采用高速高分辨率信号采集卡构成超声探伤系统

1 概述

超声波探伤系统生产商在无损探测薄片钢部件中，所有的测量方法都是使用模拟电路。但是要在今天竞争激烈的市场上生存，需要的是能够提供更高性能和更低价格的基于PC的现代化操作系统及有商业价值的高速高分辨率信号采集卡。

在讨论高速高分辨率信号采集卡在探伤中所扮演的角色之前，先来回顾一下整个系统。商用宽带超声传感器是自动定位到被测试部件面前的，传感器和部件都放在水槽里。在反射模式下工作的传感器发射并检测超声波。接收到超声脉冲发生器/接收器的激励后，传感器忽略部分带宽的超声能量脉冲，并接收从被测部件反射的回波。

在连续超声记录的提取中，通过GPIB旁路链接控制的自动定位臂，以0.1mm步进移动传感器。该臂通过一个前后都类似光栅图案的500mm×500mm矩形网进行扫描，并有快速轴和直交的慢速轴。当传感器正在沿着快速轴平移时，定位系统以大约1ms/步的致密步伐尾随传送器。

定位控制器装备了输出位置的脉冲发生器，这是一个用在很多超声波定位控制器上的标准件。一旦确定了目标位置，控制器就产生一个TTL脉冲。这个脉冲经常用来使超声波脉冲发生器/按收器发出一个激励。这样，超声检查只在目标位置自动进行。

在传感器接收到激励以后，相应的超声波回波序列需要返回，因此超声波必须穿过约一米长的水路。超声激励后，用一个可编程延迟器创建一个持续大约700μs的TTL激励。这个脉冲触发高速高分辨率信号采集卡。而超声波回波序列持续大约100μs。

图1

2 高速高分辨率信号采集卡的角色

嵌入式高速高分辨率信号采集卡用来捕获来自传感器电子设备的超声波信号。系统合并两种信号：来自传感器的中心频率达10MHz的信号和10MS/s的取样超声信号。这个采样率可达每信号周期10点，回波时间允许极好的分辨率。为了探测到尽可能小的裂隙回波，需要尽可能大的动态范围和垂直分辨率。

Gage CompuScope 14100是一款PCI总线、基于PC系统的高速高分辨率信号采集卡。该卡提供100MHz的采样率及50MHz的模拟输入带宽，以满足超声传感器的需求。图1是该系统的原理图。

来自超声脉冲发生/接收器的±1V信号输出直接连到数字卡的BNC输入端。高速高分辨率信号采集卡的输入阻抗为50Ω且可编程。它提供与BNC线50Ω阻抗相适应的输入终端，并可消除多重信号反射产生的失真。延迟器的输出被连接到高速高分辨率信号采集卡的BNC外围触发输入。

高速高分辨率信号采集卡提供14bit的采集精度。因此探测到的裂隙回波是任意小的，所以高采样精度在超声无损探测中势在必行。

图2给出一个来自叠片钢部件的真实超声信号。由图中可以看出零件前壁反射了较大的回波，后面跟着较小的回波，说明表面之后就是裂隙。裂隙回波和前壁回波之间的时间差与裂隙的深度之间有如下的关系：

Depth=vΔt/2

其中，Δt为前壁回波与裂隙回波的时间差，v为超声波在钢中的波速。

超声扫描的目的是在整个扫描中确定Δt，并给制一张标志整个部件上裂隙深度的分布图。

跟踪回波的振幅随裂隙的尺寸而增加。全部超声波信号的振幅由脉冲发生/接收器增益进行调整。这样前壁回波几乎充满高速高分辨率信号采集卡的输入范围，本例中是±V。

结果是，在前壁回波不发生削顶失真的前提下，裂隙回波无法进一步放大。图3给出了图2中裂隙回波放大后的图像，上面的波形是8位分辩率，下面的是14位分辨率。

裂隙回波的振幅仅约为前壁回波振幅的1%。8位的高速分辨率信号采集卡将输入范围分隔成2 8=256个不同的等级。这说明图3中阶梯一般的回波只相差2～级。此外，该回波波形严重失真，如果它小一点，则根本就不会被探测到。

图2

    相比之下，14位的高速高分辨率信号采集卡将输入范围分割成2 14=16384个不同的等级，裂隙回波跨越150个等级。如图3所示，14位高速高分辨率信号采集卡的高分辨率重现了裂隙回波的形状和位置。即使回波与背景噪声可作比较，其时延Δt依然可以靠数字相关分析来提取。很明显，高分辨率在裂隙回波的探测中至关重要。

在沿快速轴的线性扫描中，超声触发器分布在规整的1kHz比率。高速高分辨率信号采集卡严禁漏掉任何这些触发，否则捕获的波形和传感器位置之间就不相关了。

沿快速轴的线性扫描需要（500mm/0.1mm）/1kHz=5s。下次快速轴扫描的开始是程控；然而，因为商业上的原因，慢速轴的重新定位需要至少0.5s。

14位的高速高分辨率信号采集卡可以通过PCI总线以100MB/s的稳定速率传输数据。因此，高速高分辨率信号采集卡可以捕获50μs的超声波且通过PCI总线将其送入内存，以备下次1kHz的触发。

14位高速高分辨率信号采集卡在诸如MSDOS这类单任务操作系统下就可以满足此性能基准。

3 采集深度

由于多任务的Windows并非一个实时操作系统，因而，处理某一任务过程中被Windows服务其他任务所占用的时间量是不确定的。这意味着Windows下没有备用的波形捕获能力可供担保。在系统的快速扫描中，可靠的波形捕获能力是非常重要的，不能漏掉任何一个触发。

此问题的解决方案就是超深的板载采集缓存。在多重记录模式下操作数据转换器，成功提取的波形数据堆叠在板载采集缓存中。在提取间隙，数据转换器通过硬件进行重整，无需CPU干涉。因此，一旦开始，多记录模式就不会对多任务模式的Windows环境做出让步。

高速高分辨率信号采集卡要求足够的板载采集深度，用来保持快速轴扫描的全部数据。要确定所需内存的大小，就必须计算在单通道100μs的超声记录采样所需数目：

记录长度=100μs×100MS/s

=10,000S=10kS

由于位置步进长度是0.1mm而快速轴的长度是500mm，所以在线性快速轴扫描中共有5000个步进位置。每一步高速高分辨率信号采集卡都必须捕获一个10,000S的纪录。因此，板载采集深度至少需要。

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

即需要板载采集深度高达1GS的高速高分辨率信号采集卡，才能适应需求。

图3

    在连续的快速扫描间隔，系统将把数据从上次快速轴扫描装载到PC内存。高速高分辨率信号采集卡可以利用一种被称作PCI总线控制的技术通过PCI总线传输数据。这种方法在数据传输过程中无需CPU的干预，此外，高速高分辨率信号采集卡的持续传输速率可以高达100MB/s。因为每次14位采样点用2个字节，所以一次快速轴扫描的全部数据传输至少需要。

2 B/S×50,000,000 S/(100MB/s)=1s。

这样，数据传输不会严重耽搁下次快速轴扫描的数据，因为系统已经要求了0.5s的时间用于机械稳定性恢复。如果数据传输过程暂时被Windows打断，传输时间将略微增加，但是不会丢失数据，而且一旦恢复，传输过程仅需从被打断的地方继续。

Windows2000的任务是在C语言环境下的SDK开发的，该工具提供了便捷易用的例程以满足新开始定制的Windows任务。

因为本高速高分辨率信号采集卡是即插即用的PCI设备，底层硬件细节由Windows操纵，所以不需要任务底层硬件编程。Windows程序启动位置马达、控制扫描被测部件，然后调用C语言子程序，从高速高分辨率信号采集卡提取、传输数据。

基于高性能PC的高速高分辨率信号采集卡可以提供高采样速度、高垂直分辨率、深采集深度以及快速的数据传输，使得构筑自动化、低成本的无损探测系统成为可能。