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陣列超聲場(chǎng)的信號采集與處理系統
摘要：介紹了一種新型的基本計算機和數字示波器的陣列超聲場(chǎng)的信號采集和處理系統。系統利用Windows平臺，采用VC、VB和Matlab編程方法，采集信號并進(jìn)行信號處理，從而為相控陣聚焦聲場(chǎng)的研究提供了很好的試驗平臺。利用提出的系統，可對樣品中的缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測。超聲相控陣技術(shù)在醫學(xué)和工業(yè)無(wú)損檢測方面有著(zhù)廣闊的應用前景，近年來(lái)研究非常廣泛。本文介紹的基于計算機的線(xiàn)性超聲陣列的信號采集和處理系統，為相控陣的研究建立了很好的理論基礎。
數字示波器與模擬示波器相比，
能將待測模擬信號實(shí)時(shí)數字化，并且在波形處理方面有很大改進(jìn)，從而使其在電子測量中日益得到廣泛應用。但是其存儲容量和數據處理能力有限，如果能用計算機控制示波器，將示波器采集到的數據及時(shí)存儲，并用軟件分析存儲的波形數據和測量結果，就能形成一套有效的信號采集與處理分析系統。本文以TDS210型數字示波器為例，介紹如何將計算機與數字示波器組成一套高性能的信號采集與處理系統，并介紹如何將其應用于相控陣超聲無(wú)損檢測的數據采集和信號處理中。
1 系統硬件組成
系統主要包括：計算機、TDS210型數字示波器、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(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(cháng)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，并送入示波器通道2。然后計算機通過(guò)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，并用應用軟件
（如Matlab）分析波形，進(jìn)行信號處理分析。
1.2 TDS210型示波器
本系統采用美國Tektronix公司的TDS210型數字存儲示波器。該示波器帶寬為60MHz，取樣速率為1GS/s，雙通道輸入，記錄長(cháng)度為2500個(gè)點(diǎn)，采樣位數為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(gè)基準波形和5個(gè)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(jìn)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 系統軟件開(kāi)發(fā)
2.1 系統軟件設計
本系統開(kāi)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(xiàn)程管理函數，通過(guò)這些函數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，交換數據。
系統工作步驟如下：?jiǎn)?dòng)后自動(dòng)完成初始化，檢測硬件配置，設定通訊參數；設置示波器特性，進(jìn)行數據的人工采集或自動(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，并將其轉換成二時(shí)制數據文件；利用Matlab編程，對采集的信號組進(jìn)行排列、移項、疊加、頻譜分析等；進(jìn)而根據信號處理的結果，對缺陷的形狀、位置、大小進(jìn)行成像分析。
系統軟件采用模塊化方式編寫(xiě)，包括數字示波器初始化、譯碼選通、數據采集、參數測量、全波存儲以及各種信號處理模塊。
2.2 通信與數據采集
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(shí)現計算機和示波器之間的通信，并對示波器中波形信號進(jìn)行采集。系統啟動(dòng)后，對示波器進(jìn)行初始化，設定通信參數，將示波器基、通道、觸發(fā)、顯示等子系統做相應設置，并開(kāi)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，同時(shí)計算機向示波器發(fā)送命令，取加數據，放入計算機內存，對常用波形參數（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）做測量，將波形數據與測量結果存入計算機硬盤(pán)，留做后處理。所有數據可存成一個(gè)64階的矩陣，矩陣的每個(gè)元素對應的是一個(gè)2500個(gè)點(diǎn)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據部分，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。時(shí)域參數包括波的前沿、后沿、存在時(shí)間等；空域參數包括其均值、均方值、方差、概率密度等；頻域參數包括其頻譜密度等。
本系統不是簡(jiǎn)單地對單個(gè)波形數據進(jìn)行特征提取。而是將一組波形數據先進(jìn)行預處理，提高了信噪比后再進(jìn)行信號的分析處理。
3 相控陣模擬及缺陷檢測
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