基于虚拟仪器技术的超声波测试系统及应用实例

   引 言

    目前,超声波测试在科研和生产实践中得到越来越广泛的应用。在高校的土工、建材、物探等实验室中,常用超声波来测量材料或模型的弹性波传播速度。在生产实践中,超声波常用于检测混凝土的强度和结构构件的缺陷。超声波测试在汽车雷达和智能机器人设计中已成为常规测试方法。但早期超声波测试仪器都有共同的缺点,即价钱昂贵、精度不高、仪器面板不灵活。本文介绍利用美国国家仪器公司(简称NI)先进的虚拟仪器技术,组建高效灵活的超声波测试系统。测试的实例表明:该系统不仅仪器面板可由用户自定义,而且能实现高分辨率,高采样率和多次叠加的数据采集。基于虚拟仪器技术的超声波测试仪器比传统仪器具有巨大优势,因为传统仪器的采样窗长(时窗)和采样率等参数受专用仪器内置计算芯片限制,适应面较窄;采用虚拟仪器,则可充分利用通用计算机的高性能,如计算处理速度、超大的内存等。

    1  超声波测试系统的基本原理

    超声波测试系统的原理是:由发射换能器向被测介质发射超声波,声波在介质中传播后被接收换能器接收。通过测量超声波在介质中传播特性或振动性,便可计算介质的弹性模量或其它相关参数。

    超声波测试系统分发射和接收两部分。发射机的基本原理(见图1)。

    其中同步信号来自接收装置。单稳的作用是形成占空比可调的矩形脉冲。矩形脉冲经电流放大后加载到脉冲变压器的初级,在脉冲变压器的输出端得到高的脉冲电压,即可驱动发射换能器发射超声波。常用的发射换能器是压电陶瓷,其谐振频率决定发射的超声波频率。

    传统的超声波测试系统的接收部分结构复杂,元器件多。接收电路部分通常包括微弱信号放大电路、信号滤波电路。考虑到有时检测到的回波信号幅值较大,还应在前端加入衰减电路;当接收信号电路的后级是数字系统时,还应在末端加入信号比较电路。传统超声波测试系统的接收部分和发射部分是独立的,接收部分通过同步信号控制发射部分。同步的作用是实现发射机发射超声波之时,接收机开始采集和记录。

    以上所述可以看出,超声波测试系统的关键部分在于接收部分。如果采用虚拟仪器来制作接收部分,则极大地简化超声波测试系统的搭建。其基本思想是: 1)通过LabVIEW软件编程控制虚拟仪器数据采集卡的数字I/O输出TTL电平,其可作为发射机的同步信号输入,控制发射机的发射; 2)虚拟仪器数据采集卡和相应的接线盒配以功能强大的图形化编程语言)))LabVIEW,可以实现高带宽、高分辨率、多通道和多次叠加的数据采集。由于采用标准化模块,可以由接线盒快速构建衰减电路;采集硬件可实现数据的采集;其出色的软件集成,既可虚拟出真实仪器的面板,又可对信号进行实时频谱分析、滤波处理、阶次分析等。