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陣列超聲場(chǎng)的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)
摘要：介紹了一種新型的基本計(jì)算機(jī)和數(shù)字示波器的陣列超聲場(chǎng)的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用Windows平臺(tái)，采用VC、VB和Matlab編程方法，采集信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，從而為相控陣聚焦聲場(chǎng)的研究提供了很好的試驗(yàn)平臺(tái)。利用提出的系統(tǒng)，可對(duì)樣品中的缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。超聲相控陣技術(shù)在醫(yī)學(xué)和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)研究非常廣泛。本文介紹的基于計(jì)算機(jī)的線性超聲陣列的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，為相控陣的研究建立了很好的理論基礎(chǔ)。
數(shù)字示波器與模擬示波器相比，
能將待測(cè)模擬信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)字化，并且在波形處理方面有很大改進(jìn)，從而使其在電子測(cè)量中日益得到廣泛應(yīng)用。但是其存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)處理能力有限，如果能用計(jì)算機(jī)控制示波器，將示波器采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)，并用軟件分析存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果，就能形成一套有效的信號(hào)采集與處理分析系統(tǒng)。本文以TDS210型數(shù)字示波器為例，介紹如何將計(jì)算機(jī)與數(shù)字示波器組成一套高性能的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，并介紹如何將其應(yīng)用于相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理中。
1 系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)主要包括：計(jì)算機(jī)、TDS210型數(shù)字示波器、TDS2MM擴(kuò)展模塊、換能器陣列及譯碼選通裝置等。
1.1 試驗(yàn)樣塊及換能器陣列
如圖1所示，在一塊235×195.6mm×20.6mm的銅板的頂部貼上64個(gè)緊密排列的晶片，晶片截面尺寸為18mm×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(gè)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(zhǎng)方孔（d）截面尺寸為10mm×6mm。
用兩個(gè)譯碼選通電路，每次同時(shí)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(lái)激勵(lì)晶片I，始脈沖脈寬為240ns，電壓為20V。晶片I受激振動(dòng)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(lái)，用晶片II接收回波信號(hào)，并送入示波器通道2。然后計(jì)算機(jī)通過(guò)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(hào)，提取和存儲(chǔ)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(hào)處理分析。
1.2 TDS210型示波器
本系統(tǒng)采用美國(guó)Tektronix公司的TDS210型數(shù)字存儲(chǔ)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(zhǎng)度為2500個(gè)點(diǎn)，采樣位數(shù)為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(chǔ)器，可以存儲(chǔ)兩個(gè)基準(zhǔn)波形和5個(gè)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GPIB 8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MSComm6.0，因而使編程更為方便快捷。MSComm6.0ocx封裝了大量標(biāo)準(zhǔn)的通信控制及線程管理函數(shù)，通過(guò)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(guò)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：?jiǎn)?dòng)后自動(dòng)完成初始化，檢測(cè)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(dòng)采集；在自動(dòng)采集的情況下，控制光電繼電器按照一定順序，定時(shí)選通陣列中的兩個(gè)晶片，分別接通發(fā)射和接收回路；
實(shí)時(shí)采集通道2中的回波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成二時(shí)制數(shù)據(jù)文件；利用Matlab編程，對(duì)采集的信號(hào)組進(jìn)行排列、移項(xiàng)、疊加、頻譜分析等；進(jìn)而根據(jù)信號(hào)處理的結(jié)果，對(duì)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(cè)量、全波存儲(chǔ)以及各種信號(hào)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(cè)，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(duì)示波器中波形信號(hào)進(jìn)行采集。系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)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(dòng)選通，進(jìn)行自動(dòng)掃查。示波器實(shí)時(shí)采集換能器陣列裝置中的超聲波信號(hào)，同時(shí)計(jì)算機(jī)向示波器發(fā)送命令，取加數(shù)據(jù)，放入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，對(duì)常用波形參數(shù)（如周期、頻率、振幅、上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖寬度、峰-峰值等）做測(cè)量，將波形數(shù)據(jù)與測(cè)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(gè)64階的矩陣，矩陣的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)的是一個(gè)2500個(gè)點(diǎn)的回波信號(hào)。
2.3 信號(hào)處理與分析
通常的信號(hào)處理軟件首先檢出波形數(shù)據(jù)部分，從時(shí)域、空域和頻域三個(gè)方面分別提取其有關(guān)特征參數(shù)。時(shí)域參數(shù)包括波的前沿、后沿、存在時(shí)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(jiǎn)單地對(duì)單個(gè)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(hào)的分析處理。
3 相控陣模擬及缺陷檢測(cè)
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