一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，包括前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路、模數(shù)轉換模塊、數(shù)字信號處理芯片、主控芯片、芯片間傳輸模塊；前置可變增益放大器模塊與時間增益補償電路相連；時間增益補償電路與模數(shù)轉換模塊相連；模數(shù)轉換模塊與數(shù)字信號處理芯片相連；數(shù)字信號處理芯片通過芯片間通信模塊與主控芯片相連，還分別與前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路相連；主控芯片與外部上位機相連，用以將上位機的初始化命令傳輸至數(shù)字信號處理芯片，將數(shù)字信號處理芯片處理后的超聲波回波信號傳輸至上位機進行實時顯示。本實用新型操作簡單方便、高度集成化、體積小容易組裝攜帶。
【專利說明】一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，屬于超聲波探傷以及無損檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代無損檢測技術的提高，超聲探傷技術是無損檢測技術的一個重要分支。超聲波在不同性質的介質中傳播時將發(fā)生反射、折射和復雜的波型轉換，使得超聲波能量被吸收和散射，而被測材料的不連續(xù)性或不均勻性信息就己隱藏在超聲信號中，檢測并分析反射信號或透射信號即可實現(xiàn)對缺陷的檢測。與其它常規(guī)無損檢測技術相比，超聲探傷技術具有探測對象范圍廣、靈敏度高、穿透力強、檢驗速度快、成本低、缺陷定位準確和對人體無害等一系列優(yōu)點，自引入鐵道機車車輛檢測領域以來，超聲探傷技術一直是檢測機車車輛零部件的重要手段，目前，還在大型鍋爐，發(fā)動機組，輸油氣管道，鐵路，橋梁，航空航天等國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門都得到了廣泛的應用，并成為保證工程質量，確保設備安全的一種重要手段，在未來的無損檢測領域中占有極其重要的地位。
[0003]超聲波探傷系統(tǒng)按所處理的信號不同一般可分為模擬式，數(shù)字式兩大類，模擬式探傷儀具有技術成熟，價格低，結構簡單，便于維修等優(yōu)點，但是由于模擬式探傷儀不具備對檢測信號記錄和信息處理功能現(xiàn)場檢測時需要依賴操作人員對顯示屏上的超聲波信號進行判斷和手工記錄，所以檢測結果受人為因素影響很大。
[0004]因此，為了克服模擬式探傷儀的缺點，提升現(xiàn)有數(shù)字化探傷裝置的水平，本案由此產(chǎn)生。
實用新型內容
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，操作簡單方便，高度集成化，體積小容易組裝攜帶，功耗相比于同類裝置大大降低，靈敏度可調并且精度及功能得到很大提升。
[0006]本實用新型為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0007]本實用新型提供一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，包括前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路、模數(shù)轉換模塊、數(shù)字信號處理芯片、主控芯片、芯片間傳輸模塊；所述時間增益補償電路包括依次相連的數(shù)模轉換芯片、軌到軌運算放大器、可調增益放大芯片；其中:
[0008]所述前置可變增益放大器模塊與時間增益補償電路相連，用以將接收并放大后的超聲波回波信號傳輸至時間增益補償電路；
[0009]所述時間增益補償電路與模數(shù)轉換模塊相連，用以將接收并補償后的超聲波回波信號傳輸至模數(shù)轉換模塊；
[0010]所述模數(shù)轉換模塊與數(shù)字信號處理芯片相連，用以將接收到的超聲波回波信號轉換為數(shù)字信號并傳輸至數(shù)字信號處理芯片進行處理；[0011]所述數(shù)字信號處理芯片通過芯片間通信模塊與主控芯片相連，用以將接收并處理后的超聲波回波信號傳輸至主控芯片；所述數(shù)字信號處理芯片還分別與前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路相連，用以向兩者傳輸控制信號；
[0012]所述主控芯片與外部上位機相連，用以將上位機的初始化命令傳輸至數(shù)字信號處理芯片，將數(shù)字信號處理芯片處理后的超聲波回波信號傳輸至上位機進行實時顯示。
[0013]作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述前置可變增益放大器模塊包括依次連接的低噪聲放大器、可變增益放大器、可編程增益放大器。
[0014]作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述模數(shù)轉換模塊包括高速模數(shù)轉換器、并聯(lián)諧振電路，具有高速模數(shù)轉換和選通頻率的功能。
[0015]作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述數(shù)字信號處理芯片根據(jù)檢測的要求，輸出隨時間變化的數(shù)字量，作用到時間增益補償電路中的數(shù)模轉換芯片；輸出可調電壓，作用到可調增益放大器模塊，用以使超聲波回波信號得到時間增益補償量。
[0016]作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述數(shù)字信號處理芯片采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA，同時與兩片片外大容量高速存儲器相連。
[0017]作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述芯片間通信模塊采用PCI橋連接芯片，用以將數(shù)字信號處理芯片處理后的超聲波回波信號同步同時鐘傳輸至主控芯片。
[0018]作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述主控芯片通過以太網(wǎng)接口與外部上位機相連。
[0019]本實用新型采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果:
[0020](I)本實用新型中設計前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路來實現(xiàn)前置可變時間增益放大功能，與模擬式超聲波探傷裝置相比，不僅解決了信號衰減的問題，而且設計出了可靈活控制放大回波信號增益倍數(shù)的電路，使缺陷在任何深度都顯示出相同的幅值，該裝置理論上可達的增益范圍，具有測量精度高的特點，且每個通道都具有可變增益放大功能；
[0021](2)本實用新型中設計模數(shù)轉換模塊來實現(xiàn)多通道高速并行處理功能，在經(jīng)過高采樣頻率的高速并行接口模數(shù)轉換模塊進行模數(shù)轉換后，利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA內部的大量門電路，可以真正意義上做到多通道數(shù)據(jù)的高速并行處理，再配合片外大容量SRAM存儲器，可以做到回波信號的大量緩存，使數(shù)據(jù)處理與時鐘同步，這樣不僅將大大降低FPGA解碼的工作頻率,而且可以大大降低功耗；
[0022](3)本實用新型操作簡單方便，高度集成化，體積小容易組裝攜帶，功耗相比于同類裝置大大降低，靈敏度可調并且精度及功能得到很大提升，通過對改裝置進行組裝與調試，高低溫測試后，可靠運行在比較惡劣的工作環(huán)境下，可實現(xiàn)該裝置的產(chǎn)品化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本實用新型的總體結構框圖。
[0024]圖2是本實用新型的硬件電路原理框圖。
【具體實施方式】
[0025]下面詳細描述本實用新型的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。
[0026]本【技術領域】技術人員可以理解的是，本實用新型中涉及到的相關模塊及其實現(xiàn)的功能是在改進后的硬件及其構成的裝置、器件或系統(tǒng)上搭載現(xiàn)有技術中常規(guī)的計算機軟件程序或有關協(xié)議就可實現(xiàn)，并非是對現(xiàn)有技術中的計算機軟件程序或有關協(xié)議進行改進。例如，改進后的計算機硬件系統(tǒng)依然可以通過裝載現(xiàn)有的軟件操作系統(tǒng)來實現(xiàn)該硬件系統(tǒng)的特定功能。因此，可以理解的是，本實用新型的創(chuàng)新之處在于對現(xiàn)有技術中硬件模塊的改進及其連接組合關系，而非僅僅是對硬件模塊中為實現(xiàn)有關功能而搭載的軟件或協(xié)議的改進。
[0027]本【技術領域】技術人員可以理解的是，本實用新型中提到的相關模塊是用于執(zhí)行本申請中所述操作、方法、流程中的步驟、措施、方案中的一項或多項的硬件設備。所述硬件設備可以為所需的目的而專門設計和制造，或者也可以采用通用計算機中的已知設備或已知的其他硬件設備。所述通用計算機有存儲在其內的程序選擇性地激活或重構。
[0028]本【技術領域】技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是，本實用新型的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。
[0029]本【技術領域】技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本實用新型所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0030]下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明:
[0031]本實用新型設計一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，如圖1所示，一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，包括前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路、模數(shù)轉換模塊、數(shù)字信號處理芯片、主控芯片、芯片間傳輸模塊；所述前置可變增益放大器模塊與時間增益補償電路；所述時間增益補償電路與模數(shù)轉換模塊相連；所述模數(shù)轉換模塊與數(shù)字信號處理芯片相連；所述數(shù)字信號處理芯片通過芯片間通信模塊與主控芯片相連，還分別與前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路相連；所述主控芯片與外部上位機相連，用以將上位機的初始化命令傳輸至數(shù)字信號處理芯片，將數(shù)字信號處理芯片處理后的超聲波回波信號傳輸至上位機進行實時顯示。
[0032]進一步地，作為本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，如圖2所示，所述時間增益補償電路包括依次相連的數(shù)模轉換芯片、軌到軌運算放大器、可調增益放大芯片；所述模數(shù)轉換模塊包括高速模數(shù)轉換器、并聯(lián)諧振電路，具有高速模數(shù)轉換和選通頻率的功能；所述數(shù)字信號處理芯片采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA，同時與兩片片外大容量高速存儲器相連；所述芯片間通信模塊采用PCI橋連接芯片；所述主控芯片通過以太網(wǎng)接口與外部上位機相連。
[0033]本實用新型一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置的工作流程如下:
[0034]上位機啟動后，通過以太網(wǎng)接口發(fā)出初始化命令；主控芯片進行初始化，同時向FPGA傳輸初始化命令，進而完整整個裝置的初始化。初始化完成后，上位機根據(jù)實際檢測需求，設置采集參數(shù)，同時發(fā)出采集命令。
[0035]數(shù)字信號處理芯片根據(jù)上位機設置的采集參數(shù)，輸出隨時間變化的數(shù)字量，作用到時間增益補償電路中的數(shù)模轉換芯片，由數(shù)模轉換芯片經(jīng)軌到軌運算放大器輸出一定大小的可調電壓至可調增益放大芯片；數(shù)字信號處理芯片輸出一定大小的可調電壓，作用到可調增益放大器模塊的輸入端。前置可變增益放大器模塊由低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VCA)、可編程增益放大器(PGA)組成，三者共同作用，對采集到的超聲波回波信號進行放大處理，以達到后級電路處理的要求。時間增益補償電路由數(shù)模轉換芯片、軌到軌運算放大器、可調增益放大芯片組成。時間增益補償電路與可調增益放大模塊共同完成對超聲波回波信號的時間增益補償，使處于不同深度處同樣大小的缺陷，其回波幅度在坐標系上具有大致相同的回波幅度，這樣就會使遠場區(qū)的回波信號與近場區(qū)的回波信號幅值基本相同，不會因為遠場區(qū)的距離遠，信號強度衰減大，而沒有判斷到深度的缺陷，產(chǎn)生誤判、漏判。
[0036]模數(shù)轉換模塊對放大補償后的超聲波回波信號進行高速模數(shù)轉換，產(chǎn)生后級需要處理的數(shù)字信號量。模數(shù)轉換模塊的差分輸入端與時間增益補償電路的可調增益放大芯片的差分輸出端相連。在差分輸入時的LC并聯(lián)諧振電路，根據(jù)電路的選頻特性與諧振頻率計算公式，選擇適當大小的電感電容值后，可以選擇出需要的信號，再經(jīng)過模數(shù)轉換模塊的高頻率采樣后，由14位并行輸出口同時傳輸?shù)浆F(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA。
[0037]現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA對接收到的超聲波回波信號進行處理，首先將14位并行數(shù)據(jù)傳輸至片內寄存器中緩存；然后，將數(shù)據(jù)寫入片外大容量高速存儲器SRAMl中，存儲完成后，SRAMl進入寫結束狀態(tài)，此時切換至片外大容量高速存儲器SRAM2 ;其次，SRAM2用以存儲超聲波回波信號數(shù)據(jù)處理后的結果，此時同步SRAMl處于可讀狀態(tài)，由FPGA里的控制邏輯控制，將SRAMl中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA內部的二級緩存器中進行信號數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)字檢波、非均勻數(shù)字壓縮、FIR濾波，依次完成的過程中采用乒乓機制將結果通知數(shù)據(jù)緩存；最后，將FPGA處理后超聲波回波信號傳輸至PCI橋連芯片。
[0038]PCI橋連芯片利用DMA與中斷方式接收超聲波回波信號，并且同步傳輸至主控芯片。主控芯片利用片上操作系統(tǒng)的多任務性、實時性等特點對超聲波回波信號進行再處理后，通過以太網(wǎng)接口傳輸至上位機。上位機將接收到的超聲波回波信號實時顯示在顯示器上，完成探傷功能的標準實現(xiàn)。
[0039]以上過程中所有的數(shù)據(jù)處理方法均為本領域的公知常識，即本實用新型中對于超聲波回波信號的處理屬于現(xiàn)有技術。如數(shù)字檢波、非均勻數(shù)字壓縮、FIR濾波等等，這在超聲波信號處理領域中是屬于常規(guī)技術手段，本實用新型的技術方案并不包括對于現(xiàn)有技術中處理方法的改進。
[0040]以上所述，僅為本實用新型中的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本實用新型所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本實用新型的包含范圍之內，因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，該裝置包括前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路、模數(shù)轉換模塊、數(shù)字信號處理芯片、主控芯片、芯片間傳輸模塊；所述時間增益補償電路包括依次相連的數(shù)模轉換芯片、軌到軌運算放大器、可調增益放大芯片；其中: 所述前置可變增益放大器模塊與時間增益補償電路相連，用以將接收并放大后的超聲波回波信號傳輸至時間增益補償電路； 所述時間增益補償電路與模數(shù)轉換模塊相連，用以將接收并補償后的超聲波回波信號傳輸至模數(shù)轉換模塊； 所述模數(shù)轉換模塊與數(shù)字信號處理芯片相連，用以將接收到的超聲波回波信號轉換為數(shù)字信號并傳輸至數(shù)字信號處理芯片進行處理； 所述數(shù)字信號處理芯片通過芯片間通信模塊與主控芯片相連，用以將接收并處理后的超聲波回波信號傳輸至主控芯片；所述數(shù)字信號處理芯片還分別與前置可變增益放大器模塊、時間增益補償電路相連，用以向兩者傳輸控制信號； 所述主控芯片與外部上位機相連，用以將上位機的初始化命令傳輸至數(shù)字信號處理芯片，將數(shù)字信號處理芯片處理后的超聲波回波信號傳輸至上位機進行實時顯示。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，所述前置可變增益放大器模塊包括依次連接的低噪聲放大器、可變增益放大器、可編程增益放大器。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，所述A/D采集模塊包括高速模數(shù)轉換器、并聯(lián)諧振電路，具有高速模數(shù)轉換和選通頻率的功能。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理芯片根據(jù)檢測的要求，輸出隨時間變化的數(shù)字量，作用到時間增益補償電路中的數(shù)模轉換芯片；輸出可調電壓，作用到可調增益放大器模塊，用以使超聲波回波信號得到時間增益補償量。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理芯片采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA，同時與兩片片外大容量高速存儲器相連。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，所述芯片間通信模塊采用PCI橋連接芯片，用以將數(shù)字信號處理芯片處理后的超聲波回波信號同步同時鐘傳輸至主控芯片。
7.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波探傷信號采集處理裝置，其特征在于，所述主控芯片通過以太網(wǎng)接口與外部上位機相連。
【文檔編號】G01N29/44GK203824967SQ201420139315
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權日:2014年3月26日
【發(fā)明者】張永宏, 井晨志, 張紅燕, 姜劍 申請人:南京信息工程大學