阵列超声场的信号采集和处理系统

《阵列超声场的信号采集和处理系统》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、阵列超声场的信号采集和处理系统.freelm×20.6mm的铜板的顶部贴上64个紧密排列的晶片,.freelm×3.06mm,厚度是0.8mm,材质为PZT-5,固有频率为2.8MHz。在铜板上加工7个通孔(分别为a、b、c、d、e、f、g)作为人工缺陷,其中的圆孔(a、b、c、e、f、g)直径为3.2mm,长方孔(d)截面尺寸为10mm×6mm。用两个译码选通电路,每次同时选通晶片I和II,分别发射和接收超声波,并分别与示波器通道1和2接通。采用XC16B脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片I,始脉

2、冲脉宽为240ns,电压为20V。晶片I受激振动发生超声波,在铜板中传播,遇到气孔与铜材质的界面反射回来,用晶片II接收回波信号,并送入示波器通道2。然后计算机通过示波器的DS2MM扩展模块的串口,并波采集示波器通道2的回波信号,提取和存储许多特征参数,并用应用软件(如Matlab)分析波形,进行信号处理分析。1.2TDS210型示波器本系统采用美国Tektronix公司的TDS210型数字存储示波器。该示波器带宽为60MHz,取样速率为1GS/s,双通道输入,记录长度为2500个点,采样位数为

3、8bit,垂直分辨率为0.4%,水平精度为±0.01%。该示波器还带有非易失性存储器,可以存储两个基准波形和5个前面板设置1。该示波器的TDS2MM扩展模块带有RS-232八位串行通信接口、Centronics硬拷贝打印输出接口和GPIB8位并行通信接口,可直接与外部的控制器、打印机、计算机等设备进行通信。示波器与计算机可直接用带DB-9型连接器的电缆连接,使用非常方便。2系统软件开发2.1系统软件设计本系统开发工具为VB6.0与VC6.0,由于使用了其自带的通信控件MSm6.0,因而使编程更为

4、方便快捷。MSm6.0ocx封装了大量标准的通信控制及线程函数,通过这些函数可以方便地与串行端口建立连接。这样就可通过串行端口去控制示波器,发出命令,交换数据。系统工作步骤如下:启动后自动完成初始化,检测硬件配置,设定通讯参数;设置示波器特性,进行数据的人工采集或自动采集;在自动采集的情况下,控制光电继电器按照一定顺序,定时选通阵列中的两个晶片,分别接通发射和接收回路;实时采集通道2中的回波信号,并将其转换成二时制数据文件;利用Matlab编程,对采集的信号组进行排列、移项、叠加、频谱分析等;进

5、而根据信号处理的结果,对缺陷的形状、位置、大小进行成像分析。系统软件采用模块化方式编写,包括数字示波器初始化、译码选通、数据采集、参数测量、全波存储以及各种信号处理模块。2.2通信与数据采集借助TDS210示波器自带的TDS2MM扩展模块的编程手册,可非常方便地实现计算机和示波器之间的通信,并对示波器中波形信号进行采集。系统启动后,对示波器进行初始化,设定通信参数,将示波器基、通道、触发、显示等子系统做相应设置,并开动选通,进行自动扫查。示波器实时采集换能器阵列装置中的超声波信号,同时计算机向示

6、波器发送命令,取加数据,放入计算机内存,对常用波形参数(如周期、频率、振幅、上升时间、下降时间、脉冲宽度、峰-峰值等)做测量,将波形数据与测量结果存入计算机硬盘,留做后处理。所有数据可存成一个64阶的矩阵,矩阵的每个元素对应的是一个2500个点的回波信号。2.3信号处理与分析通常的信号处理软件首先检出波形数据部分,从时域、空域和频域三个方面分别提取其有关特征参数。时域参数包括波的前沿、后沿、存在时间等;空域参数包括其均值、均方值、方差、概率密度等;频域参数包括其频谱密度等。本系统不是简单地对单个

7、波形数据进行特征提取。而是将一组波形数据先进行预处理,提高了信噪比后再进行信号的分析处理。3相控阵模拟及缺陷检测图2是一组回波,代表的是第17号晶片接收的各个晶片所发射的超声波信号的反射回波。信号群A、B、C、D、E、F、G分别对应铜块试样中的预留孔a、b、c、d、e、f、g。在回波信号后面,与之平行等距而且波幅有所减小的为侧面波。如果信号足够强,可以有多次侧面波,例如B1、C1、C2等。相控阵的工作原理是通过改变相邻超声换能器的相位差Δφ值(也就是调整各个晶片发射时间),来达到在指定位置聚焦的

8、目的。相控阵超声的精确延时发射是超声相控阵系统中的重要环节,其硬件设计和调试过程是很复杂的。本系统采用一种新的思路,即把信号做移项处理,然后虚拟延时发射、定点聚焦,而无需制作实际的相控延时和同步发射的控制电路。虚拟聚焦点在孔b的中心,坐标为(58.6,74)。17号晶片在孔b的正上方,因它发出的超声到达b孔中心的距离最短,所以也就能最早接收到由b孔反射回来的超声。因此它的回波信号在信号族B中,应该在最前面。根据声程的不同,将64条信号进行移项处理,使之都与17号晶片的信号B对齐,结果如图3所示。