第二章TOFD技术信号和处理.ppt

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、GG 2.1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（Harry Nyquist）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，5 MHz，10 MHz，15 MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10 MHz，25 MHz，50 MHz，75 MHz。常用仪器大都是100MHz的采样率。 举例 5MHz的探头，t1 = 1/5 = 0.2ms 25MHz的采样频率，t2 = 1/25 = 0.04ms t1/ t2= 0.2/0.04=5 2.1.4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 探头的带宽 探头的频谱 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。 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=125MHz fs/2=91.74MHz，fIN-fs/2=125-91.74=33.26MHz 91.74-33.26=58.48MHz fs/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 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%。 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