超声波数据高速采集和传输
2023年09月12日 14:16:17
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北京时代海创为广大无损检测学习人员整理了超声波探伤仪技术资料，希望可以帮助到大家。
摘要:研制了用于超声波数据高速采集和传输的检测系统。采样频率100MHZ以上，可以满足超声波检测数据实时采集的需要。采用的PCI实时技术解决了高速大容量现场检测数据的存储和传输。同时应用的关键硬件FPGA和PLD器件可以较强地适用于科研开发和调试，具有一定的保密性，可以大大缩小硬件的体积
主题词:超声波检测，高速A/D，高速数据传输，波形检测
1．引言
超声波探伤仪检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。
八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。但是，这些设备也仅停留在超声波检测频率较低的频段的信号处理上，主要是受到高速A/D和高速存储技术的限制。
为了减少人为因素对检测结果的影响，使波形能记录和保存，并达到检测结果的直观性，需实现超声波检测分析和成像处理，这就要求实现数据的高速采集和大数据量缓冲。因此，开展数据高速采集技术的研究和实现是非常必要的，它是能否实现超声波检测分析和成像处理的关键技术之一。
2．国内外研究现状及意义
目前国内外在超声波探伤仪在检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。
国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于水平。
国外已把100MHZ以上采样频率的高速A/D技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现A、B、C扫描。虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。
因此，开展该项技术的研究，如何把高速A/D技术、大容量缓冲技术以及信号的处理、分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一项具有现实意义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上的现代工业检测技术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶。
3．系统的基本结构
我们所研究和开发的数字式超声波检测和成像处理系统是采用PC微机，以高速实时采集和存储及数字成像为主要技术的实时检测系统。系统主要由下列部分组成：双微机（或工控机）系统、超声波脉冲发射器、超声波信号接收器、高速数据采集卡、数据处理和分析软件包以及传感器、探头运动和扫描控制系统等。
3．1 系统的基本功能
l 具有A型扫描超声波探伤设备的全部功能和分析方法
l DAC曲线调校点数1—32点任选
l 工作频率：1—40MHZ
l 具有可程控和可选择的四通道方式和数据的实时记录
l 检测数据实时存盘
l 全汉化的WINDOWS NT用户界面，双计算机协调工作
l 多窗户的图形分析
l 可事后分析、处理、测试任何位置范围内的探伤情况
l 实时的A扫描显示（单、双、四通道方式可选）、扫查控制显示
l 事后A扫描显示、B扫描显示、C扫描显示，3D显示，各显示方式可相互比较
l 分析结果和检测报告软件，打印出分析结果和检测报告
l 扫查控制接口协调
3．2 主要研究内容
l 高速A/D转换技术，具有100MHZ以上采样频率。
l 检测数据的存储（因数据量很大，需实现高速缓冲存储）。
l 设备的小型化和保密性。
l 多通道检测的通道切换和数据存储分配。
l 数据管理、同步方式选择、高速回放。
由于目前采样频率100MHZ以上的高速A/D转换器已产品化，计算机总线的传输速率已大大提高，高速大容量缓冲的出现，使得高频信号的实时数据采集、传送和存储能够实现。在研究内容中，充分考虑到目前关键技术所采用的器件类型，保证研究内容的完成。
4．信号采集及其处理
信号采集、处理和分析是研究和工业开发领域的常用工具，也是超声无损检测技术所采用的有效方法。其目的是通过增强接收信号中某些特征，从而取出对检测目的特别有用的信息。
4． 1 数据采集及模/数转换
4．1．1 基本概念
超声波探伤仪检测设备中的数据采集通过换能器传递信号，它把振动的机械能转换成电信号，信号具有连续的形式，为使它能由计算机处理，需将模拟信号转换成数字信号。将模拟信号转换成数字信号是通过对信号在各个离散的瞬间进行取样完成的，即将信号幅度数字化成一系列数字的过程。
从理论上说，对幅度的取样是瞬时的，而数字的表达又是无限精确的。而实际上，取样是的，幅度也是被转换成有限位数的二进制代码。对于一个有实用价值，*高频率为fM 的有限带宽信号所进行的连续时间富氏变换得到的是一个总频带宽度为2 fM的对称函数。取样信号s[n]是将s(t)乘以取样函数：
d(t)=∑δ(t-nT)
式中：T---取样时间间隔；
δ—离散增量函。
+若t= nT，则有：δ(t-nT)=1， 且t≠nT时，δ(t-nT)=0
富氏变换D(f)也是采样函数：
D(f)=(1/T) ∑δ(f-kF)
式中：F=1/T
δ(t-nT)项用于定义离散序列S[n]，写成离散脉冲函数加权和的形式：
S[n]= ∑s(t)δ(t-nT)
式中S[n]表示取样信号，这里用方括号取代用于表示连续函数的圆括号。
使用卷积定理，可把富氏变换写成s(t)和δ(t-nT)的富氏变换的卷积：
S[k]=S(f)＊D(f)= (1/T)∑δ(f-kF)
离散富氏变换S[k]是S(f)的间歇复制，复制的频率间距为F=1/T。可按两种特殊情况：F>2 fM 时，相邻频谱无重叠；F<2 fM 时，相邻频谱有重叠，这一现象就是所谓的同名现象。取样频率极限FN=2 fM ，超过此频率时便不再有重叠，该频率就是内奎斯特（Nyquist）频率。若满足条件：FN>2 fM，原始信号的恢复将可以实现，只需将取样信号波形通过矩形低通滤波器即可。若取样频率低于此值，原始连续信号便不可能根据它的取样信号波形得到不失真的恢复。
4．1．2 A/D转换
按转换器的工作原理不同，A/D转换器通常可分为积分型和比较型。积分型A/D转换器先将输入的模拟量转换为中间量，然后再将此中间量变换成相应的数字量。这种类型的A/D器件的特点是抗力强，精度高，但速率较低。高速A/D转换器一般采用比较型。下面介绍几种适用于高速变换的A/D转换器。
（1） 闪烁式A/D转换器：将采样的模拟信号直接与各个不同的参考电压比较，从而得出相应的数字信号大小。这种方式只需一个A/D内部周期即可得到数字结果，速度相当快，但分辨率不高。它需要2N（N为A/D的位数）个内部比较器，电路非常复杂。
（2） 逐次比较型A/D转换器：其原理是利用比较器不断地对采样模拟信号与D/A转换器产生的标准模拟电压进行比较，直到两者之差小于1LSB为止。这种方式需要N个内部周期来完成一次转换,但只需一个比较器,比较容易提高分辨率,电路较简单。
（3） ΣΔ A/D转换器：其原理是将模拟信号*行ΣΔ调制，再通过高性能的数字滤波，就能得到高分辨率的数字信号。这种方式能获得较大的信噪比，它实际上利用了下面要介绍的过采样技术。
为了满足软件无线电对数据采集模块的需求，进一步提高采集的性能，在上述基本结构的基础上，采用了一些改进的采集技术，现分别介绍如下：
（1） 正交采样技术：将要进行数字化的信号分成两个分量，其中一个乘以正弦波，下变频到零中心频率上；另一个乘以900相移的正弦波，下变频到零中心频率上。每一分量只以原信号的二分之一带宽出现，以原信号的二分之一采样速率进行取样。
（2） 带通信号采样技术：如果前一模块送出的是带通模拟信号，可以以低于抽样定理中的Nyquist采样率进行模数转换。只要采样率fs不低于两倍的信号带宽（fh-fl），就不会导致信号的频谱的重叠，同时，fs还应满足：
2fh/k这里k是满足如下关系的整数2（3） 过采样技术：以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称之为过采样技术，采用过采样技术会带来两个好处。首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计要求；其次，过采样技术可提高信噪比。
（4） 并行ADC、DAC技术：软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近射频端。高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围都提出了较高要求，这时可采用并行A/D转换技术。这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。
4． 2高速A/D数据采集
4．2．1采样频率和缓冲容量的确定
本课题是针对超声波工业检测设备而开发的高速数据采集技术，因此，检测对象基本上为钢体材料。超声波在钢中传播时，纵波CL的传播速度为5900米/秒，横波CS的传播速度为3230米/秒，可见，超声波在钢中的传播速度很快。因此，对于一定厚度的工件进行检测时，超声波在工件中的传播时间很短，尤其对于薄壁材料检测，传播距离更短。从以下超声波检测的基本方法可以计算出超声波的传播时间，确定检测频率和缓冲的容量要求。
4．2．2超声波传播时间的计算
超声波在钢中的传播速度、距离和时间的关系公式为：
D=C·T
式中： D表示声程（距离）
C表示声速
T表示传播时间
如果采用反射法直探头进行检测，在其探测范围内的传播时间：
T=2H/C
式中： H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
如果采用反射法斜探头进行检测，则要考虑入射角和几次声程的影响。采用一次声程探伤，在其探测范围内的传播时间：
T=2H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
φ表示探头入射角
采用二次声程探伤，在其探测范围内的传播时间：
T=4H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
φ表示探头入射角
4． 2．3 采样频率的确定
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