实用新型名称数字式超声波探伤仪

摘要

本实用新型公开了一种数字式超声波探伤仪，涉及无损检测中的超声波探伤仪，尤其涉及一种数字式超声波探伤仪的数字采样技术。为了克服现有顺序采样法和峰值保持采样法存在的不能保证水平时间精度的缺点，而提出了本时间小数采样法。实现该方法的本实用新型是其采样电路主要有峰值保持器与幅度存储器相电连接;峰值对应时间记录器与时间存储器相电连接。由于本实用新型的时间精度与探伤测量的范围无关，极大地提高了仪器的高可靠性和高可信性;而且还能广泛、有效地应用于其他与时间测量有关的数字式仪器中。

权利要求书

1.一种数字式超声波探伤仪，由超声波探头(7)、模拟电路(8)、采样电路(9)、数字电路(10)组成并依次电连接;又数字电路(10)分别与波形显示器(11)、制作报表(12)、打印机(13)电连接，其特征在于:采样电路(9)由下列部件组成，其连接关系是峰值保持器(A)与幅度存储器(C)相电连接;分频器(B)分别与峰值比较器(D)和峰值对应时间记录器(C)相电连接;峰值对应时间记录器(C)与时间存储器(c)相电连接;峰值比较器(D)分别与峰值比较器(A)和峰值对应时间记录器(C)相电连接。

2.按权利要求1所述的一种数字式超声波探伤仪，其特征在于:峰值比较器(D)，由一个八位大于比较器（D1)、一个两输入与门(D2)、一个两输入或门(D3)组成，并依次电连接:分频器(B)由一个八位计数器(B1)和一个反向器(B2)组成并相互电连接;峰值对应时间记录器(C)和峰值保持器(A)，均由一个八D触发器组成。 本实用新型涉及无损检测中的超声波探伤仪，尤其涉及一种数字式超声波探伤仪的数字采样技术。

电子计算机的高速发展，使得社会的各个领域出现了翻天覆地的巨大变化。广泛应用于国民经济各个部门的各类仪器逐步走向数字化、智能化，正是这种变化的典型体现。智能仪器，在原来模拟仪器的基础上，采用了最新的计算机、高速数字信号处理等技术，具有新的、前所未有的“智能化”特征:操作更简便;处理过程自动化，很少、甚至不需人工干涉;能输出各种用户可定制的报表等。

智能仪器处理的是数字信号，不能直接对来自自然界中的信号进行处理。自然界中存在的大部分信号是非电的信号，必须通过各种专用的传感器(比如温度传感器、压力传感器、超声波探头等)将其转换成电的信号。这些信号都是连续的模拟信号，智能仪器也还不能处理。必须通过后续的采样过程将其转换成数字信号，才可以处理。因而在智能仪器中，特别是与测量有关的智能仪器(比如数字式超声波探伤仪、数字示波器等等)中，采样处于一种举足轻重的地位，直接关系到所获取数字信号的“精度”。此精度指的是所获取的数字信号的失真程度:是否如实地反映了原来的模拟信号，是否加入了原来模拟信号中并不存在的成分(比如转换噪声等)。

采样精度，通常包括采样信号的垂直(幅度)精度和水平(时间)精度垂直精度与ADC (Analog Digital Converter，模拟数字转换器。一种将模拟信号转换成数字信号的转换装置。)的位数有关，与之成正比，位数越高，精度越高。水平精度取决于ADC的转换速度以及采样方法，与转换速度成正比，采用不同的采样方法将导致不同的水平精度。除非特别提及，本文中的采样精度指的是水平(时间)精度。

目前广泛使用的采样方法主要是:“顺序采样法”和“峰值保持采样法”。顺序采样法技术简单，容易实现。将ADC转换后的数据按一定的时间间隔存储下来，这些数据是采样时间间隔边界处的幅度值。极有可能将原始信号的峰值丢失，造成极大采样失真。也不能保证

时间精度。峰值保持采样法仍旧按一定的采样时间间隔对转换后的数据进行存储。不过，存储的不是采样时间间隔边界处的数据，而是通过使用一个峰值比较器，将一定时间间隔之间的峰值存储下来。使用这种方法可以很好地将原始信号的峰值保存下来，但缺陷是并不 知道该峰值所对应的时间间隔内的时间，采样信号的时间精度仍不能保证。

本实用新型的目的就在于克服现有的顺序采样法和峰值保持采样法存在的缺点和不足，而提出了一种时间小数采样法及实现该方法的数字采样电路，不但能够极好地将原始信号的峰值保存下来，而且能够获得极好的时间精度。

本实用新型的目的是这样实现的，即在峰值保持采样法及其相应采样电路的基础之上，通过加上另外一个时间存储器，将一定时间间隔内的峰值所对应的时间存储下来。 （运用了组合原理）

下面结合附图和实施例详细说明:

图1为智能仪器一般组成原理框图，其中:1-传感器，2-ADC(模数转换器)，3一数字信号处理器，4一记录输出(包括屏幕显示、制作和打印报表等)，5-DAC(数模转换器)，6一控制输出。

图2为数字式超声波探伤仪的一般组成原理图，其中:7一超声波探头，8_模拟电路(发射与接受)，9一采样电路(包含ADC)， 10一数字电路(数字信号处理)，11一波形显示器，12一制作报表、13一打印机。 图3为顺序采样法的波形图。 图4为峰值保持采样法的波形图。

图5为时间小数采样法的波形图。其中:横轴为时间轴，单位为毫微秒(ns>; 纵轴为采样数值(对于八位ADC而言，范围为:0-255 )e

图6为采样电路9的组成框图，其中:A一峰值保持器，B一分频器，C一峰值对应时间记录器，D一峰值比较器，a一幅度存储器，c一时间存储器。

图7为采样电路9的实施例电原理图。图7 (A)为分频器B和峰值比较器D部分;图7 (B)为峰值保持器A和峰值对应时间记录器C部分。

由图1可知，一般的智能仪器都是由传感器1, ADC2、数字信号处理器3,记录输出4, DAC5、控制输出6组成。

智能仪器处理的原始信号来自于自然界。它们各式各样、变化多端。这些信号大多是非电的信号，必须通过各种各样的传感器将其转换成电的信号。光是转换成电的信号(连续的模拟信号)，智能仪器还不能处理，还必须用ADC将它们转换成离散的数字信号才行。 由图2可知，一般的数字式超声波探伤仪，由超声波探头7、模拟电路8.采样电路9、数字电路10组成并依次电连接;又数字电路10分别与波形显示器11.制作报表12、打印机13相电连接。

从图2可以看出，数字式超声波探伤仪所能处理的数字信号是由三个环节生成的，一个是探头传感器7，另一个是用于超声波的发射和接受的模拟电路8，再一个就是采样电路9.采样电路9是由模拟信号变成数字信号的桥梁，其作用举足轻重。采样电路的优劣，直接关系到生成数字信号的失真程度，是后续数字信号处理的基础。采样电路9的基本实现器件是ADCo

ADC有两个重要的指标:位数和速度。ADC的位数决定了采样的垂直(幅度)精度，位数越高，采样的量化误差越小。采样的最大量化误差等于士1/2LSBC Least Significant Bit，最低有效位。在这里指的是相邻两个量化级别之f7的差距。)，比如对于8位的ADC，其最大量化误差为士0.5/2560 ADC的速度决定了采样的水平(时间)精度，速度越快，采样的时间间隔就越小，水平 (时间)误差也就越小。比如速度为SOMHz的ADC器件，其最小采样时间间隔

为20nse

理论上来说，ADC的位数越高、速度越快，采样的效果越好。但由于受到半导体工艺的，ADC的位数和速度不可能达到很高。实际上对于超声波信号而言，8位的、100MHz的ADC就可以满足要求。

对于从ADC转换得来的采样数据，由于受到仪器的存储器存储容量的，不可能全部存储下来，也没有必要这样做。为了满足长时间采样的需求，必须对采样的原始数据进行取舍，对这些数据的取舍的不同，实际上就构成了不同的采样方法。 目前广泛使用的采样方法有两种:顺序采样法和峰值保持采样法。 ①顺序采样法

顺序采样法是以一定的时间间隔，将间隔分界处的采样数值存储下来。如图3所示，在图3中分别用t和x来表示该时间间隔的峰值和实际采样值((I表示时间间隔数)。这个一定的时间间隔是由分频器的分频系数决定的。假设现在分频系数为5. ADC的采样频率为50MHz，则这个时间间隔为: 5x1/50MHz=5 x 20ns=100ns

由于顺序采样法实际采样速度比较低，存储的又仅仅是间隔分界处的采样值，所以极有可能将一定时间间隔内的峰值丢失，造成采样数据和实际原始数据出现极大的失真。这种方法既不能保证采样的垂直(幅度)精度，更谈不上水平(时间)精度。所以，仅可用于对采样精度要求不高的场合。 ②峰值保持采样法

峰值保持采样法是在顺序采样法的基础之上改进而来的。也是以一定的时间间隔，不过存储的不再是时间间隔边界处的采样数值，而是通过引入一个极大值比较器，将一定时间间隔内的峰值存储下来。如图4所示。在图4中分别用t和x来表示该时间间隔的峰值和实际采样值((I表示时间间隔数)。显然t和x是重合的。这种方法很好地解决了采样的垂直(幅度)精度，但水平时间的误差相当大，不能记录该峰值所对应的具体时间。比如，这种方法可以将200-250ns时间间隔内的峰值(巧或x5)存储下来，但不能确定该峰值所对应的具体时间，只能将时间间隔分界处的时间值作为其对应的时间。但无论用200ns当成其对应时间，还是用250ns当成其对应时间，都将会出现极大的误差。所以，采样的水平时间精度还是不能保证。在这种情况之下，提出了本发明时间小数采样法，能很好地解决水平(时间)误差的问题。

时间小数采样法是在峰值保持采样法中的幅度存储器基础之上，又加上了一个时间存储器，用于存储在一定时间间隔内峰值所对应的具体的时间参数，如图5所示。 图5中，ADC的采样频率为100MHz，分频器的分频参数为5，因而固定时间间隔为50ns。比如在50-100ns的时间间隔内，幅度极大值比较器使得能将峰值Y2存储下来，同时将Y2采样点所对应的时间值x2存储下来。假设固定时间间隔为50ns，则分频器初始化参数为「Bh，分频器记数到FFh表示时间间隔结束。从图5可看出，x2处的分频值为FEh。表明峰值Y2是在50ns中第4 (FEh一FBh+1)个10ns处获得。从而可以获知v2的具体的准确的时间参数。 从图5还可以看出，真正的峰值和实际采样的峰值有一定的差距。这是受ADC本身的速度所的。比如ADC的采样速度为100MHz，其采样的最小时间间隔为lOns.那么该ADC对于10ns之内的峰值不能分辨，只能采样10ns边界处的值。提高ADC的采样速度可以使得这种峰值采样的误差减小。实际上，对于超声波而言，10ns的采样精度时非常高的。根据位移公式: S=V xt

-S表示位移，在超声波探伤仪中表示声程

-V表示速度，在超声波探伤仪中表示声速，钢纵波中为5940m/s

-t表示时间，这里指的是ADC的最小采样时间10ns 可以计算得到:

S== 5940m/s x 10ns== 0.005940mm/ns x 10ns== 0.0594mm 这个采样时间精度实际上己经可以满足实际探伤要求。

如图s所示，本实用新型的采样电路9由下列部件组成，其连接关系是峰值保持器A与幅度存储器d相电连接;分频器B分别与峰值比较器D和峰值对应时间记录器C相电连接;峰值对应时间记录器C与时间存储器c相电连接;峰值比较器D分别与峰值比较器A和峰值对应时间记录器C相电连接。

图7为采样电路9的实施例电原理图。其中: A:峰值保持器。通过一个八位带时钟使能的D触发器来实现。当采样数据比峰值保持器A中的数据大时，峰值保持器A中的数据更新为采样数据;否则，峰值保持器A中的数据保持不变。

B:分频器。由一个八位计数器(B1)和一个反向器(B2)组成并相互电连接。产生一定时间间隔。

C:峰值对应时间记录器。通过一个八位带时钟使能的D触发器来实现。当采样数据比峰值保持器A中的数据大时，峰值对应时间记录器C中的数据更新为分频器B的分频输出;否则峰值对应时间记录器C中的数据保持不变。

D;峰值比较器。由一个八位大于比较器D1、一个两输入与门D2、一个两输入或门D3组成，并依次电连接。产生采样数据和峰值保持器A中的数据的大于比较输出。

本实用新型具有下列优点和积极效果:

首先是本身可以获得极好的探伤测量效果。使得仪器的时间精度与探伤测量的范围无关，无论探伤距离的远近，均可以获得一致的、均匀的时间精度。从而为仪器探伤结果的高可靠性、高可信性提供坚实的技术保障。使用一般的顺序采样法和峰值保持采样法的仪器，将出现时间误差与测量范围成正比(测量范围越远，时间误差越大)，不能精确测量距离，因而不能精确确定缺陷的位置。另外，本采样电路还可以用于与时间测量有关的数字式仪器比

如数字式示波器中，对于时间的精确测量提供了一种很好的解决方案，具有很大的实用价值。

其他方法：

设计一种数字式超声波探伤仪，包括探头、超声波发射电路单元、超声波接收电路单元、控制电路及显示器，且该控制电路内设有单片微处理控制单元;其特征是:

设有数字信号处理器电路单元;该数字信号处理器电路单元包括:存储器、数字信号处理器及显示电路，在该数字信号处理器电路单元与该超声波接收电路单元之间还连接有模数转换电路和采样数据缓存电路;其中:超声波接收电路单元的输出通过模数转换电路和采样数据缓存电路接数字信号处理器;数字信号处理器接存储器，数字信号处理器与存储器接单片微处理控制单元;

该超声发射电路单元所产生的瞬时高压脉冲，经该探头内的压电晶片而产生超声发射信号，该超声波发射信号在被测工件内传播，并携带工件的缺陷和介面信息返回探头，再经该压电晶片转换为电信号进入所述超声波接收单元进行放大滤波，经模数转换电路转换为数字信号、送至采样数据缓存电路缓存;数字信号处理器将缓存的数字信号取出，并将数字信号所代表的回波值经运算后生成回波幅度曲线经由显示电路送显示器显示。在数字信号处理器内部辟有主机接口和共享存储区，单片微处理器通过主机接口对数字信号处理器的共享存储 区进行访问，进而实现对控制参数设定和命令发布;另一方面，数字信号处理器也可通过主机接口将共享存储区所存储的计算结果和运行状态反馈给单片微处理器。该单片微处理控制单元还包括与单片微处理器相连接的逻辑控制电路、和健盘电路，逻辑控制电路负责控制系统的译码、采样电路和发射电路的逻辑时序控制，而健盘电路则与外部输入键盘相连接。与该数字信号处理器电路单元中的数字信号处理器连接液晶显示电路，并通过显示屏显示回波幅度曲线以进行探伤。该单片微处理器单元内的单片微处理器还连接有电池电压监控电路、以及与外部的计算机或打印机相连接的接口电路单元。所述接口电路单元，采用RS232串行总线接口标准。设有蜂鸣报警器，根据控制单元的指令进行进波报警和失波报警。

超声波发射电路单元是由驱动电路与受该驱动电路控制的高压发生电路和脉冲形成电路所组成，其中:该高压发生电路是由接于正、负低压电源之间的二开关及串接于二开关之间的电感所组成，该电感的一端接脉冲形成电路，该驱动电路控制二开关的通断。该二开关是分别由P型开关管和N型开关管所构成的晶体管开关;该P型开关管的漏极接正电源，源极接电感，控制极接驱动电路;该N型开关管的漏极接负电源，源极接该电感的另一端，控制极接驱动电路的另一输出;该脉冲形成电路是由N型开关管和RC微分电路所构成;该N型开关管的漏极与该P型开关管的源极之间接有续流二极管。

由于实现了数字化，本探伤仪利用计算机的强大数据处理功能，“快速、高精度、高分辫率地进行工件内部多种缺陷(如:裂纹、夹杂、气孔等)的检测、定位、评估和诊断;在完成探伤工作的同时有效地保留探伤数据，并可随时回放所保留的探伤数据;由于采用了超大规模集成电路结构，使得本探伤仪体积小、重量轻、携带方便;本实用新型还通过低功耗设计来降低整机功耗，延长电池工作时间，方便野外作业;本数字式超声波探伤仪既可应用于实验室，也可应用于工程现场，在制造业、钢铁冶炼业、金属加工业、化工工业等需要进行缺陷检测和质量控制的领域都有广泛应用，及用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。