数字实时脉冲回波法声速测量系统的研制

    介绍一种全数字化超声脉冲回波法的声速测量系统,大大降低了基于单片机超声仪的复杂程度[1,2]。通过将自发自收的探头直接耦合在试样上,接收多次反射回波,可计算出超声波在试样中传播的时间[3,4]。

    1 测量仪器

    仪器主要使用Panamatric AWG2021波形发生仪、经过二次开发的有数据采集卡的DSO-2150型数字虚拟示波器、换能器、试样和计算机构成。系统的全数字化设计大大降低了仪器复杂度,许多功能都可由数字信号处理软件轻松实现。系统的程序流程图见图1。

    2 数字虚拟示波器的二次开发

    DSO-2150的二次开发环境为VB6.0,其主要函数有sdSearhDevice(搜寻仪器是否准备);sdSetOffset (设置完毕后虚拟示波器运行函数);sdCapture-Start (开始采样); sdGetData(把数据存储到DSO-2150自身的RAM中)。

    二次开发的顺序是sd-SearchDevice,sdCaptureStart, sdSetOffset和sdGetData,然后把每次DSO-2150RAM中的数据读到电脑,然后利用电脑进行数据处理。

    3 数据处理

    系统运行的触发模式是正常触发,触发信号是外触发。采集到的数据通过画图软件可以得到传播波形。系统的零点并不是真正的零,需要多次采集、校正确定。确定零点之后就是找寻零点。虽然可很快地找出全部零点,但是由于噪声信号的影响,许多尖峰的零点会被同时找出,大大降低精确度。根据零点之后大约半个波长便是波峰的理论,而超声波的频率已知,由此便可以确定出所需要的零点。然后根据采样频率可以得出两个零点之间的时间差,也就得到了超声波在试样中传播一个来回的时间。图2是系统实时采集计算的界面。

    4 结果分析和总结

    利用前述的测试系统及软件,首先用纯水对系统的精度与稳定性进行了测试与分析。试验设置DSO-2150虚拟示波器的实时采样频率为150 MHz,存储深度为32 k(即每次传输32@1 024个点)。

    被测铝试样厚32.5 mm,声时差为10 411 ns,测得其声速为6 243. 4 m/s,而标准声速为6 260 m/s。

    由于使用的是第一次和第二次的回波,因此可以省掉耦合层校正,只需要进行衍射校正。此次测量结果是在常温下进行的,没有考虑温度因素。虽然存在一定误差,但证明了系统可行性。

    随着虚拟示波器的进一步发展,采样频率会随之提高,它的精度也会进一步提高,可达0.01 ns级甚至更高。在此情形下,只要衍射校正的精度以及试样厚度的标定精度能够提高,那么超声声速的测量,以及基于声速测量的其它超声检测技术将会达到一个新的高度。

    参考文献:

    [1] Cristian Pantea, Dwight G Rickel, Albert Migliori.Digital ultrasonic pulse-echo overlap system and algo-rithmfor unambiguous determination of pulse transittime[ J]. Review of Scientific Instruments, 2005,(76):1-2.