管道界面波超聲跟蹤系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種對界面波即水與工件之間界面產(chǎn)生的回波，也稱水層波的跟蹤系統(tǒng)及方法，包括PPGA模塊、超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、AD采樣模塊、閘門位置控制、閘門寬度控制等組件。超聲發(fā)射模塊是產(chǎn)生高壓，向換能器發(fā)出高壓電信號；超聲接收模塊是將換能器中的超聲信號轉(zhuǎn)換電信號予以接收；AD采樣模塊是將接收到的電信號采樣為數(shù)字信號，然后送到FPGA模塊進(jìn)行處理；閘門位置控制是確定采樣有效起始位置，閘門寬度控制是確定采樣有效起始位置的范圍大小。具體實現(xiàn)如下功能：(1)實現(xiàn)對超聲探頭的激發(fā)，回波采樣。(2)實現(xiàn)對界面波的跟蹤功能。(3)實現(xiàn)對原始超聲數(shù)據(jù)的精簡，保留了對工件檢測的有效數(shù)據(jù)。
【專利說明】管道界面波超聲跟蹤系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種使用液浸法對管道進(jìn)行超聲檢測時的界面波跟蹤的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]管道用于存儲或運輸石油、天然氣等，通常安裝于地下或者架空，外部均有包裹層，包裹層物質(zhì)為水泥、泥土、保濕材料等，因此無法從外部進(jìn)行檢測，需要使用內(nèi)爬行器帶動檢測設(shè)備進(jìn)行管道內(nèi)進(jìn)行探傷工作。
[0003]對于管道的無損檢測方法中最有效的為超聲檢測，但超聲檢測需要在探頭與工件間添加耦合劑，對于管道檢測通道使用自動化超聲檢測設(shè)備，使用水作耦合劑。超聲從探頭發(fā)出，經(jīng)過水射入工件，再返回水到達(dá)探頭，并由超聲設(shè)備接收，從而得到檢測結(jié)果。
[0004]由于設(shè)備、工件的尺寸以及檢測過程中的設(shè)備與工件的相對運動，水層即探頭與工件間的厚度在時刻變化，超聲在水中的傳輸時間也在不斷的變化，這就會引起缺陷定位的偏差，從而可能導(dǎo)致錯誤的判斷。
[0005]同時超聲采樣數(shù)據(jù)量與采樣點數(shù)相關(guān)，對于采樣頻率為100MHz、字長Sbit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，當(dāng)超聲檢測重復(fù)頻率為2KHz時，每秒的數(shù)據(jù)量為2KX采樣深度。取水層厚度為100mm，工件厚度為10mm，水中聲速1480mm/ms，工件中聲速5900mm/ms，此時需要的采樣時長至少為:2X (100/1480+(10X4)/5900) = 0.1487ms = 14870X 10ns,對于 100MHz、字長8bit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則每1ns采樣數(shù)據(jù)為1B，則每次采樣數(shù)據(jù)量為14870B，每秒數(shù)據(jù)量為:14870BX2KB約等于29MB，這樣大的數(shù)據(jù)量是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)及數(shù)據(jù)計算分析系統(tǒng)均無法有效及時進(jìn)行處理的。為了降低數(shù)據(jù)量只有降低重復(fù)頻率，但會導(dǎo)致檢測速度的下降；再是減小采樣深度，但會減少有效數(shù)據(jù)；三是進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，但會增加硬件負(fù)擔(dān)增加誤差。而實際上水層中的數(shù)據(jù)對于檢測是無效的，因此如果不采樣水中的數(shù)據(jù)，而是對工件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)只有2KBX 2 X ((10 X 4) /5900) X 1000 X 100 = 2.7MB，數(shù)據(jù)量下降了一個數(shù)量級。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種對界面波即水與工件之間界面產(chǎn)生的回波，也稱水層波的跟蹤系統(tǒng)及方法，包括PPGA模塊、超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、AD采樣模塊、閘門位置控制、閘門寬度控制等組件。超聲發(fā)射模塊是產(chǎn)生高壓，向換能器發(fā)出高壓電信號；超聲接收模塊是將換能器中的超聲信號轉(zhuǎn)換電信號予以接收；AD采樣模塊是將接收到的電信號采樣為數(shù)字信號，然后送到FPGA模塊進(jìn)行處理；閘門位置控制是確定采樣有效起始位置，閘門寬度控制是確定采樣有效起始位置的范圍大小。具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種管道界面波超聲跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:包括超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、AD采樣模塊及換能器，所述的超聲發(fā)射模塊與換能器相連，換能器與超聲接收模塊相連，超聲接收模塊再與AD采樣模塊相連；FPGA模塊與超聲發(fā)射模塊相連，并與閘門位置控制和閘門寬度控制相連。
[0008]上述管道界面波超聲跟蹤系統(tǒng)的具體跟蹤方法，包括步驟如下:
[0009]步驟1:FPGA模塊以設(shè)定的重復(fù)頻率(100-20KHZ，需要依據(jù)實際需求設(shè)定)向超聲發(fā)射模塊發(fā)送激勵信號，超聲發(fā)射模塊驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號經(jīng)耦合劑到達(dá)被測工件，一部分超聲波被工件內(nèi)壁反射回去，形成水層和工件的界面波，一部分超聲波進(jìn)入工件內(nèi)部，經(jīng)工件外壁反射，形成工件外壁的一次回波；
[0010]步驟2:界面波與工件外壁的一次回波依次在換能器上產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過超聲接收模塊進(jìn)行信號放大，F(xiàn)PGA模塊控制AD采樣模塊將放大后的信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0011]步驟3 =FPGA模塊從閘門位置控制得到閘門位置，F(xiàn)PGA模塊開始在閘門寬度控制范圍內(nèi)檢測第一個滿足觸發(fā)門高的上升沿，該上升沿即為界面波。
[0012]步驟4:在確定第一個滿足觸發(fā)門高的上升沿為界面波后，F(xiàn)PGA模塊從界面波前1μ S處開始記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為20 μ S，若FPGA模塊在閘門寬度控制范圍內(nèi)無滿足門高的觸發(fā)沿，則FPGA模塊從閘門位置和閘門寬度之和處開始記錄20 μ s數(shù)據(jù)；FPGA模塊將未用到的數(shù)據(jù)舍棄，保留20μ s時間窗口的數(shù)據(jù)；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以100MHz/8Bit采樣計算，20 μ s時間窗口內(nèi)的總數(shù)據(jù)量為2MB/s。
[0013]由上述技術(shù)特征，本發(fā)明還具有如下非常獨特的優(yōu)點:
[0014]a)對界面波的跟蹤可以舍棄大量無效數(shù)據(jù)，大大降低檢測系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量。從而降低對軟件和硬件的要求。
[0015]b) FPGA模塊記錄的是界面波和工件外壁的回波的原始數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對工件缺陷的精確測量。
[0016]c)對界面波的跟蹤可以提高檢測的重復(fù)頻率，從而提高對工件的檢測速度。
[0017]具體實現(xiàn)如下功能:
[0018](I)實現(xiàn)對超聲探頭的激發(fā)，回波采樣。
[0019](2)實現(xiàn)對界面波的跟蹤功能，能夠提取從界面波到工件外壁回波的超聲數(shù)據(jù)。
[0020](3)實現(xiàn)對原始超聲數(shù)據(jù)的精簡，舍棄了無效的水層中的數(shù)據(jù)，保留了對工件檢測的有效數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明具體實施例的硬件連接關(guān)系圖；
[0022]圖2為本發(fā)明具體實施例中界面波查找與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0024]本發(fā)明的目的是跟蹤界面波，提取從界面波到工件外壁回波的超聲數(shù)據(jù)，降低檢測系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)量。本發(fā)明的實現(xiàn)是基于FPGA模塊的超聲檢測系統(tǒng)，由FPGA模塊控制換能器的發(fā)射與接收，同時對接收到的數(shù)據(jù)AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)閘門位置檢測界面波，對界面波到工件外壁回波的數(shù)據(jù)提取。
[0025]如圖1所示，主要硬件設(shè)備連接關(guān)系如下:
[0026]超聲發(fā)射模塊與換能器相連，換能器與超聲接收模塊相連，超聲接收模塊再與AD采樣模塊相連；FPGA模塊與超聲發(fā)射模塊相連，并與閘門位置控制和閘門寬度控制相連。
[0027]界面波跟蹤方法，步驟如下:
[0028]步驟1:FPGA模塊以設(shè)定的頻率向超聲發(fā)射模塊發(fā)送激勵信號，超聲發(fā)射模塊驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號經(jīng)稱合水到達(dá)被測工件，一部分超聲波被工件內(nèi)壁反射回去，形成水層和工件的界面波，一部分超聲波進(jìn)入工件內(nèi)部，經(jīng)工件外壁反射，形成工件外壁的一次回波。
[0029]步驟2:界面波與工件外壁的一次回波依次在換能器上產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過超聲接收模塊進(jìn)行信號放大，F(xiàn)PGA模塊控制AD采樣模塊將放大后的信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0030]步驟3:界面波查找:FPGA模塊從閘門位置控制得到閘門位置，F(xiàn)PGA模塊開始在閘門寬度控制范圍內(nèi)檢測第一個滿足觸發(fā)門高的上升沿，該上升沿即為界面波。
[0031]步驟4:數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)傳輸:FPGA模塊從界面波前I μ s處開始記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為20μ S。若FPGA模塊在閘門寬度控制范圍內(nèi)無滿足門高的觸發(fā)沿，則FPGA模塊從閘門位置和閘門寬度之和處開始記錄20 μ s數(shù)據(jù)。FPGA模塊將未用到的數(shù)據(jù)舍棄，保留20 μ s時間窗口的數(shù)據(jù)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以100MHz/8Bit采樣計算，以2KHz的重復(fù)頻率為例，則20 μ s時間窗口內(nèi)的總數(shù)據(jù)量為2MB/s，如圖2所示。
[0032]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種管道界面波超聲跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:包括超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、AD采樣模塊及換能器，所述的超聲發(fā)射模塊與換能器相連，換能器與超聲接收模塊相連，超聲接收模塊再與AD采樣模塊相連；FPGA模塊與超聲發(fā)射模塊相連，并與閘門位置控制和閘門寬度控制相連。
2.一種管道界面波超聲跟蹤方法，包括步驟如下: 步驟1:FPGA模塊以100-20KHZ頻率向超聲發(fā)射模塊發(fā)送激勵信號，超聲發(fā)射模塊驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號經(jīng)耦合劑到達(dá)被測工件，一部分超聲波被工件內(nèi)壁反射回去，形成水層和工件的界面波，一部分超聲波進(jìn)入工件內(nèi)部，經(jīng)工件外壁反射，形成工件外壁的一次回波； 步驟2:界面波與工件外壁的一次回波依次在換能器上產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過超聲接收模塊進(jìn)行信號放大，F(xiàn)PGA模塊控制AD采樣模塊將放大后的信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 步驟3:FPGA模塊從閘門位置控制得到閘門位置，F(xiàn)PGA模塊開始在閘門寬度控制范圍內(nèi)檢測第一個滿足觸發(fā)門高的上升沿，該上升沿即為界面波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管道界面波超聲跟蹤方法，其特征在于:在步驟3確定第一個滿足觸發(fā)門高的上升沿為界面波后，F(xiàn)PGA模塊從界面波前I μ s處開始記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為20 μ S，若FPGA模塊在閘門寬度控制范圍內(nèi)無滿足門高的觸發(fā)沿，則FPGA模塊從閘門位置和閘門寬度之和處開始記錄20 μ s數(shù)據(jù)；FPGA模塊將未用到的數(shù)據(jù)舍棄，保留20 μ s時間窗口的數(shù)據(jù)；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以10011取/88^采樣計算，2(^8時間窗口內(nèi)的總數(shù)據(jù)量為 2MB/s。
【文檔編號】F17D5/06GK104237377SQ201410513431
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】宋偉, 盧麗芳, 王虎 申請人:南通友聯(lián)數(shù)碼技術(shù)開發(fā)有限公司