專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)字式超聲波探傷儀及其時(shí)間小數(shù)采樣法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)損檢測(cè)中的超聲波探傷技術(shù)，尤其涉及一種超聲波探傷儀的數(shù)字采樣技術(shù)。
電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，使得社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了翻天覆地的巨大變化。廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)的各類(lèi)儀器逐步走向數(shù)字化、智能化，正是這種變化的典型體現(xiàn)。智能儀器，在原來(lái)模擬儀器的基礎(chǔ)上，采用了最新的計(jì)算機(jī)、高速數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)，具有新的、前所未有的“智能化”特征操作更簡(jiǎn)便；處理過(guò)程自動(dòng)化，很少、甚至不需人工干涉；能輸出各種用戶(hù)可定制的報(bào)表等。
智能儀器處理的是數(shù)字信號(hào)，不能直接對(duì)來(lái)自自然界中的信號(hào)進(jìn)行處理。自然界中存在的大部分信號(hào)是非電的信號(hào)，必須通過(guò)各種專(zhuān)用的傳感器(比如溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波探頭等)將其轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)。這些信號(hào)都是連續(xù)的模擬信號(hào)，智能儀器也還不能處理。必須通過(guò)后續(xù)的采樣過(guò)程將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才可以處理。因而在智能儀器中，特別是與測(cè)量有關(guān)的智能儀器(比如數(shù)字式超聲波探傷儀、數(shù)字示波器等等)中，采樣處于一種舉足輕重的地位，直接關(guān)系到所獲取數(shù)字信號(hào)的“精度”。此精度指的是所獲取的數(shù)字信號(hào)的失真程度是否如實(shí)地反映了原來(lái)的模擬信號(hào)，是否加入了原來(lái)模擬信號(hào)中并不存在的成分(比如轉(zhuǎn)換噪聲等)。
采樣精度，通常包括采樣信號(hào)的垂直(幅度)精度和水平(時(shí)間)精度。垂直精度與ADC(Analog Digital Converter，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置。)的位數(shù)有關(guān)，與之成正比，位數(shù)越高，精度越高。水平精度取決于ADC的轉(zhuǎn)換速度以及采樣方法，與轉(zhuǎn)換速度成正比，采用不同的采樣方法將導(dǎo)致不同的水平精度。除非特別提及，本文中的采樣精度指的是水平(時(shí)間)精度。
目前廣泛使用的采樣方法主要是“順序采樣法”和“峰值保持采樣法”。順序采樣法技術(shù)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按一定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)下來(lái)，這些數(shù)據(jù)是采樣時(shí)間間隔邊界處的幅度值。極有可能將原始信號(hào)的峰值丟失，造成極大采樣失真。也不能保證時(shí)間精度。峰值保持采樣法仍舊按一定的采樣時(shí)間間隔對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。不過(guò)，存儲(chǔ)的不是采樣時(shí)間間隔邊界處的數(shù)據(jù)，而是通過(guò)使用一個(gè)峰值比較器，將一定時(shí)間間隔之間的峰值存儲(chǔ)下來(lái)。使用這種方法可以很好地將原始信號(hào)的峰值保存下來(lái)，但缺陷是并不知道該峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)的時(shí)間，采樣信號(hào)的時(shí)間精度仍不能保證。
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有的順序采樣法和峰值保持采樣法存在的缺點(diǎn)和不足，而提出的一種時(shí)間小數(shù)采樣法，不但能夠極好地將原始信號(hào)的峰值保存下來(lái)，而且能夠獲得極好的時(shí)間精度。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即這種方法是在峰值保持采樣法的基礎(chǔ)之上，通過(guò)加上另外一個(gè)存儲(chǔ)器，將一定時(shí)間間隔內(nèi)的峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間存儲(chǔ)下來(lái)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明
圖1為智能儀器一般組成原理框圖，其中1-傳感器，2-ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，3-數(shù)字信號(hào)處理器，4-記錄輸出(包括屏幕顯示、制作和打印報(bào)表等)，5-DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，6-控制輸出。
圖2為數(shù)字式超聲波探傷儀的一般組成原理圖，其中7-超聲波探頭，8-模擬電路(發(fā)射與接受)，9-采樣電路(包含ADC)，10-數(shù)字電路(數(shù)字信號(hào)處理)，11-波形顯示器，12-制作報(bào)表、13-打印機(jī)。
圖3為順序采樣法的波形圖。
圖4為峰值保持采樣法的波形圖。
圖5為時(shí)間小數(shù)采樣法的波形圖。其中橫軸為時(shí)間軸，單位為毫微秒(ns)；縱軸為采樣數(shù)值(對(duì)于八位ADC而言，范圍為0-255)。
圖6為采樣電路9的組成框圖，其中A-峰值保持器，B-分頻器，C-峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器，D-峰值比較器，a-幅度存儲(chǔ)器，c-時(shí)間存儲(chǔ)器。
圖7為采樣電路9的實(shí)施例電原理圖。圖7(A)為分頻器B和峰值比較器D部分；圖7(B)為峰值保持器A和峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器C部分。
由圖1可知，一般的智能儀器都是由傳感器1、ADC2、數(shù)字信號(hào)處理器3、記錄輸出4、DAC5、控制輸出6組成。
智能儀器處理的原始信號(hào)來(lái)自于自然界。它們各式各樣、變化多端。這些信號(hào)大多是非電的信號(hào)，必須通過(guò)各種各樣的傳感器將其轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)。光是轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)(連續(xù)的模擬信號(hào))，智能儀器還不能處理，還必須用ADC將它們轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)才行。
由圖2可知，一般的數(shù)字式超聲波探傷儀，由超聲波探頭7、模擬電路8、采樣電路9、數(shù)字電路10組成并依次電連接；又?jǐn)?shù)字電路10分別與波形顯示器11、制作報(bào)表12、打印機(jī)13相電連接。
從圖2可以看出，數(shù)字式超聲波探傷儀所能處理的數(shù)字信號(hào)是由三個(gè)環(huán)節(jié)生成的，一個(gè)是探頭傳感器7，另一個(gè)是用于超聲波的發(fā)射和接受的模擬電路8，再一個(gè)就是采樣電路9。采樣電路9是由模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)的橋梁，其作用舉足輕重。采樣電路的優(yōu)劣，直接關(guān)系到生成數(shù)字信號(hào)的失真程度，是后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)。采樣電路9的基本實(shí)現(xiàn)器件是ADC。
ADC有兩個(gè)重要的指標(biāo)位數(shù)和速度。ADC的位數(shù)決定了采樣的垂直(幅度)精度，位數(shù)越高，采樣的量化誤差越小。采樣的最大量化誤差等于±1/2LSB(Least Significant Bit，最低有效位。在這里指的是相鄰兩個(gè)量化級(jí)別之間的差距。)，比如對(duì)于8位的ADC，其最大量化誤差為±0.5/256。ADC的速度決定了采樣的水平(時(shí)間)精度，速度越快，采樣的時(shí)間間隔就越小，水平(時(shí)間)誤差也就越小。比如速度為50MHz的ADC器件，其最小采樣時(shí)間間隔為20ns。
理論上來(lái)說(shuō)，ADC的位數(shù)越高、速度越快，采樣的效果越好。但由于受到半導(dǎo)體工藝的限制，ADC的位數(shù)和速度不可能達(dá)到很高。實(shí)際上對(duì)于超聲波信號(hào)而言，8位的、100MHz的ADC就可以滿(mǎn)足要求。
對(duì)于從ADC轉(zhuǎn)換得來(lái)的采樣數(shù)據(jù)，由于受到儀器的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的限制，不可能全部存儲(chǔ)下來(lái)，也沒(méi)有必要這樣做。為了滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間采樣的需求，必須對(duì)采樣的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍，對(duì)這些數(shù)據(jù)的取舍的不同，實(shí)際上就構(gòu)成了不同的采樣方法。
目前廣泛使用的采樣方法有兩種順序采樣法和峰值保持采樣法。
①順序采樣法順序采樣法是以一定的時(shí)間間隔，將間隔分界處的采樣數(shù)值存儲(chǔ)下來(lái)。如圖3所示，在圖3中分別用t<I>和x<I>來(lái)表示該時(shí)間間隔的峰值和實(shí)際采樣值(I表示時(shí)間間隔數(shù))。這個(gè)一定的時(shí)間間隔是由分頻器的分頻系數(shù)決定的。假設(shè)現(xiàn)在分頻系數(shù)為5，ADC的采樣頻率為50MHz，則這個(gè)時(shí)間間隔為5×1/50MHz＝5×20ns＝100ns由于順序采樣法實(shí)際采樣速度比較低，存儲(chǔ)的又僅僅是間隔分界處的采樣值，所以極有可能將一定時(shí)間間隔內(nèi)的峰值丟失，造成采樣數(shù)據(jù)和實(shí)際原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)極大的失真。這種方法既不能保證采樣的垂直(幅度)精度，更談不上水平(時(shí)間)精度。所以，僅可用于對(duì)采樣精度要求不高的場(chǎng)合。
②峰值保持采樣法峰值保持采樣法是在順序采樣法的基礎(chǔ)之上改進(jìn)而來(lái)的。也是以一定的時(shí)間間隔，不過(guò)存儲(chǔ)的不再是時(shí)間間隔邊界處的采樣數(shù)值，而是通過(guò)引入一個(gè)極大值比較器，將一定時(shí)間間隔內(nèi)的峰值存儲(chǔ)下來(lái)。如圖4所示。在圖4中分別用t<I>和x<I>來(lái)表示該時(shí)間間隔的峰值和實(shí)際采樣值(I表示時(shí)間間隔數(shù))。顯然t<I>和x<I>是重合的。這種方法很好地解決了采樣的垂直(幅度)精度，但水平時(shí)間的誤差相當(dāng)大，不能記錄該峰值所對(duì)應(yīng)的具體時(shí)間。比如，這種方法可以將200-250ns時(shí)間間隔內(nèi)的峰值(t5或x5)存儲(chǔ)下來(lái)，但不能確定該峰值所對(duì)應(yīng)的具體時(shí)間，只能將時(shí)間間隔分界處的時(shí)間值作為其對(duì)應(yīng)的時(shí)間。但無(wú)論用200ns當(dāng)成其對(duì)應(yīng)時(shí)間，還是用250ns當(dāng)成其對(duì)應(yīng)時(shí)間，都將會(huì)出現(xiàn)極大的誤差。所以，采樣的水平時(shí)間精度還是不能保證。在這種情況之下，提出了本發(fā)明時(shí)間小數(shù)采樣法，能很好地解決水平(時(shí)間)誤差的問(wèn)題。
時(shí)間小數(shù)采樣法是在峰值保持采樣法中的幅度存儲(chǔ)器基礎(chǔ)之上，又加上了一個(gè)時(shí)間存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)在一定時(shí)間間隔內(nèi)峰值所對(duì)應(yīng)的具體的時(shí)間參數(shù)，如圖5所示。
圖5中，ADC的采樣頻率為100MHz，分頻器的分頻參數(shù)為5，因而固定時(shí)間間隔為50ns。比如在50-100ns的時(shí)間間隔內(nèi)，幅度極大值比較器使得能將峰值y2存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)將y2采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值x2存儲(chǔ)下來(lái)。假設(shè)固定時(shí)間間隔為50ns，則分頻器初始化參數(shù)為FBh，分頻器記數(shù)到FFh表示時(shí)間間隔結(jié)束。從圖5可看出，x2處的分頻值為FEh。表明峰值y2是在50ns中第4(FEh－FBh＋1)個(gè)10ns處獲得。從而可以獲知y2的具體的準(zhǔn)確的時(shí)間參數(shù)。
從圖5還可以看出，真正的峰值和實(shí)際采樣的峰值有一定的差距。這是受ADC本身的速度所限制的。比如ADC的采樣速度為100MHz，其采樣的最小時(shí)間間隔為10ns，那么該ADC對(duì)于10ns之內(nèi)的峰值不能分辨，只能采樣10ns邊界處的值。提高ADC的采樣速度可以使得這種峰值采樣的誤差減小。實(shí)際上，對(duì)于超聲波而言，10ns的采樣精度時(shí)非常高的。根據(jù)位移公式S＝V×t-S表示位移，在超聲波探傷儀中表示聲程-V表示速度，在超聲波探傷儀中表示聲速，鋼縱波中為5940m/s-t表示時(shí)間，這里指的是ADC的最小采樣時(shí)間10ns可以計(jì)算得到S＝5940m/s×10ns＝0.005940mm/ns×10ns＝0.0594mm這個(gè)采樣時(shí)間精度實(shí)際上已經(jīng)可以滿(mǎn)足實(shí)際探傷要求。
如圖6所示，組成本發(fā)明時(shí)間小數(shù)采樣法的采樣電路9由下列部件組成，其連接關(guān)系是峰值保持器A與幅度存儲(chǔ)器a相電連接；分頻器B分別與峰值比較器D和峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器C相電連接；峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器C與時(shí)間存儲(chǔ)器c相電連接；峰值比較器D分別與峰值比較器A和峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器C相電連接。
圖7為采樣電路9的實(shí)施例電原理圖。其中A峰值保持器。通過(guò)一個(gè)八位帶時(shí)鐘使能的D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)比峰值保持器A中的數(shù)據(jù)大時(shí)，峰值保持器A中的數(shù)據(jù)更新為采樣數(shù)據(jù)；否則，峰值保持器A中的數(shù)據(jù)保持不變。
B分頻器。由一個(gè)八位計(jì)數(shù)器(B1)和一個(gè)反向器(B2)組成并相互電連接。產(chǎn)生一定時(shí)間間隔。
C峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器。通過(guò)一個(gè)八位帶時(shí)鐘使能的D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)比峰值保持器A中的數(shù)據(jù)大時(shí)，峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器C中的數(shù)據(jù)更新為分頻器B的分頻輸出；否則峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器C中的數(shù)據(jù)保持不變。
D峰值比較器。由一個(gè)八位大于比較器D1、一個(gè)兩輸入與門(mén)D2、一個(gè)兩輸入或門(mén)D3組成，并依次電連接。產(chǎn)生采樣數(shù)據(jù)和峰值保持器A中的數(shù)據(jù)的大于比較輸出。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果將本發(fā)明時(shí)間小數(shù)采樣法用于數(shù)字式超聲波探傷儀中，可以獲得極好的探傷測(cè)量效果。使得儀器的時(shí)間精度與探傷測(cè)量的范圍無(wú)關(guān)，無(wú)論探傷距離的遠(yuǎn)近，均可以獲得一致的、均勻的時(shí)間精度。從而為儀器探傷結(jié)果的高可靠性、高可信性提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。使用一般的順序采樣法和峰值保持采樣法的儀器，將出現(xiàn)時(shí)間誤差與測(cè)量范圍成正比(測(cè)量范圍越遠(yuǎn)，時(shí)間誤差越大)，不能精確測(cè)量距離，因而不能精確確定缺陷的位置。本方法還可以用于與時(shí)間測(cè)量有關(guān)的數(shù)字式儀器比如數(shù)字式示波器中，對(duì)于時(shí)間的精確測(cè)量提供了一種很好的解決方案，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式超聲波探傷儀，由超聲波探頭(7)、模擬電路(8)、采樣電路(9)、數(shù)字電路(10)組成并依次電連接；又?jǐn)?shù)字電路(10)分別與波形顯示器(11)、制作報(bào)表(12)、打印機(jī)(13)電連接，其特征在于采樣電路(9)由下列部件組成，其連接關(guān)系是峰值保持器(A)與幅度存儲(chǔ)器(a)相電連接；分頻器(B)分別與峰值比較器(D)和峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器(C)相電連接；峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器(C)與時(shí)間存儲(chǔ)器(c)相電連接；峰值比較器(D)分別與峰值比較器(A)和峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器(C)相電連接。
2.依托權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式超聲波探傷儀的時(shí)間小數(shù)采樣法，其特征在于該方法是在峰值保持采樣法中的幅度存儲(chǔ)器(a)的基礎(chǔ)之上，又加上了一個(gè)時(shí)間存儲(chǔ)器(c)，用于存儲(chǔ)在一定時(shí)間間隔內(nèi)峰值所對(duì)應(yīng)的具體時(shí)間參數(shù)。
3.按權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征在于峰值比較器(D)，由一個(gè)八位大于比較器(D1)、一個(gè)兩輸入與門(mén)(D2)、一個(gè)兩輸入或門(mén)(D3)組成，并依次電連接；分頻器(B)由一個(gè)八位計(jì)數(shù)器(B1)和一個(gè)反向器(B2)組成并相互電連接；峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄器(C)和峰值保持器(A)，均由一個(gè)八D觸發(fā)器組成。
4.按權(quán)利要求2所述的時(shí)間小數(shù)采樣法，其特征在于當(dāng)對(duì)采樣后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，同時(shí)將幅度存儲(chǔ)器(a)和時(shí)間存儲(chǔ)器(c)的數(shù)值讀取出來(lái)，一個(gè)用于確定峰值，另一個(gè)用于確定峰值所對(duì)應(yīng)的具體的時(shí)間參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字式超聲波探傷儀及其時(shí)間小數(shù)采樣法,涉及無(wú)損檢測(cè)中的超聲波探傷技術(shù),尤其涉及一種超聲波探傷儀的數(shù)字采樣技術(shù)。為了克服現(xiàn)有順序采樣法和峰值保持采樣法存在的不能保證水平時(shí)間精度的缺點(diǎn),而提出的時(shí)間小數(shù)采樣法是在峰值保持采樣法的基礎(chǔ)之上,通過(guò)加上另外一個(gè)存儲(chǔ)器,將一定時(shí)間間隔內(nèi)的峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間存儲(chǔ)下來(lái)。由于儀器的時(shí)間精度與探傷測(cè)量的范圍無(wú)關(guān),本方法不僅能有效地應(yīng)用于數(shù)字式超聲波探傷儀中,而且還能廣泛、有效地應(yīng)用于其他與時(shí)間測(cè)量有關(guān)的數(shù)字式儀器中。
文檔編號(hào)G01N29/04GK1336544SQ0011593
公開(kāi)日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2000年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月1日
發(fā)明者田建新, 左林, 周健 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所