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陣列超聲場的信號采集與處理系統(tǒng)
摘要：介紹了一種新型的基本計算機和數(shù)字示波器的陣列超聲場的信號采集和處理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用Windows平臺，采用VC、VB和Matlab編程方法，采集信號并進行信號處理，從而為相控陣聚焦聲場的研究提供了很好的試驗平臺。利用提出的系統(tǒng)，可對樣品中的缺陷進行無損檢測。超聲相控陣技術(shù)在醫(yī)學和工業(yè)無損檢測方面有著廣闊的應用前景，近年來研究非常廣泛。本文介紹的基于計算機的線性超聲陣列的信號采集和處理系統(tǒng)，為相控陣的研究建立了很好的理論基礎。
數(shù)字示波器與模擬示波器相比，
能將待測模擬信號實時數(shù)字化，并且在波形處理方面有很大改進，從而使其在電子測量中日益得到廣泛應用。但是其存儲容量和數(shù)據(jù)處理能力有限，如果能用計算機控制示波器，將示波器采集到的數(shù)據(jù)及時存儲，并用軟件分析存儲的波形數(shù)據(jù)和測量結(jié)果，就能形成一套有效的信號采集與處理分析系統(tǒng)。本文以TDS210型數(shù)字示波器為例，介紹如何將計算機與數(shù)字示波器組成一套高性能的信號采集與處理系統(tǒng)，并介紹如何將其應用于相控陣超聲無損檢測的數(shù)據(jù)采集和信號處理中。
1 系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)主要包括：計算機、TDS210型數(shù)字示波器、TDS2MM擴展模塊、換能器陣列及譯碼選通裝置等。
1.1 試驗樣塊及換能器陣列
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，長方孔（d）截面尺寸為10mm×6mm。
用兩個譯碼選通電路，每次同時選通晶片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)生始脈沖來激勵晶片I，始脈沖脈寬為240ns，電壓為20V。晶片I受激振動發(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，用晶片II接收回波信號，并送入示波器通道2。然后計算機通過示波器的DS2MM擴展模塊的串口，并波采集示波器通道2的回波信號，提取和存儲許多特征參數(shù)，并用應用軟件
（如Matlab）分析波形，進行信號處理分析。
1.2 TDS210型示波器
本系統(tǒng)采用美國Tektronix公司的TDS210型數(shù)字存儲示波器。該示波器帶寬為60MHz，取樣速率為1GS/s，雙通道輸入，記錄長度為2500個點，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器，可以存儲兩個基準波形和5個前面板設置[1]。
該示波器的TDS2MM擴展模塊帶有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、計算機等設備進行通信。示波器與計算機可直接用帶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)軟件設計
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封裝了大量標準的通信控制及線程管理函數(shù)，通過這些函數(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：啟動后自動完成初始化，檢測硬件配置，設定通訊參數(shù)；設置示波器特性，進行數(shù)據(jù)的人工采集或自動采集；在自動采集的情況下，控制光電繼電器按照一定順序，定時選通陣列中的兩個晶片，分別接通發(fā)射和接收回路；
實時采集通道2中的回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成二時制數(shù)據(jù)文件；利用Matlab編程，對采集的信號組進行排列、移項、疊加、頻譜分析等；進而根據(jù)信號處理的結(jié)果，對缺陷的形狀、位置、大小進行成像分析。
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)測量、全波存儲以及各種信號處理模塊。
2.2 通信與數(shù)據(jù)采集
借助TDS210示波器自帶的TDS2MM擴展模塊的編程手冊，可非常方便地實現(xiàn)計算機和示波器之間的通信，并對示波器中波形信號進行采集。系統(tǒng)啟動后，對示波器進行初始化，設定通信參數(shù)，將示波器基、通道、觸發(fā)、顯示等子系統(tǒng)做相應設置，并開動選通，進行自動掃查。示波器實時采集換能器陣列裝置中的超聲波信號，同時計算機向示波器發(fā)送命令，取加數(shù)據(jù)，放入計算機內(nèi)存，對常用波形參數(shù)（如周期、頻率、振幅、上升時間、下降時間、脈沖寬度、峰-峰值等）做測量，將波形數(shù)據(jù)與測量結(jié)果存入計算機硬盤，留做后處理。所有數(shù)據(jù)可存成一個64階的矩陣，矩陣的每個元素對應的是一個2500個點的回波信號。
2.3 信號處理與分析
通常的信號處理軟件首先檢出波形數(shù)據(jù)部分，從時域、空域和頻域三個方面分別提取其有關(guān)特征參數(shù)。時域參數(shù)包括波的前沿、后沿、存在時間等；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)不是簡單地對單個波形數(shù)據(jù)進行特征提取。而是將一組波形數(shù)據(jù)先進行預處理，提高了信噪比后再進行信號的分析處理。
3 相控陣模擬及缺陷檢測
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