，三者共同作用，对采集到的超声波回波信号进行放大处理，以达到后级电路处理的要求。时间增益补偿电路由数模转换芯片、轨到轨运算放大器、可调增益放大芯片组成。时间增益补偿电路与可调增益放大模块共同完成对超声波回波信号的时间增益补偿，使处于不同深度处同样大小的缺陷，其回波幅度在坐标系上具有大致相同的回波幅度，这样就会使远场区的回波信号与近场区的回波信号幅值基本相同，不会因为远场区的距离远，信号强度衰减大，而没有判断到深度的缺陷，产生误判、漏判。

模数转换模块对放大补偿后的超声波回波信号进行高速模数转换，产生后级需要处理的数字信号量。模数转换模块的差分输入端与时间增益补偿电路的可调增益放大芯片的差分输出端相连。在差分输入时的LC并联谐振电路，根据电路的选频特性与谐振频率计算公式，选择适当大小的电感电容值后，可以选择出需要的信号，再经过模数转换模块的高频率采样后，由14位并行输出口同时传输到现场可编程逻辑门阵列FPGA。

现场可编程逻辑门阵列FPGA对接收到的超声波回波信号进行处理，首先将14位并行数据传输至片内寄存器中缓存；然后，将数据写入片外大容量高速存储器SRAM1中，存储完成后，SRAM1进入写结束状态，此时切换至片外大容量高速存储器SRAM2；其次，SRAM2用以存储超声波回波信号数据处理后的结果，此时同步SRAM1处于可读状态，由FPGA里的控制逻辑控制，将SRAM1中的数据传输到FPGA内部的二级缓存器中进行信号数据处理，包括数字检波、非均匀数字压缩、FIR滤波，依次完成的过程中采用乒乓机制将结果通知数据缓存；最后，将FPGA处理后超声波回波信号传输至PCI桥连芯片。

PCI桥连芯片利用DMA与中断方式接收超声波回波信号，并且同步传输至主控芯片。主控芯片利用片上操作系统的多任务性、实时性等特点对超声波回波信号进行再处理后，通过以太网接口传输至上位机。上位机将接收到的超声波回波信号实时显示在显示器上，完成探伤功能的标准实现。

以上过程中所有的数据处理方法均为本领域的公知常识，即本实用新型中对于超声波回波信号的处理属于现有技术。如数字检波、非均匀数字压缩、FIR滤波等等，这在超声波信号处理领域中是属于常规技术手段，本实用新型的技术方案并不包括对于现有技术中处理方法的改进。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，该装置包括前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路、模数转换模块、数字信号处理芯片、主控芯片、芯片间传输模块；所述时间增益补偿电路包括依次相连的数模转换芯片、轨到轨运算放大器、可调增益放大芯片；其中：

所述前置可变增益放大器模块与时间增益补偿电路相连，用以将接收并放大后的超声波回波信号传输至时间增益补偿电路；

所述时间增益补偿电路与模数转换模块相连，用以将接收并补偿后的超声波回波信号传输至模数转换模块；

所述模数转换模块与数字信号处理芯片相连，用以将接收到的超声波回波信号转换为数字信号并传输至数字信号处理芯片进行处理；

所述数字信号处理芯片通过芯片间通信模块与主控芯片相连，用以将接收并处理后的超声波回波信号传输至主控芯片；所述数字信号处理芯片还分别与前置可变增益放大器模块、时间增益补偿电路相连，用以向两者传输控制信号；

所述主控芯片与外部上位机相连，用以将上位机的初始化命令传输至数字信号处理芯片，将数字信号处理芯片处理后的超声波回波信号传输至上位机进行实时显示。

2.根据权利要求1所述的数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，所述前置可变增益放大器模块包括依次连接的低噪声放大器、可变增益放大器、可编程增益放大器。

3.根据权利要求1所述的数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，所述A/D采集模块包括高速模数转换器、并联谐振电路，具有高速模数转换和选通频率的功能。

4.根据权利要求1所述的数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，所述数字信号处理芯片根据检测的要求，输出随时间变化的数字量，作用到时间增益补偿电路中的数模转换芯片；输出可调电压，作用到可调增益放大器模块，用以使超声波回波信号得到时间增益补偿量。

5.根据权利要求1所述的数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，所述数字信号处理芯片采用现场可编程逻辑门阵列FPGA，同时与两片片外大容量高速存储器相连。

6.根据权利要求1所述的数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，所述芯片间通信模块采用PCI桥连接芯片，用以将数字信号处理芯片处理后的超声波回波信号同步同时钟传输至主控芯片。

7.根据权利要求1所述的数字式超声波探伤信号采集处理装置，其特征在于，所述主控芯片通过以太网接口与外部上位机相连。