第二章TOFD技术的信号及处理

第二章

TOFD技术的信号及处理张志超福建省特种设备检验研究院TOFDⅡ、UT/RT/MT/PTⅢ、GG2.1模拟信号的数字化软件展示。2.1.1模拟信号与数字信号在时间和数量上都是连续的物理量，称为模拟量。即取值为无限多个。在时间和数值上都表现出离散特性的物理量，称为数字量。即取值为有限多个。2.1.1模拟信号与数字信号数字波形和脉冲波形2.1.1模拟信号与数字信号模拟信号：容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模的存储都很困难，也无法进行复杂的分析处理等等，但速度快，。数字化来记录保存超声波检测数据有很多优点：1.能够实现检测数据的长期和海量的存储。2.便于采用各种信号处理的操作，比如信号增强、平均、叠加等等。3.可以随时取来使用、再分析等等，而且文件传输方便。4.精度比较高，抗干扰能力强。2.1.2模拟信号数字化和采样定理模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波形用相同的时间间隔来进行取样，每个样本的信息包括幅度、位置和相位。采样频率（数字化频率）：每秒钟内将模似信号转换为数值序列的数目。采样定理：奈奎斯特（HarryNyquist）极限采样定理：要使信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。因为只有这样才可以保证正弦波的每个半周期内至少有一个采样点，这被称为Nyquist极限。不能保证每个半周期内都有一个样本，将不能重建正确的频率。失真。2.1.3实际应用的采样频率采样数量越多，重构的波形越精确。采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。2.1.3实际应用的采样频率总之，对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍，工业检测应用的数字化频率应该至少是探头中心频率的5倍。典型的探头频率如2MHz，5MHz，10MHz，15MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10MHz，25MHz，50MHz，75MHz。常用仪器大都是100MHz的采样率。

举例5MHz的探头，t1=1/5=0.2ms25MHz的采样频率，t2=1/25=0.04mst1/t2=0.2/0.04=5+100%-100%Amplitude0.04ms2.1.4信号带宽时域信号：信号表示为时间的函数。频域域信号：信号表示为频率的函数。简谐信号（正弦波余弦波）时域和频域的对应关系：傅里叶变换理论任何时域信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的叠加。矩形波：理想矩形波的高频分量是无穷的。探头的中心频率0123456789101112MHzPeakvalue探头的带宽0123456789101112MHz100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%Bandwidth~3.5MHzBandwidthmeasuredat.707ofpeakvalue探头的频谱HighfrequencyShortwavelengthLowfrequencylongwavelength100%80%60%40%20%0%宽频带探头的波长带通宽度TOFD检测仪的滤波器带通宽度一般为：0.5~2倍探头中心频率。Highpassfiltersetat4MHzLowpassfiltersetat7MHz超声脉冲波形的傅里叶变换（FFT）超声脉冲波形：用不同频率的正弦波的多次叠加得到。-6dB带宽：-6dB上、下限截止频率之间的范围。采样频率至少大于-6dB上限截止频率的两倍。2.1.5混叠当用频率fs对一个信号进行采样时，信号中fs/2以上的频率不是消失了，而是对称的映像到了fs/2以下的频带中，并且和fs/2以下的原有频率成分叠加起来，这个现象叫混叠。若各次谐波调制频谱将相互交叠，称为频谱混叠。这时基带频谱已发生变化，将无法无失真地恢复原信号。观察采样信号的频谱，可看到处就象一面镜子，将信号频谱超过的部分反射回来，造成混叠，故将称为折叠频率。混叠fs=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消除混叠的方法

使用低通滤波器滤掉高于fs/2的频率成分。2.1.6滤波器的选用滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。按通带和阻带的相互位置不同分为：

低通滤波器（LPF）

高通滤波器（HPF）

带通滤波器（BPF）

带阻滤波器（BEF）按是否使用有源器件分：

无源滤波器

有源滤波器各种滤波器理想的幅频特性ω|A|0ωC通带阻带A0ω|A|0ωCA0通带阻带ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通（1）低通（2）高通（1）带通（1）带阻滤波器的幅频特性-3dB截止频率：通过信号的电平降低到输入电平的70%。0.707

H截止频率01|A|010.707

L|A|TOFD检测仪的滤波器带宽TOFD检测仪的滤波器带通宽度的最小范围：0.5~2倍探头中心频率。5MHz探头：2.5~10MHz；宽一点：2～11MHz。15MHz探头：10~22MHz；若最大采样频率为40MHz，为避免混叠，取10～20MHz。2.2信号幅值的量化信号幅值的量化通过A/D转换器实现。A/D转换器要经过：采样、保持、量化、编码四个过程。信号幅值的量化TOFD系统配置的计算机有8、10、12位三种A/D转换器。n位输出的A/D转换器能区分个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程的1/2n。8位A/D转换器，输入信号最大值5V，则能区分出输入信号的最小电压：△=5000mV÷28=19.53mV模拟信号的数字量化十进制整数转换为二进制整数：除2取余，至商为零，所得余数倒序排列。A点：2V，102，二进制编码：01100110B点：3V，153，二进制编码：10011001C点：4V，204，二进制编码：11001100动态范围2.3检测过程中的数据采集量数字化频率：F，数字化样本间隔：Sμs。t微秒时间A扫的样本数量:焊缝长10m，每毫米采集一个A扫，A扫长度20μs，数字化频率50MHz，则数据量：数字化频率100MHz，需要20M。2.4灰度成像和D扫描图显示屏显示的A扫是数字采样后得到的信息，它是由一组表示数字化样本的点绘制而成的。纵坐标表示幅度，横坐标表示传输的时间。从A扫中可以进行幅度和时间测量。灰度等级+100%-100%Amplitude-128+127Zero在D扫图像中，不同的灰度等级表示不同的信号幅度。纯白色表示+100%满屏信号，中间灰色表示0%的位置，纯黑色表示-100%满屏。A扫转化为图像灰度成像和D扫描图D扫或者B扫图像都是由一系列A扫波转化而来的。色点的数量取决于采样频率，色点的灰度取决于采样点的幅度。

2.4.2对比度增强在一个小的振幅刻度范围内使用全灰度等级，从而实现对比度增强。例如在-50%到+50%全屏高度范围内使用全灰度等级，振幅超出+50%显示为纯白，低于-50%显示为纯黑，这样可以使信号的微小变化也很容易被发现。缺点：幅度超出50%的信号就会饱和而无法观察。2.4.3图像的压缩和展开放大和缩小。展开：重复使用样本数据充满整个屏幕。压缩：省略一些样本数据（如每隔一个省略一个）使图像充满充满整个屏幕。2.4.4一幅“合格的”的扫描图像TOFD扫查图像的横坐标代表扫查方向和探头相对位置，纵坐标是声波传输时间，代表工件厚度方向。A扫信号的波幅在成像的过程中会转换成对应的灰度，图像中信号显示由一些白色和黑色的条纹构成，条纹的白与黑次序与信