專利名稱：具有程控放大的超聲波自動檢測分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波檢測分析儀器領域，特別是涉及到利用計算機程控放大系統的超聲波自動檢測分析儀器。
為了確保建筑、水利、交通與國防等工程質量，提供科學的檢測手段及評定依據，需要對混凝土、巖石、木材、陶瓷等非金屬材料的物理特性進行檢測，并且對混凝土的結構工程也需要進行非破損性的質量檢測，目前，超聲檢測是一種較為成熟的無損檢測方法，而常規的超聲波檢測儀一般是對接收的電信號經過固定的增益后，采用手動衰減器進行衰減，用手工判讀獲得接收信號的定量數據，其動態范圍不超過80db，在八十年代未期出現的帶微機控制的(控制系統均為z80系列)聲測儀，其程控放大系統是以能判讀出首波信號為依據的，經程控放大后的信號幅度值(db)并不確定，不能保證多點測試過程中首波幅度的一致性，此外，在非金屬超聲儀自動聲時檢測裝置中，都是采用波形整形觸發原理，當首波低緩或信雜比低時，檢測精度明顯降低，甚致出現超前誤觸發或者滯后丟波，而且人工判讀受人為因素干擾而產生讀數誤差，且不易操作，使檢測效率低，這都將影響該檢測技術的普及與推廣。
本發明的目的，就是針對上述問題，研制成功一種新型的智能化超聲儀，應用計算機技術，采用軟硬件相結合的方式實現對接收信號等幅且可調的程控放大與衰減系統，并且用軟件判讀為主的方式準確的完成聲時的自動檢測，使檢測精度與檢測效率大大提高。
本發明的實現方案如下，將計算機控制系統與超聲儀合為一體，具體包括高壓脈沖發生器，超聲換能器，程控放大與衰減網絡，A/D數據采集器，PC/AT計算機(包括主機、顯示器、打印機、專用鍵盤)等部分。它們組成了等幅可調程控放大與衰減系統，并以軟件判讀為主的方式對于確定的采樣波形進行聲時值的自動檢測。
下面結合附圖及具體實施例進一步說明
圖1為自動超聲檢測分析儀HCF-2A的工作原理2(A)為精密電阻網絡組成的六級可控衰減器。
圖2(B)為由兩級運放組成的可控放大器圖2(C)為計算機與程控放大板的I/O接口圖2(D)為繼電器組線路圖3為程控放大軟件工作的簡要框4為首波聲時判定方法的波形示意5(A)、圖5(B)為工作流程的簡要框圖說明。
參見圖1，它描述了等幅可調程控放大與衰減系統，其中(1)是高壓脈沖激勵發射電路;(2)是激勵電壓與激勵頻率程控電路;(3)是干擾抑制電路，(4)是計算機與模擬電路的I/O接口;(5)是程控放大與衰減網絡;(6)是限幅電路;(7)是A/D采集板，(8)是同步電路;(9)是發射換能器;(10)是被測體;(11)是接收換能器;(12)是PC/AT計算機，(13)是專用鍵盤;(14)是顯示器;(15)是繪圖打印機，使用者由專用鍵盤發出信號，啟動高壓脈沖發生器，產生高壓脈沖激勵發射換能器，發出超聲波，傳入被測體，被接收換能器接收并轉變為電信號，經程控放大與衰減后送入A/D板，計算機在啟動發射電路時同步啟動A/D板，將接收電信號轉換為數字信號送入PC/AT計算機(此處為286主機)，由預先編制的計算機軟件去執行聲時值的判讀與計算。
由上述可知本發明的等幅可調程控放大與衰減系統的主要核心是，其控制模式是由干擾抑制電路(3)、I/O接口(4)、程控放大與衰減網絡(5)，限幅電路(6)，A/D采樣板(7)組成的閉環回路。其中程控放大與衰減網絡部分參見圖2(A)-圖2(B)。圖2(A)是精密電阻網絡與繼電器觸點組成的六級可控衰減器，實現最大63db，精度為1db的可控衰減;圖2(B)是由兩級運放組成的可程控放大器，每級放大40db，圖2(C)是微機與程控放大板的I/O接口電路;圖2(D)是繼電器組，該網絡以最簡單的電路結構達到143db的動態范圍。本系統的主要特點是在PC/AT微機的控制下，硬件與軟件相結合，實現對首波幅度的自動等幅控制。參見圖3，給出了程控放大軟件工作簡要框圖，D是8位程控放大字;D0-D5控制衰減器繼電器KA0～KA5動作，D6、D7控制放大器繼電器KA6和KA7動作。系統工作原理為接收換能器接收到的電信號送入程控放大與衰減網絡，該網絡執行當前程控放大字指令，對電信號進行放大或衰減，經限幅保護電路后送入A/D采樣板轉換為數字信號，以DMA方式輸入微機主機內存，計算機根據當前樣品幅度A與預期幅度值(AV)之差對程控放大字D作調整，程控放大衰減網絡將按調整后的程控放大字指令工作，經幾次反復后使首波幅度很快達到預期幅度。為使預期幅度是定量的可調值，本發明設置了專用參數“首波幅度控制電平(AV)”，AV取值為1-8，將屏幕縱向256個象素點上下各等分為8格，每格為16個象素點，AV取值由使用者在參數菜單中設置，AV值代表的幅度屏幕高度即使用要求首波幅度預期達到的幅度控制標志，本發明的程控放大與衰減閉環系統自動將信號首波幅度調整到AV±1的范圍內，信號動態幅度控制范圍為143db，將屏幕數字信號幅度分辯能力計算在內，幅度控制范圍達185db可調精度為1db。
本發明的另一個特點是通過軟件進行的首波聲時值的自動檢測，它是對某一確定采樣波形樣品進行的，以往常規的超聲儀或具有自動聲時測量功能的智能化超聲儀，無論采用波形整形觸發原理或脈沖間隔計數方法，它們都是由與發射信號同步的脈沖信號開啟計數閘門，用被測信號脈沖關閉計算，再將計數器次數換算為聲時值，這種方法誤差較大，一方面容易因本機噪聲或外界干擾引起超前誤判，另一方面容易因首波幅度低緩造成滯后丟波，而本發明提供的以軟件判讀為主的聲時自動判讀方法明顯的解決了上述兩方面的問題，從而提高了聲時測量的準確度。
參見圖4，給出了首波時判讀方法的波形示意圖，圖中與發射電路同步工作的A/D采集板采集到的波形樣品，D為采樣起點，即t＝0時刻，A為由A/D板緩存存儲區向微機主機內存作DMA傳輸的起點，傳輸長度由采樣長度決定，C為掃收信號的首波真實起點，DC間的距離即所要檢測的首波聲時值t。
圖5(A)、(B)是工作流程的簡要框圖說明，其中圖5(A)是包括采樣、自動增量、聲時判定在內的一次由啟動采樣到停止采樣全過程的工作框圖，每次的采樣過程分試探采樣和循環采樣兩個階段。試探采樣階段是對64Kbite采樣樣品進行判定分析，其作用有二點，1)在少數的幾次采樣循環中，逐步調整程控放大字D，使首波幅度達到預定值。2)根據預定的采樣起點延遲量確定DMA傳輸起點(圖4中的A點)。試探采樣之后進入循環采樣狀態，在循環采樣階段，由A/D板向微機內存傳遞的樣品長度不是64Kbite而是由DMA起點A起始，長度為采樣長度的波形樣品，每一次循環采集包括以下過程A/D采樣-DMA傳輸-首波判定-聲參量計算-屏幕顯示。使用者通過鍵盤控制采樣的啟動與終止過程。
圖5(B)是圖5(A)框圖中的首波判定子程序，也是聲、時自動判讀的核心內容，聲時判讀分為兩步(1)尋找首波位置，本發明設置了專用參數“基線控制線Wn”，Wn線是距離真實基線E有一定間距的水平幅度線，(見圖4)，Wn線與基線E的間距用鍵盤加以調節，Wn線的作用類似于脈沖計數聲時測量系統中的關閉計數脈沖，Wn線幅度以內的波形樣品視為非波的直線段樣品，大于Wn線的樣品視為波形樣品。對采樣樣品進行逐點判定，用波長度計數器對大于Wn線的樣品計數，當波長度計數器達到定值后，認為首波存在，并確定波形樣品與Wn線的交點圖4中的B點，(2)確定首波真實起點，B點并非首波的真實起點c，c點的判定方法有兩種，a)以B點為起點，逐點掃描反推，找到波形樣品與真實基線E的交點即首波起點c，這種方法適用于波形平穩，基線平直，信雜比較高的條件。b)以B點為起點，取定長數據樣品作最小二乘法線性回歸，即線性反推出首波與基線E的交點c，這種方法適用于信雜比低，基線波動大，首波起始點不明的條件。以上兩種方法可由專用鍵盤加以切換，首波起點c被確定后，根據采樣延遲量和A/D動態延遲量分別計算出圖4的AC段時距t2和DA段時距t1，從而求出首波聲時值t。
以上聲時自動判讀方法的特點在于1)Wn線根據現場測試條件確定，始終保證Wn線與基線間距略大于基線噪聲波動幅度，間距過小相當于關門計數脈沖電平過小，可能因基線噪聲引起超前誤判，間距過大相當于關門計數脈沖電平過大，可能造成滯后丟波，也即Wn參數的可調功能使固定的關門計數脈沖電平變為可控，適應于不同的現場測試條件，因而有效地解決了上述兩類引起聲時測量誤差的問題，另一特點是，不以B點做為首波起點，而是用軟件制定出首波真實起點c，兩種反推方法可適應于不同的測試條件，尤其是方法2有效地解決了信雜比低的條件下，首波起點被噪聲淹沒而無法制定的困難。本儀器與目前非金屬超聲儀的聲時測量系統相比具有精度高，重復性好，操作簡便等特點，不因誤觸發及丟波而發生錯誤判讀，也避免了人工讀數誤差，對操作人員無特殊技術要示，工作效率成倍提高。
權利要求
1.一種超聲波自動檢測分析儀，具有計算機程控放大系統，其特征在于a)本儀器采用等幅、可調程控放大與衰減系統，該系統包括高壓脈沖發生器(1)；超聲換能器[即發射換能器(9)、接收換能器(11)]；程控放大與衰減網絡(5)；A/D數據采集板、微機[主機(12)、鍵盤(13)、顯示器(14)、打印機(15)、鍵盤(13)]；b)利用軟件判讀為主的方式對于采樣波形進行聲時值的自動檢測。
2.按照權利要求1所述的超聲波自動檢測分析儀，其特征在于所說的等幅可調程控放大與衰減系統中，其控制模式是由干擾抑制電路(3)、I/O接口電路(4)、程控放大與衰減網絡(5)、限幅電路(6)、A/D采樣板(7)組成的閉環回路。
全文摘要
本發明為具有程控放大的超聲波自動檢測分析儀，它實現對接收信號等幅且可調的程控放大與衰減系統，并且用軟件判讀為主的方式，準確的完成聲時的自動檢測，使檢測精度與檢測效率得以大大提高。
文檔編號G01D5/48GK1107973SQ9410090
公開日1995年9月6日 申請日期1994年1月28日 優先權日1994年1月28日
發明者濮存亭, 張立平, 任容 申請人:北京市市政工程研究院
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