JPH068806B2

JPH068806B2 - 超音波測定装置

Info

Publication number: JPH068806B2
Application number: JP61106383A
Authority: JP
Inventors: 勝永尾串
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPS62263462A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、超音波測定装置に関し、特に、より正確な
ビーム路程の測定とか、エコー信号に対するピークレベ
ルの検出が容易な超音波測定装置に関する。

［従来の技術］超音波測定装置にあっては、超音波信号を用いて厚み測
定とか、欠陥検査、探傷等が行われるが、このような超
音波計測における一般的な送受信波形は第７図に示すよ
うなものである。

第６図に見るように、送信回路から探触子３に送信パル
スが印加されると、これに応じて探触子３から超音波ビ
ームが発射される。この超音波が被検査物１の表面に当
たってはね返って来るのが表面反射板（エコーＳ，以下
Ｓ波）、そして内部欠陥２に当たってはね返って来るの
が欠陥反射波Ｆ（エコーＦ，以下Ｆ波）である。

探触子３は、このようなエコーを受信するものである
が、、この時エコー信号の状態は、被検査物により、そ
の波形が異なり、また、そのパルスの数も相違する。な
お、第７図は、この場合の一般的なエコー受信信号の状
態を示していて、３ａは、受信エコー信号を抜き出すゲ
ート信号、Ｔは送信パルス、そして超音波のエコー信号
２−１、２−２、２−３がその反射波の受信信号であ
る。

板厚計や欠陥検査，探傷時等にあっては、送信パルスＴ
（又は表面からのＳ波）からエコー信号２−２（傷から
のＦ波又は底面からのエコー信号）までの時間ｔを計測
して被測定物の厚みとか傷の位置等が測定される。しか
しこの場合、有意なエコー信号の他にノイズ信号や、そ
の周囲の信号等がエコー信号２−１，２−３として混入
して来る。なお、本当に得たいエコー信号は、受信した
エコー信号のうちエコー信号２−２で示すように、一般
に、そのピーク値が最大になった時のパルス信号であ
る。

また、似たような方式として、超音波の亀裂計測の場合
などにあっては、第８図に示すように、エコー信号のレ
ベルにあるスレッシュホールド電圧ｈを設定し、そのレ
ベルを越えたところまでの時間を計測する。しかしこの
場合に、スレッシュホールドレベルｈを越えた最初の時
間か、あるいは最後の時間を計測することしかできず、
必ずしも、エコー信号の最大ピーク値の時間計測となっ
ていない。

すなわち、第７図において、エコー信号２−１を検出し
て時間ｔ_１が測定されるか、エコー信号２−３を検出し
て時間ｔ_２が測定されてしまい、その本来の測定値ｔと
は相違することになる。

［発明の目的］したがって、この発明は、このような従来技術の問題点
を解決するものであって、受信エコー信号のより正確な
ビーム路程の測定あるいはビーム路程測定及びエコー信
号のピークレベルの検出が容易の超音波測定装置を提供
することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］このような目的を達成するこの発明の超音波測定装置に
おける手段は、エコー信号の受信信号に対してその最大
値を越える範囲に渡って複数の閾値レベルを測定し、こ
れら複数の閾値レベルのそれぞれに対応するカウンタを
設けて、これらカウンタを送信基準時間で同時にスター
トさせ、それぞれの閾値レベルで受信信号を検出して、
それぞれの検出時点で、その閾値に対応する前記カウン
タをストップし、ストップしたカウンタのカウント値の
うちの最大カウント値に基づきピークの路程時間を算出
するというものである。

［作用］このようにエコー信号の受信信号に対してその最大値を
越える範囲に渡って複数の閾値レベルを設定して、それ
ぞれの閾値を越えるか否かを監視することで、最大閾値
検出点でピーク位置が分かり、その点までのカウンタの
カウント値によりエコー信号までの時間が分かる。

その結果、閾値レベルの設定の精度に応じ、より高い精
度で路程測定が可能であって、従来のように波形の状態
とか、ノイズに影響され難い超音波測定装置が実現でき
る。

［実施例］以下、この発明の一実施例について図面を参照して詳細
に説明する。

第１図は、この発明の超音波測定装置を適用した一実施
例のブロック図、第２図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ
の動作を説明するためのタイミングチャート、第３図
は、超音波測定装置を適用した他の実施例のブロック
図、第４図は、コンピュータ処理をする場合の他の実施
例のフローチャート、第５図は、受信エコー信号の時間
測定の関係の説明である。なお、各図において、同一の
ものは同一の符号で示す。

第１図に見るように、送信／ゲート信号発生回路５（以
下単にゲート信号発生回路５）からの信号に応じて送信
回路６から探触子３に送信パルスを印加すると、これに
応じて探触子３から超音波ビームが発射される。

そして、被検査物１からのエコーＳとエコーＦとを探触
子３が受信すると、それが受信電気信号に変換されて検
波回路７、増幅回路８を経て検波されて増幅されて、測
定信号として時間計測回路９へと送出される。ここで時
間計測回路９より前の前記回路からなる、符号４で示す
回路は、超音波測定器を構成している。

時間計測回路９は、ｎ個のＳ波用のカウンタ部１０_１，
１０_２，・，１０ｉ，・，１０ｎと、ｎ個のＦ波用のカ
ウンタ部１１_１，１１_２，・，１１ｉ，・，１１ｎとを
有していて、さらに、ｎ個の閾値設定器１２_１，１
２_２，・，１２ｉ，・，１２ｎと、Ｓ波用の最大カウン
ト値判別回路１３、Ｆ波用の最大カウント値判別回路１
４、演算回路１５、クロック発生器１６、そして遅延回
路１７とからなる。

ｎ個のＳ波用のカウンタ部１０ｉ（ｉ＝１〜ｎ）及びｎ
個のＦ波用のカウンタ部１１ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、それ
ぞれコンパレータとカウンタとを内蔵していて、各閾値
設定器１２ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から供給される閾値レベル
以上の第１の信号が到来したときに、コンパレータから
の信号を受けてそのカウンタが動作状態（イネーブル）
となり、クロック発生器１６からのクロック信号をカウ
ントする。そして閾値レベル以上の第２の信号が到来し
たときに、コンパレータからの信号を受けてそのカウン
タのカウント動作が停止する。

なお、第１の信号は、送信波の受信側での信号Ｔ（第２
図（ａ）参照）に相当し、第２の信号は、エコーの受信
信号であって、それぞれのカウント部に対して設定され
た各閾値設定器１２ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から受けている閾
値レベル（例えば所定の電圧）をエコーの受信信号が越
えたときに相当する。

また、Ｓ波用の最大カウント値判別回路１３は、ｎ個の
Ｓ波用のカウンタ部１０１（ｉ＝１〜ｎ）のうちから最
大のカウント値を選択するものであって、例えば各カウ
ンタ部のカウント停止を監視して、閾値レベルがより大
きく設定されたカウント部（ここでは、仮に添え字_１か
ら順に閾値レベルが大きくなり、その最大値が添え字ｎ
であるとする）のカウントがストップしたか否かによ
り、最大値を保持するカウンタ部１０ｉを決定してその
値を読込む。Ｆ波用の最大カウント値判別回路１４も、
ｎ個のＦ波用のカウンタ部１１ｉ（ｉ＝１〜ｎ）のうち
から最大のカウント値を選択する同様な回路である。

演算回路１５は、最大カウント値判別回路１３と最大カ
ウント値判別回路１４との差値を算出し、それを時間値
に換算して出力する回路であって、前記算出動作が終了
して出力したときに、各Ｓ波用のカウンタ部１０ｉ（ｉ
＝１〜ｎ）及び各Ｆ波用のカウンタ部１１ｉ（ｉ＝１〜
ｎ）の値をそれぞれをゼロクリアする信号をこれら回路
に送出し、それぞれのカウンタ部を初期状態に設定す
る。

また、遅延回路１７は、各カウンタ部１１１（ｉ＝１〜
ｎ）がＳ波の受信信号を受けているときに、動作しない
ようにするための回路であって、ゲート信号発生回路５
とカウンタ部１０ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の出力信号（Ｓ波の
立上がりを検出する信号）を受けて、ゲート期間にこの
出力信号をＳ波を通過する時間分だけ遅延させることで
各カウンタ部１１ｉに停止動作を抑止するための制御信
号を送出するものである。このことにより、送信ゲート
信号発生回路５からの信号出力時から表面反射波のＳ波
の受信信号通過（各カウンタ部１０ｉ（ｉ＝１〜ｎ）か
らＯＮ（オン）からＯＦＦ（オフ）後１〜２μsec）ま
での間、各カウンタ１１ｉ（ｉ＝１〜ｎ）が停止動作し
ないようにしている。

次に、第２図（ａ），（ｂ）に従ってその動作について
説明する。

第２図に示すものは、説明の都合上、１２段階の閾値レ
ベル１〜１２を設定したものであって、その（ａ）に見
るような信号が超音波測定器４において時間の関数とし
て発生する。なお、Ｔは、送信波の信号に対応し、Ｓ
は、Ｓ波に対応する受信信号であり、Ｆは、Ｆ波に対応
する受信信号である。

このような信号が時間とともに、超音波測定器４から時
間計測回路９に送出されると、送信信号対応の信号Ｔが
各カウンタ部に設定されている閾値レベルを越えること
から、まず、送信信号に対応する受信側での信号Ｔによ
りＳ波用のカウンタ部１０_１〜カウンタ部１０_１２（た
だしｎ＝１２である）及びＦ波用のカウンタ部１１_１〜
カウンタ部１１_１２（ただしｎ＝１２である）がそれぞ
れ動作してクロック発生器１６からのクロック信号のカ
ウントを開始する。

このような状態で、次に、Ｓ波に対応する信号Ｓが閾値
レベル１〜９までを順次越えて行くため、Ｓ波用のカウ
ンタ部１０_１〜カウンタ部１０_９の各カウンタは、それ
ぞれ設定された閾値を越えた時点でそのカウントを順次
停止して行く。しかし、信号Ｓは、閾値レベル１０〜１
２を越えないため、カウンタ部１０_１０〜カウンタ部１
０_１２の各カウンタはカウントし続ける。

そして停止したカウンタ部のうちカウント値が最大のカ
ウンタ部として、前述の場合、カウンタ部１０_９からそ
のカウント値Ｎs9を読込み、それを保持して演算回路１
５へと送出する。

同様に、Ｓ波の後にＦ波が来ると、それに対応して信号
Ｆが閾値レベル１〜５までを順次越えて行くため、Ｆ波
用のカウンタ部１１_１〜カウンタ部１１_５の各カウンタ
は、それぞれ設定された閾値を越えた時点でそのカウン
トを順次停止して行く。しかし、信号波形Ｆは、閾値レ
ベル６〜１２を越えないため、カウンタ部１０_６〜カウ
ンタ部１０_１２の各カウンタはカウントし続ける。そし
て最大カウント値判別回路１４が最大となるカウンタ部
のカウント値とし、カウンタ部１０_５からそのカウント
値Ｎf5を読込み、それを保持して演算回路１５へと送出
する。

演算回路１５では、最大カウント値判別回路１３及び１
４から出力を受けると、これらから送出される数値の差
値Ｐ、すなわち、Ｐ＝Ｎf5−Ｎs9を算出して、さらに、
次式に従って、時間差ｔｘを算出する。そしてそれを出
力する。

ｔｘ＝（Ｎf5−Ｎs9）×（カウンタの１カウント当たり
の時間）＝（Ｎf5−Ｎs9）×（１クロックの周期）ここで、前記時間差ｔｘについて、第５図を参照して考
えて見ると、Ｓ波とＦ波との時間差を、単に、一定の周
期で１つのカウンタでカウントすると仮定すると、その
カウンタのカウント数に１カウント当たりの時間（通常
数ｎsec〜数十ｎsec）を乗じて時間を求めることができ
る。

しかし、この場合、測定できる時間差は、第５図のｔx'
となり、測定誤差Δｔ（＝Δｔ_２−Δｔ_１）を生じる。

Δｔ＝ｔｘ−ｔx' しかし、先の実施例のように、閾値レベルを段階的に複
数設定しておけば、誤差Δｔ＝Δｔ_２−Δｔ_１は、第２
図（ｂ）に見るように、誤差Δｔ＝Δｔ_２′−Δｔ_１′
となり、しかもΔｔ_１′≒０，Δｔ_２′≒０である。ま
た、閾値レベル１〜１２を均等に設定することにより、
ほぼΔｔ_１′≒Δｔ_２′となる可能性が大きい。そこ
で、実施例のようにＳ波とＦ波との時間差を測定した場
合には、特に、誤差ΔｔをΔｔ≒０とすることが可能と
なる。

その結果、より精度の高い状態で、Ｓ波とＦ波との時間
を測定することができる。

第３図に示す実施例は、閾値設定器をＳ波とＦ波とにそ
れぞれ独立に設けた例であって、ｎ個の閾値設定器１８
ｉ（ｉ＝１〜ｎ）がＳ波に対するカウント部用の閾値設
定器であって、ｎ個の閾値設定器１９ｉ（ｉ＝１〜ｎ）
がＦ波に対するカウンタ部用の閾値設定器である。

また、第３図では、Ｓ波ピーク検出回路２０とＦ波ピー
ク検出回路２１とが設けられていて、最大カウント値判
別回路１３及び最大カウント値判別回路１４の最大カウ
ント値を示すカウンタ部の番号“１０ｉ（ｉ＝１〜ｎ）
及び“１１ｉ（ｉ＝１〜ｎ）がそれぞれＳ波ピーク検出
回路２０とＦ波ピーク検出回路２１にセットされるよう
に構成されている。

すなわち、Ｓ波ピーク検出回路２０とＦ波ピーク検出回
路２１とは、それぞれの波形のほぼピーク値をその番号
から出力するものであって、前記の例では、最大カウン
ト数のカンウンタ部１０_９に対応する閾値がＳ波のピー
クに対応する。同様に、カウンタ１１_５の閾値がＦ波の
ピークに対応する。

そこで、最大カウント値判別回路１３及び最大カウント
値判別回路１４の最大カウント値を示すカウンタ部の番
号“１０ｉ”（ｉ＝１〜ｎ）及び“１１ｉ”（ｉ＝１〜
ｎ）をＳ波ピーク検出回路２０とＦ波ピーク検出回路２
１にそれぞれ記憶することでピーク値を検出することが
可能である。

第４図は、前記実施例をコンピュータにて処理する場合
の実施例であって、そのハードウェアの構成は、超音波
測定器４から探触子３を介して超音波ビームを発生し
て、そのエコーに対する信号を超音波測定器４から、例
えばＡ／Ｄ変換，インタフェースを介してマイクロプロ
セッサが受けるものであり、マイクロプロセッサを内蔵
した一般のパーソナルコンピュータ又はマイクロコンピ
ュータで実現可能である。そこでその詳細は割愛する。
したがって、その処理のフローを中心に説明する。

なお、時間計測回路９のｎ個のＳ波用のカウンタ部１０
ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とｎ個のＦ波用のカウンタ部１１ｉ
（ｉ＝１〜ｎ）とは、それぞれソフトカウンタとしてメ
モリ領域に設定されていて、ｎ個の閾値設定器１２ｉ
（ｉ＝１〜ｎ）は、同様にメモリ領域に比較基準値とし
てそれぞれ記憶されている。そしてそれぞれが閾値が越
えたか否かの判定は判定処理プログラムで行う。また、
Ｓ波用の最大カウント値判別回路１３とＦ波用の最大カ
ウント値判別回路１４も判定処理プログラムで実現さ
れ、演算回路１５は、演算処理にて行う。また、クロッ
ク発生器１６のクロック周期としては、マイクロプロセ
ッサがソフトカウンタをカウントアップするタイミング
で決定される。

まず、ステップにて、送信処理をして、超音波測定器
４から探触子３を介して超音波送信信号を発生して、そ
のエコー信号を受信して超音波測定器４からＡ／Ｄ変
換，インタフェースを介してマイクロプロセッサが受け
る。

ステップにて、超音波の送信信号の発生とともに、メ
モリ領域に設定した全カウンタ（ソフトカウンタ）をス
タートさせる。

ステップにて、受信エコー信号を所定の周期でサンプ
リングし、ステップにて、Ｓ波の閾値を順次判定し
て、Ｓ波レベル（受信信号）≧閾値ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と
なった時点で各閾値に対するカンウタ１０ｉをストップ
する処理をする。

カウンタ１０ｉがストップすると、ステップにて遅延
回路１７としてのソフトタイマをスタートさせる。

このソフトタイマが所定の時間をカウントアップした時
点（Ｓ波が通過する時点として）で、これとステップ
にて、Ｆ波の閾値を順次判定して、Ｆ波レベル（受信信
号）≧閾値ｊ（ｊ＝１〜ｎ）となった時点で各閾値に対
するカウンタ１１ｊをストップする処理をする。

そして、ステップにて、ストップしているカウンタ
Ａ，Ｂ（但し，ＡはＳ波用，ＢはＦ波用）の中で閾値レ
ベルの最も高いカウンタ１０ｉ，１１ｊのカウント値を
読取る。

次のステップにて前記カウント値の差を算出して、そ
の時間を計算する。そしてステップにて全てのカウン
タをゼロクリアして、次の送信処理に備える。

以上、説明してきたが、実施例では、閾値レベルが１２
段階のものの例について説明しているが、閾値レベルの
数を増やせば増やすほど、測定精度が向上することはも
ちろんであり、これは、例えば、コンピュータとの関係
で２の累乗として、閾値レベル＝３２，６４，１２８，
２５６等と増加させて設定することができる。

また、第１図及び第３図の実施例から理解できるよう
に、カウンタ等を並列に接続すれば容易に閾値レベルを
増加でき、カウンタの接続個数の増減により、より精度
の高いものとか、ある程度精度を抑えた原価の易いもの
とか、必要な精度に応じた超音波測定装置を同様なカウ
ンタ回路等を追加／削除することにより簡単に実現でき
る。

実施例では、Ｓ波とＦ波をともに測定する例について述
べているが、これはＳ波又はＦ波一方だけでもよく、又
は他の同様なエコーであってもよいことはもちろんであ
り、特に、説明していないが、これらの波がゲートを介
して採取されてもよいことももちろんである。

また、実施例では、送信パルスに対応する受信側での送
信信号を基準としているが、このような送信パルスに限
らず、いわゆる送信基準を示す時間信号であれば、要す
るに、カウンタは送信基準時間からカウンタをスタート
させればよい。

さらに、この発明において、閾値レベルで受信信号を検
出するということは、必ずしも閾値を越えるレベルばか
りを意味するのではなく、いわゆる閾値を比較レベル又
は基準レベルとして、これと等しい状態で受信信号を検
出する場合も含むものである。

［発明の効果］以上の説明から理解できるように、この発明にあって
は、エコー信号の受信信号に対してその最大値を越える
範囲に渡って閾値レベルを設定し、これら複数の閾値レ
ベルのそれぞれに対応するカウンタを設けて、これらカ
ウンタを送信基準時間でスタートさせ、それぞれの閾値
レベルで受信信号を検出して、それぞれの検出時点で、
その閾値に対応する前記カウンタをストップし、ストッ
プしたカウンタのカウント値のうちの最大カウント値に
基づきピーク値又は時間を算出するというものであるの
で、エコー信号の受信信号に対してその最大値を越える
範囲に渡って閾値を監視することで、最大閾値検出点で
ピーク位置が分かり、その点までのカウンタのカウント
値によりエコー信号までの時間が分かる。

その結果、閾値レベルの設定の精度に応じ、より高い精
度で路程測定が可能であって、従来のように波形の状態
とか、ノイズに影響され難い超音波測定装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の超音波測定装置を適用した一実施
例のブロック図、第２図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ
の動作を説明するためのタイミングチャート、第３図
は、超音波測定装置を適用した他の実施例のブロック
図、第４図は、コンピュータ処理をする場合の他の実施
例のフローチャート、第５図は、受信エコー信号の時間
測定の関係の説明図、第６図は、探触子と測定物との関
係の説明図、第７図は、超音波計測における一般的な送
受信波形の説明図、第８図は、従来の受信波形のうちか
らエコー受信信号の位置を検出する場合のスレッシュホ
ードレベルの説明図である。１…送信パルス、２…欠陥、３…探触子、４…超音波測定器、５…送信ゲート信号発生回路、６…
送信回路、７…検波回路、８…増幅回路、９…時間計測回路１０ｉ…Ｓ波用のカウンタ部、１１ｉ…Ｆ波用のカウンタ部、１２ｉ…閾値設定器、１３…Ｓ波用の最大カウント値判別回路、１４…Ｆ波用の最大カウント値判別回路、１５…演算回路、１６…クロック発振器、１７…遅延回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波エコー信号を受信して、送信基準時
間から前記超音波エコー信号までの時間を測定する超音
波測定装置において、前記エコー信号の受信信号に対し
てその最大値を越える範囲に渡って段階的に複数の閾値
レベルを設定し、これら複数の閾値レベルのそれぞれに
対応するカウンタを設け、これらカウンタを前記送信基
準時間で同時にスタートさせ、前記それぞれの閾値レベ
ルで前記受信信号を検出して、それぞれの検出時点で、
その閾値に対応する前記カウンタをストップし、ストッ
プしたカウンタのカウント値のうちの最大カウント値に
基づきピークの路程時間を算出することを特徴とする超
音波測定装置。
【請求項２】最大カウント値に基づきピークの路程時間
を算出し、かつ、前記最大カウンタ値をカウントしたカ
ウントに基づきビーク値を得る特許請求の範囲第１項記
載の超音波測定装置。
【請求項３】カウンタは、メモリ領域に設定されたソフ
トカウンタであって、受信信号をサンプリングしてその
値と閾値レベルとが比較判定されることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の超音波測定装置。
【請求項４】超音波エコー信号は複数受信され、これら
複数の受信信号に対して、それぞれその最大値を越える
範囲に渡って複数の閾値レベルがほぼ等しい増加量で段
階的に設定され、これら複数の閾値レベルの数に対応す
るカウンタがそれぞれの受信信号に対応して設けられて
いて、それぞれの受信エコー信号に対応する各カウンタ
のうちのそれぞれの最大カウント値に基づき複数のエコ
ー信号間の時間を算出することを特徴とする特許請求の
範囲第１項から第３項のうちのいずれか１項記載の超音
波測定装置。