RU2679648C1

RU2679648C1 - Ultrasound tomography device

Info

Publication number: RU2679648C1
Application number: RU2018120256A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Солдатов; Андрей Алексеевич Солдатов; Олеся Анатольевна Кожемяк; Юлия Викторовна Шульгина; Мария Алексеевна Костина; Павел Владимирович Сорокин; Константин Григорьевич Квасников
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2019-02-12

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: usage: for ultrasound tomography. Summary of the invention is that ultrasound tomography device contains a personal computer connected to a microcontroller, to which a multichannel generator, antenna array, multichannel amplifier, multichannel analog-to-digital converter, random access memory are sequentially connected, the device further comprises a multi-channel unit for calculating the rate of change of each ultrasonic signal, connected to the output of a multichannel amplifier and to the input of a multichannel voltage controlled oscillator, which is connected to a clock input of a multichannel analog-to-digital converter.

EFFECT: technical result: ensuring the possibility of reducing the volume of transmitted data without losing information and thereby ensuring the possibility of monitoring in real time.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области анализа с помощью ультразвуковых волн материалов или изделий из металлов, керамики, пластмасс и может быть использовано в промышленности для контроля дефектов внутри деталей, для дефектоскопии различных материалов, а также в медицине для диагностики внутренних органов.The invention relates to the field of analysis using ultrasonic waves of materials or products from metals, ceramics, plastics and can be used in industry for inspection of defects inside parts, for flaw detection of various materials, as well as in medicine for the diagnosis of internal organs.

Известно устройство ультразвуковой томографии [RU 2532597 С1, МПК G01N 29/04 (2006.01), опубл. 10.11.2014], выбранное в качестве прототипа, содержащее персональный компьютер, соединенный с микроконтроллером, который связан с блоком управления, подключенным к первому оперативному запоминающему устройству. Блок индикации соединен с микроконтроллером. Последовательно соединены многоканальный генератор, антенная решетка, многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, первое оперативное запоминающее устройство, блок умножения, второе оперативное запоминающее устройство и микроконтроллер, который связан с многоканальным генератором и многоканальным усилителем.A device for ultrasound tomography [RU 2532597 C1, IPC G01N 29/04 (2006.01), publ. November 10, 2014], selected as a prototype, containing a personal computer connected to a microcontroller that is connected to a control unit connected to the first random access memory. The display unit is connected to the microcontroller. A multi-channel generator, an antenna array, a multi-channel amplifier, a multi-channel analog-to-digital converter, a first random access memory, a multiplication unit, a second random access memory and a microcontroller that is connected to the multi-channel generator and multi-channel amplifier are connected in series.

Недостатком этого устройства является невозможность проведения контроля в реальном масштабе времени вследствие реализации алгоритма реконструкции изображения на персональном компьютере, что требует передачи большого массива сохраненных реализаций ультразвуковых колебаний от оперативного запоминающего устройства через микроконтроллер в персональный компьютер.The disadvantage of this device is the impossibility of real-time monitoring due to the implementation of the image reconstruction algorithm on a personal computer, which requires the transfer of a large array of stored realizations of ultrasonic vibrations from random access memory through a microcontroller to a personal computer.

Техническая проблема, решаемая при использовании предложенного изобретения, заключается в уменьшении объема передаваемых данных без потери информации и за счет этого проведение контроля в реальном масштабе времени.The technical problem solved by using the proposed invention is to reduce the amount of data transmitted without loss of information and due to this, real-time monitoring.

Устройство ультразвуковой томографии, также как в прототипе, содержит персональный компьютер, соединенный с микроконтроллером, к которому последовательно подключены многоканальный генератор, антенная решетка, многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство.The ultrasound tomography device, as in the prototype, contains a personal computer connected to a microcontroller to which a multichannel generator, an antenna array, a multichannel amplifier, a multichannel analog-to-digital converter, and random access memory are connected in series.

Согласно изобретению устройство дополнительно содержит многоканальный блок вычисления скорости изменения каждого ультразвукового сигнала, подключенный к выходу многоканального усилителя и к входу многоканального генератора управляемого напряжением, который связан с тактовым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя.According to the invention, the device further comprises a multi-channel unit for calculating the rate of change of each ultrasonic signal, connected to the output of the multi-channel amplifier and to the input of the multi-channel voltage-controlled generator, which is connected to the clock input of the multi-channel analog-to-digital converter.

Предложенное использование многоканального блока вычисления скорости изменения каждого ультразвукового сигнала и многоканального генератора управляемого напряжением позволяет произвести оптимальную выборку ультразвукового сигнала и тем самым уменьшить объем передаваемых данных без потери информации и за счет этого вести контроль в реальном масштабе времени.The proposed use of a multichannel unit for calculating the rate of change of each ultrasonic signal and a multichannel voltage-controlled multichannel generator allows optimal sampling of the ultrasonic signal and thereby reduce the amount of data transmitted without loss of information and thereby monitor in real time.

На фиг. 1 представлена схема устройства ультразвуковой томографии.In FIG. 1 shows a diagram of an ultrasound tomography device.

Устройство ультразвуковой томографии содержит микроконтроллер 1, к которому последовательно подключены многоканальный генератор 2, антенная решетка 3, многоканальный усилитель 4, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 5, оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ), которое соединено с микроконтроллером 1, который подключен к персональному компьютеру 7. Многоканальный блок вычисления скорости изменения каждого ультразвукового сигнала 8 (БВС), связан с выходом многоканального усилителя 4 и входом многоканального генератора управляемого напряжением 9 (ГУН), выход которого подключен к тактовому входу многоканального аналого-цифрового преобразователя 5.The ultrasound tomography device comprises a microcontroller 1, to which a multi-channel generator 2, an antenna array 3, a multi-channel amplifier 4, a multi-channel analog-to-digital converter 5, random access memory 6 (RAM), which is connected to a microcontroller 1, which is connected to a personal computer 7, are connected in series The multi-channel unit for calculating the rate of change of each ultrasonic signal 8 (BVS) is connected to the output of the multi-channel amplifier 4 and the input of the multi-channel control generator 9 yaemogo voltage (VCO), whose output is connected to the clock input of a multi-channel analog-to-digital converter 5.

Микроконтроллер 1 может быть выбран любым, например, ATMEGA64 фирмы ATMEL. Многоканальный генератор 2 может быть выполнен на микросхемах, имеющих импульсный ток коллектора не менее 2А и выходное напряжение 90В, например, STHV748. Антенная решетка 3 является набором 16 или более пьезопреобразователей, располагаемых линейно или матрично, например, OLYMPUS 2L16-A1. Многоканальный усилитель 4 с многоканальным аналого-цифровым преобразователем 5 выполнен по типовой схеме, например, на микросхемах AD9272. Многоканальный блок вычисления скорости изменения каждого ультразвукового сигнала 8 (БВС) может быть выполнен на типовых операционных усилителях, работающих в режиме дифференцирования входного сигнала. Многоканальный генератор управляемый напряжением 9 (ГУН) может быть выполнен на микросхемах NE555. Оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ), объемом не менее 64 Кб, выполнено на микросхемах IDT72V293. Персональный компьютер 7 может быть любым, например, Acer "Revo RL70".The microcontroller 1 can be selected by any, for example, ATMELA64 company ATMEL. Multichannel generator 2 can be performed on microcircuits having a pulsed collector current of at least 2A and an output voltage of 90V, for example, STHV748. Antenna array 3 is a set of 16 or more piezoelectric transducers arranged linearly or matrixly, for example, OLYMPUS 2L16-A1. A multi-channel amplifier 4 with a multi-channel analog-to-digital converter 5 is made according to a typical scheme, for example, on AD9272 microcircuits. A multi-channel unit for calculating the rate of change of each ultrasonic signal 8 (BVS) can be performed on typical operational amplifiers operating in the mode of differentiation of the input signal. Multichannel generator controlled by voltage 9 (VCO) can be performed on NE555 chips. Random access memory 6 (RAM), with a volume of at least 64 KB, is made on IDT72V293 microcircuits. The personal computer 7 can be anything, for example, Acer "Revo RL70".

При томографии контролируемого изделия, например, фасонной отливки, на ее поверхности размещают антенную решетку 3, содержащую, например, 16 пьезопреобразователей, расположенных линейно. После выдачи разрешения микроконтроллера 1 на работу многоканального генератора 2, многоканальный генератор 2 поочередно формирует импульсы возбуждения для каждого пьезопреобразователя антенной решетки 3. Пьезопреобразователи антенной решетки 3 поочередно излучают ультразвуковые волны в контролируемое изделие, а прием ультразвуковых волн и их преобразование в электрические сигналы осуществляют одновременно всеми преобразователями антенной решетки 3, причем поочередное излучение осуществляется циклически. Полученные электрические сигналы усиливают многоканальным усилителем 4, преобразуют в цифровые коды в многоканальном аналого-цифровом преобразователе 5 и сохраняют в оперативном запоминающем устройстве 6 (ОЗУ). Тактовую частоту преобразования входных данных многоканального аналого-цифрового преобразователя 5 определяют многоканальным генератором управляемым напряжением 9, входная информация для которого поступает с выхода многоканального усилителя 4 через многоканальный блок вычисления скорости изменения каждого ультразвукового сигнала 8 (БВС). Данные из оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ) через микроконтроллер 1 передают в персональный компьютер 7. Реконструкцию внутренней структуры контролируемого изделия и его визуализацию осуществляют в персональном компьютере 7 путем когерентной обработки полученных данных, которая заключается в следующем: разбивают зону контроля на локальные области, которые рассматривают в качестве локального сосредоточенного отражающего элемента (50000 при следующих размерах зоны контроля: длина - 10 мм, глубина - 50 мм, размер локальной области 0,1 мм), и сохраненные цифровые коды сдвигают назад во времени на величину, равную времени распространения отраженной волны от рассматриваемой локальной области зоны контроля до соответствующего пьезопреобразователя антенной решетки 3. Затем перемножают сдвинутые во времени цифровые коды соответственно для каждой из локальных областей, сохраняют полученные произведения цифровых кодов и используют их для реконструкции изображения и его визуализации.When tomography of a controlled product, for example, shaped casting, an antenna array 3 is placed on its surface, containing, for example, 16 piezoelectric transducers arranged linearly. After the microcontroller 1 has been authorized to operate the multi-channel generator 2, the multi-channel generator 2 alternately generates excitation pulses for each piezoelectric transducer of the antenna array 3. The piezoelectric transducers of the antenna array 3 alternately emit ultrasonic waves into the product being monitored, and ultrasonic waves are received and converted into electrical signals by all transducers of the antenna array 3, and alternating radiation is carried out cyclically. The resulting electrical signals are amplified by a multi-channel amplifier 4, converted into digital codes in a multi-channel analog-to-digital converter 5 and stored in random access memory 6 (RAM). The clock frequency of the input data conversion of the multichannel analog-to-digital converter 5 is determined by a multichannel controlled voltage generator 9, the input information for which comes from the output of the multichannel amplifier 4 through a multichannel unit for calculating the change rate of each ultrasonic signal 8 (BVS). Data from random access memory 6 (RAM) through the microcontroller 1 is transmitted to a personal computer 7. Reconstruction of the internal structure of the controlled product and its visualization is carried out in a personal computer 7 by coherent processing of the obtained data, which is as follows: divide the control zone into local areas, which considered as a local concentrated reflecting element (50,000 with the following dimensions of the control zone: length - 10 mm, depth - 50 mm, size of the local region 0 , 1 mm), and the stored digital codes are shifted back in time by an amount equal to the propagation time of the reflected wave from the considered local region of the control zone to the corresponding piezoelectric transducer of the antenna array 3. Then, the time-shifted digital codes are multiplied, respectively, for each of the local regions, and the received data are saved works of digital codes and use them to reconstruct the image and its visualization.

В устройстве-прототипе от антенной решетки получили 256 А-сканов, объем каждого А-скана составил 4 Кб. Суммарный объем передаваемых данных составил 256×4 Кб=1 Мб, при частоте преобразования электрических сигналов в цифровые коды 40 МГц и скорости распространения ультразвука в стали 6000 м/с.В предлагаемом устройстве объем каждого А-скана составляет 1,2 Кб, а общий объем передаваемых данных составляет 256×1,2 Кб=367,2 Кб.In the prototype device, 256 A-scans were received from the antenna array, the volume of each A-scan was 4 Kb. The total amount of data transferred was 256 × 4 Kb = 1 Mb, with a frequency of converting electrical signals to digital codes of 40 MHz and a propagation speed of ultrasound in steel of 6000 m / s. In the proposed device, the volume of each A-scan is 1.2 Kb, and the total the amount of transmitted data is 256 × 1.2 Kb = 367.2 Kb.

Сравнение результатов ультразвуковой томографии зоны контроля фасонной отливки, полученных с использованием устройства-прототипа и предлагаемого устройства показывают, что при использовании предложенного устройства ультразвуковой томографии объем данных уменьшился в 3 раза.Comparison of the results of ultrasound tomography of the control zone of shaped castings obtained using the prototype device and the proposed device show that when using the proposed ultrasound tomography device, the data volume decreased by 3 times.

Claims

An ultrasound tomography device comprising a personal computer connected to a microcontroller to which a multichannel generator, an antenna array, a multichannel amplifier, a multichannel analog-to-digital converter, random access memory, characterized in that it further comprises a multichannel unit for calculating the rate of change of each ultrasonic signal, connected to the output of a multi-channel amplifier and to the input of a multi-channel generator controlled by yazheniem, which is connected to a clock input of the multi-channel analog-to-digital converter.