模擬機(jī)與數(shù)字機(jī)的異同

現(xiàn)在模擬機(jī)已經(jīng)很少了，我們公司全都是數(shù)字機(jī)。我也沒見過模擬機(jī)，但是很多教材、標(biāo)準(zhǔn)、校驗(yàn)規(guī)程等等還是以模擬機(jī)為主。在實(shí)際操作過程中，很多人都不明白其中的意義。有時(shí)候會(huì)有偏差的理解和操作。通過向同事學(xué)習(xí)、共同討論。大概有了一些理解，整理如下內(nèi)容。不足之處望補(bǔ)充，錯(cuò)誤之處請(qǐng)批評(píng)指正。

首先看一下模擬機(jī)與數(shù)字機(jī)的電路方框圖。模擬機(jī)有兩條線：1、同步電路——掃描電路——顯示器（示波器）2、同步電路——發(fā)射電路——探頭（換能器）——工件——探頭——接收放大電路——顯示器。數(shù)字機(jī)一條線：發(fā)射電路（微處理器控制）——探頭（換能器）——工件——探頭——接收電路（微處理器控制）——A/D轉(zhuǎn)換器（微處理器控制）——微處理器——顯示器。

模擬機(jī)的線路1是因?yàn)橛檬静ㄆ鞑庞械囊粭l線，基本原理可以看資料。主要比較檢測(cè)信號(hào)這條線（輔助、產(chǎn)生、傳遞、接收超聲信號(hào)線路）。數(shù)字機(jī)第一步微處理器相當(dāng)于模擬機(jī)的同步電路，接收電路同接收放大電路。數(shù)字機(jī)比模擬機(jī)多了A/D轉(zhuǎn)換和微處理器?？梢钥闯鰪陌l(fā)射電路到接收電路，兩種儀器有相同的組成部分。

我接觸過友聯(lián)、漢威、山峰常規(guī)超聲機(jī)器，奧林巴斯的MX2相控陣機(jī)器。常規(guī)超聲機(jī)器的發(fā)射電壓基本是數(shù)百伏、重復(fù)頻率為100、脈沖寬度為100ns，一般都不可調(diào)的。相控陣分三檔45V、80V、115V，重復(fù)頻率根據(jù)設(shè)置變化，脈沖寬度一般50ns。在不改變?cè)鲆娴那闆r下，改變電壓，波高有明顯變化（用相控陣儀器做的實(shí)驗(yàn)，模擬機(jī)也可以改變發(fā)射電壓）。說到這里，我想說數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)相同的地方，電壓也是靈敏度的一個(gè)參數(shù)（具體對(duì)應(yīng)關(guān)系需要實(shí)驗(yàn)支持），當(dāng)然發(fā)射電壓提高也會(huì)增加盲區(qū)，需要實(shí)驗(yàn)找最佳值。

發(fā)射電路——探頭——工件——探頭......。這個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)字機(jī)模擬機(jī)都有，原理一樣。簡(jiǎn)單的說，發(fā)射電路把電壓加到壓電晶片上發(fā)出超聲波，根據(jù)不同的電壓，會(huì)有不同的初始能量。超聲波進(jìn)放工件后，遇到反射體反射回探頭，振動(dòng)晶片產(chǎn)生電信號(hào)。注意這里，如果反射回來的超聲能量不足以使晶片振動(dòng)，那么這個(gè)反射體將不被發(fā)現(xiàn)。這時(shí)增加電壓（能量）會(huì)不會(huì)提高靈敏度？

通過以上分析，要區(qū)別平常說的：增加增益，提高靈敏度。這是不同的概念。

放大作用都是在探頭（晶片）接收后變成電信號(hào)，再進(jìn)入放大電路。所以能檢出的最小反射體的波高都已經(jīng)確定，調(diào)整增益（波高）只不過是為了能在顯示器上看到。根據(jù)儀器對(duì)信號(hào)的顯示方式是以波高來表示，那么同時(shí)在顯示器里看到的dB差（20log(100/5)=26)。對(duì)于波高相差26dB以上的信號(hào)就不能同時(shí)顯示（定量）。

常規(guī)超聲的發(fā)射電壓都比較高（相對(duì)于相控陣），在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)下，不會(huì)在晶片接收這一步造成漏檢。主要是對(duì)于相控陣（一次與奧林巴斯的人交流，他建議我們用115V，我們通常用的是80V，這讓我有了以上的一些思考），因?yàn)槟芫劢?，可以提高單位體積能量，所以可以降低電壓，來提高其他方面的性能。但聚焦有一定的區(qū)域，如果超出這個(gè)區(qū)域能量就可能不足了。所以做相控陣檢測(cè)在做設(shè)置時(shí)可能會(huì)考慮到。

接收放大電路（接收電路），晶片壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)（后會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓）不足以在示波器偏轉(zhuǎn)板上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電壓（或是滿足A/D轉(zhuǎn)換需要的電壓值），所以在接收電路要進(jìn)行放大，也就是我們調(diào)的增益（或是模擬機(jī)的衰減，對(duì)模擬機(jī)不熟，只能大概對(duì)應(yīng)）。

再說一下A/D轉(zhuǎn)換。先要申明一點(diǎn)，數(shù)模轉(zhuǎn)換我只了解個(gè)大概。具體基礎(chǔ)原理，我也不清楚。也還沒有精力去系統(tǒng)學(xué)習(xí)，只是根據(jù)已有知識(shí)作推理分析。對(duì)于不當(dāng)之處，專業(yè)人士請(qǐng)見諒。

現(xiàn)在常用的是8位數(shù)模轉(zhuǎn)換方式，由二進(jìn)制知有256種組合方式。以具體假設(shè)來說明，波高之比等于聲壓之比，聲壓與電壓成正比（壓電常數(shù)，超聲檢測(cè)第二版4.2.2）。波高之比等于電壓之比。以CS—2試塊200/2孔為例，1、用直探頭把平底孔波高調(diào)到100%，此時(shí)增益G1，對(duì)應(yīng)電壓V1，2、調(diào)整增益使波高為5%（也可能是其他百分?jǐn)?shù)，因?yàn)闆]有具體資料，取5%是因?yàn)轵?yàn)證垂直線性時(shí)常用這個(gè)值），此時(shí)增益G2，對(duì)應(yīng)電壓V2。數(shù)模轉(zhuǎn)換的電壓區(qū)間就為（V2—V1），如果電壓超出這個(gè)值就不能定量，小于顯示不出來，大于就溢出（按100%顯示，但不能定量了）。調(diào)增益就是把不同電壓放大（縮小）到數(shù)模轉(zhuǎn)換區(qū)間。在（V2—V1）之內(nèi)分成256份，那么一個(gè)信號(hào)就可以用唯一的二進(jìn)制數(shù)來表示其波高，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。

前段時(shí)候，論壇上很多前輩在討論極限分辨率，讓我受益匪淺。在理論上，我思考得少。在這討論儀器時(shí)，我想從儀器本身方面來理解一下。前面已經(jīng)講到發(fā)射能量以及回波能量，回波能量最小得引起晶片振動(dòng)，這是第一步。之后經(jīng)過放大，要么在示波器上有足夠偏轉(zhuǎn)電壓使電子束偏轉(zhuǎn)，在熒光屏上有顯示信號(hào)，要么電壓大于數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間下限值，這是必備的第二步。實(shí)際系統(tǒng)的極限靈敏度，對(duì)于不同的儀器，會(huì)有不同的極限靈敏度。

最后說一下顯示的不同。對(duì)與信號(hào)當(dāng)量的定量前面已經(jīng)說過，那么儀器是怎么確定反射體位置的。現(xiàn)在我要說的不是根據(jù)聲程或聲程加三角關(guān)系確定的位置，而是聲程是怎么來的。這一點(diǎn)，模擬機(jī)與數(shù)字機(jī)有本質(zhì)的不同。也是能夠使數(shù)模轉(zhuǎn)換有意義的關(guān)鍵?，F(xiàn)在很多的資料上都還說掃描速度，讓很多剛?cè)胄械娜四婷?。因?yàn)槟鞘悄M機(jī)的術(shù)語，與現(xiàn)在通用的數(shù)字機(jī)已經(jīng)不一樣了。用過模擬機(jī)的前輩們應(yīng)該比較清楚，模擬機(jī)是沒有聲速的，相應(yīng)的參數(shù)為掃描比例。數(shù)字機(jī)的聲程是怎么計(jì)算出來的？教材上都有：聲速乘以時(shí)間，我們都知道鋼中縱波5900m/s，橫波3230m/s。如此高的速度，在我們檢測(cè)的鋼中只有幾十微秒的時(shí)間。數(shù)字機(jī)中有專門的時(shí)鐘，從發(fā)射電路發(fā)射電壓開始計(jì)時(shí)，這樣減去傳速及探頭中的時(shí)間，就可以得到鋼中的時(shí)間，從而得出聲程。對(duì)于模擬機(jī)，就沒有這么方便了。以直探頭為例，在IIW試塊上找到100mm的一次底波B1與二次底波B2。我們知道B1與B2信號(hào)之間代表100mm。模擬機(jī)上都有方格線，水平方向有十大格100小格。根據(jù)信號(hào)實(shí)際代表距離比上顯示屏信號(hào)之間的格數(shù)就得到了掃描比例n。再移動(dòng)水平偏移，調(diào)好零點(diǎn)。掃描發(fā)現(xiàn)回波信號(hào)后讀出顯示屏上的格數(shù)（零位到信號(hào)之間），再乘以掃描比例n就得到聲程。

模擬機(jī)得到聲程的過程很復(fù)雜，精度也比較低。掃描比例調(diào)節(jié)好后，不能再動(dòng)。以前培訓(xùn)時(shí)聽老師說要帶小的牛角試塊到現(xiàn)場(chǎng)還不明白其中的意思，現(xiàn)在想想，只有用試塊驗(yàn)證才知道儀器的掃描比例有沒有變，能否繼續(xù)檢測(cè)。

現(xiàn)在用模擬機(jī)的人很少了（我是沒見過），差不多都是數(shù)字機(jī)，但現(xiàn)在的一些規(guī)程還是模擬機(jī)的那一套。對(duì)于水平線性，數(shù)字機(jī)的時(shí)鐘是比較可靠的，又沒有人為變動(dòng)的可能。在做水平線性時(shí)，基本都為零。所以對(duì)于數(shù)字時(shí)鐘就沒必要在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)（這種級(jí)別太粗糙，精度不夠），而應(yīng)該送到有條件的地方。比如儀器送檢的計(jì)量局等。

水平有限，內(nèi)容比較雜亂，望見諒。

好貼，深?yuàn)W