第二章TOFD技術(shù)的信號(hào)及處理

第二章

TOFD技術(shù)的信號(hào)及處理張志超福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院TOFDⅡ、UT/RT/MT/PTⅢ、GG2.1模擬信號(hào)的數(shù)字化軟件展示。2.1.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和數(shù)量上都是連續(xù)的物理量，稱(chēng)為模擬量。即取值為無(wú)限多個(gè)。在時(shí)間和數(shù)值上都表現(xiàn)出離散特性的物理量，稱(chēng)為數(shù)字量。即取值為有限多個(gè)。2.1.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)數(shù)字波形和脈沖波形2.1.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：容易失真，精度低，抗干擾能力差，遠(yuǎn)距離傳輸和大規(guī)模的存儲(chǔ)都很困難，也無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的分析處理等等，但速度快，。數(shù)字化來(lái)記錄保存超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)有很多優(yōu)點(diǎn)：1.能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期和海量的存儲(chǔ)。2.便于采用各種信號(hào)處理的操作，比如信號(hào)增強(qiáng)、平均、疊加等等。3.可以隨時(shí)取來(lái)使用、再分析等等，而且文件傳輸方便。4.精度比較高，抗干擾能力強(qiáng)。2.1.2模擬信號(hào)數(shù)字化和采樣定理模擬信號(hào)數(shù)字化的主要原理是，對(duì)模擬波形用相同的時(shí)間間隔來(lái)進(jìn)行取樣，每個(gè)樣本的信息包括幅度、位置和相位。采樣頻率（數(shù)字化頻率）：每秒鐘內(nèi)將模似信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值序列的數(shù)目。采樣定理：奈奎斯特（HarryNyquist）極限采樣定理：要使信號(hào)采樣后能夠不失真還原，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍。因?yàn)橹挥羞@樣才可以保證正弦波的每個(gè)半周期內(nèi)至少有一個(gè)采樣點(diǎn)，這被稱(chēng)為Nyquist極限。不能保證每個(gè)半周期內(nèi)都有一個(gè)樣本，將不能重建正確的頻率。失真。2.1.3實(shí)際應(yīng)用的采樣頻率采樣數(shù)量越多，重構(gòu)的波形越精確。采樣點(diǎn)數(shù)量越大，儀器所需要的存儲(chǔ)空間也就越大，掃查的速度也會(huì)降低。2.1.3實(shí)際應(yīng)用的采樣頻率總之，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，使用的數(shù)字化頻率至少是該信號(hào)頻率的兩倍，工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用的數(shù)字化頻率應(yīng)該至少是探頭中心頻率的5倍。典型的探頭頻率如2MHz，5MHz，10MHz，15MHz，則所使用的數(shù)字化采樣頻率至少應(yīng)該達(dá)到10MHz，25MHz，50MHz，75MHz。常用儀器大都是100MHz的采樣率。

舉例5MHz的探頭，t1=1/5=0.2ms25MHz的采樣頻率，t2=1/25=0.04mst1/t2=0.2/0.04=5+100%-100%Amplitude0.04ms2.1.4信號(hào)帶寬時(shí)域信號(hào)：信號(hào)表示為時(shí)間的函數(shù)。頻域域信號(hào)：信號(hào)表示為頻率的函數(shù)。簡(jiǎn)諧信號(hào)（正弦波余弦波）時(shí)域和頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系：傅里葉變換理論任何時(shí)域信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的疊加。矩形波：理想矩形波的高頻分量是無(wú)窮的。探頭的中心頻率0123456789101112MHzPeakvalue探頭的帶寬0123456789101112MHz100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%Bandwidth~3.5MHzBandwidthmeasuredat.707ofpeakvalue探頭的頻譜HighfrequencyShortwavelengthLowfrequencylongwavelength100%80%60%40%20%0%寬頻帶探頭的波長(zhǎng)帶通寬度TOFD檢測(cè)儀的濾波器帶通寬度一般為：0.5~2倍探頭中心頻率。Highpassfiltersetat4MHzLowpassfiltersetat7MHz超聲脈沖波形的傅里葉變換（FFT）超聲脈沖波形：用不同頻率的正弦波的多次疊加得到。-6dB帶寬：-6dB上、下限截止頻率之間的范圍。采樣頻率至少大于-6dB上限截止頻率的兩倍。2.1.5混疊當(dāng)用頻率fs對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，信號(hào)中fs/2以上的頻率不是消失了，而是對(duì)稱(chēng)的映像到了fs/2以下的頻帶中，并且和fs/2以下的原有頻率成分疊加起來(lái)，這個(gè)現(xiàn)象叫混疊。若各次諧波調(diào)制頻譜將相互交疊，稱(chēng)為頻譜混疊。這時(shí)基帶頻譜已發(fā)生變化，將無(wú)法無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)。觀察采樣信號(hào)的頻譜，可看到處就象一面鏡子，將信號(hào)頻譜超過(guò)的部分反射回來(lái)，造成混疊，故將稱(chēng)為折疊頻率?；殳Bfs=183.48MHz，fIN=125MHzfs/2=91.74MHz，fIN-fs/2=125-91.74=33.26MHz91.74-33.26=58.48MHzfs/2-（fIN-fs/2）=fs-fIN=183.48-125=58.48MHz消除混疊的方法

使用低通濾波器濾掉高于fs/2的頻率成分。2.1.6濾波器的選用濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)。按通帶和阻帶的相互位置不同分為：

低通濾波器（LPF）

高通濾波器（HPF）

帶通濾波器（BPF）

帶阻濾波器（BEF）按是否使用有源器件分：

無(wú)源濾波器

有源濾波器各種濾波器理想的幅頻特性ω|A|0ωC通帶阻帶A0ω|A|0ωCA0通帶阻帶ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通（1）低通（2）高通（1）帶通（1）帶阻濾波器的幅頻特性-3dB截止頻率：通過(guò)信號(hào)的電平降低到輸入電平的70%。0.707

H截止頻率01|A|010.707

L|A|TOFD檢測(cè)儀的濾波器帶寬TOFD檢測(cè)儀的濾波器帶通寬度的最小范圍：0.5~2倍探頭中心頻率。5MHz探頭：2.5~10MHz；寬一點(diǎn)：2～11MHz。15MHz探頭：10~22MHz；若最大采樣頻率為40MHz，為避免混疊，取10～20MHz。2.2信號(hào)幅值的量化信號(hào)幅值的量化通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換器要經(jīng)過(guò)：采樣、保持、量化、編碼四個(gè)過(guò)程。信號(hào)幅值的量化TOFD系統(tǒng)配置的計(jì)算機(jī)有8、10、12位三種A/D轉(zhuǎn)換器。n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分個(gè)不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿(mǎn)量程的1/2n。8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入信號(hào)最大值5V，則能區(qū)分出輸入信號(hào)的最小電壓：△=5000mV÷28=19.53mV模擬信號(hào)的數(shù)字量化十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)：除2取余，至商為零，所得余數(shù)倒序排列。A點(diǎn)：2V，102，二進(jìn)制編碼：01100110B點(diǎn)：3V，153，二進(jìn)制編碼：10011001C點(diǎn)：4V，204，二進(jìn)制編碼：11001100動(dòng)態(tài)范圍2.3檢測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集量數(shù)字化頻率：F，數(shù)字化樣本間隔：Sμs。t微秒時(shí)間A掃的樣本數(shù)量:焊縫長(zhǎng)10m，每毫米采集一個(gè)A掃，A掃長(zhǎng)度20μs，數(shù)字化頻率50MHz，則數(shù)據(jù)量：數(shù)字化頻率100MHz，需要20M。2.4灰度成像和D掃描圖顯示屏顯示的A掃是數(shù)字采樣后得到的信息，它是由一組表示數(shù)字化樣本的點(diǎn)繪制而成的?？v坐標(biāo)表示幅度，橫坐標(biāo)表示傳輸?shù)臅r(shí)間。從A掃中可以進(jìn)行幅度和時(shí)間測(cè)量?；叶鹊燃?jí)+100%-100%Amplitude-128+127Zero在D掃圖像中，不同的灰度等級(jí)表示不同的信號(hào)幅度。純白色表示+100%滿(mǎn)屏信號(hào)，中間灰色表示0%的位置，純黑色表示-100%滿(mǎn)屏。A掃轉(zhuǎn)化為圖像灰度成像和D掃描圖D掃或者B掃圖像都是由一系列A掃波轉(zhuǎn)化而來(lái)的。色點(diǎn)的數(shù)量取決于采樣頻率，色點(diǎn)的灰度取決于采樣點(diǎn)的幅度。

2.4.2對(duì)比度增強(qiáng)在一個(gè)小的振幅刻度范圍內(nèi)使用全灰度等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)比度增強(qiáng)。例如在-50%到+50%全屏高度范圍內(nèi)使用全灰度等級(jí)，振幅超出+50%顯示為純白，低于-50%顯示為純黑，這樣可以使信號(hào)的微小變化也很容易被發(fā)現(xiàn)。缺點(diǎn)：幅度超出50%的信號(hào)就會(huì)飽和而無(wú)法觀察。2.4.3圖像的壓縮和展開(kāi)放大和縮小。展開(kāi)：重復(fù)使用樣本數(shù)據(jù)充滿(mǎn)整個(gè)屏幕。壓縮：省略一些樣本數(shù)據(jù)（如每隔一個(gè)省略一個(gè)）使圖像充滿(mǎn)充滿(mǎn)整個(gè)屏幕。2.4.4一幅“合格的”的掃描圖像TOFD掃查圖像的橫坐標(biāo)代表掃查方向和探頭相對(duì)位置，縱坐標(biāo)是聲波傳輸時(shí)間，代表工件厚度方向。A掃信號(hào)的波幅在成像的過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的灰度，圖像中信號(hào)顯示由一些白色和黑色的條紋構(gòu)成，條紋的白與黑次序與信