TWI582420B - 超音波探頭性能檢測裝置及方法 - Google Patents

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超音波探頭性能檢測裝置及方法
本發明是有關於一種檢測裝置及方法，特別是指一種超音波探頭性能檢測裝置及方法。
目前，超音波技術已相當廣泛地被應用，尤其是像工業的縫隙檢測、醫學的組織診斷，以及農業的甜度分級指標…等需要進行非破壞性檢測的領域。其中，一超音波探頭的解析力關乎於能否獲得正確的檢測結果，以及檢測的精度。進一步來說，該解析力是相關於該超音波探頭所發出振盪波形的峰值頻率（Peak Frequency），當該超音波探頭所發出的峰值頻率愈高，則其所具有的解析力愈高，而能檢測出更細微的介質變化。因此，該峰值頻率可以說是該超音波探頭的性能指標，以及，對該峰值頻率的檢測技術也關係著該超音波探頭的品質管制的成敗。
然而，現有的檢測技術多是直接對該振盪波形進行快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform，FFT），再分析所獲得的一頻譜圖，而找出該峰值頻率。在此過程中，該振盪波形會因為高頻雜訊的引入，而具有毛躁畸變，使得該頻譜圖中的峰值頻率產生偏移，以及包絡中心頻段的帶寬（Bandwidth）寬度過大，更難以準確地檢測出該超音波探頭的峰值頻率。
因此，本發明之目的，即在提供一種藉由超外差式運算，以提高訊雜比，而使該超音波探頭的峰值頻率能更精確地被解析出來的超音波探頭性能檢測裝置。
於是，本發明超音波探頭性能檢測裝置，適用於檢測一超音波探頭的性能。該檢測裝置包含一驅動接收器、一超外差式運算單元，及一頻譜分析單元。
該驅動接收器用以對該超音波探頭輸出一驅動信號，而使該超音波探頭產生一脈衝信號；以及接收該脈衝信號反射後的一回波信號。
該超外差式運算單元用以對該回波信號進行超外差（Superheterodyne）運算，而輸出一相關於該運算結果的超外差信號。
該頻譜分析單元包括一調控模組，及一積分模組。該調控模組用以輸出一相關於一特定頻帶的閘控信號，使該積分模組根據該閘控信號，對該特定頻帶內的超外差信號進行積分，以輸出一相關於該積分結果的頻譜信號。其中，該超音波探頭的性能相關於該頻譜信號中的峰值頻率。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種超音波探頭性能檢測方法。該檢測方法用以檢測一超音波探頭的性能，並包含下列步驟：
步驟A：驅使該超音波探頭產生一脈衝信號，並接收該脈衝信號反射後的一回波信號。
步驟B：對該回波信號進行超外差（Superheterodyne）運算，而輸出一相關於該運算結果的超外差信號；同時，根據該回波信號選擇一特定頻帶，以產生一相關於一特定頻帶的閘控信號。
步驟C：根據該閘控信號，對該特定頻帶內的超外差信號進行一積分運算，以輸出一相關於該運算結果的頻譜信號；其中，該超音波探頭的性能相關於該頻譜信號中的峰值頻率。
本發明之功效在於：藉由超外差式運算，以降低該回波信號內的雜訊影響程度。不僅使得該頻譜信號中的峰值頻率偏移減小，而且更容易區分出該頻譜信號的中心頻段，而能更精確且有效地檢測出該超音波探頭的峰值頻率。
參閱圖1，本發明超音波探頭性能檢測裝置的一實施例適用於檢測一超音波探頭400的性能。其中，該檢測裝置包含一驅動接收器100、一超外差式運算單元200，及一頻譜分析單元300。值得一提的是，該超音波探頭400不論是單晶片式，或是多晶片式均適用本實施例。
該驅動接收器100用以對該超音波探頭400輸出一驅動信號，而使該超音波探頭400產生一脈衝信號；以及接收該脈衝信號反射後的一回波信號。
該超外差式運算單元200包括一混頻器210、一解調器220、一用以輸出一局振信號的局部振盪器（Local Oscillator）230，及一功率放大器240。在本實施例中，該解調器220為一具有一相位偵測電路221，及一低通濾波電路222的鎖相放大器（Lock-in-Amplifier，LIA）。
該混頻器210根據該回波信號，並與該局振信號進行調諧，以輸出一相關於該調諧結果的中頻（Intermediate Frequency）信號。要說明的是，上述產生該中頻信號的過程為超外差（Superheterodyne）運算的核心。其中，該局部振盪器230產生的局振信號不論是頻率或振幅，對其精度及穩定性的要求很高，以降低該中頻信號的頻率漂移程度。因此，該局部振盪器230通常需要與鎖相迴路（Phase-locked Loops，PLL）、分頻（Frequency Divider）電路，及相位偵測（Phase Detector）電路配合，以確保該局振信號的穩定性。同時，在該局部振盪器230的輸出端也通常會設置帶通濾波器，以降低該局振信號的雜訊成分。此外，根據超外差原理，該中頻信號的頻率一般是採用該回波信號與該局振信號兩者頻率的最小差值。所以，對於頻譜結構而言，該中頻信號與該回波信號兩者僅差異在中心頻率。也就是說，該中頻信號不僅保留了該回波信號的全部資訊，同時因為具有較低的頻率，而可以有效避免高頻雜訊混入，因此有利於提高後續頻譜分析的準確性。
接著，該相位偵測電路221接收該中頻信號，並與一參考信號混乘，以輸出一相關於該混乘結果的相差信號。再由該低通濾波器222濾除該相差信號中的高頻部分，以輸出相關於該濾除結果的該解調信號。要說明的是，該鎖相放大器是透過該相位偵測電路221對該中頻信號產生兩筆不同頻率及相位的分量信號，而該等分量信號的總和即為該相差信號。其中一分量信號在該中頻信號與該參考信號兩者的頻率相同的情況下，形成一零頻信號，也就是直流信號；而其中另一分量信號則必定為交流信號。因此，該相差信號在通過該低通濾波器222後，只會剩下該零頻信號；同時，該零頻信號的振幅相關於該中頻信號與該參考信號的振幅乘積。值得一提的是，與該參考信號頻率相近的雜訊仍有可能通過該低通濾波器222，使得該解調信號具有緩慢的雜訊變化。不過，可以藉由選用頻寬較窄的低通濾波器222來改善此問題。另外，該參考信號必須具有與該中頻信號相同的頻率；以及，兩者之間的相位必須不隨時間改變。也就是說，該參考信號必須被該中頻信號鎖相（Phase-locked）。因此，該鎖相放大器通常會藉由一鎖相迴路（圖未示），或是內建一波形產生器（圖未示）來產生該參考信號。
最後，由該功率放大器240對該解調信號進行振幅增益補償，以輸出一相關於該補償結果的超外差信號。
該頻譜分析單元300包括一調控模組310，及一積分模組320。其中，該調控模組310具有一顯示介面311，及一控制電路312。該控制電路312接收該回波信號，並將該回波信號顯示於該顯示介面311，而由使用者根據該回波信號調整一特定頻帶的頻寬與位置，以輸出一相關於該特定頻帶的閘控信號。使該積分模組320根據該閘控信號，對該特定頻帶內的超外差信號進行FFT，以輸出一相關於該運算結果的頻譜信號。要說明的是，該顯示介面311可用示波器實施，也可透過電腦的PCI（Peripheral Component Interconnect）或USB（Universal Serial Bus）裝設相關信號擷取裝置，使其具有顯示該回波信號及該特定頻帶的功能。另外，由於該積分模組320還是必須對該特定頻帶內的超外差信號進行FFT，所以該控制電路312除了能夠隨使用者調整該特定頻帶的頻寬與位置之外，同時還必須讓該特定頻帶內的超外差信號具有週期性，以及確認取樣頻率（Sampling Rate）、取樣週期，及取樣數等相關於FFT的限制條件。舉例來說，若取樣頻率低於該超外差信號峰值頻率的兩倍，將使得低頻部分反射高頻部分，而造成混疊效應（Aliasing Effect）；取樣週期則關乎於是否會引起頻譜中信號能量散溢至其他周圍鄰近頻率上，而出現旁瓣（Side Lobe），並產生柵欄效應（Picket-fence Effect）及洩漏效應（Leakage Effect）；以及，取樣數若不為2的N次冪，則FFT將無法計算。因此，該控制電路312會根據一合乎上述條件的調整準則，以侷限使用者能在合乎FFT運算條件下調整該特定頻帶。
最後，該頻譜信號能以一頻譜圖，或是一相關於該頻譜圖中峰值頻率的頻率值，而呈現於該顯示介面311上，以供使用者探知該超音波探頭的性能。
參閱圖2，根據上述實施架構，可以歸納出一用以檢測一超音波探頭的性能，且包含下列步驟S21~S23的超音波探頭性能檢測方法。
步驟S21：驅使該超音波探頭產生一脈衝信號，並接收該脈衝信號反射後的一回波信號。
步驟S22：對該回波信號進行超外差（Superheterodyne）運算，而輸出一相關於該運算結果的超外差信號；同時，根據該回波信號選擇一特定頻帶，以產生一相關於一特定頻帶的閘控信號。
步驟S23：根據該閘控信號，對該特定頻帶內的超外差信號進行一積分運算，以輸出一相關於該運算結果的頻譜信號；其中，該超音波探頭的性能相關於該頻譜信號中的峰值頻率。
進一步說明：
在步驟S22中，該回波信號是與一局振信號進行調諧，以輸出一相關於該調諧結果的中頻（Intermediate Frequency）信號。接著，該中頻信號是與一參考信號混乘，以輸出一相關於該混乘結果的相差信號，再濾除該相差信號中的高頻部分，以輸出一相關於該濾除結果的解調信號。最後，對該解調信號進行振幅增益補償，以輸出相關於該補償結果的該超外差信號。另外，該閘控信號是由使用者根據該回波信號，來調整該特定頻帶的頻寬與位置而產生，使得在該特定頻帶內的回波信號具有週期特性。
在步驟S23中，該積分運算為快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform，FFT）。
綜上所述，本發明藉由超外差式運算，以降低該回波信號內的雜訊影響程度。不僅使得該頻譜信號中的峰值頻率偏移減小，而且更容易區分出該頻譜信號的中心頻段，而能更精確且有效地檢測出該超音波探頭的峰值頻率，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0006"><TBODY><tr><td>   </td></tr></TBODY></TABLE>100······ 驅動接收器 200······ 超外差式運算單元 210······ 混頻器 220······ 解調器 221······ 相位偵測電路 222······ 低通濾波電路 230······ 局部振盪器 240······ 功率放大器 300······ 頻譜分析單元 310······ 調控模組 311······· 顯示介面 312······ 控制電路 320······ 積分模組 400······ 超音波探頭 S21······ 步驟 S22······ 步驟 S23······ 步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一方塊圖，說明本發明超音波探頭性能檢測裝置的一實施例；及 圖2是一流程圖，說明本發明超音波探頭性能檢測方法的一步驟流程。
100‧‧‧驅動接收器
200‧‧‧超外差式運算單元
210‧‧‧混頻器
220‧‧‧解調器
221‧‧‧相位偵測電路
222‧‧‧低通濾波電路
230‧‧‧局部振盪器
240‧‧‧功率放大器
300‧‧‧頻譜分析單元
310‧‧‧調控模組
311‧‧‧顯示介面
312‧‧‧控制電路
320‧‧‧積分模組
400‧‧‧超音波探頭

Claims (8)

  1. 一種超音波探頭性能檢測裝置，適用於檢測一超音波探頭的性能，該檢測裝置包含：一驅動接收器，用以對該超音波探頭輸出一驅動信號，而使該超音波探頭產生一脈衝信號；以及接收該脈衝信號反射後的一回波信號；一超外差式運算單元，包括一混頻器、一解調器，及一用.以輸出一局振信號的局部振盪器(Local Oscillator)，該混頻器根據該回波信號，並與該局振信號進行調諧，以輸出一相關於該調諧結果的中頻(Intermediate Frequency)信號，該解調器對該中頻信號進行解調，以輸出一相關於該解調結果的解調信號，並調整該解調信號的振幅，而輸出一相關於該調整結果的超外差信號；及一頻譜分析單元，包括一調控模組，及一積分模組，該調控模組用以輸出一相關於一特定頻帶的閘控信號，使該積分模組根據該閘控信號，對該特定頻帶內的超外差信號進行積分，以輸出一相關於該積分結果的頻譜信號；其中，該超音波探頭的性能相關於該頻譜信號中的峰值頻率。
  2. 如請求項1所述的超音波探頭性能檢測裝置，其中，該超外差式運算單元還包括一功率放大器，該功率放大器對該解調信號進行振幅增益補償，以輸出相關於該補償結果的該超外差信號。
  3. 如請求項1所述的超音波探頭性能檢測裝置，其中，該解調器為一具有至少一相位偵測電路，及一低通濾波電路的鎖相放大器(Lock-in-Amplifier，LIA)，該相位偵測電路接收該中頻信號，並與一參考信號混乘，以輸出一相關於該混乘結果的相差信號，再由該低通濾波器濾除該相差信號中的高頻部分，以輸出相關於該濾除結果的該解調信號。
  4. 如請求項1所述的超音波探頭性能檢測裝置，其中，該調控模組具有一顯示介面，及一控制電路，該控制電路接收該回波信號，並將該回波信號顯示於該顯示介面，且由使用者根據該回波信號調整該特定頻帶的頻寬與位置，以輸出相關於該調整結果的該閘控信號。
  5. 一種超音波探頭性能檢測方法，適用於檢測一超音波探頭的性能，該檢測方法包含下列步驟：步驟A：驅使該超音波探頭產生一脈衝信號，並接收該脈衝信號反射後的一回波信號；步驟B：將該回波信號與一局振信號進行調諧，以輸出一相關於該調諧結果的中頻(Intermediate Frequency)信號；接著，對該中頻信號進行解調，以輸出一相關於該解調結果的解調信號；最後，對該解調信號進行振幅增益補償，以輸出一相關於該補償結果的超外差信號；同時，根據該回波信號選擇一特定頻帶，以產生一相關於一特定頻帶的閘控信號；及 步驟C：根據該閘控信號，對該特定頻帶內的超外差信號進行一積分運算，以輸出一相關於該運算結果的頻譜信號；其中，該超音波探頭的性能相關於該頻譜信號中的峰值頻率。
  6. 如請求項5所述的超音波探頭性能檢測方法，其中，該步驟B中的該中頻信號是與一參考信號混乘，以輸出一相關於該混乘結果的相差信號，再濾除該相差信號中的高頻部分，以輸出相關於該濾除結果的該解調信號。
  7. 如請求項5所述的超音波探頭性能檢測方法，其中，該步驟B中的該閘控信號是由使用者根據該回波信號，來調整該特定頻帶的頻寬與位置而產生，使得在該特定頻帶內的回波信號具有週期特性。
  8. 如請求項5所述的超音波探頭性能檢測方法，其中，該步驟C中的該積分運算為快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，FFT)。
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