超声波检测高速数据采集和传输技术的研究文档格式.docx

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需实现超声波检测分析和成像处理，这就要求实现数据的高速采集和大数据量缓冲。

因此，

开展数据高速采集技术的研究和实现是非常必要的，它是能否实现超声波检测分析和成像处

理的关键技术之一。

2．国内外研究现状及意义

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。

国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。

国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美

国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/DTECH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，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。

国外已把100MHZ以上采样频率的高速A/D技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲

技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现A、B、C扫描。

虽然国内已开展这

方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。

因此，开展该项技术的研究，如何把高速A/D技术、大容量缓冲技术以及信号的处理、

1

分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一项具有现实意

义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技术步伐，使我

国超声波检测水平上一个台阶。

3．系统的基本结构

我们所研究和开发的数字式超声波检测和成像处理系统是采用PC微机，以高速实时采

集和存储及数字成像为主要技术的实时检测系统。

系统主要由下列部分组成：

双微机（或工

控机）系统、超声波脉冲发射器、超声波信号接收器、高速数据采集卡、数据处理和分析软

件包以及传感器、探头运动和扫描控制系统等。

系统框图如图1所示。

超

多

前

声

波形检测、

传

置

波

超声波脉

路

感

A/D转换及

放

信

冲发射器

切

器

选

数据暂存

大

号

换

择

接

收

坐

移动、扫描

标

机构

位

控制电路

PC机-1接口控制PC机-2接口控制

PC机-1

系

显示器

PC机-2

系统硬盘

显

统

实时数据

数据录

示

硬

显示

盘

打印机

数据硬盘

多路实时数据数据录盘、事后处理、B扫描及C

A扫描显示软件包扫描成像、结果报告等软件包

2

图1系统总体结构

3．1系统的基本功能

具有A型扫描超声波探伤设备的全部功能和分析方法

DAC曲线调校点数1—32点任选

工作频率：

1—40MHZ

具有可程控和可选择的四通道方式和数据的实时记录

检测数据实时存盘

全汉化的WINDOWSNT用户界面，双计算机协调工作

多窗户的图形分析

可事后分析、处理、测试任何位置范围内的探伤情况

实时的A扫描显示（单、双、四通道方式可选）、扫查控制显示

事后A扫描显示、B扫描显示、C扫描显示，3D显示，各显示方式可相互比较分析结果和检测报告软件，打印出分析结果和检测报告

扫查控制接口协调

3．2主要研究内容

高速A/D转换技术，具有100MHZ以上采样频率。

检测数据的存储（因数据量很大，需实现高速缓冲存储）。

设备的小型化和保密性。

多通道检测的通道切换和数据存储分配。

数据管理、同步方式选择、高速回放。

由于目前采样频率100MHZ以上的高速A/D转换器已产品化，计算机总线的传输速率

已大大提高，高速大容量缓冲的出现，使得高频信号的实时数据采集、传送和存储能够实现。

在研究内容中，充分考虑到目前关键技术所采用的器件类型，保证研究内容的完成。

4．信号采集及其处理

信号采集、处理和分析是研究和工业开发领域的常用工具，也是超声无损检测技术所采

用的有效方法。

其目的是通过增强接收信号中某些特征，从而取出对检测目的特别有用的信息。

4．1数据采集及模/数转换

4．1．1基本概念

超声检测设备中的数据采集通过换能器传递信号，它把振动的机械能转换成电信号，信

号具有连续的形式，为使它能由计算机处理，需将模拟信号转换成数字信号。

将模拟信号转

换成数字信号是通过对信号在各个离散的瞬间进行取样完成的，即将信号幅度数字化成一系

列数字的过程（图2）。

模

取

数

拟

样

字

处

理

化

3

图2模数转换过程图

从理论上说，对幅度的取样是瞬时的，而数字的表达又是无限精确的。

而实际上，取样是限时的，幅度也是被转换成有限位数的二进制代码。

对于一个有实用价值，最高频率为

fM的有限带宽信号所进行的连续时间富氏变换得到的是一个总频带宽度为

2fM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---取样时间间隔；

δ—离散增量函。

若t=nT，则有：

δ（t-nT）=1，且t≠nT时，δ（t-nT）=0

富氏变换D（f）也是采样函数：

D（f）=（1/T）∑δ（f-kF）

F=1/T

δ（t-nT）项用于定义离散序列

S[n]，写成离散脉冲函数加权和的形式：

S[n]=∑s（t）δ（t-nT）

式中S[n]表示取样信号，这里用方括号取代用于表示连续函数的圆括号。

使用卷积定理，可把富氏变换写成s（t）和δ（t-nT）的富氏变换的卷积：

S[k]=S（f）＊D（f）=（1/T）∑δ（f-kF）

离散富氏变换S[k]是S（f）的间歇复制，复制的频率间距为F=1/T。

可按两种特殊情况：

F>

2fM

时，相邻频谱无重叠；

F<

2fM时，相邻频谱有重叠，这一现象就是所谓的同名现象。

取样

频率极限FN=2fM，超过此频率时便不再有重叠，该频率就是内奎斯特（

Nyquist）频率。

若满足条件：

FN>

2fM，原始信号的恢复将可以实现，只需将取样信号波形通过矩形低通滤

波器即可。

若取样频率低于此值，原始连续信号便不可能根据它的取样信号波形得到不失真

的恢复。

4．1．2

A/D转换

A/D转换器通常可分为积分型和比较型。

积分型A/D转换器

按转换器的工作原理不同，

先将输入的模拟量转换为中间量，

然后再将此中间量变换成相应的数字量。

这种类型的A/D

器件的特点是抗干扰能力强，精度高，但速率较低。

高速

A/D转换器一般采用比较型。

下

面介绍几种适用于高速变换的

A/D转换器。

（1）闪烁式A/D转换器：

将采样的模拟信号直接与各个不同的参考电压比较，从而

得出相应的数字信号大小。

这种方式只需一个

A/D内部周期即可得到数字结果，速度相当

快，但分辨率不高。

它需要

2N（N为A/D的位数）个内部比较器，电路非常复杂。

（2）逐次比较型A/D转换器：

其原理是利用比较器不断地对采样模拟信号与

D/A转

换器产生的标准模拟电压进行比较，直到两者之差小于

1LSB为止。

这种方式需要

N个内

部周期来完成一次转换

但只需一个比较器

比较容易提高分辨率,电路较简单。

（3）Σ

A/D

转换器：

其原理是将模拟信号先进行

ΣΔ调制，再通过高性能的数字

滤波，就能得到高分辨率的数字信号。

这种方式能获得较大的信噪比，

它实际上利用了下面

要介绍的过采样技术。

为了满足软件无线电对数据采集模块的需求，进一步提高采集的性能，在上述基本结构

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的基础上，采用了一些改进的采集技术，现分别介绍如下：

（1）正交采样技术：

将要进行数字化的信号分成两个分量，其中一个乘以正弦波，

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。

每一分量

只以原信号的二分之一带宽出现，以原信号的二分之一采样速率进行取样。

（2）带通信号采样技术：

如果前一模块送出的是带通模拟信号，可以以低于抽样定

理中的Nyquist采样率进行模数转换。

只要采样率fs不低于两倍的信号带宽（fh-fl），就不会

导致信号的频谱的重叠，同时，fs还应满足：

2fh/k<

fs<

2fl/（k-1）

这里k是满足如下关系的整数2<

k<

fh/（fh-fl）

（3）过采样技术：

以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称之为过采样技术，采用过采样技术会带来两个好处。

首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计要求；

其次，过采样技术可提高信噪比。

（4）并行ADC、DAC技术：

软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近射频

端。

高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围都提出了较高要求，这时可采用并

行A/D转换技术，其基本原