專利名稱：用于超聲波測試的數(shù)字對數(shù)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于處理在超聲波檢查和測試中使用的聲信號的方法和系統(tǒng)，尤其涉及利用多個線性放大器同時處理一個聲信號，從而獲得一個組合的線性數(shù)字輸出信號，該組合的線性數(shù)字輸出信號具有比單個放大器范圍更大的動態(tài)響應(yīng)范圍。
背景技術(shù)：
超聲波檢查采用由換能器產(chǎn)生的高頻超聲波來檢查測試對象并進行檢測。超聲波檢查可以用于檢測在測試對象中的裂紋，并在對象上執(zhí)行評估、維度測量、材料特性表達等。最初發(fā)展的關(guān)于金屬的測試過程已經(jīng)擴展到像復合材料那樣的工程材料，其中像各向異性和多相性那樣的特性是有意義的。在數(shù)字化和計算能力上的優(yōu)勢已經(jīng)改變了在處理結(jié)果數(shù)據(jù)中所用裝置和算法的類型。高分辨率成像系統(tǒng)和用于特性化表示裂紋的多種測試形態(tài)相結(jié)合。所關(guān)心的是對疵點進行檢測、特性化表示和調(diào)整大小，就像對在其中發(fā)現(xiàn)了這些疵點的材料的特性化表示一樣。超聲波測試的目標是從確定基本的顯微結(jié)構(gòu)特性到與失效機理相關(guān)的材料性能的范圍，基本的顯微結(jié)構(gòu)特性例如晶粒大小、多孔性、紋理和優(yōu)選的晶粒取向，與失效機理相關(guān)的材料性能例如耐勞程度、潛變和斷裂韌度。
在超聲波測試中，通過電脈沖激發(fā)一個包含壓電元件的換能器，從而將超聲波傳送到測試對象內(nèi)。該聲波通過測試對象傳播并被反射。換能器接收反射波，由換能器將反射波轉(zhuǎn)換成電信號并分析該反射波，從而判斷測試對象中是否存在不連續(xù)面。利用在模擬顯示器上可查看的電信號中某些異常的輪廓來特性化表示測試對象中的裂紋或不連續(xù)面，該模擬顯示器例如示波器或記錄設(shè)備。
必須放大來自換能器的表示反射的聲波的電信號，用以輸入到顯示器或記錄設(shè)備。為了顯示放大的信號，該放大信號必須落入由相應(yīng)顯示設(shè)備的最大和最小操作參數(shù)所定義的某個動態(tài)響應(yīng)范圍內(nèi)。在大多數(shù)情況下，該表示聲波的信號包括多個分量。例如，如果裂紋出現(xiàn)在對象表面附近，在初始脈沖的間隔內(nèi)接收由近表面疵點引起的回波。由于回波的振幅相對于初始脈沖較小，所以無法通過可視顯示器或記錄設(shè)備來檢測該裂紋。由于裝置并發(fā)地接收它們，所以實質(zhì)上在較大的初始脈沖或接口信號上附加來自近表面裂紋的相對較小振幅的回波信號。這兩個同時發(fā)生的信號的振幅上的巨大差異使得較小的信號非常難以檢測。
之前，已經(jīng)嘗試使用模擬對數(shù)放大器來壓縮動態(tài)響應(yīng)范圍，但是由于模擬對數(shù)放大器受限的帶寬和動態(tài)響應(yīng)范圍，所以模擬放大器并不特別適用來執(zhí)行該操作。模擬技術(shù)受到噪聲和精確度問題的限制。
因此，需要一種設(shè)備來數(shù)字化處理同時發(fā)生的具有相差很大的變化振幅的超聲波信號，并組合它們用于以一種具有寬動態(tài)范圍的連續(xù)的線性數(shù)字信號的方式來顯示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的設(shè)備和方法提供同時處理一個超聲波信號的多個線性放大器。多個線性放大器中的每一個放大器都具有一個預定增益級，其適合于獲得用于輸入至進行處理的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的所需輸出信號級。由每一個對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器以非常高的頻率對每一個放大器的輸出進行取樣，從而將每一個線性放大器的模擬信號輸出轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字信號。邏輯電路同時監(jiān)控所有從A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號。邏輯電路判斷A/D轉(zhuǎn)換器的哪一個輸出具有最大線性化輸出并在存儲器存儲設(shè)備中存儲所選擇的輸出。接著將存儲的輸出波形組合成一個連續(xù)的線性數(shù)字輸出，其動態(tài)響應(yīng)范圍約為單個A/D轉(zhuǎn)換器的單個動態(tài)響應(yīng)范圍的總和?？梢酝ㄟ^相應(yīng)的計算將組合的連續(xù)的線性數(shù)字輸出波形精確地轉(zhuǎn)換成對數(shù)標度，從而產(chǎn)生一個具有可與對數(shù)放大器的輸出相比較的寬動態(tài)范圍的波形。
本發(fā)明的優(yōu)勢目的在于該設(shè)備可以通過消除從測試對象的上表面反射的恒定不變的波形信號，并檢測通常由上表面所反射的恒定不變的波形信號掩蔽的小信號，來檢測在測試對象的表面附近的小疵點。
本發(fā)明的另一個優(yōu)勢目的在于可以測量并記錄同時發(fā)生的反射的波形，其具有一個各個波形都不失真的寬動態(tài)響應(yīng)范圍。
本發(fā)明的另一個優(yōu)勢目的還在于提供寬動態(tài)響應(yīng)范圍，用于測量從材料的各個深度反射的信號，該深度由高度信號衰減來進行特性化表示。
本發(fā)明其他特征和優(yōu)勢將從以下連同附圖一起更詳細地描述的優(yōu)選實施例中顯而易見，該附圖借助于實例來舉例說明本發(fā)明的原理。


圖1是使用本發(fā)明的數(shù)字對數(shù)放大器的測試裝置的示意圖；圖2是數(shù)字對數(shù)放大器的示意圖；以及圖3是將一個模擬信號轉(zhuǎn)換成表示一個反射的超聲波波形的多個數(shù)字分量的方法的流程圖。
只要有可能，將自始至終對附圖中相同或類似部分使用相同的參考數(shù)字。
具體實施例方式
參考圖1，測試檢測裝置10包括一個脈沖發(fā)生器電路12，它向換能器14發(fā)送脈沖用于通過測試對象16傳播超聲波的聲波18。波18反射回換能器14。在圖1所示實例中，一個換能器即發(fā)送又接收聲波，然而，其他測試結(jié)構(gòu)還可以采用多個換能器，其中一些換能器進行發(fā)送，一些換能器進行接收，以及一些換能器即執(zhí)行發(fā)送又執(zhí)行接收功能。換能器14接收反射的聲波，并將它轉(zhuǎn)換成一個輸入到本發(fā)明的數(shù)字對數(shù)放大器(DLA)100中的電信號。DLA 100處理表示反射波形的該電信號，以下將進行更詳細的討論。在示波器20或其他類似的外圍顯示器或存儲器裝置(未顯示)上顯示DLA 100的輸出波形。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，可以用許多其他測試裝置來代替圖1中的裝置。因此圖1的裝置作為實例而存在，而且本發(fā)明并不局限于該實例的特殊裝置。
如圖1所示，測試對象16中的疵點22將在一個與測試對象16的后壁24不同的點反射波形18，結(jié)果產(chǎn)生可以顯示在示波器20的屏幕上的不同的波傳播次數(shù)，疵點22越小，反射波的幅值就越小，以致于在一些實例中，輸出設(shè)備的靈敏度或放大器的非線性會導致丟失小的反射信號。而且，在疵點22非常接近表面的地方，可以通過放大器接收與疵點22有關(guān)的反射波28，而且?guī)缀跬瑫r向顯示器20輸出該反射波作為初始脈沖26或接口信號。當模擬顯示器上顯示的初始脈沖26相對于近表面反射波28較大時，在較大的波形中還是丟失了小的反射信號28。
參考圖2，將信號S應(yīng)用于DLA 100的輸入102，該信號S表示通過測試對象傳播的反射波形。放大器104具有適用于處理非衰減信號S的增益，并放大輸入至模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器106的信號S。優(yōu)選地，本發(fā)明所使用的所有A/D轉(zhuǎn)換器都是具有高動態(tài)響應(yīng)范圍的14位轉(zhuǎn)換器，但是本發(fā)明可以主要在每一種模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器上執(zhí)行。將放大器104的輸出插入A/D轉(zhuǎn)換器106并以非常高的速率對其取樣，以此來提供模擬信號S的數(shù)字化表示d1。取樣頻率必須至少是模擬信號頻率的兩倍，而且實際上應(yīng)該優(yōu)選為至少是模擬信號S的頻率的三倍。對于低信號頻率應(yīng)用的優(yōu)選取樣頻率大約為50MHz，而且對于高信號頻率應(yīng)用的優(yōu)選取樣頻率大約為100MHz，而該取樣頻率的多或少取決于模擬信號S的頻率。
通過至少一個衰減器同時處理模擬信號S。圖2僅例舉了一條衰減路徑116，但是可以理解本發(fā)明的DLA 100一般可以包括多條具有不同衰減值的并行路徑。每一條衰減路徑116都以類似于衰減路徑116的方式，包括串聯(lián)的衰減器110、放大器112和A/D轉(zhuǎn)換器114。在圖2的實例中，衰減器110衰減輸入至放大器112的信號S。優(yōu)選地在增量為-6db的序列中(例如，-24db、-30db、-36db等序列)選擇衰減值，其適當?shù)嘏c每衰減6db的一個附加取樣位對應(yīng)，然而如果需要的話，可以替代為任何信號衰減的幅值。在圖2所示實例中，衰減器110在進行放大之前提供負(-)42db的信號衰減。放大器112具有一種適用于衰減信號S的動態(tài)響應(yīng)范圍的增益，用于提供一個所需的放大信號輸出級。將放大器112的輸出插入A/D轉(zhuǎn)換器，同時以和A/D轉(zhuǎn)換器106相同的速率對其取樣，以此來提供模擬信號S的第二數(shù)字化表示d2。可以使用任何數(shù)量的衰減路徑來處理信號S，同時用于向?qū)?yīng)數(shù)量的放大器輸入該信號S。有選擇地分配衰減值以匹配所需響應(yīng)級，而且每一個放大器具有一種根據(jù)相關(guān)衰減器設(shè)計的增益級，從而為相關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器提供所需輸出信號級。
邏輯電路118分析A/D轉(zhuǎn)換器106、114的數(shù)字化輸出d1、d2的信號級或假設(shè)使用附加路徑時所有路徑的數(shù)字化輸出的信號級。邏輯電路118判斷當信號S的振幅波動時，轉(zhuǎn)換器106、114中哪一個具有最大輸出，哪一個是線性的。邏輯電路118判斷來自每一個轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化輸出是否落入一個預定飽和閾和一個最低信號級之間。消除落在所需頻帶之外的那些輸出——即，在預定飽和級別之上或低于最低信號級的輸出。在數(shù)字存儲器存儲裝置(未顯示)中存儲落入飽和閾和最低級之間的所選擇的轉(zhuǎn)換器輸出波形。接著由邏輯電路18組合所存儲的具有不同振幅的信號的輸出波形，從而形成能夠在示波器20或連接到放大器輸出端的其他外圍設(shè)備上顯示的連續(xù)的線性數(shù)字輸出。在以50MHz的取樣速率每20毫微秒出現(xiàn)的每一個取樣點N1、N2、N3等，來自多個A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是有效的。因此對于取樣點N1，邏輯電路18決定哪一個輸出在范圍內(nèi)并將該振幅用在邏輯電路輸出中。接下來對于取樣點N2，邏輯電路18決定哪一個A/D輸出用在邏輯電路輸出中。連續(xù)對每一個取樣點進行該處理。在14位A/D轉(zhuǎn)換器114的輸入上每6db(大約)的衰減，對應(yīng)于一個靈敏度附加位和作為結(jié)果產(chǎn)生的邏輯電路輸出信號的兩倍響應(yīng)范圍。作為結(jié)果產(chǎn)生的邏輯電路輸出信號的動態(tài)響應(yīng)范圍大于20位，其對應(yīng)于多個單獨放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組合的動態(tài)響應(yīng)范圍的總和?？梢岳靡环N在邏輯電路18中執(zhí)行的對應(yīng)的轉(zhuǎn)換算法，來將數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換成對數(shù)標度，用于將組合輸出信號的動態(tài)響應(yīng)范圍壓縮成一種屏幕或記錄器表達方式。該轉(zhuǎn)換算法所產(chǎn)生的對數(shù)輸出，與現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的相比，在更大動態(tài)范圍之上更為精確。
在圖3中闡明了用于將一個模擬信號轉(zhuǎn)換成多個數(shù)字分量的方法，該數(shù)字分量表示測試對象的一個反射的超聲波波形。一般指定為200的流程圖開始于步驟210，通過多個不同的放大器同時放大模擬信號來處理反射的模擬信號。然而，在步驟212，在將模擬信號輸入到多個放大器中至少一個之前，在多個預定衰減級上衰減該模擬信號。接下來，在步驟214，在適合于一個所需預定模擬輸出信號級范圍的一個預定級上設(shè)置多個放大器中每一個的增益。在步驟216，將來自多個放大器中每一個的已放大的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字信號。然而，在步驟218，該系統(tǒng)判斷哪一個轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號具有(1)線性的和(2)大于其他已轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號的振幅的響應(yīng)。步驟218之后，在步驟220，在存儲器或其他數(shù)字存儲裝置中存儲最大線性轉(zhuǎn)換數(shù)字信號。然后，在步驟222，組合所存儲的多個已轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，從而產(chǎn)生反射波形的數(shù)字表示，該反射波形的數(shù)字表示具有比分開的單個放大器的響應(yīng)范圍更寬的動態(tài)響應(yīng)范圍。在步驟224，可選地，將組合的所存儲最大線性已轉(zhuǎn)換數(shù)字信號輸入到對數(shù)轉(zhuǎn)換算法。然后，在步驟226，將組合的最大線性已轉(zhuǎn)換數(shù)字信號顯示在輸出設(shè)備上，用于分析測試對象的物理屬性及其任何疵點或不完整性。
眾所周知，在靠近測試對象表面存在的小疵點是難以檢測的。相對于接口信號或表面反射，來自近表面疵點的反射波形是非常小的。接口信號的幅值大約是來自疵點的信號幅值的一百倍。因此較大的信號使該放大器過載，而且來自疵點的信號包含在較大的波形信號之內(nèi)，并且是丟失或無法檢測的。既然接口信號的幅值和波形是已知的，那么可以從放大器輸出中減去該接口。通過消除接口信號，有選擇地顯示像近表面裂紋那樣較小的信號，允許測試器獲得更精確的近表面疵點檢查結(jié)果。此外，在其中采用超聲波檢查技術(shù)來測量測試對象的厚度，通過捕獲超出一個寬動態(tài)響應(yīng)范圍的波形可以消除振幅中的寬變化，以允許在厚度測量中更大的精確度。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點實現(xiàn)于其特征為高度衰減的復合元件的超聲波檢查中。DLA的寬動態(tài)響應(yīng)范圍允許對復合材料的測試對象中來自不同深度的信號進行精確的振幅檢測，就像測試厚度上存在寬變化的復合對象一樣。
最后，DLA允許所存儲波形的組合輸出被容易地處理成對數(shù)標度而不受到噪聲和精確度的限制，該噪聲和精確度的限制通常與模擬對數(shù)放大器有關(guān)。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以對本發(fā)明進行各種改變并以其等效物代替本發(fā)明的元器件。另外，可以在不脫離本發(fā)明實質(zhì)范圍的情況下進行許多修改，從而在本發(fā)明所公開的內(nèi)容中采用一種特殊情況或材料。因此，本發(fā)明并不局限于作為為了執(zhí)行本發(fā)明所預期的最佳模式而公開的特殊實施例，本發(fā)明將包括所有落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字對數(shù)放大器(100)，用于處理一種表示反射波的超聲波模擬信號(102)，該放大器包括至少一個非衰減處理路徑，其包括放大器裝置(104)，用于將模擬信號(102)放大至所需級；轉(zhuǎn)換器裝置(106)，用于對放大的模擬信號進行數(shù)字化取樣，從而將模擬信號轉(zhuǎn)換成該模擬信號的一種數(shù)字化表示；至少一個衰減處理路徑(116)，每一個衰減處理路徑(116)包括用于衰減模擬信號(102)的衰減裝置(110)；用于將衰減的模擬信號(102)放大至所需級的放大器裝置(112)；以及轉(zhuǎn)換器裝置(114)，其用于對放大的衰減模擬信號(102)進行數(shù)字化取樣，從而形成該模擬信號的一種數(shù)字化表示；邏輯電路裝置(118)，用于選擇多個數(shù)字化信號中具有線性化且具有多個數(shù)字化信號中最大振幅的一個數(shù)字化信號；存儲裝置，用于存儲多個所選擇的數(shù)字化信號；以及組合裝置，用于組合所存儲的多個數(shù)字化信號，從而形成連續(xù)的線性化數(shù)字波形。
2.按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字對數(shù)放大器，其中組合裝置是一組邏輯電路，其配置成將多個數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換成一種對數(shù)標度，從而壓縮超出一個寬動態(tài)范圍上的連續(xù)線性數(shù)字波形的振幅。
3.按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字對數(shù)放大器，其中模擬信號是低頻率信號且轉(zhuǎn)換器裝置的數(shù)字取樣速率約為50MHz。
4.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中模擬信號是高頻率信號且轉(zhuǎn)換器裝置的數(shù)字取樣速率約為100MHz。
5.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中轉(zhuǎn)換器裝置(106，114)是14位模-數(shù)信號轉(zhuǎn)換器。
6.按照權(quán)利要求2所述的數(shù)字對數(shù)放大器，其中模擬信號(102)是低頻率信號且轉(zhuǎn)換器裝置的數(shù)字取樣速率約為50MHz。
7.按照權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中模擬信號(102)是高頻率信號且轉(zhuǎn)換器裝置的數(shù)字取樣速率約為100MHz。
8.按照權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中轉(zhuǎn)換器裝置(106，114)是14位模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器。
9.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中至少一個衰減路徑的衰減裝置(110)是衰減器(110)，而且每一個衰減路徑(116)包括一個具有不同的衰減值的衰減器(110)。
10.按照權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中不同的衰減值由-6dB的增量組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設(shè)備和方法，其提供同時處理一個超聲波信號(102)的多個線性放大器(104，112)。多個線性放大器(104，112)中的每一個放大器(104，112)都具有一個預定增益級(110)，其適合于獲得用于輸入至進行處理的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器(106，114)的所需輸出信號級。由每一個對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器(106，114)以非常高的頻率對每一個放大器(104，112)的輸出進行取樣，從而將每一個線性放大器(104，112)的模擬信號輸出轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字信號(d
文檔編號G01N29/00GK1975410SQ200610172860
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者J·M·庫菲, K·-P·布施, S·A·赫爾布斯特 申請人:通用電氣檢查技術(shù)有限合伙人公司