采用高速高分辨率信號(hào)采集卡構(gòu)成超聲探傷系統(tǒng)

1 概述

超聲波探傷系統(tǒng)生產(chǎn)商在無損探測(cè)薄片鋼部件中，所有的測(cè)量方法都是使用模擬電路。但是要在今天競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上生存，需要的是能夠提供更高性能和更低價(jià)格的基于PC的現(xiàn)代化操作系統(tǒng)及有商業(yè)價(jià)值的高速高分辨率信號(hào)采集卡。

在討論高速高分辨率信號(hào)采集卡在探傷中所扮演的角色之前，先來回顧一下整個(gè)系統(tǒng)。商用寬帶超聲傳感器是自動(dòng)定位到被測(cè)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(cè)超聲波。接收到超聲脈沖發(fā)生器/接收器的激勵(lì)后，傳感器忽略部分帶寬的超聲能量脈沖，并接收從被測(cè)部件反射的回波。

在連續(xù)超聲記錄的提取中，通過GPIB旁路鏈接控制的自動(dòng)定位臂，以0.1mm步進(jìn)移動(dòng)傳感器。該臂通過一個(gè)前后都類似光柵圖案的500mm×500mm矩形網(wǎng)進(jìn)行掃描，并有快速軸和直交的慢速軸。當(dāng)傳感器正在沿著快速軸平移時(shí)，定位系統(tǒng)以大約1ms/步的致密步伐尾隨傳送器。

定位控制器裝備了輸出位置的脈沖發(fā)生器，這是一個(gè)用在很多超聲波定位控制器上的標(biāo)準(zhǔn)件。一旦確定了目標(biāo)位置，控制器就產(chǎn)生一個(gè)TTL脈沖。這個(gè)脈沖經(jīng)常用來使超聲波脈沖發(fā)生器/按收器發(fā)出一個(gè)激勵(lì)。這樣，超聲檢查只在目標(biāo)位置自動(dòng)進(jìn)行。

在傳感器接收到激勵(lì)以后，相應(yīng)的超聲波回波序列需要返回，因此超聲波必須穿過約一米長(zhǎng)的水路。超聲激勵(lì)后，用一個(gè)可編程延遲器創(chuàng)建一個(gè)持續(xù)大約700μs的TTL激勵(lì)。這個(gè)脈沖觸發(fā)高速高分辨率信號(hào)采集卡。而超聲波回波序列持續(xù)大約100μs。

圖1

2 高速高分辨率信號(hào)采集卡的角色

嵌入式高速高分辨率信號(hào)采集卡用來捕獲來自傳感器電子設(shè)備的超聲波信號(hào)。系統(tǒng)合并兩種信號(hào)：來自傳感器的中心頻率達(dá)10MHz的信號(hào)和10MS/s的取樣超聲信號(hào)。這個(gè)采樣率可達(dá)每信號(hào)周期10點(diǎn)，回波時(shí)間允許極好的分辨率。為了探測(cè)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是一款PCI總線、基于PC系統(tǒng)的高速高分辨率信號(hào)采集卡。該卡提供100MHz的采樣率及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(tǒng)的原理圖。

來自超聲脈沖發(fā)生/接收器的±1V信號(hào)輸出直接連到數(shù)字卡的BNC輸入端。高速高分辨率信號(hào)采集卡的輸入阻抗為50Ω且可編程。它提供與BNC線50Ω阻抗相適應(yīng)的輸入終端，并可消除多重信號(hào)反射產(chǎn)生的失真。延遲器的輸出被連接到高速高分辨率信號(hào)采集卡的BNC外圍觸發(fā)輸入。

高速高分辨率信號(hào)采集卡提供14bit的采集精度。因此探測(cè)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(cè)中勢(shì)在必行。

圖2給出一個(gè)來自疊片鋼部件的真實(shí)超聲信號(hào)。由圖中可以看出零件前壁反射了較大的回波，后面跟著較小的回波，說明表面之后就是裂隙。裂隙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：

Depth=vΔt/2

其中，Δt為前壁回波與裂隙回波的時(shí)間差，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，并給制一張標(biāo)志整個(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(hào)的振幅由脈沖發(fā)生/接收器增益進(jìn)行調(diào)整。這樣前壁回波幾乎充滿高速高分辨率信號(hào)采集卡的輸入范圍，本例中是±V。

結(jié)果是，在前壁回波不發(fā)生削頂失真的前提下，裂隙回波無法進(jìn)一步放大。圖3給出了圖2中裂隙回波放大后的圖像，上面的波形是8位分辯率，下面的是14位分辨率。

裂隙回波的振幅僅約為前壁回波振幅的1%。8位的高速分辨率信號(hào)采集卡將輸入范圍分隔成2 8=256個(gè)不同的等級(jí)。這說明圖3中階梯一般的回波只相差2～級(jí)。此外，該回波波形嚴(yán)重失真，如果它小一點(diǎn)，則根本就不會(huì)被探測(cè)到。

圖2

    相比之下，14位的高速高分辨率信號(hào)采集卡將輸入范圍分割成2 14=16384個(gè)不同的等級(jí)，裂隙回波跨越150個(gè)等級(jí)。如圖3所示，14位高速高分辨率信號(hào)采集卡的高分辨率重現(xiàn)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(shù)字相關(guān)分析來提取。很明顯，高分辨率在裂隙回波的探測(cè)中至關(guān)重要。

在沿快速軸的線性掃描中，超聲觸發(fā)器分布在規(guī)整的1kHz比率。高速高分辨率信號(hào)采集卡嚴(yán)禁漏掉任何這些觸發(fā)，否則捕獲的波形和傳感器位置之間就不相關(guān)了。

沿快速軸的線性掃描需要（500mm/0.1mm）/1kHz=5s。下次快速軸掃描的開始是程控；然而，因?yàn)樯虡I(yè)上的原因，慢速軸的重新定位需要至少0.5s。

14位的高速高分辨率信號(hào)采集卡可以通過PCI總線以100MB/s的穩(wěn)定速率傳輸數(shù)據(jù)。因此，高速高分辨率信號(hào)采集卡可以捕獲50μs的超聲波且通過PCI總線將其送入內(nèi)存，以備下次1kHz的觸發(fā)。

14位高速高分辨率信號(hào)采集卡在諸如MSDOS這類單任務(wù)操作系統(tǒng)下就可以滿足此性能基準(zhǔn)。

3 采集深度

由于多任務(wù)的Windows并非一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因而，處理某一任務(wù)過程中被Windows服務(wù)其他任務(wù)所占用的時(shí)間量是不確定的。這意味著Windows下沒有備用的波形捕獲能力可供擔(dān)保。在系統(tǒng)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)。

此問題的解決方案就是超深的板載采集緩存。在多重記錄模式下操作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，成功提取的波形數(shù)據(jù)堆疊在板載采集緩存中。在提取間隙，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過硬件進(jìn)行重整，無需CPU干涉。因此，一旦開始，多記錄模式就不會(huì)對(duì)多任務(wù)模式的Windows環(huán)境做出讓步。

高速高分辨率信號(hào)采集卡要求足夠的板載采集深度，用來保持快速軸掃描的全部數(shù)據(jù)。要確定所需內(nèi)存的大小，就必須計(jì)算在單通道100μs的超聲記錄采樣所需數(shù)目：

記錄長(zhǎng)度=100μs×100MS/s

=10,000S=10kS

由于位置步進(jìn)長(zhǎng)度是0.1mm而快速軸的長(zhǎng)度是500mm，所以在線性快速軸掃描中共有5000個(gè)步進(jìn)位置。每一步高速高分辨率信號(hào)采集卡都必須捕獲一個(gè)10,000S的紀(jì)錄。因此，板載采集深度至少需要。

5,000records×10,000 s/record=50,000,000S。

即需要板載采集深度高達(dá)1GS的高速高分辨率信號(hào)采集卡，才能適應(yīng)需求。

圖3

    在連續(xù)的快速掃描間隔，系統(tǒng)將把數(shù)據(jù)從上次快速軸掃描裝載到PC內(nèi)存。高速高分辨率信號(hào)采集卡可以利用一種被稱作PCI總線控制的技術(shù)通過PCI總線傳輸數(shù)據(jù)。這種方法在數(shù)據(jù)傳輸過程中無需CPU的干預(yù)，此外，高速高分辨率信號(hào)采集卡的持續(xù)傳輸速率可以高達(dá)100MB/s。因?yàn)槊看?4位采樣點(diǎn)用2個(gè)字節(jié)，所以一次快速軸掃描的全部數(shù)據(jù)傳輸至少需要。

2 B/S×50,000,000 S/(100MB/s)=1s。

這樣，數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)嚴(yán)重耽擱下次快速軸掃描的數(shù)據(jù)，因?yàn)橄到y(tǒng)已經(jīng)要求了0.5s的時(shí)間用于機(jī)械穩(wěn)定性恢復(fù)。如果數(shù)據(jù)傳輸過程暫時(shí)被Windows打斷，傳輸時(shí)間將略微增加，但是不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，而且一旦恢復(fù)，傳輸過程僅需從被打斷的地方繼續(xù)。

Windows2000的任務(wù)是在C語言環(huán)境下的SDK開發(fā)的，該工具提供了便捷易用的例程以滿足新開始定制的Windows任務(wù)。

因?yàn)楸靖咚俑叻直媛市盘?hào)采集卡是即插即用的PCI設(shè)備，底層硬件細(xì)節(jié)由Windows操縱，所以不需要任務(wù)底層硬件編程。Windows程序啟動(dòng)位置馬達(dá)、控制掃描被測(cè)部件，然后調(diào)用C語言子程序，從高速高分辨率信號(hào)采集卡提取、傳輸數(shù)據(jù)。

基于高性能PC的高速高分辨率信號(hào)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(shù)據(jù)傳輸，使得構(gòu)筑自動(dòng)化、低成本的無損探測(cè)系統(tǒng)成為可能。