利用抖動發(fā)脈沖的超聲波檢測儀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用抖動發(fā)脈沖的超聲波檢測儀器。公開了一種利用平均化和抖動發(fā)脈沖技術(shù)這兩者來最優(yōu)化的超聲波裝置。該平均化技術(shù)大幅去除了白噪聲；另一方面，抖動發(fā)脈沖大幅去除了在傳統(tǒng)的平均化處理期間所累積的聲波噪聲。
【專利說明】利用抖動發(fā)脈沖的超聲波檢測儀器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無損檢測和檢查裝置(NDT/NDI)，尤其涉及通過采用抖動發(fā)脈沖和平均化來進行噪聲降低的超聲波裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在超聲波檢測中，使用單個元件(傳統(tǒng)的UT)或諸如相控陣列儀器等的多個元件來向?qū)ο蟀l(fā)脈沖。如此產(chǎn)生的回波由這些元件接收到，進行數(shù)字化和分析以突出目標(biāo)檢測對象中的任何缺陷。各元件可以用于進行高頻聲波或回波信號的發(fā)送和接收這兩者，或者可以將這些元件配對，以使得一個元件用作發(fā)送器，而另一元件用作接收器。
[0003]在大多類型的超聲波檢測中，回波信號中的噪聲屬于正常存在。這些噪聲混入回波信號中但并不代表檢測對象的特性。白噪聲可能來自于諸如由于來自電子組件的熱所引起的熱源噪聲等的多個源。已作出了現(xiàn)有成果以去除白噪聲。
[0004]在一個現(xiàn)有成果中，為了幫助去除白噪聲，代替僅發(fā)脈沖一次，可以先進行多次獲取然后再對響應(yīng)信號平均化。然而，在每次獲取之后，后續(xù)波形繼承先前波形的剩余能量，其中該剩余能量被稱為處理通道內(nèi)的“聲波噪聲”。因此，仍面臨以最大程度地去除或消除白噪聲和聲波噪聲這兩者的挑戰(zhàn)。
[0005]在另一現(xiàn)有成果中，通過數(shù)字處理來進行平均化以降低白噪聲。所有脈沖是按時間間隔相等的預(yù)定時間梯度(時間“T”)來發(fā)送的。對所發(fā)射的多個脈沖進行平均化。將捕獲先前各脈沖的先前獲取窗口中的結(jié)果信號與后續(xù)獲取窗口相加。不幸地，例如，在第二個脈沖開始時，仍剩余從第一個脈沖剩下的被稱為聲波噪聲(或“拖尾”)的聲波能量。然后，第二獲取窗口內(nèi)的結(jié)果信號將因第一獲取窗口的“拖尾”而被損壞。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，脈沖(在時間上)彼此越接近，對下一脈沖所剩余的聲波噪聲將越多。將以與通過使用這里公開的解決方案來使由于傳統(tǒng)的平均化而產(chǎn)生的聲波噪聲的影響最小化相比較的方式，在具體說明部分中進一步說明該影響。
[0006]美國專利3，557，354使用平均化來提高信噪比并且降低白噪聲。但該文獻并沒有涉及在降低由于累積處理所引起的聲波噪聲方面的努力。
[0007]在美國專利7，254，494(后面稱為‘494)中還發(fā)現(xiàn)了使用(超聲波的)脈沖猝發(fā)的時移序列來提高信噪比的另一現(xiàn)有成果。然而，‘494在其處理中沒有使用平均化，而是運用用以識別脈沖猝發(fā)的序列的模式的方法，然后使用與該模式有關(guān)的信息來進行噪聲降低。
[0008]因此，通過在數(shù)字數(shù)據(jù)處理中使用平均化來降低超聲波檢測裝置中的白噪聲、并且通過消除傳統(tǒng)的平均化處理期間所累積的聲波噪聲來解決之前成果的缺點，這將充滿挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的目的是通過大幅降低一些超聲波檢測儀器中使用的平均化處理期間所累積的聲波殘余噪聲(后面稱為聲波噪聲)來提高超聲波檢測儀器的精度。
[0010]本發(fā)明的另一目的如下:通過使來自所有先前脈沖的聲波噪聲變得不相關(guān)來降低聲波噪聲，以使得在具有多個獲取事件的平均化或求和處理期間由于各發(fā)脈沖所引起的聲波噪聲彼此抵消而非增大。
[0011]本發(fā)明的又一目的是采用抖動發(fā)脈沖技術(shù)來使聲波噪聲與各獲取事件去相關(guān)，由此可以部分消除在多個獲取事件期間的聲波噪聲。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的檢查裝置與探測器相連接，其中所述探測器用于在檢測周期期間通過N個脈沖向檢測對象發(fā)出諸如超聲波等的檢測能量，并接收N組波響應(yīng)，并且根據(jù)所述N組波響應(yīng)產(chǎn)生N組電回波信號。至少一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對所述N組電回波信號進行數(shù)字化并且根據(jù)所述N組電回波信號產(chǎn)生N組數(shù)字化信號樣本，其中所述N組數(shù)字化信號樣本分別與N組獲取信號樣本和表示聲波噪聲的N組噪聲信號樣本相對應(yīng)。具有數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字邏輯裝置或處理器用于執(zhí)行對所述N組數(shù)字化信號樣本進行求和及平均化的平均化處理以產(chǎn)生最終檢測結(jié)果。此外，所述數(shù)字邏輯裝置包括脈沖發(fā)生器控制器，所述脈沖發(fā)生器控制器用于根據(jù)使所述探測器在兩個脈沖之間以抖動模式發(fā)脈沖的抖動發(fā)脈沖序列來對發(fā)脈沖進行控制，以使得在所述平均化處理期間和所述檢測結(jié)果中，部分消除所述N組噪聲信號樣本的合成影響。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種使無損檢查或檢測裝置即NDT/NDI裝置發(fā)脈沖的方法，所述NDT/NDI裝置具有探測器，所述探測器用于在檢測周期期間向檢測對象發(fā)脈沖，所述方法包括以下步驟:使所述探測器根據(jù)發(fā)脈沖序列來發(fā)N個脈沖；使所述探測器接收N組波響應(yīng)，并且根據(jù)所述N組波響應(yīng)產(chǎn)生N組電回波信號；對所述N組電回波信號進行數(shù)字化以產(chǎn)生N組數(shù)字化信號樣本，其中所述N組數(shù)字化信號樣本分別與N組獲取信號樣本和N組噪聲信號樣本相對應(yīng)；以及對所述N組數(shù)字化信號樣本進行平均化，其中，所述發(fā)脈沖序列在兩個脈沖之間具有抖動模式，以使得在所述平均化的步驟和檢測結(jié)果中，部分消除所述N組噪聲信號樣本的合成影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是采用抖動發(fā)脈沖并且在數(shù)據(jù)處理中進行平均化的超聲波儀器所使用的優(yōu)選實施例的示意圖。
[0015]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的進行平均化功能的電路組件的示意圖。
[0016]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的進行抖動發(fā)脈沖功能的電路組件的示意圖。
[0017]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的在獲取周期期間利用抖動發(fā)脈沖所進行的平均化處理的波形的圖。
[0018]圖5是利用放大圖示出在促成抖動發(fā)脈沖的圖4的平均化處理期間如何降低聲波噪聲的效果的圖。
【具體實施方式】
[0019]參考圖1，示出了超聲波儀器所使用的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例優(yōu)選包括變換器106、模擬通道101、脈沖發(fā)生器102、模數(shù)(A2D)轉(zhuǎn)換器103和數(shù)字邏輯裝置104。數(shù)字邏輯裝置104還包括平均化單元104a和對脈沖發(fā)生器102進行控制的脈沖發(fā)生器控制單元104b ο
[0020]如果使用單個元件來發(fā)送和接收，則將該單個元件插入收發(fā)器或接收器106，同時使開關(guān)105閉合。如果將兩個元件配對，則接收器106和發(fā)送器107連接。圖1所示的探測器元件的使用僅用于示例情況。可以使用單個、成雙或陣列元件的發(fā)送器、接收器或收發(fā)器、以及設(shè)計的多個其它組合，并且本發(fā)明的范圍不限于這方面。在開始獲取時，數(shù)字邏輯裝置104經(jīng)由脈沖發(fā)生器控制單元104b使用脈沖發(fā)生器102來將第一高頻脈沖發(fā)送至發(fā)送器107 (在開關(guān)105閉合的情況下發(fā)送至106)?；夭ɑ氐侥M通道101以通過增益和濾波處理來進行處理，然后進一步被饋送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器103。數(shù)字邏輯裝置104存儲該數(shù)據(jù)以供諸如平均化單元104a所進行的平均化等的將來使用。在N個獲取事件期間針對一個檢測周期執(zhí)行N次該整個處理，其中N是平均化因數(shù)。在N次該處理之后，將平均結(jié)果打包并且發(fā)送至顯示單元(未示出)以向操作員顯示。
[0021]參考圖2，詳細說明根據(jù)本發(fā)明的平均化單元104a?？梢砸员绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式來設(shè)計該平均化單元以使其進行工作。以下示例情況是為了例示目的而給出的，并且平均化功能不限于該方面。在示例情況中，將來自第一個脈沖的數(shù)字化數(shù)據(jù)直接存儲在存儲器204中。在第二個脈沖時，在存儲器204中選擇來自第一個脈沖的數(shù)據(jù)并且利用加法器202將該數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)相加。將新的值存儲在存儲器204中。平均化控制器201針對所有脈沖選擇存儲器的正確地址。一旦收集了如操作員所指定的N次數(shù)據(jù)，則進行平均化，并且平均化控制器201選擇與(操作員所選擇的)N相對應(yīng)的正確除法器203。優(yōu)選N是作為2的冪的正整數(shù)。本說明書后面的圖4以波形圖示出該平均化的效果，從而說明該平均化處理。
[0022]現(xiàn)在聯(lián)合參考圖3和圖4。圖3示出脈沖發(fā)生器控制單元104b如何工作。圖4示出由針對檢測周期的一系列發(fā)脈沖所引起的一系列獲取事件的波形。利用按各時間間隔T所發(fā)送的具有Dn的抖動的脈沖來執(zhí)行抖動發(fā)脈沖。
[0023]如圖3所示，定時控制器302通過使用脈沖發(fā)生器控制器301驅(qū)動數(shù)字邏輯裝置外部的脈沖發(fā)生器102來開始第一次獲取。寄存器304包含脈沖時間間隔T。R0M305包含針對各獲取事件的抖動值Dn。然后，主計數(shù)器307開始計數(shù)，直到其達到圖4所示的針對各獲取事件的T+Dn為止，之后主計數(shù)器307針對由后續(xù)發(fā)脈沖所引起的新后續(xù)獲取事件再次重新開始。此時利用對來自寄存器304的值和來自R0M305的Dn值相加的加法器306來實現(xiàn)T+Dn。利用針對各脈沖遞增的脈沖計數(shù)器303來控制ROM的地址。
[0024]可想到，無論主計數(shù)器307是針對各獲取事件從Ttl開始計數(shù)并且將nT相加還是如上所述針對各獲取事件重新開始計數(shù)均是相同效果。對于連續(xù)計數(shù)的情況，通過T0+nT+Dn(其中n=l?N)來管理發(fā)脈沖點或抖動發(fā)脈沖序列，其中η是使探測器發(fā)脈沖的序列編號，N是平均化因數(shù)，并且Dn是比T小得多的抖動值。Ttl是整個檢測的初始起點。應(yīng)當(dāng)理解，抖動發(fā)脈沖序列可以由主計數(shù)器307來實現(xiàn)并且這里的定時控制機制是以仍保持在本發(fā)明的框架內(nèi)的不同方式來呈現(xiàn)的。
[0025]在圖2所示的一個平均化處理中，優(yōu)選值Dtl針對各脈沖相對于零隨機抖動、或者至少利用相等的正負值的對進行抖動。存在多種方式來制作抖動序列并且分配Dn值。以下兩個表給出針對N=S的平均化因數(shù)的值Dn的示例。如表I所示，抖動值可以是隨機數(shù)。然而，在平均化系數(shù)有限的情況下，應(yīng)當(dāng)注意，應(yīng)小心考慮以使得在一個平均化處理中，所有正抖動值的總和應(yīng)大致等于負抖動值的總和。在如表2所示的另一示例中，抖動值可以是相等的正值和負值的對。
[0026]表1針對各脈沖的隨機抖動值Dn
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種無損檢查或檢測裝置即NDT/NDI裝置，用于對檢測對象進行檢查，所述NDT/NDI裝置包括: 探測器，用于在檢測周期期間在檢測位置處向檢測對象發(fā)N個脈沖，以產(chǎn)生并接收N組波響應(yīng)并且根據(jù)所述N組波響應(yīng)產(chǎn)生N組電回波信號； 至少一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對所述N組電回波信號進行數(shù)字化并且根據(jù)所述N組電回波信號產(chǎn)生N組數(shù)字化信號樣本，其中所述N組數(shù)字化信號樣本分別與N組獲取信號樣本和N組噪聲信號樣本相對應(yīng)；以及 具有數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字邏輯裝置，用于執(zhí)行對所述N組數(shù)字化信號樣本進行求和及平均的平均化處理以產(chǎn)生最終檢測結(jié)果， 其中，所述數(shù)字邏輯裝置還包括脈沖發(fā)生器控制單元，所述脈沖發(fā)生器控制單元用于根據(jù)使所述探測器在兩個脈沖之間以抖動模式發(fā)脈沖的抖動發(fā)脈沖序列來對發(fā)脈沖進行控制，以使得在所述平均化處理期間和所述檢測結(jié)果中，部分消除所述N組噪聲信號樣本的合成影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，N是所述數(shù)字邏輯裝置進行所述平均化處理所使用的平均化因數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，所述數(shù)字邏輯裝置還包括: 平均化單元，用于執(zhí)行所述平均化處理，并且所述平均化單元還包括平均化控制器、數(shù)字存儲器、加法器和除法器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，所述脈沖發(fā)生器控制單元還包括定時控制器、脈沖發(fā)生器計數(shù)器、定時加法器、主計數(shù)器和脈沖發(fā)生器控制器，以實施抖動發(fā)脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的NDT/NDI裝置，其中，通過L+nT+Dn來管理所述抖動發(fā)脈沖序列，其中n=l~N，η是使所述探測器發(fā)脈沖的序列編號，N是平均化因數(shù)，Dn是遠小于T的抖動值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的NDT/NDI裝置，其中，Dn是隨機的并且是O附近的較小的數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的NDT/NDI裝置，其中，Dn是成對的比T小的正數(shù)和負數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，所述探測器包括單元件超聲波發(fā)送器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，所述探測器包括單元件收發(fā)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，所述探測器是雙元件探測器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NDT/NDI裝置，其中，所述探測器是相控陣列探測器。
12.一種使無損檢查或檢測裝置即NDT/NDI裝置發(fā)脈沖的方法，所述NDT/NDI裝置具有探測器，所述探測器用于在檢測周期期間向檢測對象發(fā)脈沖，所述方法包括以下步驟: 使所述探測器根據(jù)發(fā)脈沖序列來發(fā)N個脈沖； 使所述探測器接收N組波響應(yīng)，并且根據(jù)所述N組波響應(yīng)產(chǎn)生N組電回波信號； 對所述N組電回波信號進行數(shù)字化以產(chǎn)生N組數(shù)字化信號樣本，其中所述N組數(shù)字化信號樣本分別與N組獲取信號樣本和N組噪聲信號樣本相對應(yīng)；以及 對所述N組數(shù)字化信號樣本進行平均化， 其中，所述發(fā)脈沖序列在兩個脈沖之間具有抖動模式，以使得在所述平均化的步驟和檢測結(jié)果中，部分消除所述N組噪聲信號樣本的合成影響。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，發(fā)脈沖、數(shù)字化和平均化的步驟是由數(shù)字邏輯裝置來執(zhí)行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述數(shù)字邏輯裝置還包括: 平均化單元，用于執(zhí)行平均化處理，并且所述平均化單元還包括平均化控制器、數(shù)字存儲器、加法器和除法器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述數(shù)字邏輯裝置還包括: 脈沖發(fā)生器控制單元，所述脈沖發(fā)生器控制單元還包括定時控制器、脈沖發(fā)生器計數(shù)器、定時加法器、主計數(shù)器和脈沖發(fā)生器控制器，以實施抖動發(fā)脈沖。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，通過1'(|+1^+011來管理抖動發(fā)脈沖序列，其中n=l~N，η是使所述探測器發(fā)脈沖的序列編號，N是平均化因數(shù)，Dn是遠小于T的抖動值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，Dn是隨機的并且是O附近的較小的數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，Dn是成對的較小的正數(shù)和負數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述探測器包括單元件超聲波探測器。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述探測器是多元件超聲波探測器或陣列元件超聲波探測器。
【文檔編號】G01N29/44GK103808808SQ201310492258
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月18日
【發(fā)明者】P·郎格羅斯, B·卡諾伊爾 申請人:奧林巴斯Ndt公司