JP5081430B2 - 超音波検査用デジタル対数増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷検査に用いるために音響信号を処理する方法およびシステムに関し、特に、複数の線形増幅器を用いて音響信号を同時処理して、増幅器の個々のダイナミックレスポンスレンジより大きなダイナミックレスポンスレンジを有する複合線形デジタル出力信号を得ることに関する。

超音波探傷では、トランスデューサで発生させた高周波の超音波を用いて、対象物を検査し、測定を行う。超音波探傷は、検査対象物内のきずを検出することや、対象物について評価、寸法測定、材料の特性化、その他を実施することに用いることが可能である。当初は金属を対象として開発された測定手順が、異方性や不均質性などの特性が問題となる、合成物のような人工材料に拡張されている。デジタイズ機能および計算機能の進歩により、測定結果データの処理に用いる計器およびアルゴリズムの様式が変化した。きずを特性化するための高解像度イメージングシステムや複数の測定モダリティが登場した。関心の対象は、欠陥を検出、特性化、および寸法で分類すること、ならびに欠陥が見つかった材料を特性化することである。超音波検査の目的は、粒子サイズ、有孔率、組織構造、好ましい粒子方向などの基本的な微細構造特性から、疲労、クリープ、破壊靱性などの障害の仕組みに関連する材料特性までを調べることである。

超音波検査においては、圧電素子を含むトランスデューサが、電気的パルスによって励起され、超音波パルスを検査対象物に向けて送信する。音波は、検査対象物内を伝搬し、反射される。トランスデューサは反射波を受け取り、反射波は、トランスデューサによって電気信号に変換され、解析されて、検査対象物に不連続性が存在しないかどうかを判別される。検査対象物にきずや不連続性があれば、電気信号内の一定の異常外形として特性化され、これは、オシロスコープのようなアナログディスプレイや記録装置において見ることができる。

反射音波を表す、トランスデューサからの電気信号は、ディスプレイや記録装置に入力するために増幅が必要である。ディスプレイに表示するためには、各ディスプレイ装置の最大および最小動作パラメータで定義される一定のダイナミックレスポンスレンジに増幅信号を収めなければならない。多くの場合、音響波を表す信号は複数の成分を含む。たとえば、対象物の表面の近くにきずが発生した場合は、表面近くの欠陥によって発生したエコーが、初期パルスの間隔内で受信される。その場合は、エコーの振幅が初期パルスに比べて小さいため、そのきずを視覚ディスプレイや記録装置で検出することができない。計器はそれらを同時に受信するため、表面近くのきずからの、相対的に小さい振幅のエコー信号は、基本的に、より大きな初期パルスまたはインターフェース信号に重畳される。同時に存在する２つの信号の振幅差が大きいために、小さい方の信号の検出は非常に困難である。

これまでは、ダイナミックレスポンスレンジを圧縮するためにアナログ対数増幅器が用いられてきたが、アナログ対数増幅器は、帯域幅およびダイナミックレスポンスレンジが限られているために、その用途に特に適しているというわけではない。アナログ手法は、ノイズおよび精度の問題による限界がある。

したがって、同時に存在し、振幅に大きな違いがある超音波信号をデジタル処理し、それらを表示のために結合して、ダイナミックレンジの広い連続的な線形デジタル信号にする装置が必要である。
米国特許第６，３４３，５１３ Ｂ１号公報 米国特許第６，２６３，０９４ Ｂ１号公報 米国特許第６，１４２，９４２号公報 米国特許第５，９２９，３１５号公報 米国特許第４，７９９，１７７号公報 米国特許第４，７８８，９８１号公報 米国特許第４，６４９，７５０号公報 米国特許第４，５４５，２５１号公報 米国特許第４，４６２，０８２号公報 米国特許第４，４３，４６４８号公報 米国特許第４，３９１，１２４号公報 米国特許第４，２８３，９５２号公報 米国特許第４，２４０，２８１号公報 米国特許第４，０９９４，１６号公報 米国特許第６，０１６７，００号公報 米国特許第５，５９６５，０８号公報 特許第５９０１３９５３ Ａ号公報 特許第５７１３１０５８ Ａ号公報

本発明の装置および方法は、超音波信号を同時に処理する複数の線形増幅器を提供する。

複数の線形増幅器の各増幅器は、処理のためにアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器に入力するための所望の出力信号レベルの達成に好適な所定の利得レベルを有する。各増幅器の出力は、それぞれのＡ／Ｄ変換器によって非常に高い周波数でサンプリングされ、それによって、各線形増幅器のアナログ信号出力がデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器のすべての出力デジタル信号を、ロジック回路が同時に監視する。このロジック回路は、どのＡ／Ｄ変換器の出力が最大線形出力を有し、選択された出力をメモリ記憶装置に格納するかを判定する。保存された出力波形は、その後、結合されて、個々のＡ／Ｄ変換器の個々のダイナミックレスポンスレンジのほぼ合計であるダイナミックレスポンスレンジを有する連続的な線形デジタル出力になる。結合された連続的な線形デジタル出力波形は、対応する計算によって対数尺度に正確に変換され、それによって、対数増幅器の出力に匹敵する広いダイナミックレンジを有する波形が生成される。

本発明の優位点は、装置が、検査対象物の上部表面から反射された連続波信号を除去し、通常であれば上部表面から反射された連続波信号によってマスクされる小さな信号を検出することによって、検査対象物の表面近くの小さな欠陥を検出できることである。

本発明の別の優位性は、同時に反射された波形を、各波形を歪ませることなく広いダイナミックレンジで測定および記録できる点である。

本発明のさらに別の優位性は、高い信号減衰量で特性化される材料の様々な深さから反射された信号の測定に、広いダイナミックレスポンスレンジがもたらされる点である。

本発明の他の特徴および優位点は、本発明の原理を例示的に示した添付図面と併せて行う、以下の、好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。

可能な限り、図面全体を通して、同じまたは類似の要素を指す場合には同じ参照符号を用いる。

図１を参照すると、探傷検査設備１０は、超音波音響波１８を検査対象物１６内に伝搬させるためにトランスデューサ１４にパルスを送信するパルス発生回路１２を含む。波１８は、反射されてトランスデューサ１４に戻る。図１に示した例では、１つのトランスデューサが音響波の送信と受信の両方を行うが、複数のトランスデューサのうちのいくつかが送信を行い、いくつかが受信を行い、いくつかが送信と受信の両方を行う、別の検査構成を用いることも可能である。トランスデューサ１４は、反射された音響波を受信し、これを電気信号に逆変換して、本発明のデジタル対数増幅器（ＤＬＡ）１００に入力する。ＤＬＡ １００は、反射波形を表す電気信号を、後でさらに詳述するように処理する。ＤＬＡ １００の出力波形は、オシロスコープ２０または他の同様の周辺ディスプレイまたは記憶装置（図示せず）に表示される。当業者にはよく知られているように、図１の設備は、他の様々な検査設備に置き換えることが可能である。したがって、図１の設備は例として提示されており、本発明は、この例の特定設備に限定されない。

図１に示すように、検査対象物１６内の欠陥２２が、検査対象物１６の後壁２４とは異なる場所で波形１８を反射し、これによって、オシロスコープ２０の画面に表示可能な、波の伝搬時間が変わる。欠陥２２が小さいほど、反射波の振幅が小さいため、場合によっては、出力装置の感度または増幅器の非線形性のために、小さい反射信号が失われる可能性がある。また、欠陥２２が表面に非常に近い場合は、欠陥２２に対応する反射波２８が増幅器によって受信され、初期パルス２６またはインターフェース信号とほぼ同時にディスプレイ２０に出力される可能性がある。アナログディスプレイに表示される場合、初期パルス２６は、表面に近い反射波２８に比べて非常に大きいため、小さい反射信号２８も、より大きな波形の中で失われる。

図２を参照すると、検査対象物内を伝搬した反射波形を表す信号Ｓが、ＤＬＡ １００の入力１０２に印加される。増幅器１０４が、減衰されない信号Ｓの処理に適した利得を有し、信号Ｓを、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１０６に入力するために増幅する。本発明に用いられるすべてのＡ／Ｄ変換器が、高ダイナミックレスポンスレンジの１４ビット変換器であることが好ましいが、本発明は、それぞれのタイプのアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器でほぼ実施可能である。増幅器１０４の出力は、Ａ／Ｄ変換器１０６に入力され、非常に高いレートでサンプリングされて、アナログ信号Ｓのデジタイズされた表現ｄ１を与える。サンプリング周波数は、アナログ信号周波数の少なくとも２倍でなければならず、実践上は、アナログ信号Ｓの周波数の少なくとも３倍であることが好ましい。好ましいサンプリング周波数は、信号周波数が低い用途の場合には５０ＭＨｚ前後であり、信号周波数が高い用途の場合には１００ＭＨｚ前後であるが、多かれ少なかれ、アナログ信号Ｓの周波数に依存してよい。

アナログ信号Ｓは、同時に、少なくとも１つの減衰器によって処理される。図２は、１つの減衰パス１１６だけを示しているが、本発明のＤＬＡ １００は、一般に、減衰値が異なる複数の並列パスを含むことが可能であることを理解されたい。各減衰パス１１６は、減衰パス１１６と同様に、直列接続された減衰器１１０、増幅器１１２、およびＡ／Ｄ変換器１１４を含む。図２の例では、減衰器１１０は、信号Ｓを、増幅器１１２に入力するために減衰させる。減衰値は、−６ｄｂ刻み（たとえば、−２４ｄｂ、−３０ｄｂ、−３６ｄｂなど）で選択されることが好ましい。これは、６ｄｂ減衰するごとの追加サンプリングビットに対応するので便利であるが、必要に応じて任意の大きさの信号減衰に置き換えることが可能である。図２に示した例では、増幅の前に減衰器１１０によってマイナス（−）４２ｄｂの信号減衰が与えられている。増幅器１１２は、所望の出力レベルの増幅信号を与えるために、減衰された信号Ｓのダイナミックレスポンスレンジに適した利得を有する。増幅器１１２の出力は、Ａ／Ｄ変換器１１４に入力され、Ａ／Ｄ変換器１０６と同じレートで同時にサンプリングされ、信号Ｓの第２のデジタイズされた表現ｄ２を与える。任意の数の減衰パスを用いて、それに対応する数の増幅器に入力するために信号Ｓを同時に処理することが可能である。減衰値は、所望のレスポンスレベルに適合するように選択的に割り当てられ、各増幅器は、関連付けられたＡ／Ｄ変換器に対して所望の出力信号レベルを与えるために、関連付けられた減衰器を基準として設計された利得レベルを有する。

ロジック回路１１８は、Ａ／Ｄ変換器１０６、１１４のデジタイズ出力ｄ１、ｄ２、または追加パスが使用されている場合はすべてのパスのデジタイズ出力の信号レベルを解析する。信号Ｓの振幅が変動するにつれて、ロジック回路１１８は、変換器１０６、１１４のどれが最大出力を有し、どれが線形かを判定する。ロジック回路１１８は、各変換器からのデジタイズ出力信号が、所定の飽和しきい値と所定の最小信号レベルとの間に収まるかどうかを判定する。所望のレンジから外れた出力（すなわち、所定の飽和レベルを超える出力と、最小信号レベルを下回る出力）は除去される。飽和しきい値レベルと最小レベルとの間に収まった、選択された変換器の出力波形は、デジタルメモリ記憶装置（図示せず）に保存される。異なる振幅を有する信号の保存された出力波形は、その後、ロジック回路１１８によって結合され、増幅器出力に接続されたオシロスコープ２０または他の周辺装置に表示するための連続的な線形デジタル出力が形成される。５０ＭＨｚサンプリングレートでは２０ナノ秒ごとに発生するサンプル点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３などのそれぞれにおいて、複数のＡ／Ｄ変換器の出力が利用可能である。したがって、ロジック回路１１８は、サンプル点Ｎ１について、どの出力がレンジ内にあるかを判定し、その振幅をロジック回路出力において用いる。次に、ロジック回路１１８は、サンプル点Ｎ２について、どのＡ／Ｄ出力をロジック回路出力において用いるかを決定する。この処理がサンプル点ごとに続けられる。１４ビットＡ／Ｄ変換器１１４の入力における（ほぼ）６ｄＢごとの減衰は、感度の追加ビットおよび結果として得られるロジック回路出力信号のレスポンスレンジの倍層に対応する。結果として得られるロジック回路出力信号のダイナミックレスポンスレンジは２０ビットより大きく、これは、個々の増幅器とＡ／Ｄ変換器との組み合わせの複数のダイナミックレスポンスレンジの合計に相当する。結合された出力信号のダイナミックレスポンスレンジを画面または記録装置での表示向けに圧縮するために、デジタル信号を、ロジック回路１１８に実装された、対応する変換アルゴリズムによって、対数尺度に変換することが可能である。この変換アルゴリズムは、既存の手法で生成可能なダイナミックレンジより大きなダイナミックレンジで、より正確な対数出力を生成する。

対象物の検査のために、反射された超音波波形を表すアナログ信号を複数のデジタル成分に変換する方法を図３で説明する。このフローチャートは、全体では２００という参照符号であり、ステップ２１０から始まる。ステップ２１０では、反射されたアナログ信号の処理として、複数の異なる増幅器を用いてアナログ信号を同時に増幅する。次にステップ２１２で、アナログ信号を、所定の複数の減衰レベルで減衰させてから、複数の増幅器の少なくとも１つに入力する。次にステップ２１４で、複数の増幅器のそれぞれの利得を、所望の所定のアナログ出力信号レベルレンジに適する所定のレベルに設定する。ステップ２１６で、複数の増幅器のそれぞれからの増幅されたアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。次にステップ２１８で、システムが、どの変換されたデジタル信号が、（１）線形であって（２）振幅が他の変換されたデジタル信号より大きいレスポンスを有するかを判定する。ステップ２１８の後、ステップ２２０で、最大の、線形の変換されたデジタル信号をメモリまたは他のデジタル記憶手段に格納する。次にステップ２２２で、変換され、記憶された複数のデジタル信号を結合して、反射波形のデジタル表現を生成する。反射波形のデジタル表現は、個々の増幅器のそれぞれのレスポンスレンジより広いダイナミックレスポンスレンジを有する。任意であるステップ２２４では、記憶され、結合された、最大の、線形の変換されたデジタル信号を対数変換アルゴリズムに入力する。次にステップ２２６で、結合された、最大の、線形の変換されたデジタル信号を、検査対象物の物理特性ならびに欠陥や不具合を解析するための出力装置に表示する。

検査対象物の表面近くに存在する小さな欠陥の検出が困難であることは知られている。表面近くの欠陥からの反射波形は、インターフェース信号や表面反射に比べて非常に小さい。インターフェース信号の振幅は、欠陥からの信号の振幅の１００倍のオーダーである可能性がある。したがって、大きい方の信号が増幅器に負担をかけすぎ、欠陥からの信号が、大きい方の波形信号に含まれ、失われるか、検出不能になる。インターフェース信号の振幅および波形は既知なので、インターフェースは、増幅器出力から差し引くことが可能である。インターフェース信号を除去することにより、表面近くのきずのような小さな信号が選択的に表示され、検査者は、表面近くの欠陥の、より正確な探傷結果を得ることが可能になる。また、検査対象物の厚さの測定に超音波探傷手法を用いる場合は、広いダイナミックレスポンスレンジにわたる波形をキャプチャすることによって、振幅の広範囲の変動を除去することができ、厚さ測定の精度を高めることが可能になる。

本発明の別の優位性は、高い減衰によって特性化される複合部品の超音波探傷において実現される。ＤＬＡの広いダイナミックレスポンスレンジにより、複合材料の検査対象物の様々な深さからの信号の正確な振幅測定、ならびに厚さが大きく変動する複合物の検査が可能である。

最後に、ＤＬＡにより、アナログ対数増幅器に一般的に付随するノイズや精度の制約を受けることなく、記憶された波形の結合出力を容易に処理して対数尺度にすることが可能である。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、それらの実施形態の要素に対して、様々な変更が可能であり、均等物による置換が可能であることを理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために様々な修正が可能である。したがって、本発明は、発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を包含するものとする。

本発明のデジタル対数増幅器を用いる検査設備の概略図である。 デジタル対数増幅器の概略図である。 反射された超音波波形を表すアナログ信号を複数のデジタル成分に変換する方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ 探傷検査設備
１２ パルス発生回路
１４ トランスデューサ
１６ 検査対象物
１８ 超音波音響波
２０ オシロスコープ
２２ 欠陥
２４ 後壁
２６ 初期パルス
２８ 反射波
１００ デジタル対数増幅器（ＤＬＡ）
１０２ 入力
１０４ 増幅器
１０６ Ａ／Ｄ変換器
１１０ 減衰器
１１２ 増幅器
１１４ Ａ／Ｄ変換器
１１６ 減衰パス
１１８ ロジック回路

Claims (9)

1. 超音波音響波（１８）を欠陥を有する検査対象物（１６）内に伝搬させ、前記反射波を受け、該反射波を電気信号に変換し、前記欠陥からの反射波形とインターフェース信号とを含む超音波アナログ信号（１０２）を出力するトランスデューサ（１４）と、
   該トランスデューサ（１４）にパルスを送信するパルス発生回路（１２）と、
   反射波を表す前記超音波アナログ信号（１０２）を処理するデジタル対数増幅器（１００）であって、
   前記アナログ信号（１０２）を所望のレベルまで増幅する第１の増幅器手段（１０４）を含む、少なくとも１つの減衰されない処理パスと、
   前記増幅されたアナログ信号をデジタルサンプリングして、前記アナログ信号を前記アナログ信号のデジタイズされた表現に変換する変換器手段（１０６）と、
   前記アナログ信号（１０２）を減衰させる減衰手段（１１０）と、前記減衰されたアナログ信号（１０２）を所望のレベルまで増幅する第２の増幅器手段（１１２）と、前記減衰され、増幅されたアナログ信号（１０２）をデジタルサンプリングして、前記アナログ信号のデジタイズされた表現を形成する変換器手段（１１４）とをそれぞれが含む少なくとも１つの減衰処理パス（１１６）と、
   前記複数のデジタイズされた信号の中から、線形であって、前記複数のデジタイズされた信号の中の最大の振幅を有するデジタイズされた信号を１つ選択するロジック回路手段（１１８）と、
   複数の選択された、デジタイズされた信号を記憶する記憶手段と、
   前記記憶された複数のデジタイズされた信号を結合して、連続的な線形デジタル波形を形成する結合手段とを備えるデジタル対数増幅器（１００）と、
   前記連続的な線形デジタル波形から前記インターフェース信号を除去した信号を表示するディスプレイと、
   を含み、
   前記少なくとも１つの減衰パスの前記減衰手段（１１０）が減衰器（１１０）であり、前記減衰パス（１１６）のそれぞれが、様々な減衰値の減衰器（１１０）を有する、超音波探傷検査設備（１０）。
2. 前記結合手段が、前記連続的な線形デジタル波形の振幅を広いダイナミックレンジにわたって圧縮するために、前記複数のデジタイズされた信号を対数尺度に変換するよう構成された一連のロジック回路である、請求項１記載の超音波探傷検査設備（１０）。
3. 前記アナログ信号が、周波数の低い信号であり、前記変換器手段のデジタルサンプリングレートが実質的に５０ＭＨｚである、請求項１または２に記載の超音波探傷検査設備（１０）。
4. 前記アナログ信号が、周波数の高い信号であり、前記変換器手段のデジタルサンプリングレートが実質的に１００ＭＨｚである、請求項１または２に記載の超音波探傷検査設備（１０）。
5. 前記変換器手段（１０６、１１４）が１４ビットアナログデジタル信号変換器であり、前記ロジック回路手段の出力信号のダイナミックレスポンスレンジは２０ビットより大きい、請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波探傷検査設備（１０）。
6. 前記第１の及び第２の増幅器手段（１０４、１１２）のそれぞれの利得が、所定のアナログ出力信号レベルレンジに適する所定のレベルに設定される、請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波探傷検査設備（１０）。
7. 前記結合手段から出力される前記反射波のデジタル表現は、前記第１の及び第２の増幅器手段（１０４、１１２）のそれぞれのレスポンスレンジより広いダイナミックレスポンスレンジを有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波探傷検査設備（１０）。
8. 前記ロジック回路手段（１１８）は、所定のサンプリングレートによるサンプリングにより発生した第１及び第２のサンプリング点（Ｎ１、Ｎ２）の内の前記第１のサンプリング点（Ｎ１）が所定のレンジ内にあるかを判定し、前記第２のサンプリング点（Ｎ２）において前記複数のデジタイズされた信号の中の最大の振幅を有するデジタイズされた信号を１つ選択する、請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波探傷検査設備（１０）。
9. 前記様々な減衰値が−６ｄＢ刻みである、請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波探傷検査設備（１０）。
   
   

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