陣列超聲場的信號采集和處理系統(tǒng)

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1、陣列超聲場的信號采集和處理系統(tǒng).freelm×20.6mm的銅板的頂部貼上64個緊密排列的晶片,.freelm×3.06mm,厚度是0.8mm,材質(zhì)為PZT-5,固有頻率為2.8MHz。在銅板上加工7個通孔(分別為a、b、c、d、e、f、g)作為人工缺陷,其中的圓孔(a、b、c、e、f、g)直徑為3.2mm,長方孔(d)截面尺寸為10mm×6mm。用兩個譯碼選通電路,每次同時選通晶片I和II,分別發(fā)射和接收超聲波,并分別與示波器通道1和2接通。采用XC16B脈沖發(fā)生器產(chǎn)生始脈沖來激勵晶片I,始脈

2、沖脈寬為240ns,電壓為20V。晶片I受激振動發(fā)生超聲波,在銅板中傳播,遇到氣孔與銅材質(zhì)的界面反射回來,用晶片II接收回波信號,并送入示波器通道2。然后計(jì)算機(jī)通過示波器的DS2MM擴(kuò)展模塊的串口,并波采集示波器通道2的回波信號,提取和存儲許多特征參數(shù),并用應(yīng)用軟件(如Matlab)分析波形,進(jìn)行信號處理分析。1.2TDS210型示波器本系統(tǒng)采用美國Tektronix公司的TDS210型數(shù)字存儲示波器。該示波器帶寬為60MHz,取樣速率為1GS/s,雙通道輸入,記錄長度為2500個點(diǎn),采樣位數(shù)為

3、8bit,垂直分辨率為0.4%,水平精度為±0.01%。該示波器還帶有非易失性存儲器,可以存儲兩個基準(zhǔn)波形和5個前面板設(shè)置1。該示波器的TDS2MM擴(kuò)展模塊帶有RS-232八位串行通信接口、Centronics硬拷貝打印輸出接口和GPIB8位并行通信接口,可直接與外部的控制器、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通信。示波器與計(jì)算機(jī)可直接用帶DB-9型連接器的電纜連接,使用非常方便。2系統(tǒng)軟件開發(fā)2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)開發(fā)工具為VB6.0與VC6.0,由于使用了其自帶的通信控件MSm6.0,因而使編程更為

4、方便快捷。MSm6.0ocx封裝了大量標(biāo)準(zhǔn)的通信控制及線程函數(shù),通過這些函數(shù)可以方便地與串行端口建立連接。這樣就可通過串行端口去控制示波器,發(fā)出命令,交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作步驟如下:啟動后自動完成初始化,檢測硬件配置,設(shè)定通訊參數(shù);設(shè)置示波器特性,進(jìn)行數(shù)據(jù)的人工采集或自動采集;在自動采集的情況下,控制光電繼電器按照一定順序,定時選通陣列中的兩個晶片,分別接通發(fā)射和接收回路;實(shí)時采集通道2中的回波信號,并將其轉(zhuǎn)換成二時制數(shù)據(jù)文件;利用Matlab編程,對采集的信號組進(jìn)行排列、移項(xiàng)、疊加、頻譜分析等;進(jìn)

5、而根據(jù)信號處理的結(jié)果,對缺陷的形狀、位置、大小進(jìn)行成像分析。系統(tǒng)軟件采用模塊化方式編寫,包括數(shù)字示波器初始化、譯碼選通、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、全波存儲以及各種信號處理模塊。2.2通信與數(shù)據(jù)采集借助TDS210示波器自帶的TDS2MM擴(kuò)展模塊的編程手冊,可非常方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和示波器之間的通信,并對示波器中波形信號進(jìn)行采集。系統(tǒng)啟動后,對示波器進(jìn)行初始化,設(shè)定通信參數(shù),將示波器基、通道、觸發(fā)、顯示等子系統(tǒng)做相應(yīng)設(shè)置,并開動選通,進(jìn)行自動掃查。示波器實(shí)時采集換能器陣列裝置中的超聲波信號,同時計(jì)算機(jī)向示

6、波器發(fā)送命令,取加數(shù)據(jù),放入計(jì)算機(jī)內(nèi)存,對常用波形參數(shù)(如周期、頻率、振幅、上升時間、下降時間、脈沖寬度、峰-峰值等)做測量,將波形數(shù)據(jù)與測量結(jié)果存入計(jì)算機(jī)硬盤,留做后處理。所有數(shù)據(jù)可存成一個64階的矩陣,矩陣的每個元素對應(yīng)的是一個2500個點(diǎn)的回波信號。2.3信號處理與分析通常的信號處理軟件首先檢出波形數(shù)據(jù)部分,從時域、空域和頻域三個方面分別提取其有關(guān)特征參數(shù)。時域參數(shù)包括波的前沿、后沿、存在時間等;空域參數(shù)包括其均值、均方值、方差、概率密度等;頻域參數(shù)包括其頻譜密度等。本系統(tǒng)不是簡單地對單個

7、波形數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。而是將一組波形數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理,提高了信噪比后再進(jìn)行信號的分析處理。3相控陣模擬及缺陷檢測圖2是一組回波,代表的是第17號晶片接收的各個晶片所發(fā)射的超聲波信號的反射回波。信號群A、B、C、D、E、F、G分別對應(yīng)銅塊試樣中的預(yù)留孔a、b、c、d、e、f、g。在回波信號后面,與之平行等距而且波幅有所減小的為側(cè)面波。如果信號足夠強(qiáng),可以有多次側(cè)面波,例如B1、C1、C2等。相控陣的工作原理是通過改變相鄰超聲換能器的相位差Δφ值(也就是調(diào)整各個晶片發(fā)射時間),來達(dá)到在指定位置聚焦的

8、目的。相控陣超聲的精確延時發(fā)射是超聲相控陣系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),其硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試過程是很復(fù)雜的。本系統(tǒng)采用一種新的思路,即把信號做移項(xiàng)處理,然后虛擬延時發(fā)射、定點(diǎn)聚焦,而無需制作實(shí)際的相控延時和同步發(fā)射的控制電路。虛擬聚焦點(diǎn)在孔b的中心,坐標(biāo)為(58.6,74)。17號晶片在孔b的正上方,因它發(fā)出的超聲到達(dá)b孔中心的距離最短,所以也就能最早接收到由b孔反射回來的超聲。因此它的回波信號在信號族B中,應(yīng)該在最前面。根據(jù)聲程的不同,將64條信號進(jìn)行移項(xiàng)處理,使之都與17號晶片的信號B對齊,結(jié)果如圖3所示。