采用高速高分辨率信號采集卡構成超聲探傷系統

---超聲波探傷系統生產(chǎn)商在無(wú)損探測薄片鋼部件中，傳統的測量方法都是使用模擬電路。但現在的市場(chǎng)需要的是能夠提供更高性能和更低價(jià)格的基于PC的現代化操作系統，以及高速高分辨率信號采集卡。
在討論信號采集卡在探傷中所扮演的角色之前，先回顧一下整個(gè)系統。寬帶超聲傳感器是自動(dòng)定位到被測試部件面前的，傳感器和部件都放在水槽里。在反射模式下工作的傳感器發(fā)射并檢測超聲波。接收到超聲脈沖發(fā)生器/接收器的激勵后，傳感器忽略部分帶寬的超聲能量脈沖，并接收從被測部件反射的回波。
在連續超聲記錄的提取中，通過(guò)GPIB旁路鏈接控制的自動(dòng)定位臂，以0.1mm的步進(jìn)移動(dòng)傳感器。該臂通過(guò)一個(gè)前后都類(lèi)似光柵圖案的500mm500mm矩形網(wǎng)進(jìn)行掃描，并有快速軸和直交的慢速軸。當傳感器正在沿著(zhù)快速軸平移時(shí)，定位系統以大約每毫秒1步的步伐尾隨傳送器。
定位控制器裝備了輸出位置的脈沖發(fā)生器，一旦確定了目標位置，控制器就產(chǎn)生一個(gè)TTL脈沖。這個(gè)脈沖經(jīng)常用來(lái)使超聲波脈沖發(fā)生器/接收器發(fā)出一個(gè)激勵。這樣，超聲檢查只在目標位置自動(dòng)進(jìn)行。
在傳感器激勵以后，相應的超聲波回波序列需要返回，因為超聲波必須穿過(guò)約一米長(cháng)的水路。超聲激勵后，用一個(gè)可編程延遲器創(chuàng )建一個(gè)持續大約700μs的TTL激勵。這個(gè)脈沖觸發(fā)高速高分辨率信號采集卡。而超聲波回波序列持續大約100μs。

信號采集卡的作用
嵌入式高速高分辨率信號采集卡用來(lái)捕獲來(lái)自傳感器電子設備的超聲波信號。系統合并兩種信號：來(lái)自傳感器中心頻率可達10MHz的信號，10MSPS的采樣超聲信號。這個(gè)采樣率可達每信號周期10點(diǎn)，回波時(shí)間允許極好的分辨率。為了探測到盡可能小的裂隙回波，需要盡可能大的動(dòng)態(tài)范圍和垂直分辨率。
Gage CompuScope 14100型信號采集卡可提供100MHz的采樣率以及50MHz的模擬輸入帶寬，以滿(mǎn)足超聲傳感器的需求。圖1是該系統的原理圖。

來(lái)自超聲脈沖發(fā)生/接收器的1V信號輸出直連到數字卡的BNC輸入端。采集卡的輸入阻抗為50Ω且可編程，提供與BNC線(xiàn)50Ω阻抗相適應的輸入終端，并消除多重信號反射產(chǎn)生的失真。延遲器的輸出被連接到采集卡的BNC外置觸發(fā)輸入。采集卡提供14位的采樣精度。因為探測到的裂隙回波是任意小的，所以高采樣精度在超聲無(wú)損探測中是必須的。
圖2顯示了一個(gè)真實(shí)的來(lái)自疊片鋼部件的超聲信號。圖像描繪了零件前壁反射的較大的回波，后面跟了較小的回波，說(shuō)明表面之后就是裂隙。裂隙的回波和前壁回波之間的時(shí)間差，與裂隙的深度之間有如下的關(guān)系。
D=vΔt/2
其中，D為裂隙的深度，Δt為前壁回波的時(shí)延，v為超聲波在鋼中的波速。

超聲掃描的目的是在整個(gè)掃描中確定Δt，并繪制一張標示整個(gè)部件上裂隙深度的分布圖。
跟蹤回波的振幅隨裂隙的尺寸而增加。全部超聲波信號的振幅由脈沖發(fā)生/接收器增益進(jìn)行調整。這樣前壁回波幾乎充滿(mǎn)信號采集卡的輸入范圍，本例中是1V。
結果是，在前壁回波不發(fā)生削頂失真的前提下，裂隙回波無(wú)法進(jìn)一步放大。圖3展示了圖2中裂隙回波放大后的圖像，上面的波形是8位分辨率，下面的是14位分辨率。

裂隙回波的振幅大約只是大的前壁回波振幅的1%。8位的信號采集卡將輸入范圍分隔成為2^8即256個(gè)不同的等級。這就說(shuō)明了圖3中階梯一般的回波，只相差2到3級。該回波波形嚴重失真，此外，如果該回波一旦小一點(diǎn)，根本就不會(huì )被探測到。
相比之下，14位信號采集卡將輸入范圍分割成2^14即16 384個(gè)不同的等級，裂隙回波跨越150個(gè)等級。正如圖3所示，14位采集卡的高分辨率重現了裂隙回波的形狀和位置。即使回波與背景噪聲可作比較，其時(shí)延Δt依然可以靠數字互相關(guān)分析來(lái)提取。很明顯，高分辨率在裂隙回波的探測中至關(guān)重要。
在沿著(zhù)快速軸的線(xiàn)性?huà)呙柚?，超聲觸發(fā)器分布在規整的1kHz比率。采集卡不應該漏掉任何這些觸發(fā)，否則捕獲的波形和傳感器位置之間就不相關(guān)了。
沿著(zhù)快速軸的線(xiàn)性?huà)呙栊枰臅r(shí)間為(500mm/0.1mm)/1kHz，即5s。下次快速軸掃描的開(kāi)始是程控的；然而，因為技術(shù)上的原因，慢速軸的重新定位需要至少0.5s。
14位信號采集卡可以通過(guò)PCI總線(xiàn)以100MB/s的穩定速率傳輸數據。因此，高速采集卡可以捕獲50μs的超聲波且通過(guò)PCI總線(xiàn)將之送入內存，以備下次1kHz的觸發(fā)。采集卡僅在諸如MS-DOS這類(lèi)單任務(wù)操作系統下就可滿(mǎn)足此性能基準。

采集深度
在Windows環(huán)境下還有一個(gè)問(wèn)題。多任務(wù)的Windows并非一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，因而在處理某一任務(wù)過(guò)程中，被Windows服務(wù)其他任務(wù)所占用的時(shí)間量是不確定的，因此在Windows環(huán)境下沒(méi)有足夠的波形捕獲能力。在系統的快速掃描中，可靠的波形捕獲能力是非常重要的，不能漏掉任何一個(gè)觸發(fā)。
此問(wèn)題的解決方法就是采用超深的板載采集緩存。在多重記錄模式下操作數據轉換器，成功提取的波形數據堆疊在板載的采集緩存中。在提取間隙，數據轉換器通過(guò)硬件進(jìn)行重整，無(wú)須CPU干涉。因此，一旦開(kāi)始，多記錄模式就不會(huì )與多任務(wù)模式的Windows環(huán)境沖突。
信號采集卡將要求足夠的板載采集深度用來(lái)保持整個(gè)快速軸掃描的數據。要確定所需內存的數額，就必須計算在單通道100μs的超聲記錄采樣所需數目。
記錄長(cháng)度=100μs100MSPS =10 000s
由于位置步進(jìn)長(cháng)度是0.1mm，而快速軸的長(cháng)度是500mm，所以在線(xiàn)性快速軸掃描中共有5000個(gè)步進(jìn)位置。在每一步，信號采集卡都必須捕獲一個(gè)10 000s的記錄。結果是，板載采集深度至少需要
5 000 record10 000s/record = 50 000 000s
即需要高達1GS板載采集深度的高速高分辨率信號采集卡，才能適應需求。
在連續的快速軸掃描間隔，系統將把數據從上次快速軸掃描裝載到PC內存。采集卡可以利用一種被稱(chēng)作PCI總線(xiàn)控制的技術(shù)，通過(guò)PCI總線(xiàn)傳輸數據。利用這種方法，數據傳輸過(guò)程中無(wú)須CPU的干預。此外，采集卡的持續傳輸速率可以高達100MB/s。因為每次14位采樣占用2字節，所以一次快速軸掃描的全部數據傳輸至少需要
2B/s50 000 000s/(100MB/s)=1s
這樣，數據傳輸不會(huì )嚴重耽擱下次快速軸掃描的數據，因為系統已經(jīng)要求了0.5s時(shí)間用于機械穩定性恢復。如果數據傳輸過(guò)程暫時(shí)被Windows打斷，傳輸時(shí)間將略微增加，但是不會(huì )丟失數據，而且一旦恢復，傳輸過(guò)程僅需從被打斷的地方繼續。
Windows 2000的任務(wù)是在C語(yǔ)言環(huán)境下的SDK開(kāi)發(fā)的，這工具提供了便捷易用的例程以滿(mǎn)足新開(kāi)始定制的Windows任務(wù)。
因為本高速高分辨率信號采集卡是即插即用的PCI設備，底層硬件細節由Windows操縱，所以不需要任何底層硬件編程。Windows程序啟動(dòng)位置馬達，控制掃描被測部件，然后調用C語(yǔ)言子程序，從采集卡提取、傳輸數據。
基于高性能PC的高速高分辨率信號采集卡可以提供高采樣速度、高垂直分辨率、深采集深度，以及快速的數據傳送，使得構筑自動(dòng)化的、低成本無(wú)損探測系統成為可能。