阵列超声场的信号采集与处理系统

阵列超声场的信号采集与处理系统

摘要：介绍了一种新型的基本计算机和数字示波器的阵列超声场的信号采集和处理系统。系统利用Windows平台，采用VC、VB和Matlab编程方法，采集信号并进行信号处理，从而为相控阵聚焦声场的研究提供了很好的试验平台。利用提出的系统，可对样品中的缺陷进行无损检测。

超声相控阵技术在医学和工业无损检测方面有着广阔的应用前景，近年来研究非常广泛。本文介绍的基于计算机的线性超声阵列的信号采集和处理系统，为相控阵的研究建立了很好的理论基础。

数字示波器与模拟示波器相比，能将待测模拟信号实时数字化，并且在波形处理方面有很大改进，从而使其在电子测量中日益得到广泛应用。但是其存储容量和数据处理能力有限，如果能用计算机控制示波器，将示波器采集到的数据及时存储，并用软件分析存储的波形数据和测量结果，就能形成一套有效的信号采集与处理分析系统。本文以TDS210型数字示波器为例，介绍如何将计算机与数字示波器组成一套高性能的信号采集与处理系统，并介绍如何将其应用于相控阵超声无损检测的数据采集和信号处理中。

1 系统硬件组成

系统主要包括：计算机、TDS210型数字示波器、TDS2MM扩展模块、换能器阵列及译码选通装置等。

1.1 试验样块及换能器阵列

如图1所示，在一块235×195.6mm×20.6mm的铜板的顶部贴上64个紧密排列的晶片，晶片截面尺寸为18mm×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。

1.2 TDS210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GPIB 8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MSComm6.0，因而使编程更为方便快捷。MSComm6.0ocx封装了大量标准的通信控制及线程管理函数，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

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