專利名稱：數(shù)字式超聲波探傷儀及dac曲線制作、閘門內(nèi)展寬方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波探傷技術，尤其是一種數(shù)字式超聲波探傷儀及DAC曲線制作、閘門內(nèi)展寬方法。
背景技術：
利用超聲波進行探傷是目前無損探傷領域普遍應用的一種探傷手段，是一種無損和無污染的探傷方法。其基本原理是利用超聲波在被測材料中傳播時，根據(jù)材料的缺陷所顯示的聲學性質(zhì)對超聲波傳播的影響來探測其缺陷。根據(jù)此原理，利用超聲波可以測量各種金屬、非金屬、復合材料等介質(zhì)內(nèi)的裂縫、氣孔、夾雜等缺陷信息。超聲波探傷儀是由具有壓電晶片的探頭、超聲波發(fā)射電路單元、超聲波接收電路單元及控制單元所組成。超聲發(fā)射電路單元所產(chǎn)生的瞬時高壓脈沖，經(jīng)該探頭內(nèi)的壓電晶片而產(chǎn)生超聲發(fā)射信號，該超聲波發(fā)射信號在被測工件內(nèi)傳播，并攜帶工件的缺陷和介面信息返回探頭，再經(jīng)該壓電晶片轉(zhuǎn)換為電信號進入所述超聲波接收單元進行放大濾波和顯示?，F(xiàn)有的超聲波探傷儀多為模擬式，由分立元件和小規(guī)模集成電路組成，體積大、重量大，耗電大，探傷效率低，探傷數(shù)據(jù)不易保存，不能在速度、精度、分辨率、可靠性等方面達到令人滿意的效果，應用起來很不方便。
隨著現(xiàn)代工業(yè)對無損檢測提出的高速度、高精度、高分辨力、高可靠性以及現(xiàn)場使用方便等要求，超聲檢測設備的自動化和儀器的小型化、數(shù)字化已成為發(fā)展方向。目前已出現(xiàn)一種數(shù)字化超聲探傷儀，其構成如圖1所示，除包括設有壓電晶片的探頭101、超聲波發(fā)射電路單元102、超聲波接收電路單元120以外，其控制單元是由單片微處理器111、接口電路單元115、鍵盤電路單元113和邏輯控制電路單元112所組成的單片微處理控制單元100。其中邏輯控制電路單元112是由多個小規(guī)模邏輯電路所組成，存在體積大、功耗高、可靠性低的缺點。超聲波接收單元將所接收到的攜帶工件的缺陷和介面信號進行放大濾波，經(jīng)單片微處理控制單元對采樣數(shù)據(jù)進行處理和顯示，進行探傷及生成距離波幅曲線。由于單片機的信號處理能力較弱，而隨著對超聲探傷信號定性、定量分析的進一步要求，它已不能滿足現(xiàn)代社會對儀器設備數(shù)字化、信息化的需求。另外，現(xiàn)有的這種數(shù)字化超聲探傷儀中的超聲波發(fā)射電路(如圖3所示)是由DC/DC電路、晶體管脈沖電路所組成，其中DC/DC電路是將低直流電壓轉(zhuǎn)變成直流高壓，再經(jīng)由晶體管開關和RC微分電路產(chǎn)生高壓脈沖。其中的DC/DC電路十分龐大且功耗很大，不符合低功耗、小型化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種由超大規(guī)模集成電路組成的數(shù)字式超聲波探傷儀，該探傷儀體積小、重量輕，探傷效率高，可隨時生成及顯示回波幅度曲線，并可在完成探傷工作的同時有效保留探傷數(shù)據(jù)，以隨時回放該數(shù)據(jù)；另外，本發(fā)明還可通過與計算機相連接，提供強大的數(shù)據(jù)處理能力。
本發(fā)明的另一目的是提供一種低功耗、小型化的發(fā)射電路的數(shù)字式超聲波探傷儀。
本發(fā)明的再一目的還在于提供一種實時動態(tài)儲存探傷數(shù)據(jù)的方法以及全范圍動態(tài)DAC曲線的制作方法和觀察回波幅度曲線的閘門內(nèi)展寬方法。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明特提出以下技術方案一種數(shù)字式超聲波探傷儀，包括探頭、超聲波發(fā)射電路單元、超聲波接收電路單元、控制電路及顯示器，且該控制電路內(nèi)設有單片微處理控制單元；其特征是設有數(shù)字信號處理器電路單元；該數(shù)字信號處理器電路單元包括存儲器、數(shù)字信號處理器及顯示電路，在該數(shù)字信號處理器電路單元與該超聲波接收電路單元之間還連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣數(shù)據(jù)緩存電路；其中超聲波接收電路單元的輸出通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣數(shù)據(jù)緩存電路接數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器接存儲器，數(shù)字信號處理器與存儲器接單片微處理控制單元；該超聲發(fā)射電路單元所產(chǎn)生的瞬時高壓脈沖，經(jīng)該探頭內(nèi)的壓電晶片而產(chǎn)生超聲發(fā)射信號，該超聲波發(fā)射信號在被測工件內(nèi)傳播，并攜帶工件的缺陷和介面信息返回探頭，再經(jīng)該壓電晶片轉(zhuǎn)換為電信號進入所述超聲波接收單元進行放大濾波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、送至采樣數(shù)據(jù)緩存電路緩存；數(shù)字信號處理器將緩存的數(shù)字信號取出，并將數(shù)字信號所代表的回波值經(jīng)運算后生成回波幅度曲線經(jīng)由顯示電路送顯示器顯示。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是在數(shù)字信號處理器內(nèi)部辟有主機接口和共享存儲區(qū)，單片微處理器通過主機接口對數(shù)字信號處理器的共享存儲區(qū)進行訪問，進而實現(xiàn)對控制參數(shù)設定和命令發(fā)布；另一方面，數(shù)字信號處理器也可通過主機接口將共享存儲區(qū)所存儲的計算結(jié)果和運行狀態(tài)反饋給單片微處理器。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是該單片微處理控制單元還包括與單片微處理器相連接的邏輯控制電路、和鍵盤電路，邏輯控制電路負責控制系統(tǒng)的譯碼、采樣電路和發(fā)射電路的邏輯時序控制，而鍵盤電路則與外部輸入鍵盤相連接。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是與該數(shù)字信號處理器電路單元中的數(shù)字信號處理器連接液晶顯示電路，并通過顯示屏顯示回波幅度曲線以進行探傷。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是該單片微處理器單元內(nèi)的單片微處理器還連接有電池電壓監(jiān)控電路、以及與外部的計算機或打印機相連接的接口電路單元。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是所述接口電路單元，采用RS232串行總線接口標準。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是設有蜂嗚報警器，根據(jù)控制單元的指令進行進波報警和失波報警。
一種數(shù)字式超聲波探傷儀，包括探頭、超聲波發(fā)射電路單元、超聲波接收電路單元、控制電路及顯示器，其特征是該超聲波發(fā)射電路單元是由驅(qū)動電路與受該驅(qū)動電路控制的高壓發(fā)生電路和脈沖形成電路所組成，其中該高壓發(fā)生電路是由接于正、負低壓電源之間的二開關及串接于二開關之間的電感所組成，該電感的一端接脈沖形成電路，該驅(qū)動電路控制二開關的通斷。
所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是該二開關是分別由P型開關管和N型開關管所構成的晶體管開關；該P型開關管的漏極接正電源，源極接電感，控制極接驅(qū)動電路；該N型開關管的漏極接負電源，源極接該電感的另一端，控制極接驅(qū)動電路的另一輸出；該脈沖形成電路是由N型開關管和RC微分電路所構成；該N型開關管的漏極與該P型開關管的源極之間接有續(xù)流二極管。
一種數(shù)字式便攜超聲探傷儀的DAC曲線自動制作方法，其特征是通過閘門進行標定第一次缺陷回波，同時得到了該次缺陷回波與始發(fā)脈沖的間距，在進行下一個標定時，閘門自動移動到所關心的下一次缺陷回波，同時進行特征捕獲，依次類推可得到所需深度范圍的標定點，即可繪制DAC曲線。
一種數(shù)字式便攜超聲探傷儀的全范圍動態(tài)DAC曲線的制作方法，其特征是首先由在采樣序列中的位置得到特征點的位置、特征值、相應增益值，根據(jù)缺陷回波高度來調(diào)節(jié)增益以達到較好的信噪比而后再進行標定；并在當前顯示區(qū)域內(nèi)完成部分標定后，調(diào)節(jié)測量范圍或移位延時繼續(xù)標定更大范圍的缺陷回波，從而使得DAC曲線的適用范圍得到擴大。
一種觀察回波幅度曲線的閘門內(nèi)展寬方法，其特征是在展寬時，先從源樣本序列S1(n)中截取對應當前顯示范圍的樣本序列S2(n)或者根據(jù)當前測量范圍提高物理AD采樣率獲得新的源樣本序列S2(n)，然后再對S2(n)進行二次采樣和特征捕獲得到新的顯示序列D2(m)，這樣就可以盡可能的利用了源采樣序列從而提供豐富的細節(jié)波形。本發(fā)明的優(yōu)點在于，由于實現(xiàn)了數(shù)字化，本探傷儀能夠利用計算機的強大數(shù)據(jù)處理功能，“快速、高精度、高分辨率地進行工件內(nèi)部多種缺陷(如裂紋、夾雜、氣孔等)的檢測、定位、評估和診斷；可在完成探傷工作的同時有效地保留探傷數(shù)據(jù)，并可隨時回放所保留的探傷數(shù)據(jù)；并且，由于采用了超大規(guī)模集成電路結(jié)構，使得本探傷儀體積小、重量輕、攜帶方便；本發(fā)明還通過低功耗設計來降低整機功耗，延長電池工作時間，方便野外作業(yè)；本數(shù)字式超聲波探傷儀既可應用于實驗室，也可應用于工程現(xiàn)場，在制造業(yè)、鋼鐵冶煉業(yè)、金屬加工業(yè)、化工工業(yè)等需要進行缺陷檢測和質(zhì)量控制的領域都有廣泛應用，還廣泛應用于航空航天、鐵路交通、鍋爐壓力容器等領域的在役安全檢查與壽命評估。


圖1為現(xiàn)有數(shù)字式超聲波探傷儀的電路方框圖。
圖2為本發(fā)明的探傷儀的電路方框圖。
圖3為現(xiàn)有數(shù)字式超聲波探傷儀中的發(fā)射單元的電路圖。
圖4為本發(fā)明的探傷儀的發(fā)射單元的電路圖。
圖5為本發(fā)明的探傷儀的超聲波接收電路單元的電路方框圖。
圖6A-圖6C為本發(fā)明的探傷儀的控制電路的詳細電路圖。
具體實施例方式
請看圖2所示，為本發(fā)明的探傷儀方框圖，本發(fā)明的數(shù)字式超聲波探傷儀，包括探頭101，該探頭內(nèi)設有壓電晶片，該探傷儀的內(nèi)部還包括有與該探頭101相連接的超聲波發(fā)射電路單元102和超聲波接收電路單元120(包括前置放大電路103、程控增益電路104、濾波電路105)，阻尼選擇和探頭切換電路單元107，以及與所述的超聲波發(fā)射電路單元102和超聲波接收電路單元相連接的單片微處理控制單元100；其中單片微處理控制單元100主要包括單片微處理器MCU(Micro programmed Control Unit)111、邏輯控制電路單元112、鍵盤電路單元113、電池電壓監(jiān)控電路單元114、接口電路單元115，主要負責系統(tǒng)初始化、鍵盤響應、打印機驅(qū)動、與上位機的通訊等功能；為解決現(xiàn)有控制所采用的單片微處理器的信號處理能力的不足，本發(fā)明增設了數(shù)字信號處理器電路單元130；該數(shù)字信號處理器電路單元130包括存儲器109、數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processing)108及顯示電路110，在該數(shù)字信號處理器電路單元130與該超聲波接收電路單元120之間還連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106和采樣數(shù)據(jù)緩存電路116；其中超聲波接收電路單元120的輸出通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106和采樣數(shù)據(jù)緩存電路116接數(shù)字信號處理器108；數(shù)字信號處理器108接存儲器109，數(shù)字信號處理器108接單片微處理控制單元100中的邏輯控制電路單元112和單片微處理器MCU111；存儲器109接邏輯控制電路單元112。本發(fā)明的邏輯控制電路單元112采用大規(guī)模邏輯器件代替多個小規(guī)模邏輯器件，從而減小了體積和功耗并使可靠性大大提高。
單片微處理器111和數(shù)字信號處理器108之間相互協(xié)調(diào)，協(xié)同工作，在數(shù)字信號處理器108內(nèi)部開辟有共享存儲區(qū)1081、以及主機接口1082(HPI，HostPort Interface)，單片微處理器111通過主機接口1082對數(shù)字信號處理器DSP的共享存儲區(qū)1081進行訪問，進而實現(xiàn)對數(shù)字信號處理器的參數(shù)設定和命令發(fā)布；另一方面，數(shù)字信號處理器DSP也可通過HPI1082和共享存儲區(qū)1081將計算結(jié)果和運行狀態(tài)反饋給單片微處理器(MCU)111。本發(fā)明的這種組成使儀器的結(jié)構更加清晰，數(shù)據(jù)處理能力和控制能力更加強大。
圖4為本發(fā)明數(shù)字式超聲波探傷儀發(fā)射電路單元102的詳細電路圖。該超聲波發(fā)射電路單元102是由驅(qū)動電路1021與受該驅(qū)動電路控制的高壓發(fā)生電路和脈沖形成電路所組成，其中該高壓發(fā)生電路是由接于正、負5V電源之間的二開關、串接于二開關之間的電感所組成，該電感的一端接脈沖形成電路，該驅(qū)動電路控制二開關的通斷。在圖4具體實施例中，該二開關是分別由P型開關管VQ2和N型開關管VQ1所構成的晶體管開關；該P型開關管VQ2的漏極接+5V電源，源極接電感L，控制極接驅(qū)動電路1021的OB；該N型開關管VQ1的漏極接-5V電源，源極接該電感的另一端，控制極接驅(qū)動電路的另一輸出OA；該脈沖形成電路是由N型開關管VQ1和RC微分電路所構成；該N型開關管的漏極與該P型開關管的源極之間接有續(xù)流二極管V6。由于取消了現(xiàn)有超聲波發(fā)射電路單元中龐大的的DC/DC高壓發(fā)生器，因而使本發(fā)明的超聲波發(fā)射電路單元具有低功耗、小體積的特點。其工作過程是驅(qū)動電路1021受邏輯控制電路單元112控制，使VQ1、VQ2導通，電流I由+5V電源經(jīng)由VQ1、電感L、VQ2流向-5V電源，然后同時關斷VQ1、VQ2，電感L中電流立即由I變?yōu)?，則電感兩端將產(chǎn)生感生電壓，當感生電壓到達峰值的瞬間令VQ1導通，則RC微分電路輸出一高壓負脈沖。
該超聲發(fā)射電路單元所產(chǎn)生的瞬時高壓脈沖，經(jīng)該探頭內(nèi)的壓電晶片而產(chǎn)生超聲發(fā)射信號，該超聲波發(fā)射信號在被測工件內(nèi)傳播，并攜帶工件的缺陷和介面信息返回探頭，再經(jīng)該壓電晶片轉(zhuǎn)換為電信號進入所述超聲波接收單元進行放大濾波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、送至采樣數(shù)據(jù)緩存電路緩存；數(shù)字信號處理器將緩存的數(shù)字信號取出，并將數(shù)字信號所代表的回波值經(jīng)運算后自動生成回波幅度曲線(A掃曲線)。
以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明探傷儀的工作過程將探頭101與被測工件表面接觸，通過超聲發(fā)射電路單元102產(chǎn)生瞬時高壓脈沖，該高壓脈沖經(jīng)過探頭線到達探頭的壓電晶片(圖中未示)，產(chǎn)生超聲發(fā)射信號；超聲波發(fā)射信號在被測工件內(nèi)傳播，并攜帶工件的缺陷和介面信息返回探頭101，經(jīng)過探頭的壓電晶片后轉(zhuǎn)換為電信號進入本探傷儀的超聲波接收單元，圖5為超聲波接收電路單元的電路方框圖，因該圖中的電路均為現(xiàn)有技術非本發(fā)明的改進，故僅提供方框圖；并請結(jié)合圖2所示，該超聲波接收單元由三部分組成接收前置放大電路103、程控增益電路104、濾波電路單元105；其中接收前置放大電路103由第一級放大器、緩沖器、衰減器、及模擬開關組成，程控增益電路104在本實施例中實為第二級放大器，濾波電路105則包括濾波器和第三級放大器組成；前置級由三個通道組成分別為第一級放大器、緩沖器、衰減器，并通過模擬開關選通至第二級放大器。濾波器由三個濾波通道組成，分別為低頻通道0.1-1MHz；中頻通道0.5-4MHz；高頻道道2-10MHz；第一級放大器和第三級放大器采用了電流型寬帶放大器(MAX4180)，第二級放大器采用了ANALOG DEVICE公司的AD604。該超聲波接收單元所接收的電信號經(jīng)該超聲波接收單元放大并濾波，然后輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106，被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再送至采樣數(shù)據(jù)緩存電路116中暫時緩存；至此完成了信號的接收。
然后本探傷儀的數(shù)字信號處理器電路單元130將對緩存的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理工作，其中數(shù)字信號處理器(DSP)108將數(shù)字信號從采樣數(shù)據(jù)緩存電路116中取出進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)字信號所代表的回波值經(jīng)運算后生成回波幅度曲線，并同時送給液晶顯示電路110；在本探傷儀的控制面板上設有顯示屏(圖中未示)，與該液晶顯示電路110相連接，進行波形的實時動態(tài)地顯示輸出；存儲器電路單元109則負責探傷數(shù)據(jù)的儲存，使得本探傷儀可在完成探傷工作的同時有效地保留探傷數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的輸入指令隨時回放顯示所保留的探傷數(shù)據(jù)。
本探傷儀的單片微處理控制單元100的控制核心為單片微處理器111，如前所述，它的外部連接有邏輯控制電路單元112、鍵盤電路單元113、電池電壓監(jiān)控電路單元114、和接口電路單元115，主要負責系統(tǒng)初始化、鍵盤響應、打印機驅(qū)動、與上位機的通訊等功能，實現(xiàn)對儀器系統(tǒng)的操作控制、電壓監(jiān)控、打印通訊和邏輯控制。其中，邏輯控制電路單元112負責控制系統(tǒng)的譯碼、采樣電路的邏輯時序控制以及發(fā)射電路的邏輯時序控制。用戶可通過鍵盤電路單元113進行波形存儲方式、測量方式、測量單位(如可選擇mm或inch為測量單位)、顯示范圍、顯示標尺、掃描范圍、增益、選擇操作語言等等的設置。本發(fā)明還裝有一個電池，電壓監(jiān)控電路單元114可對該電池狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當電池電壓不足時，可進行顯示以告知用戶及時更換電池或進行充電，這種顯示方式可以是亮燈、發(fā)出聲響、在顯示屏上進行顯示等等。本探傷儀的單片微處理器111還設有一個接口電路單元115，采用RS232串行總線接口標準，該接口可連接計算機或者打印機，供上位計算機控制操作儀器的探傷動作，也可以讀取存儲在超聲波探傷儀中的波形數(shù)據(jù)和探傷參數(shù)，或者通過打印機輸出。該探傷儀還設有一個蜂嗚報警器(圖中未示)，根據(jù)控制單元的指令進行進波報警和失波報警。
圖6A-圖6C公開了本發(fā)明的探傷儀的控制電路(單片微處理控制單元100和數(shù)字信號處理器電路單元130)的詳細電路圖。在本發(fā)明的較佳實施例中單片微處理器111采用WINBOND公司的W78LE516，這是一款低電壓的51型單片機，工作電壓為3.3V。在電路中作為系統(tǒng)整體控制、人機接口控制、打印通訊控制。其中地址端口AD0-AD7通過地址線接DSP邏輯控制電路，作為單片機的地址/數(shù)據(jù)復用總線；地址端口A12、A13、A14接邏輯控制電路，該信號同讀寫控制信號一起在邏輯控制電路內(nèi)部進行譯碼，產(chǎn)生/CS_KB，/CS_CHA等片選信號；讀信號/RD端口接DSP邏輯控制電路的讀信號；寫信號/WR端口接DSP邏輯控制電路的寫信號；串口信號RXD、TXD端口接RS232串口，用作打印機接口、同PC的通訊接口。
數(shù)字信號處理器電路108采用美國德州儀器公司的TMS320VC5402PGE100，運算效率遠遠高于普通的單片機。在電路中，對數(shù)字化的超聲信號依據(jù)信號處理算法進行濾波、增強以及識別處理。其中地址端口A0-A15、數(shù)據(jù)端口D0-D15通過地址線和數(shù)據(jù)線接采樣數(shù)據(jù)緩存電路116；READY端口接顯示電路110，作為SED1374的內(nèi)部運行狀態(tài)信號；/HDS1、/HDS2、HBIL、/HCNTL0、/HCNTL1、HR/W、/HCS及/HAS端口接單片微處理器111的對應端口，作為HPI接口的控制信號；/IOSTRB、/MSTRB、R/W、/IS、/DS、/PS及XF端口接邏輯控制電路單元112的對應端口，用作DSP的控制信號輸出。該組信號在邏輯控制電路內(nèi)部經(jīng)過邏輯組合產(chǎn)生對DSP外設的各種片選、讀、寫控制信號。HP0-HD7端口接單片微處理器111，用作HPI接口的數(shù)據(jù)總線信號。
邏輯控制電路112是以CPLD(復雜可編程邏輯器件，Complex ProgrammableLogic Arrays)為中心的邏輯控制電路，系統(tǒng)的譯碼、采樣電路的邏輯時序控制以及發(fā)射電路的邏輯時序控制都是由CPLD實現(xiàn)的，本實施例中選擇的CPLD器件是ALTERA公司的EPM7128SQC100-10。其中AD0-AD6端口通過地址線接單片微處理器111的對應端口，是單片微處理器的數(shù)據(jù)/地址復用信號；AA12-AA14端口通過地址線接單片微處理器111的A12-A14，作為單片微處理器的高位地址線，用來譯碼；/INT_AD接數(shù)字信號處理器DSP用作采樣結(jié)束中斷，用來觸發(fā)DSP對采樣數(shù)據(jù)的讀取操作；FIRE_TL、FIRE_TO端口接超聲波發(fā)射電路單元中的驅(qū)動電路，控制超聲發(fā)射電路的時序信號；/W_KB、/R_KB端口接鍵盤電路單元113，用作讀寫矩陣鍵盤；/RD_LCD、/WR_LCD、/CS_LCD接顯示電路110，對SED1374進行讀寫控制操作；/WR、/RD接單片微處理器111，是單片微處理器的讀寫控制信號；ENCODE、PWRDN端口接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106，在該信號的時序控制下進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；AK0-AK16通過地址線接采樣數(shù)據(jù)緩存電路116，輸出高速SRAM的地址信號；/SEL_BUF、/CS_BUF、/RD_BUF、/WR_BUF通過控制線接采樣數(shù)據(jù)緩存電路116，傳輸高速SRAM的讀寫控制信號；A14-A19通過地址線接數(shù)字信號處理器108的對應端口，傳輸DSP的地址信號；R/W、/IS、/DS、/PS、/IOSTRB、/MSTRB及XF接DSP108，是DSP的讀寫控制信號。
顯示電路110中的顯示控制芯片為EPSON公司的SED1374，在電路中，它與DSP芯片通過DSP的數(shù)據(jù)總線相連接，并由CPLD控制讀寫操作。
超聲波發(fā)射電路單元102中的關鍵器件是型號為TC426的驅(qū)動電路和型號為BSP298以及BSP315的場效應管。
超聲信號采樣是在CPLD的邏輯控制下進行工作的，其模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106采用芯片AD9057，本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106是采用相位合成技術的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，采用兩次采樣合成一批等效采樣的方式，控制兩次采樣的控制信號相位偏差為180度，從而利用低速(40MHz)低成本的A/D采樣器件，將系統(tǒng)超聲模擬信號的采樣速率提高到了80MHz，并具備了提高到更高采樣速率(如160MHz、240MHz、320MHz或者更高，取決于復雜可變程邏輯器件的速度)的能力。從而提高了探傷分辨率。
該模數(shù)轉(zhuǎn)換器在邏輯控制電路單元112的控制與時序信號控制下，將模擬超聲信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換速度為20-80MHz(系統(tǒng)根據(jù)聲程自動調(diào)整)，轉(zhuǎn)換精度為8位。其中ENCODE端口接邏輯控制電路單元112的采樣時序控制端。采樣時序由邏輯控制電路內(nèi)部邏輯產(chǎn)生，采樣的頻率可以調(diào)節(jié)；PWRDN端口接邏輯控制電路單元112的電源控制端，當PWRDN＝1時，器件進入停止工作狀態(tài)；PWRDN＝o時，器件進入工作狀態(tài)。
模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的采樣數(shù)據(jù)緩存電路116是高速SRAM，其型號為IS63LV102415。作用是在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，在邏輯控制電路單元112的控制與時序信號控制下，將ADC產(chǎn)生的數(shù)字信號進行緩沖存儲；模數(shù)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，數(shù)字信號處理器DSP108可以將緩沖存儲的數(shù)據(jù)讀出，以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。其中A0-A16端口接邏輯控制電路單元112，用作1SRAM的地址選擇；DQ0-DQ7端口接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路106與數(shù)字信號處理器108，用作輸入時，與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)線連接；作輸出時，與DSP的數(shù)據(jù)線連接；是SRAM數(shù)據(jù)輸入輸出的通道；片選信號/CS口，接邏輯控制電路單元112，當訪問SRAM時，邏輯控制電路對地址進行譯碼使該信號有效；讀信號/OE口，接邏輯控制電路單元112，對SRAM進行讀操作時，邏輯控制電路使該信號有效；寫信號/WR口接邏輯控制電路單元112，對SRAM進行寫操作時，邏輯控制電路使該信號有效。
當然，上述各電路單元的芯片也可采用其他型號，只要能實現(xiàn)本發(fā)明的功能，都應包含在本發(fā)明的權利范圍內(nèi)。
另外，本探傷儀的探頭(101)可以是一個或是多個，以適應實際工作的需要。該探傷儀還設有一個蜂嗚報警器，根據(jù)控制單元的指令進行進波報警和失波報警。
本發(fā)明所提供的數(shù)字式超聲探傷儀，由于控制電路中在單片微處理控制單元的基礎上增加了數(shù)字信號處理器電路單元，使在傳統(tǒng)的超聲探傷儀的功能基礎之上，結(jié)合數(shù)字式儀器的特點，添加了以下獨特功能可實現(xiàn)自動或手動制作全范圍動態(tài)DAC曲線、實現(xiàn)采樣的閘門內(nèi)展寬以及屏幕硬拷貝、邊沿峰值測量方式、自動閘門、標尺功能、增益微步距、主子菜單的操作方式、菜單鎖定、數(shù)據(jù)加鎖、多國語言等。
所說的自動或手動制作全范圍動態(tài)DAC曲線是指提供自動、手動兩種制作DAC曲線和制作全范圍動態(tài)DAC曲線。自動和手動兩種方式分別表示兩種不同的DAC標定點的獲取途徑，自動方式下根據(jù)多次回波的原理，通過閘門標定第一個點后自動移動閘門獲取其余各點；手動方式是，各標定點的獲取都必須手工移動閘門然后標定。DAC(Distance Amplitude Curve)的制作，一般是用不同深度的當量缺陷回波進行標定，然后將各標定點用曲線連接起來，用于評估某一深度缺陷的當量大小。閘門是用于選擇關心區(qū)域，以進行缺陷回波的特征捕獲，比如峰值捕獲。手動方式下，需要先調(diào)節(jié)設置閘門到缺陷回波區(qū)域，而后獲取峰值點，接著繼續(xù)下一次缺陷回波標定。缺陷的多次回波相當于不同深度的當量缺陷回波，而各次回波之間的距離是等間距的，利用這一原理，可以進行自動獲取特征點；通過閘門進行標定第一次缺陷回波，同時得到了缺陷回波間距，在進行下一個標定時，閘門自動移動到我們關心的下一次缺陷回波，同時進行特征捕獲，依次類推可得到所需深度范圍的標定點，即可繪制DAC曲線。另外，還可根據(jù)用戶需要結(jié)合使用，先在自動方式下進行標定，而后在自動方式下進行其余點的標定。本發(fā)明所提供的數(shù)字式超聲波探傷儀既可像現(xiàn)有超聲波探傷儀一樣實現(xiàn)手工制作DAC曲線，也可實現(xiàn)自動制作DAC曲線。
全范圍動態(tài)DAC曲線是指，無論是在制作還是使用DAC曲線過程中，隨著用戶對顯示范圍及增益設置的修改，曲線也隨之自動更正。
在DAC曲線的制作過程中，用戶可以根據(jù)缺陷回波高度來調(diào)節(jié)增益以達到較好的信噪比而后在進行標定，意即動態(tài)制作DAC；還可全范圍制作在當前顯示區(qū)域內(nèi)完成部分標定后，調(diào)節(jié)測量范圍或移位延時繼續(xù)標定更大范圍的缺陷回波，從而使得DAC曲線的適用范圍得到擴大。使用DAC曲線時，已標定好的DAC曲線可以隨著增益和測量范圍的變化做相應的修正。而傳統(tǒng)的方法無論是在制作還是使用DAC曲線都是在固定的增益和測量范圍內(nèi)進行，這就需要根據(jù)增益和測量范圍的不同，制作一系列分段的DAC曲線以備用。
本發(fā)明提供的全范圍動態(tài)DAC曲線制作是首先由在采樣序列中的位置得到特征點的位置、特征值、相應增益值，根據(jù)缺陷回波高度來調(diào)節(jié)增益以達到較好的信噪比而后再進行標定；并在當前顯示區(qū)域內(nèi)完成部分標定后，調(diào)節(jié)測量范圍或移位延時繼續(xù)標定更大范圍的缺陷回波，從而使得DAC曲線的適用范圍得到擴大。
本發(fā)明的數(shù)字式超聲探傷儀，基于采樣序列的閘門內(nèi)展寬?？梢院芊奖阊杆俚挠^察閘門范圍內(nèi)波形的豐富細節(jié)，以便于缺陷的評估；而且這些細節(jié)的波形數(shù)據(jù)來源于實際的采樣數(shù)據(jù)，并非插值、擬合或其它信號處理方法所得。在某些應用中需要定性的對缺陷類型、甚至定量的對缺陷大小進行評估，這時就有必要將波形展開觀察細節(jié)。傳統(tǒng)方法是首先在較大的測量范圍下調(diào)節(jié)移位延時到合適位置，而后再將測量范圍縮小以觀察波形細節(jié)；在本系統(tǒng)中，我們有效的利用了閘門起始和寬度來選取關心區(qū)域，然后通過快捷鍵將閘門內(nèi)的波形進行放大達到我們觀測細節(jié)的目的，這樣操作起來就更加直觀方便了。另外，實現(xiàn)的方法有兩類基于顯示樣本序列D(m)進行擬合插值或基于采樣序列S(n)。超聲回波模擬信號經(jīng)高速AD采樣后形成采樣序列S(n)，而后再根據(jù)顯示的需要，對采樣序列進行二次采樣和特征捕獲生成顯示序列D(m)。展寬前、后采樣序列分別為S1(n)、S2(n)，顯示序列分別為D1(m)、D2(m)。若采用擬合插值的方法，D2(m)其利用的是D1(m)中的部分樣本，其余樣本通過算法獲取，并未增加有效信息；本系統(tǒng)采用基于采樣序列的方案，在展寬時先從源樣本序列S1(n)中截取對應當前顯示范圍的樣本序列S2(n)或者根據(jù)當前測量范圍提高物理AD采樣率獲得新的源樣本序列S2(n)，然后再對S2(n)進行二次采樣和特征捕獲得到新的顯示序列D2(m)，這樣就可以盡可能的利用了源采樣序列從而提供豐富的細節(jié)波形。
本發(fā)明所提供的數(shù)字式超聲探傷儀，還具有屏幕硬拷貝功能。即通過一鍵操作就可將屏幕顯示全部打印出來，達到與通常報表打印不同的“所見機所得”效果。屏幕硬拷貝是依照屏幕的當前顯示來進行打印，俗稱“所見即所得”。在實現(xiàn)的過程上，兩者也有很大的區(qū)別。報表打印是根據(jù)波形顯示序列D(m)將波形在打印紙上繪制出來，并且將當前設定的探傷參數(shù)和數(shù)據(jù)處理的結(jié)果在打印紙上列表繪制出來，所需數(shù)據(jù)源就是波形顯示序列D(m)、當前設定的探傷參數(shù)和數(shù)據(jù)處理的結(jié)果；對于屏幕硬拷貝，僅僅是將用于屏幕顯示的顯示緩存中的數(shù)據(jù)直接復制打印出來，數(shù)據(jù)源就是顯存里的數(shù)據(jù)。比較而言，前者所需數(shù)據(jù)量較小，但打印編程相對復雜；而后者所需的顯存數(shù)據(jù)量較大，但編程只需數(shù)據(jù)復制相對簡單。
本發(fā)明所提供的數(shù)字式超聲探傷儀，可提供獨特的數(shù)據(jù)存儲功能。首先可選擇波形存儲方式還是厚度值存儲方式，波形方式下，存儲當前A掃波形以及當前參數(shù)設置，此時可打印探傷報告；厚度值方式下，可存儲一組厚度值，此時可打印測厚報告。另外厚度存儲是采用動態(tài)存儲的機制，100組共10000個厚度值，每一組最多可存儲10000個厚度值。依據(jù)波形和厚度存儲方式各自的特點采用靜態(tài)、動態(tài)結(jié)合的存儲方案。波形方式下，由于數(shù)據(jù)組長度相同，故采取靜態(tài)存儲方法。
本發(fā)明所提供的數(shù)字式超聲探傷儀，可提供一種全新的閘門邏輯方式——自動方式。即在進波報警的基礎上可以將波形曲線自動凍結(jié)在屏幕上，以方便用戶捕獲缺陷回波避免遺漏。
閘門邏輯主要是用于評估缺陷的當量大小，缺陷回波的高度一定意義上表征著缺陷的大小，邏輯有進波報警和失波報警之分，所謂進波報警意即在閘門范圍內(nèi)若缺陷回波波形高于閘門的高度，則進行報警；反之若低于閘門高度進行報警則是失波報警。但傳統(tǒng)的閘門邏輯下，掃查過程中當發(fā)現(xiàn)傷波并報警時，一般探頭已離開了缺陷部位，當前顯示也未必正好是缺陷回波；基于此本系統(tǒng)提供自動方式，一旦發(fā)現(xiàn)滿足要求的缺陷回波則在報警的同時將波形凍結(jié)在顯示屏上以便觀測分析。
本發(fā)明所提供的數(shù)字式超聲探傷儀，可提供增益微步距。由此可使波形的變化在增益調(diào)節(jié)的過程中更加細微、更加連續(xù)平滑。通常探傷系統(tǒng)的增益步距取決于程控放大的控制精度，受程控放大芯片及其控制輸入D/A芯片的局限，為了獲得更細微的增益調(diào)節(jié)效果，本系統(tǒng)在硬件實現(xiàn)的最小增益步距基礎上采用LUT(Look-Up Table)技術來實現(xiàn)更小的增益步距。所謂LUT就是將硬件實現(xiàn)的最小增益步距根據(jù)需要進行分剖，然后將分割產(chǎn)生的中間增益對應的放大倍數(shù)列成表以便查詢。
權利要求
1.一種數(shù)字式超聲波探傷儀，包括探頭、超聲波發(fā)射電路單元、超聲波接收電路單元、控制電路及顯示器，且該控制電路內(nèi)設有單片微處理控制單元；其特征是設有數(shù)字信號處理器電路單元；該數(shù)字信號處理器電路單元包括存儲器、數(shù)字信號處理器及顯示電路，在該數(shù)字信號處理器電路單元與該超聲波接收電路單元之間還連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣數(shù)據(jù)緩存電路；其中超聲波接收電路單元的輸出通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣數(shù)據(jù)緩存電路接數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器接存儲器，數(shù)字信號處理器與存儲器接單片微處理控制單元；該超聲發(fā)射電路單元所產(chǎn)生的瞬時高壓脈沖，經(jīng)該探頭內(nèi)的壓電晶片而產(chǎn)生超聲發(fā)射信號，該超聲波發(fā)射信號在被測工件內(nèi)傳播，并攜帶工件的缺陷和介面信息返回探頭，再經(jīng)該壓電晶片轉(zhuǎn)換為電信號進入所述超聲波接收單元進行放大濾波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、送至采樣數(shù)據(jù)緩存電路緩存；數(shù)字信號處理器將緩存的數(shù)字信號取出，并將數(shù)字信號所代表的回波值經(jīng)運算后生成回波幅度曲線經(jīng)由顯示電路送顯示器顯示。
2.如權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是在數(shù)字信號處理器內(nèi)部辟有主機接口和共享存儲區(qū)，單片微處理器通過主機接口對數(shù)字信號處理器的共享存儲區(qū)進行訪問，進而實現(xiàn)對控制參數(shù)設定和命令發(fā)布；另一方面，數(shù)字信號處理器也可通過主機接口將共享存儲區(qū)所存儲的計算結(jié)果和運行狀態(tài)反饋給單片微處理器。
3.如權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是該單片微處理控制單元還包括與單片微處理器相連接的邏輯控制電路、和鍵盤電路，邏輯控制電路負責控制系統(tǒng)的譯碼、采樣電路和發(fā)射電路的邏輯時序控制，而鍵盤電路則與外部輸入鍵盤相連接。
4.如權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是與該數(shù)字信號處理器電路單元中的數(shù)字信號處理器連接液晶顯示電路，并通過顯示屏顯示回波幅度曲線以進行探傷。
5.如權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是該單片微處理器單元內(nèi)的單片微處理器還連接有電池電壓監(jiān)控電路、以及與外部的計算機或打印機相連接的接口電路單元。
6.如權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是所述接口電路單元，采用RS232串行總線接口標準。
7.如權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是設有蜂嗚報警器，根據(jù)控制單元的指令進行進波報警和失波報警。
8.一種數(shù)字式超聲波探傷儀，包括探頭、超聲波發(fā)射電路單元、超聲波接收電路單元、控制電路及顯示器，其特征是該超聲波發(fā)射電路單元是由驅(qū)動電路與受該驅(qū)動電路控制的高壓發(fā)生電路和脈沖形成電路所組成，其中該高壓發(fā)生電路是由接于正、負低壓電源之間的二開關及串接于二開關之間的電感所組成，該電感的一端接脈沖形成電路，該驅(qū)動電路控制二開關的通斷。
9.如權利要求8所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是所述的數(shù)字式超聲波探傷儀，其特征是該二開關是分別由P型開關管和N型開關管所構成的晶體管開關；該P型開關管的漏極接正電源，源極接電感，控制極接驅(qū)動電路；該N型開關管的漏極接負電源，源極接該電感的另一端，控制極接驅(qū)動電路的另一輸出；該脈沖形成電路是由N型開關管和RC微分電路所構成；該N型開關管的漏極與該P型開關管的源極之間接有續(xù)流二極管。
10.一種數(shù)字式便攜超聲探傷儀的DAC曲線自動制作方法，其特征是通過閘門進行標定第一次缺陷回波，同時得到了該次缺陷回波與始發(fā)脈沖的間距，在進行下一個標定時，閘門自動移動到所關心的下一次缺陷回波，同時進行特征捕獲，依次類推可得到所需深度范圍的標定點，即可繪制DAC曲線。
11.一種數(shù)字式便攜超聲探傷儀的全范圍動態(tài)DAC曲線的制作方法，其特征是首先由在采樣序列中的位置得到特征點的位置、特征值、相應增益值，根據(jù)缺陷回波高度來調(diào)節(jié)增益以達到較好的信噪比而后再進行標定；并在當前顯示區(qū)域內(nèi)完成部分標定后，調(diào)節(jié)測量范圍或移位延時繼續(xù)標定更大范圍的缺陷回波，從而使得DAC曲線的適用范圍得到擴大。
12.一種觀察回波幅度曲線的閘門內(nèi)展寬方法，其特征是在展寬時，先從源樣本序列S1(n)中截取對應當前顯示范圍的樣本序列S2(n)或者根據(jù)當前測量范圍提高物理AD采樣率獲得新的源樣本序列S2(n)，然后再對S2(n)進行二次采樣和特征捕獲得到新的顯示序列D2(m)，這樣就可以盡可能的利用了源采樣序列從而提供豐富的細節(jié)波形。
全文摘要
一種數(shù)字式超聲波探傷儀，包括探頭、超聲波發(fā)射電路單元、超聲波接收電路單元、控制電路及顯示器，且該控制電路內(nèi)設有單片微處理控制單元；特征是設有數(shù)字信號處理器電路單元，其包括存儲器、數(shù)字信號處理器及顯示電路，在數(shù)字信號處理器電路單元與超聲波接收電路單元之間還接有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣數(shù)據(jù)緩存電路；其中超聲波接收電路單元的輸出通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣數(shù)據(jù)緩存電路接數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器接存儲器，數(shù)字信號處理器與存儲器接單片微處理控制單元。優(yōu)點是能快速、高精度、高分辨率地進行多種缺陷的檢測、定位、評估和診斷；有效地保留探傷數(shù)據(jù)；且體積小、重量輕、功耗低。
文檔編號G01N29/00GK1603813SQ0313478
公開日2005年4月6日 申請日期2003年9月30日 優(yōu)先權日2003年9月30日
發(fā)明者香勇, 徐西剛, 彭雪蓮, 施克仁 申請人:北京時代之峰科技有限公司, 清華大學