УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ
ULTRASOUND TOMOGRAPHY DEVICE

Изобретение относится к области визуализации внутреннего строения объектов с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано в промышленности для контроля дефектов внутри деталей, для дефектоскопии различных материалов, а также в медицине для диагностики внутренних органов.
Известно устройство ультразвуковой томографии [RU 2458342 С1, МПК G01N 29/06 (2006.01), опубл. 10.08.2011], содержащее антенную решетку с n пьезопреобразователями, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя. Выход каждой из n указанных цепочек соединен с соответствующим входом памяти реализаций, количество выходов которой - N определяется формулой:
N=n⋅(n+1)/2.
Выходы памяти реализаций соединены с соответствующими входами вычислительного блока, связанного с дисплеем через память изображения. Входы синхронизации каждого генератора импульсов, памяти реализаций, вычислительного блока и памяти изображения соединены с соответствующими выходами синхронизатора. С вычислительным блоком соединен блок накопительной памяти, суммирующий для каждой точки изображения все фрагменты реализаций, времена задержки которых соответствуют временам распространения ультразвуковых сигналов как без отражений, так и с переотражениями их от границ объекта контроля.
Для формирования этим устройством томографического изображения объекта контроля требуется большое время постобработки из-за большего количества расчетов траекторий распространения ультразвукового сигнала, как без отражений, так и с переотражениями их от границ объекта контроля.
Известно устройство ультразвуковой томографии [RU 2532606, С1, МПК G01N 29/06 (2006.01), опубл. 10.11.2014], выбранное в качестве прототипа, содержащий антенную решетку с n пьезопреобразователями, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующего усилителя, n аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами блока памяти реализации, количество выходов которого - N определено формулой
N=n⋅(n+1)/2.
Выходы блока памяти реализации соединены с соответствующими входами вычислительного блока, связанного с индикатором через блок памяти изображений и с блоком накопительной памяти. Входы синхронизации каждого генератора импульсов, блока памяти реализаций, вычислительного блока и блока памяти изображений соединены с соответствующими выходами блока синхронизации. Блок временной регулировки чувствительности соединен с блоком синхронизации и всеми усилителями. Блок мультипликативной обработки соединен с вычислительным блоком и блоком накопительной памяти. К выходу каждого усилителя подключен детектор, выход которого связан с аналого-цифровым преобразователем.
Улучшение четкости визуализации томографического изображения, за счет увеличения разрешающей способности, приводит к большим временным затратам, связанным с обработкой ультразвукового сигнала с момента излучения первого ультразвукового импульса до момента получения томографического изображения.
Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить время постобработки формируемого томографического изображения объекта контроля.
Устройство ультразвуковой томографии, так же как в прототипе, содержит антенную решетку с n пьезопреобразователями, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующего усилителя, n аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами блока памяти реализации, количество выходов которого N определено формулой
N=n⋅(n+1)/2.
Выходы блока памяти реализации соединены с соответствующими входами вычислительного блока, связанного с индикатором через блок памяти изображений. Входы синхронизации каждого генератора импульсов, блока памяти реализаций, вычислительного блока и блока памяти изображений соединены с соответствующими выходами блока синхронизации. Блок временной регулировки чувствительности соединен с блоком синхронизации и всеми усилителями. К выходу каждого усилителя подключен детектор, выход которого связан с аналого-цифровым преобразователем.
Согласно изобретению к вычислительному блоку подключен выход блока памяти данных, к входу которого подключен выход блока расчета дистанций, к входу которого подключен пульт.
С помощью пульта устанавливают разрешающую способность изображения, формируемого с помощью устройства, и осуществляют запуск работы устройства. Данные с пульта поступают в блок расчета данных. В блоке расчета данных рассчитывают дистанции, которые проходит ультразвуковой сигнал от пьезопреобразователей до точек фокусировки, расположенных в объекте контроля на различных глубинах под преобразователями. Данные блока расчета дистанций записывают в блок памяти данных, из которого по мере необходимости расчетов вычислительный блок берет данные.
2
За счет использования блока расчета дистанций и сохранения предварительно рассчитанных расстояний, которые проходит ультразвуковой сигнал, сокращено время обработки данных в вычислительном блоке, так как по сравнению с прототипом, отпадает необходимость в вычислениях расстояний в процессе обработки и использованы расстояния из блока памяти данных, в котором их предварительно сохраняют после расчета в блоке расчета дистанций. Пульт оператора позволяет задавать точность вычислений, индикатор отражает в цвете томографическую картину объекта контроля. Использование сокращенной матрицы дистанций позволяет не хранить все возможные дистанции, которые проходит ультразвуковой сигнал, а ограничиться только одной матрицей-столбцом. В результате экономия памяти составляет n раз, где n количество пьезопреобразователей антенной решетки. Предварительная установка разрешения изображения объекта контроля дает возможность не хранить все расстояния в блоке памяти индикаций, а использовать только те расстояния, которые необходимы при заданной разрешающей способности. Это уменьшает время постобработки данных и позволяет отображать ультразвуковую томограмму в реальном времени.
На фиг. 1 показана схема устройства ультразвуковой томографии.
На фиг. 2 представлена область объекта контроля с 3-мя пьезопреобразователями антенной решетки. Показана симметрия расстояний от пьезопреобразователей до точек фокусировки ультразвукового сигнала, расположенных параллельно линии контакта антенной решетки 1 (АР) с объектом контроля 16.
На фиг. 3 представлены расстояния от пьезопреобразователя 2.1 (ПП1) до 10-ти точек фокусировки ультразвукового сигнала объекта контроля.
На фиг. 4 приведено изображение дефекта 17.
В таблице 1 представлены расстояния от пьезопреобразователей 2.1 (ПП1), 2.2 (ПП2) и 2.3 (ПП3), работающих в режиме передачи, до десяти точек фокусировки ультразвукового сигнала в объекте контроля.
В таблице 2 представлены расстояния до пьезопреобразователей 2.1 (ПП1), 2.2 (ПП2) и 2.3 (ПП3), работающих в режиме приема, от десяти точек фокусировки ультразвукового сигнала в объекте контроля.
Устройство ультразвуковой томографии (фиг. 1) содержит антенную решетку 1 (АР), которая состоит из n пьезопреобразователей 2.1 (ПП1), …, 2.n (ППn), каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов 3.1 (ГИ1), …, 3.n (ГИn) и входом соответствующего усилителя 4.1 (У1), …, 4.n (Уn). К первому усилителю 4.1 (У1) последовательно подключены первый детектор 5.1 (Д1), первый аналого-цифровой преобразователь 6.1 (АЦП1). К n-му усилителю 4.n (Уn) последовательно подключены детектор 5.n (Дn) и аналого-цифровой преобразователь 6.n (АЦПn).
Выход каждого аналогово-цифрового преобразователя 6.1 (АЦП1), …, 6.n (АЦПn) соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций 7 (БПР), количество выходов которого определяется формулой
N=n⋅(n+1)/2.
Выходы блока памяти реализаций 7 (БПР) соединены с соответствующими входами вычислительного блока 8 (ВБ). Вычислительный блок 8 (ВБ) соединен с входом блока памяти данных 9 (БПД), выход которого соединен с входом блока расчета дистанции 10 (БРД), входом которого является выход пульта 11 (П). Вычислительный блок 8 (ВБ) соединен с входом блока памяти изображений 12 (БПИ), выход которого соединен с индикатором 13 (И). Входы каждого генератора импульсов 3.1 (ГИ1), …, 3.n (ГИn), блока памяти реализаций 7 (БПР), вычислительного блока 8 (ВБ), блока памяти изображений 12 (БПИ) и блока временной регулировки чувствительности 14 (БВРЧ) соединены с блоком синхронизации 15 (БС). Выход блока временной регулировки чувствительности 14 (БВРЧ) подключен к каждому усилителю 4.1 (У1), …, 4.n (Уn). Антенная решетка 1 (АР) установлена на объекте контроля 16.
Антенная решетка 1 (АР) является набором, шестнадцати пьезопреобразователей, располагаемых линейно, например, OLYMPUS 2L16-A1 с рабочей частотой 2 МГ. Генераторы импульсов 3.1 (ГИ1), …, 3.n (ГИn) выполнены на микросхемах, имеющих импульсный ток коллектора не менее 2А и выходное напряжение 90 В, например, STHV748. Усилители 4.1 (У1), …, 4.n (Уn) выполнены, например, на микросхемах AD603. Детекторы 5.1 (Д1), …, 5.n (Дn) выполнены на операционном усилителе, например, AD603. Аналого-цифровые преобразователи 6.1 (АЦП1), …, 6.n (АЦПn) выполнены, например, на микросхемах ADC9057. Блок памяти реализаций 7 (БПР), объемом не менее 64 Кб, выполнен, например, на микросхемах IDT72V293. Вычислительный блок 8 (ВБ) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64 фирмы ATMEL. Блок памяти изображений 12 (БПИ), объемом не менее 100 МГб, может быть выполнен, например, на модулях памяти, используемых в персональных компьютерах, 1ГБ DDR SDRAM РС3200, 400МГц. Индикатор 13 (И) может быть выполнен на матричной панели или на мониторе персонального компьютера, например, BENQ G2320HDB. Блок временной регулировки чувствительности 14 (БВРЧ) может быть выполнен на цифро-аналоговом преобразователе, входящем в состав микроконтроллера, например, ATMEGA64 фирмы ATMEL. Блок синхронизации 15 (БС) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64 фирмы ATMEL. Пульт 11 (П) может быть выполнен на 10 кнопках, например, KLS7-TS6601-11-180. Блок расчета дистанций 10 (БРД) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64. Блок памяти данных 9 (БПД) объемом не менее 64 Кб, выполнен на типовых микросхемах, например, на микросхемах IDT72V293.
0
160
До начала проведения ультразвуковой томографии объекта контроля 16, например, стальной поковки, оператор с помощью пульта 11 (П), предварительно задает разрешающую способность устройства, учитывая минимальный размер дефекта 17, определенного техническим заданием на поиск, выбирает расстояние между соседними точками фокусировки ультразвукового сигнала m, …, m, располагающимися параллельно линии контакта акустической решетки 1 (АР) с объектом контроля 16, с учетом скорости работы используемых в схеме аналого-цифровых преобразователей 6.1 (АЦП1), …, 6.16 (АЦП16) и с учетом средней скорости распространения ультразвука в стали [Ермолов И.Н., Вопилкин А.Х., Бадалян В.Г. Расчеты ультразвуковой дефектоскопии. Краткий справочник. - М: ООО НК "ЭХО+", 2004. - С. 15].
На стальную поковку устанавливают антенную решетку 1 (АР) (фиг. 2), положение которой фиксируют. По сигналу от блока синхронизации 15 (БС) первый генератор импульсов 3.1 (ГИ1) подает импульс возбуждения на первый пьезопреобразователь 2.1 (ПП1) антенной решетки 1 (АР). От первого пьезопреобразователя 2.1 (ПП1) в объект контроля 16 излучается ультразвуковой импульс. В этот момент все пьезопреобразователи 2.1 (ПП1), …, 2.16 (ПП16) антенной решетки 1 (АР) начинают принимать ультразвуковые колебания из объекта контроля 15 (ОК). Одновременно блок временной регулировки чувствительности 14 (БВРЧ) начинает изменять коэффициент усиления усилителей 4.1 (У1), …, 4.16 (У16), компенсируя таким образом затухание ультразвуковой волны в объекте контроля 16. Эти колебания, преобразованные в электрические колебания, усиливаются в усилителях 4.1 (У1), …, 4.16 (У16), детектируются детекторами 5.1 (Д1), …, 5.16 (Д16), оцифровываются в аналого-цифровых преобразователях 6.1 (АЦП1), …, 6.16 (АЦП16) и записываются в блоке памяти реализаций 7 (БПР) независимо друг от друга. Эти колебания записываются в интервале времени, равном времени распространения ультразвуковых колебаний от первого пьезопреобразователя 2.1 (ПП1) антенной решетки 1 (АР) к наиболее дальней точке фокусировки объекта контроля 15 (ОК) и обратно - к самому удаленному от нее шестнадцатому пьезопреобразователю 2.16 (ПП16).
Далее генератор импульсов 3.2 (ГИ2), по сигналу от блока синхронизации 15 (БС) возбуждает второй пьезопреобразователь 2.1 (ПП2) антенной решетки 1 (АР), который посылает в объект контроля 16 ультразвуковой импульс. Снова происходит прием и запись принятых колебаний в блок памяти реализаций 7 (БПР). Но колебания, принятые первым пьезопреобразователем 2.1 (ПП1) антенной решетки 1 (АР), в данном случае не записываются, так как реализация этих колебаний согласно принципу взаимности тождественна той, которая уже была принята вторым пьезопреобразователем 2.2 (ПП2) при посылке ультразвукового импульса ее первым пьезопреобразователем 2.1 (ПП1) в предыдущем цикле приема ультразвуковых колебаний.
Затем в третьем цикле приема ультразвуковых колебаний все происходит аналогично изложенному выше, только ультразвуковой импульс в объект контроля 16 посылает третий пьезопреобразователь 2.3 (ПП3) антенной решетки 1 (АР), и колебания в блок памяти реализаций 7 (БПР) записываются от шестнадцати пьезопреобразователей 2.1 (ПП1), …, 2.16 (ПП16).
В последнем, шестнадцатом цикле приема шестнадцатый пьезопреобразователь 2.16 (ПП16) антенной решетки 1 (АР) исполняет роль излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, то есть работает в совмещенном режиме. При этом в блок памяти реализаций 7 (БПР) записывается всего одна реализация принятых колебаний.
После выполнения всех циклов приема ультразвуковых колебаний, то есть после того, как все шестнадцать пьезопреобразователей антенной решетки 1 (АР) совершат по одному излучению ультразвукового импульса, в блоке памяти реализаций 7 (БПР) окажутся записанными 16⋅(16+1)/2=136 реализаций принятых колебаний.
После записи всех 136 реализаций в блок памяти реализаций 7 (БПР), начинается реконструкция изображения внутренней структуры объекта контроля 15 (ОК), поочередно для каждой точки фокусировки объекта контроля.
Затем в блоке вычислительном блоке 8 (ВБ) перемножают цифровые коды, выбранные из блока памяти реализаций 7 (БПР) в соответствии со временем распространения от пьезопреобразователя, работающего в режиме излучения, до пьезопреобразователя, работающего в режиме приема, через точку фокусировки ультразвукового сигнала в стальной поковке и сохраняют результаты перемножения в блоке памяти изображений 12 (БПИ).
Полученный результат из блока памяти данных 9 (БПД) пересылают в вычислительный блок 8 (ВБ), в котором полученному значению (числу) присваивают определенный цвет и сохраняют в блоке памяти изображений 12 (БПИ). Индикатор 13 (И) отображает результат контроля в виде цветной картинки.
0
10
0
10
2
Сравнение значений дистанций от трех первых пьезопреобразователей 2.1. (ПП1), 2.2 (ПП2), 2.3 (ПП3) антенной решетки 1 (АР), работающих в режиме передачи до 10 точек фокусировки ультразвукового сигнала m, …, m (таблица 1) и значений дистанций от 10 точек фокусировки ультразвукового сигнала m, …, m до первых трех пьезопреобразователей 2.1. (ПП1), 2.2 (ПП2), 2.3 (ПП3), работающих в режиме приема (таблица 2), показывает, что значения в них полностью совпадают и содержат в каждом столбце одинаковую информацию, но расположенную в разных ячейках, поэтому в вычислительном блоке 8 (ВБ) рассчитывают значения только одного столбца таблицы. Это позволило сократить количество расчетов в 3 раза, используя данные только одного столбца. Таким образом, суммарное количество расчетов сокращено в n раз, где n - это количество пьезопреобразователей антенной решетки, что уменьшило время постобработки и позволило, по сравнению с прототипом, обрабатывать данные в реальном времени.