TW201441612A - 超音波探頭性能偵測及補償裝置與方法 - Google Patents

Abstract

一種超音波探頭性能偵測及補償裝置，包括一超音波接收器、一類比-數位轉換器、一時間差補償電路、一比對電路以及一偵測電路。超音波接收器用以接收由一超音波探頭發送的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號。時間差補償電路根據超音波發送時的時間差補償此組掃描訊號。比對電路用以比對一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠性能測試值。偵測電路用以判斷探頭中各個超音波陣元的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號。

Description

超音波探頭性能偵測及補償裝置與方法

本發明是有關於一種超音波檢測，且特別是有關於一種超音波探頭性能偵測及補償裝置與方法。

在非破壞性檢測當中，常應用超音波掃描器來發射超音波，並接收反射此超音波產生的回波訊號，以進行檢測。超音波探頭內具有精密的超音波陣元，用以偵測掃描訊號的強度，但超音波陣元的性能會因使用狀況、時間增加而逐漸損耗，因而必須調整參數以符合超音波檢測的要求。然而，目前超音波掃描器只有調整超音波發射器的訊號強度及增益，以彌補回波訊號衰退而失真的問題，但無法偵測衰退的程度，且無法針對各別的超音波陣元的性能進行補償，因而無法使失真的訊號回復到正常值，有待進一步改善。

本發明係有關於一種超音波探頭性能偵測及補償裝置與方法，具有自行偵測及補償的功能，以使訊號值回復到正常。

根據本發明之一方面，提出一種超音波探頭性能偵測及補償裝置，包括一超音波接收器、一類比-數位轉換器、一時間差補償電路、一比對電路以及一偵測電路。超音波接收器用以接收由一超音波探頭發送的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號，超音波探頭包含多個超音波陣元，此組掃描訊號對應此些超音波陣元。類比-數位轉換器用以接收此組掃描訊號，並轉換成數位形式的超音波掃描資訊。時間差補償電路根據超音波發送時的時間差補償此組掃描訊號，以得到一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊。比對電路連接時間差補償電路，用以比對掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠性能測試值。偵測電路連接比對電路，用以判斷探頭中各個超音波陣元的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號。

根據本發明之一方面，提出一種超音波探頭性能偵測及補償方法，包括下列步驟。接收由一超音波探頭發送的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號，超音波探頭包含多個超音波陣元，此組掃描訊號對應此些超音波陣元。根據超音波發送時的時間差補償此組掃描訊號，以得到一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊。比對掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠性能測試值。判斷探頭中各個超音波陣元的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧性能測試系統

110‧‧‧超音波探頭

111‧‧‧超音波陣元

120‧‧‧超音波探頭性能偵測及補償裝置

121‧‧‧超音波接收器

112‧‧‧反射板

122‧‧‧類比-數位轉換器

123‧‧‧時間差補償電路

124‧‧‧比對電路

125‧‧‧偵測電路

126‧‧‧使用者介面

127‧‧‧出廠性能測試值

131‧‧‧均值補償單元

132‧‧‧線性回歸補償單元

133‧‧‧增益補償單元

Vscan‧‧‧掃描訊號

Vscan-1‧‧‧受損的掃描訊號

Vscan-2、Vscan-3‧‧‧未受損的掃描訊號

第1圖為本發明一實施例之超音波探頭性能測試系統的示意圖。

第2~4圖為不同實施方式的訊號補償單元。

第5圖為偵測結果顯示在使用者介面上的示意圖。

本實施例之超音波探頭性能偵測及補償裝置，可自行偵測各個超音波陣元的性能，若各個超音波陣元的衰退程度在一可補償的範圍內，則進行軟體補償或以可程式化邏輯陣列電路來補償。例如：當偵測到一超音波陣元接收的掃描訊號衰退時，對此超音波陣元做增益補償，以放大一掃描線上相對應受損的一掃描訊號的訊號值；或是當偵測到一超音波陣元接收的掃描訊號衰退時，統計所有超音波陣元的訊號強度，由回歸曲線求得相對應受損的一掃描訊號的回歸值，以做為此受損的掃描訊號的訊號值。或是，當偵測到一超音波陣元接收的掃描訊號衰退時，計算相鄰兩側未受損的至少二掃描訊號，並以至少二未受損的掃描訊號的平均值做為此受損的掃描訊號的訊號值。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

第1圖繪示為本發明一實施例之超音波探頭性能測 試系統100的示意圖。在第1圖中，超音波探頭110包含多個超音波陣元111，每一個超音波陣元111為一個轉能器，用以將高頻脈衝產生器輸出的脈衝電壓訊號，轉換成機械震盪的超音波，而傳送入檢測物(未繪示)內。接著，再將檢測物內反射此一超音波產生的回波訊號，轉換成脈衝電壓訊號，並輸出至超音波接收器121，以使超音波接收器121得到一組掃描訊號Vscan。

本實施例可對任何形式的超音波探頭110進行性能測試，例如線性陣列的探頭、相位陣列的探頭或其他型態的探頭。一旦發現各個超音波陣元111接收到的回波訊號，相對於出廠性能測試的測試值127明顯衰退時，則進行性能補償，以回復其應有的數值。以下簡略介紹性能測試的流程：首先，在測試用的容器內裝滿水或其他介質，將一超音波探頭110固定在容器(未繪示)的上方，並使探頭110面對位於容器底部的一反射板112。啟動測試軟體，並選擇準備測試的探頭110的型號及規格，以讀取出廠設定的性能參數及測試值127。進行性能測試，得到一測試報告，以分析探頭110的性能，例如脈衝訊號的寬度及中心頻率等參數。接著，比對探頭110所得到的脈衝訊號是否符合出廠設定的測試值127，若是，則表示探頭110所得到的訊號值在容許範圍內，若未符合出廠設定的測試值127，則需對訊號值進行補償。

請參照第1圖，超音波探頭性能偵測及補償裝置120包括一超音波接收器121、一類比-數位轉換器122、一時間差補償電路123、一比對電路124以及一偵測電路125。

超音波接收器121用以接收由超音波探頭110發送 的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號Vscan。此組掃描訊號Vscan表示一掃描線上不同位置所傳回的掃描訊號Vscan，也就是超音波探頭110上對應各個超音波陣元111所得到的訊號值。

類比-數位轉換器122用以接收此組掃描訊號Vscan，並轉換成數位形式的超音波掃描資訊，以得知超音波探頭110上對應各個超音波陣元111所得到的訊號值。

時間差補償電路123用以接收同一時間所得到的超音波掃描資訊，但因各個超音波陣元111是在不同時間點依序發送超音波，故時間差補償電路123必須根據超音波發送時的時間差，補償同一時間所得到的掃描訊號Vscan，才能得到一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊。

在一實施例中，時間差補償電路123可包括一插值器以及一時間排比器，利用數值內差演算以及時間排比，得到相對於一掃描線上各個掃描訊號Vscan的訊號值。

比對電路124連接時間差補償電路123，用以比對掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠性能測試值127。例如：比對掃描訊號Vscan的寬度及中心頻率等參數，若符合出廠設定的標準值，表示探頭110所得到的訊號值在容許範圍內，若未符合出廠設定的標準值，則需對訊號值進行補償。

偵測電路125連接比對電路124，用以判斷超音波探頭110中各個超音波陣元111的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號Vscan。此外，偵測電路125更可連接一使用者介面126，以 顯示偵測的結果。

上述的比對電路124與偵測電路125例如以現場可程式化邏輯陣列(FPGA)電路來實現，但不以此為限，本實施例亦可使用軟體來模擬上述的比對電路124及偵測電路125，利用軟體補償的方式對受損的掃描訊號Vscan進行補償。

請參照第2~4圖，以下介紹數種訊號補償單元的實施方式。在第2圖中，偵測電路125包括一均值補償單元131，用以接收受損的掃描訊號Vscan-1的相鄰兩側未受損的至少二掃描訊號Vscan-2及Vscan-3，並以至少二未受損的掃描訊號Vscan-2及Vscan-3的平均值做為受損的掃描訊號Vscan-1的訊號值。

舉例來說，相鄰的三個掃描訊號中有一個損壞，以相鄰兩側未受損的二掃描訊號的平均值做為受損的掃描訊號的訊號值。若相鄰的五個掃描訊號中有二個或三個損壞，以相鄰兩側未受損的二或三個掃描訊號的平均值做為受損的掃描訊號的訊號值。依此類推，只要在可補償的範圍內，利用均值補償的方式可使訊號值回復到正常。

在第3圖中，偵測電路125包括一線性回歸補償單元132，用以計算所有掃描訊號Vscan的一回歸函數中對應於受損的掃描訊號Vscan-1的回歸值，並以此回歸值做為受損的掃描訊號Vscan-1的訊號值。因此，利用線性回歸補償的方式可使訊號值回復到正常。

在一實施例中，當受損的掃描訊號Vscan-1的衰退程度低於出廠測試性能的70%以下時，較佳以均值補償或回歸補 償的方式取代受損的掃描訊號Vscan-1的訊號值，如此得到的補償效果明顯提升。

在另一實施例中，當受損的掃描訊號Vscan-1的衰退程度不明顯，例如高於出廠測試性能的70%以上時，較佳以增益補償的方式放大受損的掃描訊號Vscan-1的訊號值，使訊號值回復到正常。如第4圖所示，偵測電路125包括一增益補償單元133，用以放大受損的掃描訊號Vscan-1的增益值，以補償受損的掃描訊號Vscan-1的訊號值。

由上述的說明可知，本發明可利用均值補償、回歸補償或增益補償的方式來具體實現超音波探頭性能偵測及補償方法，其各個步驟包括：步驟1：接收由一超音波探頭110發送的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號Vscan，此組掃描訊號Vscan一對一對應所有超音波陣元111；步驟2：根據超音波發送時的時間差補償組掃描訊號Vscan，以得到一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊；步驟3：比對掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠性能測試值127；步驟4：判斷探頭110中各個超音波陣元111的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號Vscan-1。

此外，請參照第5圖，其繪示偵測結果顯示在使用者介面126上的示意圖。偵測結果大致上可分為提醒、警告及失效的三個等級，用以顯示各個超音波陣元111的狀態。例如：以 黃色顯示區塊代表提醒，以紅色顯示區塊代表警告，以黑色顯示區塊代表失效。當偵測到第N個陣元損壞或衰退時，根據偵測的結果就顯示第N個顯示區塊為黃色、紅色或黑色。超音波陣元111的數量不限，例如為M個(M為64~256)，當偵測到各個超音波陣元111的衰退程度還在可補償的範圍內，以使用者介面126顯示此些超音波陣元111的損壞程度。當偵測到各個超音波陣元111的衰退程度超過可補償的範圍時，以使用者介面126顯示此些超音波陣元111無法使用或失效。

因此，使用者可根據顯示的偵測結果，來判斷是否繼續使用或更換探頭110。

上述實施例所揭露之超音波探頭性能偵測及補償裝置與方法，可偵測到各個超音波陣元接收的掃描訊號是否衰退，並可補償訊號值，因此在不需更換探頭的情況下，仍能繼續使用超音波探頭，以節省成本。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧超音波探頭性能測試系統

110‧‧‧超音波探頭

111‧‧‧超音波陣元

112‧‧‧反射板

120‧‧‧超音波探頭性能偵測及補償裝置

121‧‧‧超音波接收器

122‧‧‧類比-數位轉換器

123‧‧‧時間差補償電路

124‧‧‧比對電路

125‧‧‧偵測電路

126‧‧‧使用者介面

127‧‧‧出廠性能測試值

Vscan‧‧‧掃描訊號

Claims (14)

1. 一種超音波探頭性能偵測及補償裝置，該裝置包括：一超音波接收器，用以接收由一超音波探頭發送的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號，該超音波探頭包含複數個超音波陣元，該組掃描訊號對應該些超音波陣元；一類比-數位轉換器，用以接收該組掃描訊號，並轉換成數位形式的超音波掃描資訊；一時間差補償電路，根據該超音波發送時的時間差補償該組掃描訊號，以得到一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊；一比對電路，連接該時間差補償電路，用以比對該掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠性能測試值；以及一偵測電路，連接該比對電路，用以判斷該探頭中各個超音波陣元的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該偵測電路包括一均值補償單元，用以接收該受損的掃描訊號的相鄰兩側未受損的至少二掃描訊號，並以該至少二未受損的掃描訊號的平均值做為該受損的掃描訊號的訊號值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該偵測電路包括一線性回歸補償單元，用以計算該組掃描訊號的一回歸函數中對應於該受損的掃描訊號的回歸值，並以該回歸值做為該受損的掃描訊號的訊號值。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述之裝置，其中該受損的掃描訊號的衰退程度低於出廠測試性能的70%以下時，該偵測電路以均值補償或回歸補償的方式取代該受損的掃描訊號的訊號值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該偵測電路包括一增益補償單元，用以放大該受損的掃描訊號的增益值，以補償該受損的掃描訊號的訊號值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該受損的掃描訊號的衰退程度高於出廠性能測試的70%以上時，該偵測電路以增益補償的方式放大該受損的掃描訊號的訊號值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括一使用者介面，連接該偵測電路，其中當該探頭中各個超音波陣元的衰退程度在該可補償的範圍內時，以該使用者介面顯示該些超音波陣元的損壞程度，而當該探頭中各個超音波陣元的衰退程度超過該可補償的範圍時，以該使用者介面顯示該些超音波陣元無法使用或失效。
8. 一種超音波探頭性能偵測及補償方法，該方法包括：接收由一超音波探頭發送的一超音波的回波訊號，以得到一組掃描訊號，該超音波探頭包含複數個超音波陣元，該組掃描訊號對應該些超音波陣元；根據該超音波發送時的時間差補償該組掃描訊號，以得到一掃描線上不同位置的超音波掃描資訊；比對該掃描線上不同位置的超音波掃描資訊是否符合出廠 性能測試值；以及判斷該探頭中各個超音波陣元的衰退程度是否在一可補償的範圍內，若是，則進入一補償模式，以補償受損的其中之一掃描訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中進入該補償模式包括接收該受損的掃描訊號的相鄰兩側未受損的至少二掃描訊號，並以該至少二未受損的掃描訊號的平均值做為該受損的掃描訊號的訊號值。
10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中進入該補償模式包括計算該組掃描訊號的一回歸函數中對應於該受損的掃描訊號的回歸值，並以該回歸值做為該受損的掃描訊號的訊號值。
11. 如申請專利範圍第9或10項所述之方法，其中該受損的掃描訊號的衰退程度低於出廠測試性能的70%以下時，以均值補償或回歸補償的方式取代該受損的掃描訊號的訊號值。
12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中進入該補償模式包括放大該受損的掃描訊號的增益值，以補償該受損的掃描訊號的強度。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該受損的掃描訊號的衰退程度高於出廠性能測試的70%以上時，該偵測電路以增益補償的方式放大該受損的掃描訊號的訊號值。
14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中當該探頭中各個超音波陣元的衰退程度在該可補償的範圍內時，更包括以一使 用者介面顯示該些超音波陣元的損壞範圍，而當該探頭中各個超音波陣元的衰退程度超過該可補償的範圍時，更包括以該使用者介面顯示該些超音波陣元無法使用或失效。