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超聲波數(shù)據(jù)高速采集和傳輸

閱讀：108發(fā)布時(shí)間：2025-8-22

北京時(shí)代海創(chuàng)為廣大無(wú)損檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)。采樣頻率100MHZ以上，可以滿足超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的需要。采用的PCI實(shí)時(shí)技術(shù)解決了高速大容量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸。同時(shí)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(cè)，高速A/D，高速數(shù)據(jù)傳輸，波形檢測(cè)
      1．引言
      超聲波探傷儀檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用，它提供了評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測(cè)其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號(hào)的高頻特性，超聲波檢測(cè)早期僅使用模擬量信號(hào)的分析，大部分檢測(cè)設(shè)備僅有A掃描形式，需要通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)信號(hào)進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對(duì)檢測(cè)和分析人員的要求較高，因此，人為因素對(duì)檢測(cè)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(dòng)化檢測(cè)。
      八十年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國(guó)內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波檢測(cè)設(shè)備，并已成為超聲波檢測(cè)的發(fā)展方向。但是，這些設(shè)備也僅停留在超聲波檢測(cè)頻率較低的頻段的信號(hào)處理上，主要是受到高速A/D和高速存儲(chǔ)技術(shù)的限制。
      為了減少人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，使波形能記錄和保存，并達(dá)到檢測(cè)結(jié)果的直觀性，需實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)分析和成像處理，這就要求實(shí)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(shí)現(xiàn)是非常必要的，它是能否實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)分析和成像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。
      2．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義
      目前國(guó)內(nèi)外在超聲波探傷儀在檢測(cè)領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展速度很快。國(guó)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(guó)際上對(duì)超聲波檢測(cè)數(shù)字化技術(shù)的研究非常重視，國(guó)外生產(chǎn)類似產(chǎn)品和研究的公司有美國(guó)的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德國(guó)的K-K公司、法國(guó)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(cè)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(guó)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(hào)的采集，大容量緩沖技術(shù)也達(dá)到一定的水平，信號(hào)的分析和成像處理已實(shí)現(xiàn)A、B、C掃描。雖然國(guó)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(xiàng)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(hào)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(cè)的工程需要上去，是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題，它可提高我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)水平，跟上的現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)技術(shù)步伐，使我國(guó)超聲波檢測(cè)水平上一個(gè)臺(tái)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(cè)和成像處理系統(tǒng)是采用PC微機(jī)，以高速實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)及數(shù)字成像為主要技術(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)數(shù)1—32點(diǎn)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(shí)時(shí)記錄
      l 檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤
      l 全漢化的WINDOWS NT用戶界面，雙計(jì)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(cè)試任何位置范圍內(nèi)的探傷情況
      l 實(shí)時(shí)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(cè)報(bào)告軟件，打印出分析結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告
      l 掃查控制接口協(xié)調(diào)
      3．2 主要研究?jī)?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(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)（因數(shù)據(jù)量很大，需實(shí)現(xiàn)高速緩沖存儲(chǔ)）。
      l 設(shè)備的小型化和保密性。
      l 多通道檢測(cè)的通道切換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)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(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳送和存儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)。在研究?jī)?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?jī)?nèi)容的完成。
      4．信號(hào)采集及其處理
      信號(hào)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)所采用的有效方法。其目的是通過(guò)增強(qiáng)接收信號(hào)中某些特征，從而取出對(duì)檢測(cè)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(cè)設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集通過(guò)換能器傳遞信號(hào)，它把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)具有連續(xù)的形式，為使它能由計(jì)算機(jī)處理，需將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是通過(guò)對(duì)信號(hào)在各個(gè)離散的瞬間進(jìn)行取樣完成的，即將信號(hào)幅度數(shù)字化成一系列數(shù)字的過(guò)程。
      從理論上說(shuō)，對(duì)幅度的取樣是瞬時(shí)的，而數(shù)字的表達(dá)又是無(wú)限精確的。而實(shí)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(duì)于一個(gè)有實(shí)用價(jià)值，*高頻率為fM 的有限帶寬信號(hào)所進(jìn)行的連續(xù)時(shí)間富氏變換得到的是一個(gè)總頻帶寬度為2 fM的對(duì)稱函數(shù)。取樣信號(hào)s[n]是將s(t)乘以取樣函數(shù)：
      d(t)=∑δ(t-nT)
      式中：T---取樣時(shí)間間隔；
      δ—離散增量函。
      +若t= nT，則有：δ(t-nT)=1，且t≠nT時(shí)，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(xiàng)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(hào)，這里用方括號(hào)取代用于表示連續(xù)函數(shù)的圓括號(hào)。
      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?？砂磧煞N特殊情況：F>2 fM 時(shí)，相鄰頻譜無(wú)重疊；F<2 fM 時(shí)，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(guò)此頻率時(shí)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(hào)的恢復(fù)將可以實(shí)現(xiàn)，只需將取樣信號(hào)波形通過(guò)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(hào)便不可能根據(jù)它的取樣信號(hào)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(diǎn)是抗干擾能力強(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(hào)直接與各個(gè)不同的參考電壓比較，從而得出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)大小。這種方式只需一個(gè)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(gè)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(duì)采樣模擬信號(hào)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(gè)內(nèi)部周期來(lái)完成一次轉(zhuǎn)換,但只需一個(gè)比較器,比較容易提高分辨率,電路較簡(jiǎn)單。
      （3） ΣΔ A/D轉(zhuǎn)換器：其原理是將模擬信號(hào)行ΣΔ調(diào)制，再通過(guò)高性能的數(shù)字濾波，就能得到高分辨率的數(shù)字信號(hào)。這種方式能獲得較大的信噪比，它實(shí)際上利用了下面要介紹的過(guò)采樣技術(shù)。
      為了滿足軟件無(wú)線電對(duì)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(hào)分成兩個(gè)分量，其中一個(gè)乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上；另一個(gè)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(hào)的二分之一帶寬出現(xiàn)，以原信號(hào)的二分之一采樣速率進(jìn)行取樣。
      （2）帶通信號(hào)采樣技術(shù)：如果前一模塊送出的是帶通模擬信號(hào)，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(hào)帶寬（fh-fl），就不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻譜的重疊，同時(shí)，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(guò)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(guò)采樣技術(shù)，采用過(guò)采樣技術(shù)會(huì)帶來(lái)兩個(gè)好處。首先，高速采樣可降低對(duì)前級(jí)抗混疊濾波器性能的設(shè)計(jì)要求；其次，過(guò)采樣技術(shù)可提高信噪比。
      （4）并行ADC、DAC技術(shù)：軟件無(wú)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(hào)的數(shù)字化對(duì)采樣頻率、位數(shù)及動(dòng)態(tài)范圍都提出了較高要求，這時(shí)可采用并行A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。這樣用多個(gè)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(duì)超聲波工業(yè)檢測(cè)設(shè)備而開發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，因此，檢測(cè)對(duì)象基本上為鋼體材料。超聲波在鋼中傳播時(shí)，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(jiàn)，超聲波在鋼中的傳播速度很快。因此，對(duì)于一定厚度的工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波在工件中的傳播時(shí)間很短，尤其對(duì)于薄壁材料檢測(cè)，傳播距離更短。從以下超聲波檢測(cè)的基本方法可以計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間，確定檢測(cè)頻率和緩沖的容量要求。
      4．2．2超聲波傳播時(shí)間的計(jì)算
      超聲波在鋼中的傳播速度、距離和時(shí)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(shí)間
      如果采用反射法直探頭進(jìn)行檢測(cè)，在其探測(cè)范圍內(nèi)的傳播時(shí)間：
      T=2H/C
      式中： H表示工件厚度
      C表示聲速
      T表示傳播時(shí)間
      如果采用反射法斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)范圍內(nèi)的傳播時(shí)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(shí)間
      φ表示探頭入射角
      采用二次聲程探傷，在其探測(cè)范圍內(nèi)的傳播時(shí)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(shí)間
      φ表示探頭入射角
      4． 2．3 采樣頻率的確定

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