Using high speed, high resolution DAQ in ultrasonic test system
摘 要：提出了艦載軍用加固機(jī)散熱設(shè)計(jì)的解決方案，該方案具有設(shè)計(jì)簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：軍用加固計(jì)算機(jī)；自然散熱；強(qiáng)迫風(fēng)冷；熱設(shè)計(jì)
---超聲波探傷系統(tǒng)生產(chǎn)商在無損探測薄片鋼部件中，傳統(tǒng)的測量方法都是使用模擬電路。但現(xiàn)在的市場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)，以及高速高分辨率信號(hào)采集卡。
在討論信號(hào)采集卡在探傷中所扮演的角色之前，先回顧一下整個(gè)系統(tǒng)。寬帶超聲傳感器是自動(dòng)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(fā)射并檢測超聲波。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的步進(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(fā)生器，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/接收器發(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。
在傳感器激勵(lì)以后，相應(yīng)的超聲波回波序列需要返回，因?yàn)槌暡ū仨毚┻^約一米長的水路。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。

信號(hào)采集卡的作用
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)：來自傳感器中心頻率可達(dá)10MHz的信號(hào)，10MSPS的采樣超聲信號(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型信號(hào)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(tǒng)的原理圖。

來自超聲脈沖發(fā)生/接收器的±1V信號(hào)輸出直連到數(shù)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(yīng)的輸入終端，并消除多重信號(hào)反射產(chǎn)生的失真。延遲器的輸出被連接到采集卡的BNC外置觸發(fā)輸入。采集卡提供14位的采樣精度。因?yàn)樘綔y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(gè)真實(shí)的來自疊片鋼部件的超聲信號(hào)。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(shí)間差，與裂隙的深度之間有如下的關(guān)系。
D=vΔt/2
其中，D為裂隙的深度，Δt為前壁回波的時(shí)延，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，并繪制一張標(biāo)示整個(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信號(hào)采集卡的輸入范圍，本例中是±1V。
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(hào)采集卡將輸入范圍分隔成為2^8即256個(gè)不同的等級(jí)。這就說明了圖3中階梯一般的回波，只相差2到3級(jí)。該回波波形嚴(yán)重失真，此外，如果該回波一旦小一點(diǎn)，根本就不會(huì)被探測到。
相比之下，14位信號(hào)采集卡將輸入范圍分割成2^14即16 384個(gè)不同的等級(jí)，裂隙回波跨越150個(gè)等級(jí)。正如圖3所示，14位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)字互相關(guān)分析來提取。很明顯，高分辨率在裂隙回波的探測中至關(guān)重要。
在沿著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。采集卡不應(yīng)該漏掉任何這些觸發(fā)，否則捕獲的波形和傳感器位置之間就不相關(guān)了。
沿著快速軸的線性掃描需要的時(shí)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?yàn)榧夹g(shù)上的原因，慢速軸的重新定位需要至少0.5s。
14位信號(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，高速采集卡可以捕獲50μs的超聲波且通過PCI總線將之送入內(nèi)存，以備下次1kHz的觸發(fā)。采集卡僅在諸如MS-DOS這類單任務(wù)操作系統(tǒng)下就可滿足此性能基準(zhǔn)。
采集深度
在Windows環(huán)境下還有一個(gè)問題。多任務(wù)的Windows并非一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因而在處理某一任務(wù)過程中，被Windows服務(wù)其他任務(wù)所