基于PC的現代化操作系統和信號采集卡實現超聲波探傷系統的設計

超聲波探傷系統生產商在無損探測薄片鋼部件中，傳統的測量方法都是使用模擬電路。但現在的市場需要的是能夠提供更高性能和更低價格的基于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，先回顧一下整個系統。寬帶超聲傳感器是自動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射并檢測超聲波。接收到超聲脈沖發生器/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GPIB旁路鏈接控制的自動定位臂，以0.1mm的步進移動傳感器。該臂通過一個前后都類似光柵圖案的500mm×500mm矩形網進行掃描，并有快速軸和直交的慢速軸。當傳感器正在沿著快速軸平移時，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生器，一旦確定了目標位置，控制器就產生一個TTL脈沖。這個脈沖經常用來使超聲波脈沖發生器/接收器發出一個激勵。這樣，超聲檢查只在目標位置自動進行。

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約一米長的水路。超聲激勵后，用一個可編程延遲器創建一個持續大約700μs的TTL激勵。這個脈沖觸發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捕獲來自傳感器電子設備的超聲波信號。系統合并兩種信號：來自傳感器中心頻率可達10MHz的信號，10MSPS的采樣超聲信號。這個采樣率可達每信號周期10點，回波時間允許極好的分辨率。為了探測到盡可能小的裂隙回波，需要盡可能大的動態范圍和垂直分辨率。

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，以滿足超聲傳感器的需求。圖1是該系統的原理圖。

來自超聲脈沖發生/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50Ω阻抗相適應的輸入終端，并消除多重信號反射產生的失真。延遲器的輸出被連接到采集卡的BNC外置觸發輸入。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損探測中是必須的。

圖2顯示了一個真實的來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，說明表面之后就是裂隙。裂隙的回波和前壁回波之間的時間差，與裂隙的深度之間有如下的關系。

D=vΔt/2

其中，D為裂隙的深度，Δt為前壁回波的時延，v為超聲波在鋼中的波速。

超聲掃描的目的是在整個掃描中確定Δt，并繪制一張標示整個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生/接收器增益進行調整。這樣前壁回波幾乎充滿信號采集卡的輸入范圍，本例中是±1V。

結果是，在前壁回波不發生削頂失真的前提下，裂隙回波無法進一步放大。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個不同的等級。這就說明了圖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，根本就不會被探測到。

相比之下，14位信號采集卡將輸入范圍分割成2^14即16 384個不同的等級，裂隙回波跨越150個等級。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，其時延Δt依然可以靠數字互相關分析來提取。很明顯，高分辨率在裂隙回波的探測中至關重要。

在沿著快速軸的線性掃描中，超聲觸發器分布在規整的1kHz比率。采集卡不應該漏掉任何這些觸發，否則捕獲的波形和傳感器位置之間就不相關了。

沿著快速軸的線性掃描需要的時間為（500mm/0.1mm）/1kHz，即5s。下次快速軸掃描的開始是程控的；然而，因為技術上的原因，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PCI總線以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PCI總線將之送入內存，以備下次1kHz的觸發。采集卡僅在諸如MS-DOS這類單任務操作系統下就可滿足此性能基準。

采集深度

在Windows環境下還有一個問題。多任務的Windows并非一個實時操作系統，因而在處理某一任務過程中，被Windows服務其他任務所占用的時間量是不確定的，因此在Windows環境下沒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，不能漏掉任何一個觸發。

此問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，數據轉換器通過硬件進行重整，無須CPU干涉。因此，一旦開始，多記錄模式就不會與多任務模式的Windows環境沖突。

信號采集卡將要求足夠的板載采集深度用來保持整個快速軸掃描的數據。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。

記錄長度=100μs×100MSPS =10 000s

由于位置步進長度是0.1mm，而快速軸的長度是500mm，所以在線性快速軸掃描中共有5000個步進位置。在每一步，信號采集卡都必須捕獲一個10 000s的記錄。結果是，板載采集深度至少需要

5 000 record×10 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作PCI總線控制的技術，通過PCI總線傳輸數據。利用這種方法，數據傳輸過程中無須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/s×50 000 000s/（100MB/s）=1s

這樣，數據傳輸不會嚴重耽擱下次快速軸掃描的數據，因為系統已經要求了0.5s時間用于機械穩定性恢復。如果數據傳輸過程暫時被Windows打斷，傳輸時間將略微增加，但是不會丟失數據，而且一旦恢復，傳輸過程僅需從被打斷的地方繼續。

Windows 2000的任務是在C語言環境下的SDK開發的，這工具提供了便捷易用的例程以滿足新開始定制的Windows任務。

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程序啟動位置馬達，控制掃描被測部件，然后調用C語言子程序，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，使得構筑自動化的、低成本無損探測系統成為可能。

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