数字式超声波探伤仪制造技术

本发明专利技术公开了一种数字式超声波探伤仪及其时间小数采样法，涉及无损检测中的超声波探伤技术，尤其涉及一种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，而提出的时间小数采样法是在峰值保持采样法的基础之上，通过加上另外一个存储器，将一定时间间隔内的峰值所对应的时间存储下来。由于仪器的时间精度与探伤测量的范围无关，本方法不仅能有效地应用于数字式超声波探伤仪中，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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无损检测中的超声波探伤技术，尤其涉及一种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。本专利技术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，而提出的一种时间小数采样法，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。本专利技术的目的是这样实现的，即这种方法是在峰值保持采样法的基础之上，通过加上另外一个存储器，将一定时间间隔内的峰值所对应的时间存储下来。下面结合附图和实施例详细说明附图说明图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-数字信号处理器，4-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-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-超声波探头，8-模拟电路(发射与接受)，9-采样电路(包含ADC)，10-数字电路(数字信号处理)，11-波形显示器，12-制作报表、13-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)。图6为采样电路9的组成框图，其中A-峰值保持器，B-分频器，C-峰值对应时间记录器，D-峰值比较器，a-幅度存储器，c-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ADC。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±1/2LSB(Least Significant Bit，最低有效位。在这里指的是相邻两个量化级别之间的差距。)，比如对于8位的ADC，其最大量化误差为±0.5/256。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50MHz的ADC器件，其最小采样时间间隔为20ns。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限制，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限制，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<I>和x<I>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5×1/50MHz＝5×20ns＝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<I>和x<I>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<I>和x<I>是重合的。这种方法很好地解决了采样的垂直(幅度)精度，但水平时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（ａ）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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田建新，左林，周健，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]