用于超声波测试的数字对数放大器

摘要

本发明涉及一种设备和方法，其提供同时处理一个超声波信号(102)的多个线性放大器(104，112)。多个线性放大器(104，112)中的每一个放大器(104，112)都具有一个预定增益级(110)，其适合于获得用于输入至进行处理的模数(A/D)转换器(106，114)的所需输出信号级。由每一个对应的AD转换器(106，114)以非常高的频率对每一个放大器(104，112)的输出进行取样，从而将每一个线性放大器(104，112)的模拟信号输出转换成一个数字信号(d1，d2)。逻辑电路(118)同时监控所有从A/D转换器(106，114)输出的数字信号(d1，d2)。

权利要求

1.一种数字对数放大器(100)，用于处理一种表示反射波的超声波模拟信号(102)，所述放大器包括：至少一个非衰减处理路径，包括用于将所述模拟信号(102)放大至所需级的放大器装置(104)；

第一转换器装置(106)，用于对经放大的模拟信号进行数字化取样，从而将所述模拟信号转换成所述模拟信号的一种数字化表示；

至少一个衰减路径(116)，每一个衰减路径(116)包括用于衰减所述模拟信号(102)的衰减装置(110)；用于将经衰减的模拟信号(102)放大至所需级的放大器装置(112)；以及第二转换器装置(114)，用于对经放大的衰减模拟信号(102)进行数字化取样，从而形成所述模拟信号的一种数字化表示；

逻辑电路装置(118)，用于选择多个数字化信号中具有线性化且具有所述多个数字化信号中最大振幅的一个数字化信号；

存储装置，用于存储多个所选择的数字化信号；以及

组合装置，用于组合所存储的多个数字化信号，从而形成连续线性化数字波形。

2.按照权利要求1所述的数字对数放大器，其中所述组合装置是一组逻辑电路，其配置成将所述多个数字化信号转换成一种对数标度，从而压缩超出一个比单个放大器更宽的动态范围上的连续线性数字波形的振幅。

3.按照权利要求1所述的数字对数放大器，其中所述模拟信号是低频率信号且所述第一与第二转换器装置的数字取样速率为50MHz。

4.按照权利要求1所述的数字对数放大器，其中所述模拟信号是高频率信号且所述第一与第二转换器装置的数字取样速率为100MHz。

5.按照权利要求1所述的数字对数放大器，其中所述第一与第二转换器装置(106，

114)是14位模-数信号转换器。

6.按照权利要求2所述的数字对数放大器，其中所述模拟信号(102)是低频率信号且所述第一与第二转换器装置的数字取样速率为50MHz。

7.按照权利要求2所述的数字对数放大器，其中所述模拟信号(102)是高频率信号且所述第一与第二转换器装置的数字取样速率为100MHz。

8.按照权利要求2所述的数字对数放大器，其中所述第一与第二转换器装置(106，

114)是14位模-数信号转换器。

9.按照权利要求1所述的数字对数放大器，其中所述至少一个衰减路径的所述衰减装置(110)是衰减器(110)，而且每一个所述衰减路径(116)包括一个具有不同衰减值的衰减器(110)。

10.按照权利要求9所述的数字对数放大器，其中所述不同衰减值由-6dB的增量组成。

说明书

用于超声波测试的数字对数放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于处理在超声波检查和测试中使用的声信号的方法和系统，尤其涉及利用多个线性放大器同时处理一个声信号，从而获得一个组合的线性数字输出信号，该组合的线性数字输出信号具有比单个放大器范围更大的动态响应范围。

背景技术

[0002] 超声波检查采用由换能器产生的高频超声波来检查测试对象并进行检测。超声波检查可以用于检测在测试对象中的裂纹，并在对象上执行评估、维度测量、材料特性表达等。最初发展的关于金属的测试过程已经扩展到像复合材料那样的工程材料，其中像各向异性和多相性那样的特性是有意义的。在数字化和计算能力上的优势已经改变了在处理结果数据中所用装置和算法的类型。高分辨率成像系统和用于特性化表示裂纹的多种测试形态相结合。所关心的是对疵点进行检测、特性化表示和调整大小，就像对在其中发现了这些疵点的材料的特性化表示一样。超声波测试的目标是从确定基本的显微结构特性到与失效机理相关的材料性能的范围，基本的显微结构特性例如晶粒大小、多孔性、纹理和优选的晶粒取向，与失效机理相关的材料性能例如耐劳程度、潜变和断裂韧度。

[0003] 在超声波测试中，通过电脉冲激发一个包含压电元件的换能器，从而将超声波传送到测试对象内。该声波通过测试对象传播并被反射。换能器接收反射波，由换能器将反射波转换成电信号并分析该反射波，从而判断测试对象中是否存在不连续面。利用在模拟显示器上可查看的电信号中某些异常的轮廓来特性化表示测试对象中的裂纹或不连续面，该模拟显示器例如示波器或记录设备。

[0004] 必须放大来自换能器的表示反射的声波的电信号，用以输入到显示器或记录设备。为了显示放大的信号，该放大信号必须落入由相应显示设备的最大和最小操作参数所定义的某个动态响应范围内。在大多数情况下，该表示声波的信号包括多个分量。例如，如果裂纹出现在对象表面附近，在初始脉冲的间隔内接收由近表面疵点引起的回波。由于回波的振幅相对于初始脉冲较小，所以无法通过可视显示器或记录设备来检测该裂纹。由于装置并发地接收它们，所以实质上在较大的初始脉冲或接口信号上附加来自近表面裂纹的相对较小振幅的回波信号。这两个同时发生的信号的振幅上的巨大差异使得较小的信号非常难以检测。

[0005] 之前，已经尝试使用模拟对数放大器来压缩动态响应范围，但是由于模拟对数放大器受限的带宽和动态响应范围，所以模拟放大器并不特别适用来执行该操作。模拟技术受到噪声和精确度问题的限制。

[0006] 因此，需要一种设备来数字化处理同时发生的具有相差很大的变化振幅的超声波信号，并组合它们用于以一种具有宽动态范围的连续的线性数字信号的方式来显示。

发明内容

[0007] 本发明的设备和方法提供同时处理一个超声波信号的多个线性放大器。多个线性放大器中的每一个放大器都具有一个预定增益级，其适合于获得用于输入至进行处理的模数(A/D)转换器的所需输出信号级。由每一个对应的AD转换器以非常高的频率对每一个放大器的输出进行取样，从而将每一个线性放大器的模拟信号输出转换成一个数字信号。逻辑电路同时监控所有从A/D转换器输出的数字信号。逻辑电路判断A/D转换器的哪一个输出具有最大线性化输出并在存储器存储设备中存储所选择的输出。接着将存储的输出波形组合成一个连续的线性数字输出，其动态响应范围约为单个A/D转换器的单个动态响应范围的总和。可以通过相应的计算将组合的连续的线性数字输出波形精确地转换成对数标度，从而产生一个具有可与对数放大器的输出相比较的宽动态范围的波形。

[0008] 本发明的优势目的在于该设备可以通过消除从测试对象的上表面反射的恒定不变的波形信号，并检测通常由上表面所反射的恒定不变的波形信号掩蔽的小信号，来检测在测试对象的表面附近的小疵点。

[0009] 本发明的另一个优势目的在于可以测量并记录同时发生的反射的波形，其具有一个各个波形都不失真的宽动态响应范围。

[0010] 本发明的另一个优势目的还在于提供宽动态响应范围，用于测量从材料的各个深度反射的信号，该深度由高度信号衰减来进行特性化表示。

[0011] 本发明其他特征和优势将从以下连同附图一起更详细地描述的优选实施例中显而易见，该附图借助于实例来举例说明本发明的原理。

附图说明

[0012] 图1是使用本发明的数字对数放大器的测试装置的示意图；

[0013] 图2是数字对数放大器的示意图；以及

[0014] 图3是将一个模拟信号转换成表示一个反射的超声波波形的多个数字分量的方法的流程图。

[0015] 只要有可能，将自始至终对附图中相同或类似部分使用相同的参考数字。

具体实施方式

[0016] 参考图1，测试检测装置10包括一个脉冲发生器电路12，它向换能器14发送脉冲用于通过测试对象16传播超声波的声波18。波18反射回换能器14。在图1所示实例中，一个换能器即发送又接收声波，然而，其他测试结构还可以采用多个换能器，其中一些换能器进行发送，一些换能器进行接收，以及一些换能器即执行发送又执行接收功能。换能器14接收反射的声波，并将它转换成一个输入到本发明的数字对数放大器(DLA)100中的电信号。DLA 100处理表示反射波形的该电信号，以下将进行更详细的讨论。在示波器20或其他类似的外围显示器或存储器装置(未显示)上显示DLA 100的输出波形。正如本领域技术人员所公知的，可以用许多其他测试装置来代替图1中的装置。因此图1的装置作为实例而存在，而且本发明并不局限于该实例的特殊装置。

[0017] 如图1所示，测试对象16中的疵点22将在一个与测试对象16的后壁24不同的点反射波形18，结果产生可以显示在示波器20的屏幕上的不同的波传播次数，疵点22越小，反射波的幅值就越小，以致于在一些实例中，输出设备的灵敏度或放大器的非线性会导致丢失小的反射信号。而且，在疵点22非常接近表面的地方，可以通过放大器接收与疵点22有关的反射波28，而且几乎同时向显示器20输出该反射波作为初始脉冲26或接口信号。当模拟显示器上显示的初始脉冲26相对于近表面反射波28较大时，在较大的波形中还是丢失了小的反射信号28。

[0018] 参考图2，将信号S应用于DLA 100的输入102，该信号S表示通过测试对象传播的反射波形。放大器104具有适用于处理非衰减信号S的增益，并放大输入至模-数(A/D)转换器106的信号S。优选地，本发明所使用的所有A/D转换器都是具有高动态响应范围的14位转换器，但是本发明可以主要在每一种模-数(A/D)转换器上执行。将放大器104的输出插入A/D转换器106并以非常高的速率对其取样，以此来提供模拟信号S的数字化表示d1。取样频率必须至少是模拟信号频率的两倍，而且实际上应该优选为至少是模拟信号S的频率的三倍。对于低信号频率应用的优选取样频率大约为50MHz，而且对于高信号频率应用的优选取样频率大约为100MHz，而该取样频率的多或少取决于模拟信号S的频率。

[0019] 通过至少一个衰减器同时处理模拟信号S。图2仅例举了一条衰减路径116，但是可以理解本发明的DLA 100一般可以包括多条具有不同衰减值的并行路径。每一条衰减路径116都以类似于衰减路径116的方式，包括串联的衰减器110、放大器112和A/D转换器114。在图2的实例中，衰减器110衰减输入至放大器112的信号S。优选地在增量为-6db的序列中(例如，-24db、-30db、-36db等序列)选择衰减值，其适当地与每衰减6db的一个附加取样位对应，然而如果需要的话，可以替代为任何信号衰减的幅值。在图2所示实例中，衰减器110在进行放大之前提供负(-)42db的信号衰减。放大器112具有一种适用于衰减信号S的动态响应范围的增益，用于提供一个所需的放大信号输出级。将放大器112的输出插入A/D转换器，同时以和A/D转换器106相同的速率对其取样，以此来提供模拟信号S的第二数字化表示d2。可以使用任何数量的衰减路径来处理信号S，同时用于向对应数量的放大器输入该信号S。有选择地分配衰减值以匹配所需响应级，而且每一个放大器具有一种根据相关衰减器设计的增益级，从而为相关A/D转换器提供所需输出信号级。

[0020] 逻辑电路118分析A/D转换器106、114的数字化输出d1、d2的信号级或假设使用附加路径时所有路径的数字化输出的信号级。逻辑电路118判断当信号S的振幅波动时，转换器106、114中哪一个具有最大输出，哪一个是线性的。逻辑电路118判断来自每一个转换器的数字化输出是否落入一个预定饱和阈和一个最低信号级之间。消除落在所需频带之外的那些输出——即，在预定饱和级别之上或低于最低信号级的输出。在数字存储器存储装置(未显示)中存储落入饱和阈和最低级之间的所选择的转换器输出波形。接着由逻辑电路18组合所存储的具有不同振幅的信号的输出波形，从而形成能够在示波器20或连接到放大器输出端的其他外围设备上显示的连续的线性数字输出。在以50MHz的取样速率每20毫微秒出现的每一个取样点N1、N2、N3等，来自多个A/D转换器的输出是有效的。因此对于取样点N1，逻辑电路18决定哪一个输出在范围内并将该振幅用在逻辑电路输出中。接下来对于取样点N2，逻辑电路18决定哪一个A/D输出用在逻辑电路输出中。连续对每一个取样点进行该处理。在14位A/D转换器114的输入上每6db(大约)的衰减，对应于一个灵敏度附加位和作为结果产生的逻辑电路输出信号的两倍响应范围。作为结果产生的逻辑电路输出信号的动态响应范围大于20位，其对应于多个单独放大器和A/D转换器组合的动态响应范围的总和。可以利用一种在逻辑电路18中执行的对应的转换算法，来将数字化信号转换成对数标度，用于将组合输出信号的动态响应范围压缩成一种屏幕或记录器表达方式。该转换算法所产生的对数输出，与现有技术所产生的相比，在更大动态范围之上更为精确。

[0021] 在图3中阐明了用于将一个模拟信号转换成多个数字分量的方法，该数字分量表示测试对象的一个反射的超声波波形。一般指定为200的流程图开始于步骤210，通过多个不同的放大器同时放大模拟信号来处理反射的模拟信号。然而，在步骤212，在将模拟信号输入到多个放大器中至少一个之前，在多个预定衰减级上衰减该模拟信号。接下来，在步骤214，在适合于一个所需预定模拟输出信号级范围的一个预定级上设置多个放大器中每一个的增益。在步骤216，将来自多个放大器中每一个的已放大的模拟输出信号转换成一个数字信号。然而，在步骤218，该系统判断哪一个转换的数字信号具有(1)线性的和(2)大于其他已转换的数字信号的振幅的响应。步骤218之后，在步骤220，在存储器或其他数字存储装置中存储最大线性转换数字信号。然后，在步骤222，组合所存储的多个已转换数字信号，从而产生反射波形的数字表示，该反射波形的数字表示具有比分开的单个放大器的响应范围更宽的动态响应范围。在步骤224，可选地，将组合的所存储最大线性已转换数字信号输入到对数转换算法。然后，在步骤226，将组合的最大线性已转换数字信号显示在输出设备上，用于分析测试对象的物理属性及其任何疵点或不完整性。

[0022] 众所周知，在靠近测试对象表面存在的小疵点是难以检测的。相对于接口信号或表面反射，来自近表面疵点的反射波形是非常小的。接口信号的幅值大约是来自疵点的信号幅值的一百倍。因此较大的信号使该放大器过载，而且来自疵点的信号包含在较大的波形信号之内，并且是丢失或无法检测的。既然接口信号的幅值和波形是已知的，那么可以从放大器输出中减去该接口。通过消除接口信号，有选择地显示像近表面裂纹那样较小的信号，允许测试器获得更精确的近表面疵点检查结果。此外，在其中采用超声波检查技术来测量测试对象的厚度，通过捕获超出一个宽动态响应范围的波形可以消除振幅中的宽变化，以允许在厚度测量中更大的精确度。

[0023] 本发明的另一个优点实现于其特征为高度衰减的复合元件的超声波检查中。DLA的宽动态响应范围允许对复合材料的测试对象中来自不同深度的信号进行精确的振幅检测，就像测试厚度上存在宽变化的复合对象一样。

[0024] 最后，DLA允许所存储波形的组合输出被容易地处理成对数标度而不受到噪声和精确度的限制，该噪声和精确度的限制通常与模拟对数放大器有关。

[0025] 虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解在不脱离本发明范围的情况下可以对本发明进行各种改变并以其等效物代替本发明的元器件。另外，可以在不脱离本发明实质范围的情况下进行许多修改，从而在本发明所公开的内容中采用一种特殊情况或材料。因此，本发明并不局限于作为为了执行本发明所预期的最佳模式而公开的特殊实施例，本发明将包括所有落入所附权利要求范围内的实施例。