超声波检测高速数据收集和传输技能的研讨

1．导言

超声波检测技能作为无损检测技能的重要手法之一，在其展开进程中起着重要的效果，它供给了点评固体资料的微观安排及相关力学功用、检测其微观和微观不接连性的有用通用办法。因为其信号的高频特性，超声波检测前期仅运用模仿量信号的剖析，大部分检测设备仅有A扫描办法，需求经过有经历的无损检测人员对信号进行人工剖析才干得出正确的定论，对检测和剖析人员的要求较高，因而，人为因素对检测的成果影响较大，波形也不易记载和保存，不适宜完结主动化检测。
八十年代后期，因为核算机技能和高速器材的不断展开，使超声波信号的数字化收集和剖析成为可能。现在国内也相继呈现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的展开方向。可是，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，首要是遭到高速A/D和高速存储技能的约束。
为了削减人为因素对检测成果的影响，使波形能记载和保存，并到达检测成果的直观性，需完结超声波检测剖析和成像处理，这就要求完结数据的高速收集和大数据量缓冲。因而，展开数据高速收集技能的研讨和完结是十分必要的，它是能否完结超声波检测剖析和成像处理的要害技能之一。
2．国内外研讨现状及含义
现在国内外在超声波检测范畴都向着数字化方向展开，数字式超声波检测仪器的展开速度很快。国内近几年也相继呈现了许多数字式超声波仪器和剖析体系。
国际上对超声波检测数字化技能的研讨十分重视，国外出产相似产品和研讨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，上述这些公司出产的超声波检测收集、剖析和成像处理体系的技能水平较高，在国际上处于领先水平。
国外已把100MHZ以上采样频率的高速A/D技能用于超声波信号的收集，大容量缓冲技能也到达必定的水平，信号的剖析和成像处理已完结A、B、C扫描。尽管国内已展开这方面的研讨与开发，可是在技能使用上仍是存在必定的间隔。
因而，展开该项技能的研讨，怎么把高速A/D技能、大容量缓冲技能以及信号的处理、剖析和成像技能进行开发和研讨，并使用到超声波检测的工程需求上去，是一项具有现实含义的课题，它可进步我国无损检测技能水平，跟上国际先进的现代工业检测技能脚步，使我国超声波检测水平上一个台阶。
3．体系的根本结构
咱们所研讨和开发的数字式超声波检测和成像处理体系是选用PC微机，以高速实时收集和存储及数字成像为首要技能的实时检测体系。体系首要由下列部分组成：双微机（或工控机）体系、超声波脉冲发射器、超声波信号接纳器、高速数据收集卡、数据处理和剖析软件包以及传感器、探头运动和扫描操控体系等。
3．1 体系的根本功用
l 具有A型扫描超声波探伤设备的悉数功用和剖析办法
l DAC曲线调校点数1—32点任选
l 作业频率：1—40MHZ
l 具有可程控和可挑选的四通道办法和数据的实时记载
l 检测数据实时存盘
l 全汉化的WINDOWS NT用户界面，双核算机和谐作业
l 多窗户的图形剖析
l 可过后剖析、处理、测验任何方位规模内的探伤状况
l 实时的A扫描显现（单、双、四通道办法可选）、扫查操控显现
l 过后A扫描显现、B扫描显现、C扫描显现，3D显现，各显现办法可彼此比较
l 剖析成果和检测陈述软件，打印出剖析成果和检测陈述
l 扫查操控接口和谐
3．2 首要研讨内容
l 高速A/D转化技能，具有100MHZ以上采样频率。
l 检测数据的存储（因数据量很大，需完结高速缓冲存储）。
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、同步办法挑选、高速回放。
因为现在采样频率100MHZ以上的高速A/D转化器已产品化，核算机总线的传输速率已大大进步，高速大容量缓冲的呈现，使得高频信号的实时数据收集、传送和存储能够完结。在研讨内容中，充沛考虑到现在要害技能所选用的器材类型，确保研讨内容的完结。
4．信号收集及其处理
信号收集、处理和剖析是研讨和工业开发范畴的常用工具，也是超声无损检测技能所选用的有用办法。其意图是经过增强接纳信号中某些特征，然后取出对检测意图特别有用的信息。
4． 1数据收集及模/数转化
4．1．1 根本概念
超声检测设备中的数据收集经过换能器传递信号，它把振荡的机械能转化成电信号，信号具有接连的办法，为使它能由核算机处理，需将模仿信号转化成数字信号。将模仿信号转化成数字信号是经过对信号在各个离散的瞬间进行取样完结的，行将信号起伏数字化成一系列数字的进程。
从理论上说，对起伏的取样是瞬时的，而数字的表达又是无限精确的。而实际上，取样是限时的，起伏也是被转化成有限位数的二进制代码。关于一个有实用价值，最高频率为fM 的有限带宽信号所进行的接连时刻富氏改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—取样时刻间隔；
δ—离散增量函。
+若t= nT，则有：δ(t-nT)=1， 且t≠nT时，δ(t-nT)=0
富氏改换D(f)也是采样函数：
D(f)=(1/T) ∑δ(f-kF)
式中：F=1/T
δ(t-nT)项用于界说离散序列S[n]，写成离散脉冲函数加权和的办法：
S[n]= ∑s(t)δ(t-nT)
式中S[n]表明取样信号，这儿用方括号替代用于表明接连函数的圆括号。
运用卷积定理，可把富氏改换写成s(t)和δ(t-nT)的富氏改换的卷积：
S[k]=S(f)＊D(f)= (1/T)∑δ(f-kF)
离散富氏改换S[k]是S(f)的间歇仿制，仿制的频率间隔为F=1/T。可按两种特殊状况：F>2 fM 时，相邻频谱无堆叠；F<2 fM 时，相邻频谱有堆叠，这一现象便是所谓的同名现象。取样频率极限FN=2 fM ，超越此频率时便不再有堆叠，该频率便是内奎斯特（Nyquist）频率。若满意条件：FN>2 fM，原始信号的康复将能够完结，只需将取样信号波形经过矩形低通滤波器即可。若取样频率低于此值，原始接连信号便不行能依据它的取样信号波形得到不失真的康复。
4．1．2 A/D转化
按转化器的作业原理不同，A/D转化器一般可分为积分型和比较型。积分型A/D转化器先将输入的模仿量转化为中心量，然后再将此中心量改换成相应的数字量。这种类型的A/D器材的特色是抗干扰才干强，精度高，但速率较低。高速A/D转化器一般选用比较型。下面介绍几种适用于高速改换的A/D转化器。
（1）闪耀式A/D转化器：将采样的模仿信号直接与各个不同的参阅电压比较，然后得出相应的数字信号巨细。这种办法只需一个A/D内部周期即可得到数字成果，速度适当快，但分辩率不高。它需求2N（N为A/D的位数）个内部比较器，电路十分杂乱。
（2）逐次比较型A/D转化器：其原理是运用比较器不断地对采样模仿信号与D/A转化器发生的规范模仿电压进行比较，直到两者之差小于1LSB停止。这种办法需求N个内部周期来完结一次转化,但只需一个比较器,比较简略进步分辩率,电路较简略。
（3） ΣΔ A/D转化器：其原理是将模仿信号先进行ΣΔ调制，再经过高功用的数字滤波，就能得到高分辩率的数字信号。这种办法能取得较大的信噪比，它实际上运用了下面要介绍的过采样技能。
为了满意软件无线电对数据收集模块的需求，进一步进步收集的功用，在上述根本结构的基础上，选用了一些改善的收集技能，现别离介绍如下：
（1）正交采样技能：即将进行数字化的信号分红两个重量，其间一个乘以正弦波，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。每一重量只以原信号的二分之一带宽呈现，以原信号的二分之一采样速率进行取样。
（2）带通信号采样技能：假如前一模块送出的是带通模仿信号，能够以低于抽样定理中的Nyquist采样率进行模数转化。只需采样率fs不低于两倍的信号带宽（fh-fl），就不会导致信号的频谱的堆叠，一起，fs还应满意：
2fh/k这儿k是满意如下联系的整数2（3）过采样技能：以远大于Nyquist采样率进行采样的办法称之为过采样技能，选用过采样技能会带来两个优点。首要，高速采样可下降对前级抗混叠滤波器功用的规划要求；其次，过采样技能可进步信噪比。
（4）并行ADC、DAC技能：软件无线电的展开方向是ADC和DAC尽量接近射频端。高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态规模都提出了较高要求，这时可选用并行A/D转化技能。这样用多个高速采样坚持和A/D可完结超高速转化。
4． 2高速A/D数据收集
4．2．1采样频率和缓冲容量的确认
本课题是针对超声波工业检测设备而开发的高速数据收集技能，因而，检测方针根本上为钢体资料。超声波在钢中传达时，纵波CL的传达速度为5900米/秒，横波CS的传达速度为3230米/秒，可见，超声波在钢中的传达速度很快。因而，关于必定厚度的工件进行检测时，超声波在工件中的传达时刻很短，特别关于薄壁资料检测，传达间隔更短。从以下超声波检测的根本办法能够核算出超声波的传达时刻，确认检测频率和缓冲的容量要求。
4．2．2超声波传达时刻的核算
超声波在钢中的传达速度、间隔和时刻的联系公式为：
D=C·T
式中： D表明声程（间隔）
C表明声速
T表明传达时刻
假如选用反射法直探头进行检测，在其勘探规模内的传达时刻：
T=2H/C
式中： H表明工件厚度
C表明声速
T表明传达时刻
假如选用反射法斜探头进行检测，则要考虑入射角和几回声程的影响。选用一次声程探伤，在其勘探规模内的传达时刻：
T=2H/(cosφ·C)
式中： H表明工件厚度
C表明声速
T表明传达时刻
φ表明探头入射角
选用二次声程探伤，在其勘探规模内的传达时刻：
T=4H/(cosφ·C)
式中： H表明工件厚度
C表明声速
T表明传达时刻
φ表明探头入射角
4． 2．3 采样频率的确认
从以上的超声波传达时刻能够看出，关于钢质资料的超声波检测，因为超声波在钢中传达时刻很短，因而，一般需选用较高的检测频率。特别关于薄壁资料的检测，为了得到满意的分辩率，选用高的检测频率就更为重要。这就要求有满意的采样频率才干满意信号收集的要求。
如关于1mm厚的资料进行检测，因为超声波在其间的传达时刻仅为0.339μs，要到达10%（0.1mm）的检测精度，有必要要能分辩0.0339μs的信号周期，不至于信号堆叠而无法分辩。这就要求检测频率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的检测频率fM。因而，关于采样频率FN至少满意内奎斯特（Nyquist）频率，即满意条件：FN>2 fM ，也便是采样频率至少到达60MHZ以上。关于整个体系的规划检测频率上限40MHZ，采样频率有必要在80MHZ以上。
为了进步信噪比和检测精度，咱们挑选了大于Nyquist采样率的过采样技能。确认了整个体系的采样速率有必要到达100MHZ以上。
当然，整个体系为了满意不同检测要求的需求，采样速率是能够调整的，在检测频率不是很高时，能够下降采样速率，以减小缓冲容量的要求。
4．2．4 缓存器容量的确认
因为整个体系的采样速率较高，要对信号数据进行保存，就需求运用高速缓存器，缓存器的容量应该把勘探规模内的时域信号得以保存。咱们选用了64K容量的缓存器。
在200MHZ采样速率的状况下，64K缓存器可存储的时域信号的时刻长度为：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
这种采样频率一般用于检测频率较高的检测信号的收集，用高检测频率检测薄壁资料时，往往选用纵波入射和45度斜探头一次声程的横波入射办法，在相同厚度的工件中横波入射办法检测的时域信号时刻长度较长，因而该容量的缓存器可习惯的最大厚度的工件厚度为：
H=(320μs·3230m/s·cos45)/2=365mm
关于薄壁资料远小于该厚度值，因而所规划的缓存器容量是满意的。
而关于壁厚较厚的工件，一般选用1–5MHZ的检测频率，选用30MHZ的采样频率足以满意信号数据采样的要求，这时64K缓存器可存储的时域信号的时刻长度为：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即便运用70度斜探头二次声程的横波入射办法，该容量的缓存器可习惯的最大工件厚度为：
H=(2133μs·3230m/s·cos70)/4=589mm
它也能习惯压力容器等工业检测的需求，比较重要的核电站反应堆压力容器的壁厚只要在250 mm左右。
4．3 A/D收集卡的规划和开发
为了满意对超声波宽频带高速率的信号进行收集的要求，规划了一种根据并行直接转化原理的flash A/D转化器的高速8位分辩率的数据收集卡。
该收集卡的首要功用指标是：
（1） 最大采样率为200MHz；
（2） 数据分辩率为8位；
（3） 数据缓存容量为64k*16位；
（4） 模仿输入带宽>70MHZ；
（5） 输入路数：4路
（6） 转化触发办法：可编程为守时触发、指令触发、外源触发
（7） 数据传输速率：25MBytes/S
收集卡规划成核算机扩展槽的插板办法，不需外接电源，其各种状况可经过主机进行编程操控，便于用户运用。
4．4 高速数据缓存器
数据的缓存运用了两片高速FIFO，在将收集得到的数据写入其间一片时，后续模块一起对另一片中的数据进行处理。对FIFO进行对写是在时序操控模块的操控下进行的，但数据的读出由用户自己的后续模块自己进行，并供给相应的操控信号。FIFO缓存器因为其先进先出的特性，数据的读写都无需供给地址信号，简化了电路的规划，进步了数据的吞吐率。该FIFO的最高运转速率是100MHz，这彻底满意体系的要求。
5． 超声波检测数据的传输和记载
5．1 体系简介
因为本体系收集速率较高，因而关于传输的速率要求相对也比较高。因为ISA总线拟定的时刻较早，不行避免地带有一些局限性，例如数据宽度仅为16位、总线同步时钟也只要8MHZ等。而现在CPU的数据宽度和作业频率都有了很大的进步，一起面向图形的操作体系的引进，使规范的PC I/O结构中的处理器和它的显现外设之间发生了数据瓶颈，ISA总线现已不能满意体系要求。但假如将外设的功用在与体系处理器总线相同宽的高宽带总线上完结，这个瓶颈就能够消除，因而引进了高宽带总线，一般称为“部分总线”。在多种部分总线中，VESA总线和PCI总线是比较具有代表性的两种。
在本项课题数字式超声波成像体系中使用PCI总线作高速数据收集和传输。整个体系的硬件由两个部分组成：主处理机（PC）和信号发射/接纳前端组成：
灰色部分的接口卡便是本课题要研讨的方针：PCI总线接口卡。它起的效果是发射/接纳前端与主处理机之间的桥梁。在发射/接纳前端，高速采样后的接纳信号在A/D转化后，经由衔接电缆送到接口卡，再由接口卡经过PCI总线传送到主处理机内存中指定的数据接纳区。
5． 2 PCI总线的特色
PCI总线即外设部件互连，是一种新式的、同步的、高宽带的、独立于处理器的总线。其所以能在各类总线中锋芒毕露，是因为其具有以下特色：
⑴传输速度快。最高作业频率33MHZ，峰值吞吐率在32位时为132MB/S，64位时为264MB/S。
⑵支撑无限猝发读写办法。读写时后边可跟很多个数据周期，具有强壮的数据猝发传输才干。
⑶支撑并行作业办法。PCI操控器具有多级缓冲，运用它可使PCI总线上外设与CPU并行作业。例如CPU输出数据时，先将数据快速送到缓冲器中，当这些数据不断送往设备时，CPU就可转而履行其他作业了。
⑷独立于处理器。PCI在CPU和外设间刺进一个杂乱的管理层用以和谐数据传输，一般称之为桥。桥的首要功用是在两种不同的信号环境之间进行转化，并向体系中所有的主操控器供给共同的总线接口。因而PCI总线可支撑多种系列的处理器，并为处理器晋级发明了条件。
⑸供给4种标准，可界说32位/64位以及5V/3.3V电压信号。3.3V电压信号环境的界说为PCI总线进入便携机范畴供给了便当。
⑹数据线和地址线选用了多路复用结构，削减了针脚数。一般来说，32位字长、仅作方针设备的接口只需47条引脚，作为总线操控者的设备接口再加2条引脚，并可有挑选地添加信号线以扩展功用，如64位字长的接口卡需加39条引脚，资源确定加1条引脚，等等。
⑺支撑即插即用功用，能完结主动装备。在PCI器材上包含有寄存器，上面带有装备所需的器材信息，使外设适配器在和体系衔接时能主动进行装备，无须人工干预。
5．3 硬件结构
这儿对接口卡的硬件结构作一扼要描绘：
从衔接电缆输入的16位宽的数据经信号缓冲后暂存在FIFO中，然后被PCI总线接口芯片读出并经过PCI总线送到主处理机内存中指定的数据接纳区。
5．3．1 PCI总线接口芯片结构
PCI总线接口芯片是用FPGA来完结的。其上除了完结与PCI总线接口所有必要的PCI总线装备寄存器之外，还具有一些用户可编程的操控寄存器。用户经过对这些操控寄存器编程，就可使PCI总线接口芯片主意向体系请求占用总线，从FIFO中读出数据并传送到体系内存中指定的数据接纳区中。
芯片内部由两个模块组成：PCI接口模块和FIFO接口模块。PCI接口模块担任与PCI总线端相接的逻辑。FIFO接口模块担任与FIFO端相接的逻辑。
5．3．2 PCI接口模块
PCI接口模块除了完结PCI总线装备寄存器以外，还起到FIFO接口模块与PCI总线之间的转接效果。一方面，来自PCI总线上的对FIFO接口模块中操控寄存器的读写要经PCI接口模块才干转化为能够被FIFO接口模块接纳的读写信号；另一方面，FIFO接口模块从FIFO中读取的数据需求经过PCI接口模块才干转化为PCI总线上的相应信号被体系接纳。。
5．3．3 FIFO接口模块
FIFO接口模块的功用是操控从FIFO读出数据，然后经过PCI接口模块向总线宣布请求，得到许可后开端向体系内存指定的数据接纳区传送数据。FIFO接口模块中还完结了可编程的操控寄存器，可使软件对数据传送进行操控。
5．4 软件接口
本接口卡的软件接口包含两个部分：与PCI体系相关的软件接口及与用户使用相关的软件接口。与PCI体系相关的软件接口是PCI总线装备寄存器，包含本接口卡的出产厂商所指定的设备标志号、修订版本号以及PCI SIG所分配的厂商标志号寄存器，还有状况寄存器、指令寄存器以及基地址寄存器等等。与用户使用相关的软件接口是与本接口卡完结的特定功用相关的寄存器，包含两组与数据传送有关的开始地址寄存器和完毕地址寄存器，还有指令寄存器和状况寄存器。
对与用户使用相关的寄存器的操作都应以32位的办法进行。若以8位或16位的办法操作，将发生不行预知的成果。
在内存以字节（8位）为单位进行寻址的状况下，在进行16位或32位的操作时认为字节摆放次序如下：高位字节在地址较大的字节上，低位字节在地址较小的字节上，
在各个寄存器中，有些寄存器是只读的，有些寄存器是可读可写的，还有一些寄存器是可读可铲除的。以上这些特点在今后对每个寄存器的阐明中将别离以只读、读/写、读/清的字样标出。
关于只读和可读可写特点应该是见词明义，这儿就不多作阐明。关于可读可铲除特点，在这儿有必要阐明一下。对可读可铲除的寄存器作读操作时，与一般的读操作无异。在写操作时，那些写入1的位会被清0，那些写入0的位则不受影响。具体来说，当某个具有可读可铲除特点的字节内容为01010101时，若对该字节读，则读出的内容为01010101。若对该字节写入00001111时，该字节的低4位被清0，内容改变为01010000。
6. 定论
1．从调试成果和研发成果来看，超声波信号收集、剖析和成像处理体系的全体规划计划是正确的，整套体系能够满意频率规模从1MHZ到40MHZ超声波检测收集和剖析的需求，一起能够调整采样速率，习惯不同检测频率的记载要求。
2．该课题选用全数字式超声波信号显现和处理办法，能够为超声波检测的剖析供给必要的数据，对检测成果更为精确和直观。能够更为精确地对缺点进行定位和定量。一起，为超声波检测设备的开发供给了杰出的开发手法。对进步我国的超声波检测设备的开发水平具有积极含义。
3．该课题中选用的PCI实时技能处理了高速大容量现场检测数据的存储和传输，为其他有关项意图开发供给了计划。
4．课题中使用的要害硬件FPGA和PLD器材能够较强地适用于科研开发和调试，一起具有必定的保密性，对知识产权的维护供给了计划。而且，能够大大缩小硬件的体积。
5．课题中选用的谱估计办法进行信号处理，能够从噪声中提取回波信息，能够下降硬件的开发难度。
整个体系的开发成功关于进步我国无损检测技能水平，跟上国际先进的现代工业检测技能脚步，使我国超声波检测水平上一个台阶具有重要的含义。