JP5014136B2 - 多チャネル多重化検査システムおよび方法 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は一般に、構造物を検査するための装置および方法に関し、より特定的には、構造物の非破壊検査のための多数の多重化チャネルを提供する、構造物を検査するための装置および方法に関する。

背景
構造物の非破壊検査（ＮＤＩ）は、非破壊試験（ＮＤＴ）とも呼ばれ、構造物を傷付けることなく、または構造物の大幅な分解を必要とすることなく構造物を徹底的に調べることを伴う。非破壊検査は通常、検査用部品の取外しに関連するスケジュール、作業および費用を回避し、ならびに構造物を傷付ける可能性を回避するために、好まれる。非破壊検査は、構造物の外部および／または内部の徹底的な検査が必要とされる多くの用途にとって有利である。たとえば、非破壊検査は航空機業界において、航空機構造におけるあらゆるタイプの内部または外部損傷、もしくは欠陥について航空機構造を検査するために広く利用されている。検査は、構造物の製造中に、および／または構造物が一旦使用開始されてから行なわれてもよい。たとえば、連続使用に対する構造物の完全性および適合性を検証するために、製造時および将来的な継続使用時に検査が必要とされる場合がある。しかしながら、内面へのアクセスはしばしば、航空機からの検査のための部品の取外しといった分解なしでは、より難しく、または不可能である。

非破壊試験が定期的に行なわれる構造物には、複合構造、たとえば複合サンドイッチ構造、および他の接着接合されたパネルならびにアセンブリがあり、胴体フレームおよびシアタイ（shear tie）、翼ストリンガー、床梁、水平安定板リブのフランジおよび半径区分、ならびに床支柱を含むがこれらに限定されない。この点について、複合構造は、複合構造のエンジニアリング品質、設計融通性および低重量、たとえば複合サンドイッチ構造の剛性対重量比などの理由により、航空機業界全体にわたって広く使用されている。そのため、複合構造の性能に悪影響を与え得る異物または欠陥、たとえば亀裂、空洞もしくは孔（porosity）を識別するために複合構造を検査することがしばしば望まれる。たとえば、複合外板または金属外板がコアの各側面に接着された軽量のハニカムまたはフォームコア材料からなる１つ以上の層により一般に作られた複合サンドイッチ構造における典型的な欠陥は、コアと外板との界面、またはコアと隔壁中間板との界面に発生する剥離を含む。

非破壊検査を行なうためにさまざまなタイプのセンサが利用されてもよい。１つ以上のセンサが、構造物の調べられる部分上を動き、構造物に関するデータを受信してもよい。たとえば、構造物における厚さ測定、層欠陥ならびに孔の検出、および／または亀裂検出などの超音波データを得るために、パルス反射（ＰＥ）センサ、透過（ＴＴ）センサ、またはせん断波センサが利用されてもよい。構造物の接着接合ラインなどにおける空洞または孔を表示するために、共振センサ、パルスエコーセンサ、または機械的インピーダンスセンサが利用されてもよい。航空機構造の高解像度検査が、検査中の部品または構造物の平面画像を提供するために、半自動超音波試験（ＵＴ）を用いて一般に行なわれる。均質の積層板は片面パルスエコー超音波試験（ＰＥＵ）を用いて検査され得るが、複合サンドイッチ構造は通常、高解像度検査のために透過超音波（ＴＴＵ）試験を必要とする。透過超音波検査では、トランスデューサ対またはトランスデューサと受信機センサといった超音波センサが、他方に面するよう、しかしながら、複合材料の両面といった検査される構造物の両側に接触するよう位置付けられる。超音波信号は、トランスデューサ対の少なく
とも一方によって送信され、構造物を通って伝搬され、他方のトランスデューサによって受信される。ＴＴＵトランスデューサといったセンサによって得られたデータは通常、処理要素によって処理され、処理されたデータはディスプレイを介してユーザに提示され得る。

構造物の検査を行なう速度またはスピードを増加させるために、走査システムは、超音波送信機および受信機のアレイを有する超音波プローブ、または１つ以上の超音波送信機および受信機を備えるプローブのアレイを含んでいてもよい。通常、アレイにおける各「チャネル」は、一対のトランスデューサおよび受信機を意味し、トランスデューサへの送信チャネルと受信機からの受信チャネルとを含む。一般に、利用可能なチャネルが多いほど、走査可能な部品の物理的範囲は広がる。そのため、構造物の検査をより迅速にかつ効率的に進めることが可能であり、それにより、検査に関連する費用が低減する。

ＴＴＵセンサ、すなわちＴＴＵトランスデューサおよび受信機は、多数のＴＴＵトランスデューサおよび受信機が単一のプローブ、プローブのアレイ、またはそれらの組合せにおいて使用されるようにするシステムを含むさまざまなシステムによって制御されてもよい。ＴＴＵトランスデューサおよび受信機の対が多いほど、部品はより迅速に走査可能であり、制御システムはＴＴＵトランスデューサおよび受信機によって提供されるデータ送信に遅れずについていくことができると思われる。多数のＴＴＵトランスデューサおよび受信機を含むＴＴＵシステムは対応する数のチャネルを有するといわれ、１つのチャネルは一対のトランスデューサおよび受信機を指している。多チャネルＴＴＵシステムは通常、作製に費用がかかる。その一因は、それらがＴＴＵのトランスデューサ・受信機の対からの超音波データの各受信チャネルについて別個のＲＦ増幅器および包絡線（ピーク）検出器を含むためである。さらに、典型的な多チャネルＴＴＵシステムは各チャネルについて個々のパルサー回路を用いており、多数のチャネルをともに収容し配線するために多大な空間を必要とする。しばしば、多チャネルシステムは電子部品の大型ラックに収容される。高い費用および大型サイズ要件に加え、多チャネルシステムの維持は通常、問題があり、費用のかかるものであった。典型的な多チャネルＴＴＵシステムは、往々にして旧式化した部品に加え、個々の部品の数、および必要とされる多数の配線という理由により、故障修理が難しい場合がある。さらに、典型的な多チャネルＴＴＵシステムは、処理および／または通信経路が遅いために解像度が８ビットのデジタルデータとしての処理信号の通信に限定されており、個々の部品をともに結合するために使用されるＲＦケーブルの数が多いために電子ノイズが多い。

したがって、大量データスループット、大きいダイナミックレンジ、およびサポート用電子機器の簡素化を提供する、多チャネル非破壊検査のための改良されたシステムおよび方法に対する要望が存在する。

発明の概要
前述の背景に鑑みて、この発明の実施例は、大量データスループット、大きいダイナミックレンジ、およびサポート用電子機器の簡素化を提供する、多チャネル非破壊検査のための改良されたシステムおよび方法を提供する。

この発明の有利な一実施例によれば、インターフェイス基板と、少なくとも１つのパルサー基板と、複数の送信チャネルと、少なくとも１つの受信機基板と、複数の受信チャネルとを含むシステムが提供される。インターフェイス基板はパルサー基板に接続しており、パルサー基板は送信チャネルに接続している。インターフェイス基板は受信機基板にも接続しており、受信機基板は受信チャネルに接続している。受信機基板は、少なくとも７
０デシベル（ｄＢ）のダイナミックレンジにわたって複数の受信チャネルからの信号を対数増幅するための対数増幅器を含んでいてもよい。受信機基板はまた、受信チャネルの各々に接続され、受信チャネル上で受信された信号を５ＭＨｚといった所望の周波数にフィルタリングする同調フィルタを含んでいてもよい。受信機基板およびインターフェイス基板は、受信チャネルからの信号を１２ビットの解像度で処理可能であってもよい。インターフェイス基板およびパルサー基板は、１送信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）のチャネル循環速度で送信チャネルにデータを通信可能であってもよく、これは、３２個の送信チャネルが使用される場合に６．４ミリ秒（ｍｓ）ごとにすべての送信チャネルを一巡する５ｋＨｚの循環速度である。受信機基板はまた、１受信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）のチャネル循環速度で受信チャネルからのデータを受信し、処理することが可能であってもよい。

インターフェイス基板は、解像度が１２ビットの走査データをリアルタイムで送信可能なイーサネット（登録商標）接続により、マイクロプロセッサを有するコンピュータなどのリモート装置に接続されてもよい。インターフェイス基板はさらに、インターフェイス基板に結合され、エンコーダからのデータを受信してデータをインターフェイス基板に提供することが可能なエンコーダインターフェイスの使用などにより、データエンコーダとインターフェイス接続可能であってもよい。エンコーダインターフェイスは、１つ以上のカウンタチップを含んでいてもよい。エンコーダインターフェイスは、位置データ、スピードデータ、ベロシティデータ、および距離データなどのデータを受信可能であってもよい。

この発明の有利な別の実施例によれば、構造物を検査するためのシステムは、インターフェイス基板と、各々が１６個の送信チャネルに結合された２つのパルサー基板と、各々が１６個の受信チャネルに結合された２つの受信機基板とを含み、受信機基板は、少なくとも７０デシベル（ｄＢ）のダイナミックレンジにわたって受信チャネルからの信号を対数増幅することにより、３２個の受信チャネルからのデータを処理可能である。パルサー基板はプリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよく、１６個の送信チャネルの各々に１つずつ、１６個のパルサーを含んでいてもよい。

この発明の有利な一実施例の受信機基板は、対数増幅器に加え、受信チャネル間に７０ｄＢの分離（isolation）を提供するためのマルチプレクサを備えており、マルチプレクサによって提供される７０ｄＢの分離と、対数増幅器による７０ｄＢのダイナミックレンジの対数増幅とを用いて、複数の受信チャネルからのデータを処理可能であってもよい。マルチプレクサは、多重化スイッチの多数の階層とも呼ばれる一連の多重化チップであってもよい。チャネル間の７０ｄＢの分離は、たとえば、１０ｄＢ多重化チップに６０ｄＢ多重化チップが直列結合されることによって提供されてもよい。多重化チップは受信チャネルを切換可能であってもよい。対数増幅器は、−６７ｄＢ〜＋３ｄＢの対数増幅を提供可能であってもよい。

この発明のさらに有利な一実施例では、受信機基板は、線形増幅器に直列結合された対数増幅器を含んでいてもよい。線形増幅器は２０ｄＢの線形増幅を提供可能であってもよい。

この発明の構造物を検査するためのシステムのさらに有利な一実施例は、インターフェイス基板と、少なくとも１つのパルサー基板と、複数の送信チャネルと、少なくとも１つの受信機基板と、複数の受信チャネルとを含んでいてもよい。インターフェイス基板はパルサー基板に接続しており、パルサー基板は送信チャネルに接続している。インターフェイス基板は受信機基板にも接続しており、受信機基板は受信チャネルに接続している。受信機基板は、少なくとも７０ｄＢの対数ゲインを用いて複数の受信チャネルからのデータ
を処理可能であってもよい。受信機基板はまた、受信チャネルの各々に１つずつ結合された複数の同調フィルタと、複数の同調フィルタに直列結合されたマルチプレクサと、マルチプレクサに直列結合された対数増幅器と、対数増幅器に直列結合された線形増幅器と、線形増幅器に直列結合されたアナログ−デジタル変換器とを含んでいてもよい。受信機基板はまた、線形増幅器とアナログ−デジタル変換器との間に直列結合された、多重化され、対数増幅され、線形増幅された信号の電圧ピークを捕らえるための包絡線ピーク検出器を含んでいてもよい。受信機基板はまた、線形増幅器と包絡線ピーク検出器との間に直列結合された、多重化され、対数増幅され、線形増幅された信号から正の電圧を分離するためのダイオードを含んでいてもよい。マルチプレクサは一連の多重化チップを含んでいてもよく、チャネル間の７０ｄＢの分離は、６０ｄＢ多重化チップで形成された第１の階層が１つ以上の１０ｄＢ多重化チップで形成された第２の階層に直列結合されることによって提供されてもよく、マルチプレクサは受信チャネルを切換可能であってもよい。１６個の受信チャネルを切換えるために単一の６０ｄＢ多重化チップが使用されてもよい場合には、８個の受信チャネルを切換えるために２つの１０ｄＢ多重化チップが使用されてもよい。

この発明の有利な一実施例の構造物を検査するための３２チャネル多重化システムは、３２個の送信トランスデューサと、３２個の受信トランスデューサと、３２個の受信チャネルと、多重化システムとを含んでいてもよい。３２個の受信トランスデューサは、３２個の送信トランスデューサによって送信された、検査中の構造物を通った超音波信号を受信するよう、通信可能に結合されている。３２個の受信トランスデューサによって受信され、３２個の受信チャネルを通って送信された超音波信号を処理するために、３２個の受信トランスデューサは、多重化システムに結合された３２個の受信チャネルに個々に結合されている。多重化システムは対数増幅器を備えており、少なくとも７０ｄＢのダイナミックレンジで各チャネルを対数増幅することによってデータを処理可能であってもよい。各送信トランスデューサはパルス化センサを含んでいてもよく、各受信トランスデューサは、対応するパルス化センサに通信可能に結合された受信センサを含んでいてもよい。各パルス化センサは送信チャネルに結合されてもよく、各受信センサは受信チャネルに結合されてもよい。３２チャネル多重化システムはまた、分析コンピュータへのリモート通信のためのインターフェイスを含んでいてもよい。多重化システムは受信チャネルを切換えるようになっていてもよい。多重化システムはさらに、受信チャネルから受信されたデータをフィルタリングし、その後データを切換えて対数増幅するようになっていてもよい。多重化システムはさらに、少なくとも７０ｄＢのダイナミックレンジの対数増幅を用いて予め処理されたデータを線形増幅可能であってもよい。線形増幅は２０ｄＢのゲインを有していてもよい。多重化システムはさらに、対数増幅および線形増幅を用いて予め処理されたデータをアナログからデジタルに変換可能であってもよい。

この発明の有利な一実施例の検査システムのチャネルを多重化するための方法が提供され、それは、複数の受信チャネルからの信号を、検査中の部品を通って伝搬した後で受信するステップと、受信信号を多重化するステップとを含む。受信信号を多重化するステップは、受信信号をフィルタリングするステップと、受信チャネルを切換えて１つの受信チャネルを選択し、切換えられた受信信号を規定するステップと、切換えられた受信信号を対数増幅するステップと、切換えられ、対数増幅された受信信号を線形増幅するステップと、切換えられ、対数増幅され、線形増幅された受信信号をアナログからデジタルに変換するステップとを含む。切換えられた受信信号を対数増幅するステップは、少なくとも７０ｄＢのダイナミックレンジにわたって対数増幅を提供するステップ、たとえば−６７ｄＢ〜＋３ｄＢの増幅を提供するステップを含んでいてもよい。方法の一実施例はまた、複数の送信チャネルに信号を送信するステップを含んでいてもよい。この方法はまた、複数の送信チャネルに信号を送信するステップのためのタイミング要件を制御するステップと、多重化された信号をリアルタイムでリモートプロセッサに送信するステップとを含んで
いてもよい。多重化された信号をリアルタイムでリモートプロセッサに送信するステップは、１受信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）の循環速度で受信チャネルから多重化された信号を送信するステップを含んでいてもよく、これは、３２個の送信チャネルが使用される場合に６．４ミリ秒（ｍｓ）ごとにすべての受信チャネルを一巡する５ｋＨｚの循環速度であり、多重化された信号は１２ビットの解像度で処理され、送信される。複数の送信チャネルに信号を送信するステップは、１送信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）の循環速度で送信チャネルにデータを通信するステップを含んでいてもよく、これは、３２個のチャネルが使用される場合に６．４ミリ秒（ｍｓ）ごとにすべての送信チャネルを一巡する５ｋＨｚの速度である。この方法はまた、受信チャネルからの多重化された信号を１２ビットで処理するステップを含んでいてもよく、これは、３２個のチャネルが使用される場合に６．４ミリ秒（ｍｓ）ごとにすべての受信チャネルを一巡する５ｋＨｚの速度である。方法はまた、ピーク電圧を捕らえるステップを含んでいてもよい。この方法はさらに、ピーク電圧を捕らえるために正の電圧を分離するステップを含んでいてもよい。

この発明のこれらのおよび他の特徴ならびに追加の詳細を、これらのおよび他の実施例を参照してここにさらに説明する。

この発明を一般用語で説明してきたが、必ずしも縮尺通りには描かれていない添付図面をここで参照する。

詳細な説明
ここで、この発明のすべてではないもののいくつかの実施例が図示された添付図面を参照して、この発明を以下により十分に説明する。実際、これらの発明は多くの異なる形で具現化されてもよく、ここに述べる実施例に限定されるとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が適用可能な法的要件を満たすよう提供される。全体を通し、同じ番号および変数は同じ要素およびパラメータを指す。

この発明の実施例は、航空機業界において、複合構造の検査にとって特に有用であり得る。この発明のさらなる実施例はまた、多くの分野において、たとえばロケットの製造および複合サンドイッチ構造の検査を含むさまざまな他の用途にとっても有用であり得る。

この発明の実施例は、透過超音波（ＴＴＵ）検査または試験のために特に設計されているものの、パルスエコー非破壊検査といった他の検査手法のために使用され得る。さらに、この発明の実施例は、３２チャネルＴＴＵシステムのために特に設計されているものの、３２よりも少ないチャネルを有するＴＴＵシステム、たとえば１６チャネルの実施例を作るために有利に使用されてもよく、または、この発明の実施例は、３２よりも多いチャネルを有するＴＴＵシステム、たとえば３２チャネルのシステムがそれぞれ２つまたは４つイーサネット（登録商標）ハブに接続されている６４チャネルおよび１２８チャネルの実施例を作るために有利に使用されるよう組合されてもよい。多チャネルシステムが３２よりも多いチャネルを有する場合、従来のイーサネット（登録商標）通信接続は、イーサネット（登録商標）リンクの帯域幅を勘案してデータを送信端でバッファに入れることを必要とする場合がある。

「非破壊検査」（ＮＤＩ）および「非破壊試験」（ＮＤＴ）という用語は、ここでは同意語として使用される。

図１は、この発明の一実施例の３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの概略ブロック図である。このシステムは３２対の対応するトランスデューサを含む。６４個のトランスデュ
ーサのうち、３２個のトランスデューサは、検査を受ける部品または構造物の片側の送信トランスデューサ１０またはパルス化トランスデューサである。他の３２個のトランスデューサは、検査を受ける構造物の反対側の受信トランスデューサ１２である。このため、３２個の送信トランスデューサ１０のために３２個のチャネルが設けられ、３２個の受信トランスデューサ１２のために３２個のチャネルが設けられる。ここで使用されているように、「チャネル」とはトランスデューサへの通信リンクを意味する。複数のトランスデューサが１つのデバイスまたはプローブに含まれていてもよい。また、これに代えて、複数のチャネルは、たとえば各プローブが１つのトランスデューサを含む３２個の送信プローブと３２個の受信プローブとを有する６４プローブアレイといったプローブのアレイとして機能するような態様で分割されてもよい。各送信または受信チャネルは個々の圧電結晶トランスデューサと対応しているが、この発明は、１つ以上のトランスデューサが１つ以上のトランスデューサに対応している場合でも使用可能である。個々のトランスデューサは上述したように、単一のプローブに、またはアレイとして機能する多数のプローブに配置されてもよい。３２個の送信チャネル１０の各々は、たとえばパルサー基板がチャネル１〜３２を２００マイクロ秒（μｓ）ごとに１チャネルずつ、５ｋＨｚの繰返し速度でパルス化し、６．４ミリ秒（ｍｓ）ごとに３２個のチャネル１０を一巡するように順次パルス化されてもよい。チャネルをパルス化するパルサー基板は、トランスデューサ用の送信チャネルに送信信号を供給するパルサー基板を意味する。例示的なパルサー基板、またはインターフェイス基板、もしくは受信機基板は、電気接続または通信経路を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよい。インターフェイス基板１４、および／または取付けられたコンピュータ（図示せず）のプロセッサもしくはマイクロコントローラは、３２個の送信チャネル１０の順次パルス化と受信信号の順序の調整とを制御するために使用されてもよい。チャネルの循環のための繰返し速度は通常、超音波信号が送信トランスデューサ結晶からカプラント（couplant）を通って部品の表面に達し、検査中の部品を通過して、部品の表面からカプラントを通って受信トランスデューサ結晶に伝搬する時間に一部起因して選択され、限定される。繰返し速度はまた、検査を制御および／または処理するコンピュータに多重化受信機基板から処理信号を送信するための通信帯域幅といった要因に依存していてもよい。

図１に示すこの発明の実施例は２つの１６チャネルパルサー基板２０、２２を示しており、それらは各々、インターフェイス基板１４に接続され、各々、３２個の送信チャネル１０のうちの１６個を提供している。パルサー基板は通常、パルサー基板の対応するパルサーを用いて、１６個の異なるトランスデューサ用に向けられた信号をインターフェイス基板から１６個の対応するチャネルに独立して供給することが可能なＰＣＢ基板であり、パルサーは、インターフェイス基板からのデジタルまたは電子信号のための電子パルス信号を供給する。同様に、２つの１６チャネル受信機基板またはＲＦ増幅器およびＡ／Ｄ基板２４、２６が含まれており、それらは各々、インターフェイス基板１４に結合され、各々、３２個の受信チャネル１２のうちの１６個を受けている。この発明の受信機基板およびその電子機器を、以下により十分に説明する。図１に示すような３２チャネル多重化ＴＴＵシステムはまた、走査システムの位置エンコーダ１８と３２チャネル多重化ＴＴＵシステムのインターフェイス基板１４とのインターフェイスを提供するエンコーダインターフェイス１６も含んでいてもよい。エンコーダインターフェイス１６は、ニューヨーク（New York）州メルビル（Melville）のＬＳＩコンピュータシステムズ社（LSI Computer Systems, Inc.）製造のＬＳ７２６６Ｒ１カウンタチップといったカウンタチップを２つ含んでいてもよい。カウンタチップは、走査システム上のエンコーダが走査プローブとともに前後に動く際の電流値を保持する内部レジスタを有する。カウンタチップは、カウンタチップの内部レジスタのための異なる値を提供するために、基準値からカウントアップおよびカウントダウンする。この情報は通常、走査システムの位置情報と呼ばれる。エンコーダはトランスデューサの動きを機械的に追跡しているため、位置情報はトランスデューサの位置に幾分物理的に関連している。このため、エンコーダによって提供される位置情
報は走査プローブの動きと同期しているが、トランスデューサ信号はスキャナの動きとは非同期である。このため、エンコーダインターフェイスを介してエンコーダの位置情報を組合せることにより、マイクロプロセッサは２つの情報を結び合わせてある特定の超音波信号についてのトランスデューサの位置を確定することができる。たとえば、マイクロプロセッサは、エンコーダインターフェイスのカウントチップからの位置情報を、対応する超音波データと同じデータパケットに組み入れてもよい。追加のソフトウェアが次に、その特定のデータパケットを、走査中に発生した特定の位置での超音波データ値を有するとして分析することが可能であってもよい。エンコーダは通常、位置情報を提供するために使用されるが、それに加え、またはそれに代えて、エンコーダはそのようなデータをスピードデータ、ベロシティデータ、および距離データとして提供するために使用されてもよい。

受信機基板２４、２６は、各受信チャネル１２用の同調フィルタ１０２を含んでいてもよい。たとえば、同調フィルタ１０２はベースアンプとタンク回路とを含んでいてもよい。同調フィルタ１０２の同調可能キャパシタは、受信信号を、たとえば５ＭＨｚで発振する圧電結晶周波数といったある特定の周波数にフィルタリングするよう調節されてもよい。受信信号の各々をフィルタリングした後で、１６個の信号はすべて、第１の多重化チップと呼ばれる多重化スイッチの第１の階層１０６に供給される。非限定的な例として、多重化チップは、１５ボルトのピーク間電圧（Ｖｐｐ）の信号電圧入力範囲を可能にする、カリフォルニア（California）州サニーベイル（Sunnyvale）のマキシムインテグレーテ
ィッドプロダクツ社（Maxim Integrated Products, Inc.）製造のＭＡＸ３１０ＣＰＥ多
重化チップであってもよい。多重化スイッチの第１の階層１０６は、１６個の信号間に６０ｄＢの分離を提供してもよい。第２の多重化チップとも呼ばれる多重化スイッチの第２の階層１０８は、チャネル間に追加の１０ｄＢの分離を提供してもよい。多重化スイッチの第２の階層１０８も、ＭＡＸ３１０ＣＰＥ多重化スイッチを使用してもよい。多重化スイッチの２つの階層１０６および１０８を使用することは、チャネル間に７０ｄＢの分離を達成することができる。チャネル間の７０ｄＢの分離により、７０ｄＢ＝２０×Ｌｏｇ（差分）（式中、（差分）は７０ｄＢでは３０００に等しい）によって与えられるように、あるチャネルが別のチャネルよりも、より小さい入力に影響を与えることなく３０００倍大きくなり得る。たとえば、あるチャネルが、強さが１ミリボルト（ｍＶ）の５ＭＨｚ信号を有することができ、別のチャネルが、この１ｍＶの信号に影響を与えることなく、強さが３ボルト（Ｖ）の５ＭＨｚ信号を有することができる。また、多重化スイッチを２つの階層に分けることにより、ＲＦ信号を劣化させないようにキャパシタンスが低減する。多重化スイッチの２つの階層を用いて、チャネル切換の異なる組合せが使用されてもよい。たとえば、１６個のチャネルを切換えるために使用される単一の６０ｄＢ多重化チップが、各々８個のチャネルを切換える２つの１０ｄＢ多重化チップとともに用いられても
よい。多重化スイッチの第１の階層１０６および多重化スイッチの第２の階層１０８における対応するチャネルを選択することにより、単一の受信チャネルが選択されてもよい。

フィルタリングされ多重化された単一の受信チャネルの信号は対数増幅器１１０に供給され、それは−６７ｄＢ〜＋３ｄＢの電圧範囲といった７０ｄＢのダイナミックレンジにわたって対数増幅を提供するが、対数増幅は異なるダイナミックレンジを中心とし得る。このため、階層化された多重化チップ１０６、１０８は、対数増幅器１１０の能力のフルダイナミックレンジを提供する。対数増幅は、式Ｇａｉｎ_log＝２０×Ｌｏｇ（Ｖ_out／Ｖ_in）に従う。対数増幅後、信号は、対数増幅された信号をアナログ−デジタル変換器のフルレンジに調節するためにたとえば２０ｄＢの線形増幅を提供するよう、線形増幅器１１４によって線形増幅されてもよい。線形増幅は、式Ｇａｉｎ_lin＝（Ｖ_out／Ｖ_in）に従う。この信号は次に、０〜１０ボルトの入力を有するアナログ−デジタルチップといったアナログ−デジタルチップ１１８（Ａ／Ｄ変換器）を用いてアナログからデジタルに変換されてもよい。Ａ／Ｄ変換器によってピーク値がデジタル信号に変換されるように、線形増
幅とアナログからデジタルへの変換との間で包絡線（ピーク）検出器１１６およびダイオード１１５が使用されてもよい。ダイオード１１５は、包絡線（ピーク）検出器１１６が信号のピーク振幅を捕らえることができるよう、増幅された信号の正の電圧を分離することができる。ＴＴＵ検査のためには、変化する振幅から欠陥を識別するために信号のピーク振幅のみが必要とされる。たとえば、対数増幅器１１０は、０ボルトを中心とする１．４ボルトのピーク間電圧（Ｖｐｐ）を有する信号を出力してもよい。線形増幅器１１４は、信号を２０Ｖｐｐの信号（−１０Ｖ〜＋１０Ｖ）に増大させてもよい。ダイオード１１５は、＋１０Ｖのピーク範囲（０Ｖ〜＋１０Ｖ）を分離させてもよい。包絡線ピーク検出器１１６は、０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲の信号のピーク振幅を捕らえてもよい。そしてアナログ−デジタルチップ１１８は、０〜１０Ｖの信号を解像度が１２ビットのデジタル信号に変換してもよい。

７０ｄＢと大きいダイナミックレンジの対数増幅の使用は、検査中の部品における小さい変化または欠陥の識別を助ける。たとえば、７０ｄＢのダイナミックレンジは、検査中の厚さ１／２インチのグラファイト片において６８個の層下に位置する異物片を発見するために必要とされ得る。ここで１層の厚さは１０００分の７インチである。異物片は、送信トランスデューサから受信トランスデューサへと部品を通して見た場合、検査中のグラファイト片のほぼ底縁にあり得る。音、または具体的には超音波信号は、検査中の部品を通って伝搬するにつれて減衰する。たとえば、厚さ１／２インチのグラファイト片の検査において、超音波信号は、異物片が位置し、異物片の存在の検出に２ｄＢの変化が必要とされ得る６８番目の層に到達するまでに、透過中に６０ｄＢも降下したかもしれない。この２ｄＢの変化を検出するためには、ノイズは、異物片のための２ｄＢの変化をかき消すほど大きいものであってはならない。ダイナミックレンジは、検査中の構造物における欠陥、グラファイトにおける異物片を検出するのに十分大きくなければならない。大きい対数ゲインを用いることにより、走査システムは、検査中の部品においてその詳細を高レベルで解像することが可能であり得る。対数増幅を用いることは、信号における大きい変化よりも小さい変化を増幅させる。通常、信号における大きい変化はノイズを含む。比較すると、線形増幅を用いる場合、ノイズは信号とちょうど同じくらい増幅される。そして大きいダイナミックレンジを用いることにより、システムは分厚い部品を走査可能である。高いダイナミックレンジを勘案することに加え、システムは、チャネル間のクロストークまたはノイズをもたらすことなく高いダイナミックレンジを多重化できなければならない。チャネル間にノイズまたはクロストークを持ち込むことなくダイナミックレンジが大きい信号を切換える、または多重化するためには、多重化は、第１の６０ｄＢのレンジの多重化チップおよび１０ｄＢのレンジの多重化チップの第２の階層を用いることによって説明されたような多重化チップを階層化することによって行なわれてもよい。

図２は、この発明の一実施例の、イーサネット（登録商標）接続を用いてリモートプロセッサに接続された３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの概略ブロック図である。図２の概略図に示されるように、３２個の送信チャネル１０は、部品３０を検査するために使用される３２個のトランスデューサに結合されてもよい。３２個の受信チャネル１２は、３２個の対応するトランスデューサから検査中の部品３０を通って送信された信号を受信する３２個の受信トランスデューサに結合されてもよい。多重化ＴＴＵシステムは、ここに十分に説明したように、イーサネット（登録商標）通信接続４０またはシリアル通信接続といった通信接続もしくはリンクを介して、検査の結果をさらに処理、分析、および表示するためのマイクロプロセッサを有するコンピュータといったリモートプロセッサ４２に接続されてもよい。

図３は、この発明の一実施例の３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの一実施例のフロー図である。点線で示された図３のフロー図および／または要素は、この発明の一実施例に含まれていてもよいが含まれる必要はないＴＴＵシステムの構成要素によって実行されて
もよい。送信チャネルに信号を送信する２００ためにパルサー基板が使用されてもよい。このプロセスは、パルス信号を選択されたチャネルに沿って対応するトランスデューサに送るためにプロセッサがパルサー基板用の制御信号を規定し、送るステップ２０２と、インターフェイス基板が制御信号をパルサー基板に送信するステップ２０４と、インターフェイス基板を介してプロセッサにより規定および制御されたようにパルサー基板がパルス信号を送信チャネルに送信するステップ２０６とを含む。パルス信号が一旦送信チャネルに送信される２００と、送信チャネルはパルス信号を検査システムの送信トランスデューサに向ける２１０。検査信号は次に、送信トランスデューサから受信トランスデューサへと部品を通過する２１２。検査システムの受信トランスデューサによって受信された検査信号は、受信チャネルに沿って伝搬する２１４。受信チャネルは次に、受信された検査信号を受信機基板に向ける２１６。受信機基板は次に、受信された検査信号を処理する２２０。受信信号の処理は、各受信チャネル上の同調フィルタが信号をたとえば５ＭＨｚといった同調周波数にフィルタリングするステップ２２２と、多重化スイッチの第１の階層がチャネル間に６０ｄＢの分離を提供するステップ２２４と、多重化スイッチの第２の階層がチャネル間に追加の１０ｄＢの分離を提供するステップ２２６と、７０ｄＢのダイナミックレンジの対数増幅２２８と、２０ｄＢの線形増幅２３０と、正の電圧の分離２３１と、包絡線ピーク検出２３２と、アナログからデジタルへの変換２３４とを含む。多重化され、対数増幅され、線形増幅され、アナログからデジタルに変換された受信信号は、受信機基板からインターフェイス基板に送信２４０されてもよい。３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの一実施例はまた、エンコーダインターフェイスに位置情報を送る２５０エンコーダを含んでいてもよい。エンコーダインターフェイスは、インターフェイス基板に走査位置情報を送信２５２してもよい。インターフェイス基板は、受信信号データを走査位置情報と組合せて、信号および位置情報をイーサネット（登録商標）接続を通してリモートプロセッサに送信２６０してもよい。リモートプロセッサは、走査のデータをさらに処理および／または分析するために、エンコーダからの位置情報に受信信号を整合２６２させてもよい。

受信機基板のチャネルを多重化して１つのチャネルにすることにより、この発明の一実施例は、限られた数の二次的な構成要素、たとえば１つの対数増幅器および１つのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を含むことができる。さらに、チャネルを多重化することにより、この発明の一実施例は、実質的なサイズ減少を可能とし、たとえば、３２個のチャネル用の１つのインターフェイス基板、２つのパルサー基板、および２つの受信機基板を１７″×１８″×９″の単一の箱に含み得るユニットを実現可能である。たとえば、ユニットはスキャナの真下に取付けられるくらい小型であるかもしれず、従って、工場または検査場所で追加の床面積を占めることがない。

この発明の実施例は、典型的な８ビットのデジタルデータよりもむしろ１２ビットのアナログ−デジタル信号変換を達成可能であり、このため、より高い信号対ノイズ比、すなわちより高い感度を提供する。したがって、シリアル通信接続などによって制限されたシステムでは、８ビットの解像度で走査データをリアルタイムで送信することのみが可能である。たとえば、０〜１０Ｖのアナログ信号は０〜２５５の値を有するデジタル信号に変換されるので、アナログ解像度については０．０３９ボルト（１０Ｖ／２⁸）である。比較すると、イーサネット（登録商標）接続を用いたシステムといった、改良された通信を用いたシステムでは、１２ビットの解像度で走査データをリアルタイムで送信可能であり、たとえば、０〜１０Ｖのアナログ信号は０〜４０９５の値を有するデジタル信号に変換されるので、アナログ解像度については０．００２４４ボルト（１０Ｖ／２¹²）となる。比較すると、ダイナミックレンジが７０ｄＢの８ビットシステムのノイズは、１ビットすなわち±０．２７６ｄＢであろう。しかし、ダイナミックレンジが７０ｄＢの１２ビットシステムのノイズは、たった±０．０２ｄＢであろう。従来のシリアルリンクといったシリアル通信接続は、１２ビットのデータをリアルタイムで転送できない場合がある。一般
に、アナログ信号から解像可能なできるだけ高いデジタル信号解像度を使用することが好ましい。これは通常、信号に存在するノイズによって制限されるためである。

イーサネット（登録商標）通信技術の使用は、従来のデータ取得のスピードを２倍も増加させている。データ取得速度を増加させることは、より迅速な部品走査を可能にし、それは検査時間の短縮および検査費用の低減をもたらし得る。たとえば、３２個のチャネルを有する現在のシステムは、１秒当たり５インチを走査可能であり得る。この発明の実施例は、３２チャネルを用いて、従来のイーサネット（登録商標）通信接続を用いて１秒当たり１０インチも走査可能であり得る。

この発明の実施例はまた、部品数の減少および共通インターフェイス基板を介した集中的制御に一部起因して、容易に較正される。

この発明の実施例は、典型的な多チャネルＴＴＵシステムよりも故障修理が容易である。たとえば、各チャネル上に個々の構成要素を有する多チャネルＴＴＵシステムの故障を修理することは、技術者が、多数のチャネルのうちどれが稼動していないかを判断することを必要とする。比較すると、プリント回路基板を５つしか持たないこの発明の多チャネルＴＴＵシステムの一実施例は、故障を修理する構成要素および回路がより少なく、起こり得る不稼動の種類の数を本質的に減少させる。同様に、構成要素および回路の減少により、この発明の実施例は、典型的な多チャネルＴＴＵシステムよりも修理に費用がかからない。

この発明の３２チャネルマルチプレクサの例示的な一実施例は、３２チャネルマルチプレクサの電子部品を保持するために１７インチ×１８インチ×９インチの電子ボックスを使用してもよい。高いダイナミックゲインおよび５ＭＨｚといった検査の周波数のため、ここで受信機基板とも呼ばれるＲＦマルチプレクサ基板は、分厚い遮蔽を有して部品間に間隔を提供してもよい。多重化システムのタイミング要件を制御するインターフェイス基板は、送信トランスデューサのパルス化を制御し、受信信号および処理信号を分析するためのリモートコンピュータといったプロセッサへの通信用に、シリアルおよび／またはイーサネット（登録商標）接続を含んでいてもよい。インターフェイス基板はまた、信号データパケットに、エンコーダインターフェイスを介して受信されたエンコーダからの位置および／または距離情報を含んでいてもよく、それにより、外部エンコーダ基板の必要がなくなる。この発明の実施例は、３２チャネルマルチプレクサでデータデジタル化を提供し、次にシリアルまたはイーサネット（登録商標）接続を通してデータを分析用に送信することにより、ノイズの多いＲＦケーブルを減少させる。さらに、そのような小さいハウジングに３２チャネルマルチプレクサ全体を設けることによって、ユニットは走査システムの近傍に位置するくらい、たとえばスキャナの下に取付けられるくらい小型となり、それにより、追加の床面積の消費を回避する。この発明のこれらのおよび他の特徴は、この発明の実施例を、便利なだけでなく効率的かつ経済的な多重化システムにする。特に、この発明の実施例は、たとえばこの発明の３２チャネルＴＴＵ多重化システムを取入れることによって関連する部品の数および配線の複雑性を低減させるように既存のシステムを簡略することにより、既存の多チャネルＴＴＵ機器に関連する保守費用を低減させ得る。たとえば、この発明の多重化技術は受信チャネルを各受信機基板上の単一のチャネルへと減少させ、そのため、各受信機基板について１つの対数増幅器、１つの線形増幅器、および１つのアナログ−デジタル変換器しか必要としない。さらに、パルスエコー検査のために設計されうる既存のシステムおよび／または実施例と比較して、この発明の実施例はＴＴＵ検査のために特に設計されてもよい。たとえば、所望のＴＴＵ検査特性に整合するよう、７０ｄＢといった高いダイナミックレンジを提供するために、電子機器および構成要素の種類が選択されてもよい。

ここにより十分に説明されたように、大量データスループット、大きいダイナミックレンジの対数増幅、およびサポート用電子機器の簡素化を提供する、多チャネル非破壊検査のためのシステムおよび方法が提供される。より特定的には、インターフェイス基板と、各々１６個の送信チャネルに結合された２つのパルサー基板と、各々１６個の受信チャネルに結合された２つの受信機基板とを用いて構造物を検査するための、この発明の実施例に従ったシステムおよび方法が提供され、受信機基板は、少なくとも７０ｄＢのダイナミックレンジを対数増幅することにより、３２個の受信チャネルからのデータを処理可能である。受信機基板は、チャネル間に７０ｄＢの分離を提供する多重化スイッチの２つの階層の直列接続と、７０ｄＢのダイナミックレンジを対数増幅するための対数増幅器と、線形増幅器と、アナログ−デジタル変換器とを含んでいてもよい。

ここに述べたこの発明の多くの変更および他の実施例が、前述の説明および関連する図面に提示された教示の恩恵を有する、この発明が属する技術の当業者の脳裏に浮かぶであろう。したがって、この発明が開示された特定の実施例に限定されるべきではないこと、および変更および他の実施例が添付された特許請求の範囲内に含まれるよう意図されていることが理解されるべきである。特定の用語がここに採用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味においてのみ使用されており、限定の目的で使用されてはいない。

この発明の一実施例の３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの概略ブロック図である。 この発明の一実施例のイーサネット（登録商標）接続を用いてリモートプロセッサに接続された３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの概略ブロック図である。 この発明の一実施例の３２チャネル多重化ＴＴＵシステムの一実施例のフロー図である。

Claims (9)

1. 構造物を検査するためのシステムであって、
   インターフェイス基板と、
   前記インターフェイス基板に通信可能に結合された少なくとも１つのパルサー基板と、
   前記パルサー基板に通信可能に結合された、送信トランスデューサの複数の送信チャネルと、
   前記インターフェイス基板に通信可能に結合された少なくとも１つの受信機基板と、
   前記受信機基板に通信可能に結合された、受信トランスデューサの複数の受信チャネルとを備え、
   前記受信機基板は、すべての受信チャネルを一巡するように信号を多重化するためのマルチプレクサを備え、
   前記受信機基板は、前記マルチプレクサによって多重化された信号を処理して少なくとも７０ｄＢのダイナミックレンジにわたって各チャネルに対数増幅を提供するための対数増幅器を備え、
   システムはさらに、受信トランスデューサの位置データを与える位置エンコーダと、前記位置エンコーダから位置データを受信することができ、前記インターフェイス基板に通信可能に結合されたエンコーダインターフェイスと、を備えていて、
   前記インターフェイス基板は前記位置データを、前記受信機基板からのデジタル化された信号に結合して、当該結合データをシステム外のプロセッサに送信するようになっている、システム。
2. 前記受信機基板および前記インターフェイス基板は双方とも、前記複数の受信チャネルからの信号を１２ビットの解像度で処理可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記インターフェイス基板および前記パルサー基板は、１送信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）の循環速度で前記送信チャネルにデータを通信可能であり、前記受信機基板はさらに、１受信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）の循環速度で前記受信チャネルからのデータを受信し、処理することが可能であり、前記インターフェイス基板はさらに、１受信チャネルにつき２００マイクロ秒（μｓ）の循環速度で前記受信機基板からのデータを通信可能である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記受信機基板は、前記受信チャネルの各々に通信可能に結合され、５ＭＨｚの検査周波数でデータを処理可能な同調フィルタを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 各々が１６個の送信チャネルに結合された２つのパルサー基板と、
   各々が１６個の受信チャネルに結合された２つの受信機基板とを備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記マルチプレクサは受信チャネル間に７０ｄＢのアイソレーションを有する多重化された信号を提供し、前記受信機基板は、前記マルチプレクサによって提供される７０ｄＢのアイソレーションを有する多重化された信号と、前記対数増幅器によって提供される７０ｄＢのダイナミックレンジの対数増幅とを用いて、前記複数の受信チャネルからのデータを処理可能である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記受信機基板は、線形増幅器に直列結合された対数増幅器を備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記受信機基板は、
   前記受信チャネルの各々に１つずつ、通信可能に結合された複数の同調フィルタと、
   前記複数の同調フィルタに直列結合された前記マルチプレクサと、
   前記マルチプレクサに直列結合された対数増幅器と、
   前記対数増幅器に直列結合された線形増幅器と、
   前記線形増幅器に直列結合されたアナログ−デジタル変換器とを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のシステムを用いた構造物の超音波検査方法。

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