超聲波數(shù)據(jù)高速采集和傳輸
2023年05月03日 12:14:04
來源：北京時代海創(chuàng)科技有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺
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北京時代海創(chuàng)為廣大無損檢測學(xué)習(xí)人員整理了超聲波探傷儀技術(shù)資料，希望可以幫助到大家。
摘要:研制了用于超聲波數(shù)據(jù)高速采集和傳輸?shù)臋z測系統(tǒng)。采樣頻率100MHZ以上，可以滿足超聲波檢測數(shù)據(jù)實時采集的需要。采用的PCI實時技術(shù)解決了高速大容量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的存儲和傳輸。同時應(yīng)用的關(guān)鍵硬件FPGA和PLD器件可以較強(qiáng)地適用于科研開發(fā)和調(diào)試，具有一定的保密性，可以大大縮小硬件的體積
主題詞:超聲波檢測，高速A/D，高速數(shù)據(jù)傳輸，波形檢測
1．引言
超聲波探傷儀檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用，它提供了評價固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性，超聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析，大部分檢測設(shè)備僅有A掃描形式，需要通過有經(jīng)驗的無損檢測人員對信號進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對檢測和分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結(jié)果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動化檢測。
八十年代后期，由于計算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波檢測設(shè)備，并已成為超聲波檢測的發(fā)展方向。但是，這些設(shè)備也僅停留在超聲波檢測頻率較低的頻段的信號處理上，主要是受到高速A/D和高速存儲技術(shù)的限制。
為了減少人為因素對檢測結(jié)果的影響，使波形能記錄和保存，并達(dá)到檢測結(jié)果的直觀性，需實現(xiàn)超聲波檢測分析和成像處理，這就要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集和大數(shù)據(jù)量緩沖。因此，開展數(shù)據(jù)高速采集技術(shù)的研究和實現(xiàn)是非常必要的，它是能否實現(xiàn)超聲波檢測分析和成像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。
2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義
目前國內(nèi)外在超聲波探傷儀在檢測領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波檢測儀器的發(fā)展速度很快。國內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。
國際上對超聲波檢測數(shù)字化技術(shù)的研究非常重視，國外生產(chǎn)類似產(chǎn)品和研究的公司有美國的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德國的K-K公司、法國的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述這些公司生產(chǎn)的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術(shù)水平較高，在世界上處于水平。
國外已把100MHZ以上采樣頻率的高速A/D技術(shù)用于超聲波信號的采集，大容量緩沖技術(shù)也達(dá)到一定的水平，信號的分析和成像處理已實現(xiàn)A、B、C掃描。雖然國內(nèi)已開展這方面的研究與開發(fā)，但是在技術(shù)應(yīng)用上還是存在一定的差距。
因此，開展該項技術(shù)的研究，如何把高速A/D技術(shù)、大容量緩沖技術(shù)以及信號的處理、分析和成像技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和研究，并應(yīng)用到超聲波檢測的工程需要上去，是一項具有現(xiàn)實意義的課題，它可提高我國無損檢測技術(shù)水平，跟上的現(xiàn)代工業(yè)檢測技術(shù)步伐，使我國超聲波檢測水平上一個臺階。
3．系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
我們所研究和開發(fā)的數(shù)字式超聲波檢測和成像處理系統(tǒng)是采用PC微機(jī)，以高速實時采集和存儲及數(shù)字成像為主要技術(shù)的實時檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由下列部分組成：雙微機(jī)（或工控機(jī)）系統(tǒng)、超聲波脈沖發(fā)射器、超聲波信號接收器、高速數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理和分析軟件包以及傳感器、探頭運動和掃描控制系統(tǒng)等。
3．1 系統(tǒng)的基本功能
l 具有A型掃描超聲波探傷設(shè)備的全部功能和分析方法
l DAC曲線調(diào)校點數(shù)1—32點任選
l 工作頻率：1—40MHZ
l 具有可程控和可選擇的四通道方式和數(shù)據(jù)的實時記錄
l 檢測數(shù)據(jù)實時存盤
l 全漢化的WINDOWS NT用戶界面，雙計算機(jī)協(xié)調(diào)工作
l 多窗戶的圖形分析
l 可事后分析、處理、測試任何位置范圍內(nèi)的探傷情況
l 實時的A掃描顯示（單、雙、四通道方式可選）、掃查控制顯示
l 事后A掃描顯示、B掃描顯示、C掃描顯示，3D顯示，各顯示方式可相互比較
l 分析結(jié)果和檢測報告軟件，打印出分析結(jié)果和檢測報告
l 掃查控制接口協(xié)調(diào)
3．2 主要研究內(nèi)容
l 高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有100MHZ以上采樣頻率。
l 檢測數(shù)據(jù)的存儲（因數(shù)據(jù)量很大，需實現(xiàn)高速緩沖存儲）。
l 設(shè)備的小型化和保密性。
l 多通道檢測的通道切換和數(shù)據(jù)存儲分配。
l 數(shù)據(jù)管理、同步方式選擇、高速回放。
由于目前采樣頻率100MHZ以上的高速A/D轉(zhuǎn)換器已產(chǎn)品化，計算機(jī)總線的傳輸速率已大大提高，高速大容量緩沖的出現(xiàn)，使得高頻信號的實時數(shù)據(jù)采集、傳送和存儲能夠?qū)崿F(xiàn)。在研究內(nèi)容中，充分考慮到目前關(guān)鍵技術(shù)所采用的器件類型，保證研究內(nèi)容的完成。
4．信號采集及其處理
信號采集、處理和分析是研究和工業(yè)開發(fā)領(lǐng)域的常用工具，也是超聲無損檢測技術(shù)所采用的有效方法。其目的是通過增強(qiáng)接收信號中某些特征，從而取出對檢測目的特別有用的信息。
4． 1 數(shù)據(jù)采集及模/數(shù)轉(zhuǎn)換
4．1．1 基本概念
超聲波探傷儀檢測設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集通過換能器傳遞信號，它把振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號，信號具有連續(xù)的形式，為使它能由計算機(jī)處理，需將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號是通過對信號在各個離散的瞬間進(jìn)行取樣完成的，即將信號幅度數(shù)字化成一系列數(shù)字的過程。
從理論上說，對幅度的取樣是瞬時的，而數(shù)字的表達(dá)又是無限精確的。而實際上，取樣是的，幅度也是被轉(zhuǎn)換成有限位數(shù)的二進(jìn)制代碼。對于一個有實用價值，*高頻率為fM 的有限帶寬信號所進(jìn)行的連續(xù)時間富氏變換得到的是一個總頻帶寬度為2 fM的對稱函數(shù)。取樣信號s[n]是將s(t)乘以取樣函數(shù)：
d(t)=∑δ(t-nT)
式中：T---取樣時間間隔；
δ—離散增量函。
+若t= nT，則有：δ(t-nT)=1， 且t≠nT時，δ(t-nT)=0
富氏變換D(f)也是采樣函數(shù)：
D(f)=(1/T) ∑δ(f-kF)
式中：F=1/T
δ(t-nT)項用于定義離散序列S[n]，寫成離散脈沖函數(shù)加權(quán)和的形式：
S[n]= ∑s(t)δ(t-nT)
式中S[n]表示取樣信號，這里用方括號取代用于表示連續(xù)函數(shù)的圓括號。
使用卷積定理，可把富氏變換寫成s(t)和δ(t-nT)的富氏變換的卷積：
S[k]=S(f)＊D(f)= (1/T)∑δ(f-kF)
離散富氏變換S[k]是S(f)的間歇復(fù)制，復(fù)制的頻率間距為F=1/T。可按兩種特殊情況：F>2 fM 時，相鄰頻譜無重疊；F<2 fM 時，相鄰頻譜有重疊，這一現(xiàn)象就是所謂的同名現(xiàn)象。取樣頻率極限FN=2 fM ，超過此頻率時便不再有重疊，該頻率就是內(nèi)奎斯特（Nyquist）頻率。若滿足條件：FN>2 fM，原始信號的恢復(fù)將可以實現(xiàn)，只需將取樣信號波形通過矩形低通濾波器即可。若取樣頻率低于此值，原始連續(xù)信號便不可能根據(jù)它的取樣信號波形得到不失真的恢復(fù)。
4．1．2 A/D轉(zhuǎn)換
按轉(zhuǎn)換器的工作原理不同，A/D轉(zhuǎn)換器通常可分為積分型和比較型。積分型A/D轉(zhuǎn)換器先將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為中間量，然后再將此中間量變換成相應(yīng)的數(shù)字量。這種類型的A/D器件的特點是抗力強(qiáng)，精度高，但速率較低。高速A/D轉(zhuǎn)換器一般采用比較型。下面介紹幾種適用于高速變換的A/D轉(zhuǎn)換器。
（1） 閃爍式A/D轉(zhuǎn)換器：將采樣的模擬信號直接與各個不同的參考電壓比較，從而得出相應(yīng)的數(shù)字信號大小。這種方式只需一個A/D內(nèi)部周期即可得到數(shù)字結(jié)果，速度相當(dāng)快，但分辨率不高。它需要2N（N為A/D的位數(shù)）個內(nèi)部比較器，電路非常復(fù)雜。
（2） 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器：其原理是利用比較器不斷地對采樣模擬信號與D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓進(jìn)行比較，直到兩者之差小于1LSB為止。這種方式需要N個內(nèi)部周期來完成一次轉(zhuǎn)換,但只需一個比較器,比較容易提高分辨率,電路較簡單。
（3） ΣΔ A/D轉(zhuǎn)換器：其原理是將模擬信號*行ΣΔ調(diào)制，再通過高性能的數(shù)字濾波，就能得到高分辨率的數(shù)字信號。這種方式能獲得較大的信噪比，它實際上利用了下面要介紹的過采樣技術(shù)。
為了滿足軟件無線電對數(shù)據(jù)采集模塊的需求，進(jìn)一步提高采集的性能，在上述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了一些改進(jìn)的采集技術(shù)，現(xiàn)分別介紹如下：
（1） 正交采樣技術(shù)：將要進(jìn)行數(shù)字化的信號分成兩個分量，其中一個乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上；另一個乘以900相移的正弦波，下變頻到零中心頻率上。每一分量只以原信號的二分之一帶寬出現(xiàn)，以原信號的二分之一采樣速率進(jìn)行取樣。
（2） 帶通信號采樣技術(shù)：如果前一模塊送出的是帶通模擬信號，可以以低于抽樣定理中的Nyquist采樣率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。只要采樣率fs不低于兩倍的信號帶寬（fh-fl），就不會導(dǎo)致信號的頻譜的重疊，同時，fs還應(yīng)滿足：
2fh/k這里k是滿足如下關(guān)系的整數(shù)2（3） 過采樣技術(shù)：以遠(yuǎn)大于Nyquist采樣率進(jìn)行采樣的方法稱之為過采樣技術(shù)，采用過采樣技術(shù)會帶來兩個好處。首先，高速采樣可降低對前級抗混疊濾波器性能的設(shè)計要求；其次，過采樣技術(shù)可提高信噪比。
（4） 并行ADC、DAC技術(shù)：軟件無線電的發(fā)展方向是ADC和DAC盡量靠近射頻端。高頻寬帶信號的數(shù)字化對采樣頻率、位數(shù)及動態(tài)范圍都提出了較高要求，這時可采用并行A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。這樣用多個高速采樣保持和A/D可完成超高速轉(zhuǎn)換。
4． 2高速A/D數(shù)據(jù)采集
4．2．1采樣頻率和緩沖容量的確定
本課題是針對超聲波工業(yè)檢測設(shè)備而開發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，因此，檢測對象基本上為鋼體材料。超聲波在鋼中傳播時，縱波CL的傳播速度為5900米/秒，橫波CS的傳播速度為3230米/秒，可見，超聲波在鋼中的傳播速度很快。因此，對于一定厚度的工件進(jìn)行檢測時，超聲波在工件中的傳播時間很短，尤其對于薄壁材料檢測，傳播距離更短。從以下超聲波檢測的基本方法可以計算出超聲波的傳播時間，確定檢測頻率和緩沖的容量要求。
4．2．2超聲波傳播時間的計算
超聲波在鋼中的傳播速度、距離和時間的關(guān)系公式為：
D=C·T
式中： D表示聲程（距離）
C表示聲速
T表示傳播時間
如果采用反射法直探頭進(jìn)行檢測，在其探測范圍內(nèi)的傳播時間：
T=2H/C
式中： H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時間
如果采用反射法斜探頭進(jìn)行檢測，則要考慮入射角和幾次聲程的影響。采用一次聲程探傷，在其探測范圍內(nèi)的傳播時間：
T=2H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時間
φ表示探頭入射角
采用二次聲程探傷，在其探測范圍內(nèi)的傳播時間：
T=4H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時間
φ表示探頭入射角
4． 2．3 采樣頻率的確定
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