JPS62263462A - 超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分升〕 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
ルの検出か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ｊ°？彼信弼を用いて厚
み測定とか、欠陥検査、探傷等が行われるが、このよう
な超ｒ１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から超り波ビ
ームが発射される。この超音波が被検査物ｌの表面に当
たってはね返って来るのが表面反射波（エコーＳ、以下
Ｓ波）、モして内部欠陥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杖態は、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伏態を
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−
Ｌ　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、深傷特等にあっては、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）まての時間ｔを計測
して被測定物の厚みとか傷の位置等が／１１１１定され
る。しかしこの場合、有意なエコー信シー；、の他にノ
イズ信号や、その周囲の信号等がエコー信シ；−２−ｔ
、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％、Ｌ２２で示すように、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りを設定し、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ｔ７が測定されるか、エコー信号２−３を検出し
て時間ｔ２が測定されてしまい、その本来の４！１１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
等を解決するものであって、受信エコー信号のより１：
、確なビーム路程の測定又は／及びエコー信号のピーク
レベルの検出が容易な和音／ｇ！、？ＩＩＩＩ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。

［作１（１コ 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、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吠態
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。

〔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
そ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、コンビュ　、−夕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である。なお、各図において、同
一のものは同一の符弓で示す。

第１図に見るように、送信ゲート信号発生回路５からの
４５吋に応じて送信回路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γ−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／Ｉ−１定木を構成している。

時間計測回路９は、ｎ個のＳ波相のカウンタ部１０７．
１０２．＊ａ＊、１０１．ａｍ、Ｉｏｎと、ｎ個のＦ波
用のカウンタ部１１１，１１２゜・・・、１１１．　　
・・、１１ｎとを有していて、さらに、ｎ個の閾値設定
器１２１，１２２．　　・・”＋　　１２１　＋　　”
　”＋　　１２ｎと、ｓｍ用の最大カウント値判別回路
１３、Ｆ波相の最大カウント値判別回路１４、演３７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波相のカウンタ部１０１　　（ｉ　＝　ｌ〜ｎ
　）及びｎ個のＦ波相のカウンタ部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１２１　　（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タする。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トする。

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ｊｊｌ　）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波相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
ｌ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１０１を決定してそ
の値を読込む。Ｆ波相の最大カウント値判別回路１４も
、ｎ個のＦ波相のカウンタ部１１１　　（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。

演算器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波相のカウンタ部１１ｉ　　（ｉ
＝１〜ｎ）の値をそれぞれをゼロクリアする（ｒｉ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、送信ゲート信号発生
回路５とカウンタ部１０ｔ（ｉ＝１〜ｎ）の出力信号を
受けて、各カウンタ部１１１に動作抑１Ｆ、のための制
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彼の受信信号通過（各カウンタ部１０１　　（ｉ＝１
−ｎ）がＯＮ（オン）からＯＦＦ　（オフ）後１〜２μ
５ｅｃ）までの間、各カウンタｉｌｌ　　（ｉ＝１〜ｎ
）が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［・０．１２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−じ−が超？“？彼測定器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−ｊ
に対応し、Ｓは、Ｓ波に対応する受倍信号であり、Ｆは
、Ｆ波に対応する受信信号である。

このような信シＪ°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波相のカウンタｆｆｌ＜１０ｚ〜力ウンタ部１
０／２（ただしｎ　＝　１２である）及びＦ波相のカウ
ンタ８Ｂ１１１〜カウンタ？ＰＪ１１ｚ２（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。

このような伏嘘で、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波相のカウ
ンタＮ　１０７〜カウンタ都１０？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［〕シて行く。しかし、信号Ｓは、閾値レベル１
０〜１２を越えないため、カウンタ部１０１．〜カウン
タ部１０１２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１３が最大となるカウン
タ部のカウント値として、前述の場合、カウンタ部ｌＯ
テ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１５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
相のカウンタ部ｔｔ、〜カウンタ部ｉｔｓ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１０６〜カウ
ンタ部１０ノ２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
のカウント値として、カウンタ部１０ｓ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Ｐ１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　＝　（ＮＦ２−Ｎｓ９）　Ｘ　（カウンタの１カ
ウント当たりの時間） ＝　ＣＮｒＳ−Ｎｓ９）　Ｘ　（１クロツクの周期）こ
こで、ｌ）’Ｉ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、？ｌｉ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ｎ　ｓｅｅ〜数十ｎ５ｅＣ）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ｔ　
ｘ　ｌとなり、測定誤差Δ１　（＝Δｔ２−Δｔｌ）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＝Δｔ２−Δｔ／は、第２
図（ｂ）に見るように、誤差Δｔ＝Δｔ２″−Δｔｌ’
　となり、しかもΔｔ７’輯０、Δｔ２’＝ｏ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
、はぼΔｔ、１−Δｔ２’　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Δを一〇とすることが可能
となる。

その結果、より精度の高い伏態で、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個の閾値設定器設定
器１８１　　（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１９１　　
（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吋”１０１　　（ｉ＝ｌ−
ｎ）及び“ｌｌｉ　　（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波ゼーク検出回
路２１とは、それぞれの波形のほぼピーク値に対応して
いて、前記の例では、最大カウント数のカウンタ部１０
？に対応する閾値がＳ枝のピークに対応する。同様に、
カウンタ１１ｓ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ｍくの
番号“１０１”　（ｉ＝１〜ｎ）及び“１１１″　（ｉ
＝１〜ｎ）をＳ波ピーク検出回路２０とＦ波ピーク検出
回路２１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７９ｉ４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′、１Ｓｉ
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ｉｆｆ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＋ｉ　１ｄｌ１１回路９のｒ１個のＳ波相の
カウンタ部１０ｉ　　（ｉ＝１〜ｎ）とｎ個のＦ波相の
カウンタ部１１１（ｉ＝１〜ｎ）とは、それぞれソフト
カウンタ七してメモリ領域に設定されていて、ｒ１個の
閾値段定器１２１　　（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
てそれぞれが閾値を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波相の最大カウント値判別回路
１３とＦ波相の最大カウント値判別回路１４も゛ｉ１１
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ツプす
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：’ｆＩｇＬ測定番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、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波しベル（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ウンタ１０１をストップ
する処理をする。

カウンタ１０１がストップする七、ステップ■にて遅延
信号発生回路１５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ツプした時
点で、これとステップ■にて、Ｆ波の閾値を順次判定し
て、Ｆ波しベル（受信信号）≧閾値ｊ　（ｊ＝１〜ｎ）
となった時点で各間４ｎＹに対するカウンタｌｌｊ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ｓ１２！！川、ＢはＦ波相）の中で閾
値レベルの最も高いカウンタＬｏ＋、１１ｊのカウント
値を読取る。

次のステアブ■にて＋ｌｉｉ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−Ｌ１説明してきたが、実施例では、閾値レベルが１
２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、ある程度粘度を抑えた原価の易いものと
か、７隻な精度に応した超音波測定装置を同様なカラ／
り回路等を追加／削除することにより簡り１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Ｆ６１．一方だけでもよく
、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よ（、
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。

［発明の効果コ 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
そ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１１１１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８図は、探触子とＡｌｌ定
色の関係の説明図、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波相の
カウンタ部、 １１ｉ・・・Ｆ波相のカウンタ部、 １２ｉ・・・閾値設定器、 １３・・・８６１用の最大カウント値判別回路、１４・
・・Ｆ波相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 (3)

【特許請求の範囲】
1. （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値又は時
   間を算出することを特徴とする超音波測定装置。
2. （２）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。
3. （３）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項又は第２項記載
   の超音波測定装置。