Mạch đo tốc độ âm thanh trong bê tông

Tôi cần một mạch để đo tốc độ âm thanh trong bê tông đến 1μs hoặc tốt hơn. Đây là một cuộc biểu tình của trường học nơi sinh viên học ngành xây dựng sẽ sử dụng mạch này để đo tốc độ âm thanh trong một mẫu bê tông để xác định chất lượng của bê tông.

Tôi có hai đầu dò 40kHz: một để truyền xung và cái còn lại để phát hiện xung ở phía bên kia của mẫu bê tông dày khoảng 10cm.

Tôi có bộ xử lý PIC để tạo xung và sau đó phát hiện xung.

Tuy nhiên khi tôi nhìn vào nhiều Máy kiểm tra bê tông siêu âm thương mại trên

http://www.alibaba.com/trade/search?sb=y&IndexArea=product_en&CatId=&SearchText=Ult siêu +

Nó xuất hiện từ thông số kỹ thuật của họ rằng họ đang hoạt động với đầu dò khz, không phải mhz. Họ không đề cập đến tần số cao hơn 200khz. Có lẽ có một hạn chế của việc truyền âm thanh tốt trong bê tông đến tần số khz vì tần số mhz bị suy giảm?

Tôi có một yêu cầu để xây dựng một hệ thống sinh viên RẤT NHIỀU CHI PHÍ, và tôi chỉ có thể tìm thấy các bộ chuyển đổi 40khz rẻ tiền. Các đầu dò Mhz mà tôi có thể tìm thấy quá đắt so với yêu cầu của tôi.

Nó xuất hiện từ các thông số kỹ thuật cho các thiết bị thương mại rằng chúng sử dụng các xung từ 20us đến 20ms và sau đó chờ phát hiện máy thu trước khi gửi một xung khác. Vì vậy, xung ngắn nhất sẽ chỉ là một sóng hình sin 40khz hoàn chỉnh và các xung dài hơn sẽ là một số sóng hình sin 40khz hoàn chỉnh. Bất kỳ sự biến dạng nào có thể không quan trọng bởi vì chúng không phát hiện được tần số băng tần hẹp, mà chỉ là sự tăng đầu tiên của xung từ máy thu?

Liệu điều này có ý nghĩa với ai? Ý tôi là ai đó có thể giúp tôi giải quyết vấn đề này ...

Cảm ơn bạn.

Đã làm việc trong ngành siêu âm công nghiệp / NDT (mặc dù cách đây khoảng 30 năm :)), tôi sẽ cố gắng thêm vào những lời khuyên tuyệt vời mà bạn đã nhận được.

Kaz đưa ra một điểm rất hay là bạn nên sử dụng máy hiện sóng. Đây có thể là một dự án rất khó khăn và bạn cần thực hiện R & D cần thiết trên siêu âm trước khi bạn thiết kế mạch quá nhiều.

Có một vài vấn đề với đầu dò 40khz mà bạn có thể hoặc không thể khắc phục. Đầu tiên, như được chỉ ra bởi Andy aka, thời gian để siêu âm đi qua bê tông không khác nhiều so với thời kỳ của sóng 40khz. Bạn có thể khắc phục điều này bằng cách đo pha của tín hiệu thu được so với tín hiệu truyền đi. Thứ hai, đầu dò của bạn có khả năng được thiết kế để sử dụng trong không khí. Do sự thay đổi mật độ lớn khi siêu âm đi vào và ra khỏi bê tông, bạn sẽ mất phần lớn tín hiệu do phản xạ. Có thể không có đủ tín hiệu tại máy thu. Vì đây có lẽ là giải pháp đơn giản nhất của bạn, nó đáng để thử nghiệm với máy hiện sóng.

Bây giờ mọi thứ trở nên phức tạp hơn. Bạn có thể cần một khớp nối khác với không khí để giảm bớt sự trùng khớp mật độ. Các khớp nối là phương tiện giữa các đầu dò và vật liệu được thử nghiệm. Nếu bạn có thể ngâm mẫu của bạn, nước có lẽ là lựa chọn tốt nhất. Nếu bạn không thể nhúng mẫu, bạn có thể sử dụng dầu mỡ, thạch dầu mỏ, dầu khoáng hoặc một số loại gel (Tôi biết một Kỹ sư ứng dụng Ultrasonics đã thề bằng gel tóc Dippity-Do, nhưng tôi không nghĩ rằng nó được tạo ra nữa không). Đầu dò 40khz của bạn có thể không tương thích với các khớp nối khác ngoài không khí. Các khớp nối chất lỏng phải thay thế tất cả không khí giữa bề mặt đầu dò và mẫu được thử.

Andy aka cũng đưa ra gợi ý về đầu dò tần số cao hơn. Bạn nên lưu ý rằng khi bạn vào dải Mhz, bạn chắc chắn sẽ cần một khớp nối khác với không khí vì siêu âm ở các tần số này suy giảm rất nhanh trong không khí. Tôi đã rời khỏi doanh nghiệp và không còn quen thuộc với giá hoặc nguồn đầu dò, nhưng Google sẽ giúp với điều đó. Chỉnh sửa: Từ nghiên cứu bổ sung, tôi thấy rằng tần số phù hợp cho kiểm tra cụ thể thường rơi vào khoảng 24kHz đến 200kHz (xem "Nghiên cứu bổ sung" bên dưới).

Các đầu dò tần số cao hơn này thường được phát xung với xung điện áp cao rất nhanh, thường có thể là 300V trở lên trong <10ns (càng nhanh càng tốt). Điều này thường đạt được với SCR nhanh hoặc, tùy thuộc vào điện áp, các mạch liên quan đến nhiều SCR nối tiếp. Nó giống như rung chuông bằng búa.

Về đo lường vận tốc: Nếu đầu dò của bạn không tiếp xúc với mẫu, bạn sẽ cần phải trừ đi thời gian di chuyển qua khớp nối (nước hoặc không khí hoặc bất cứ thứ gì). Tốc độ của âm thanh trong khớp nối có thể thay đổi do các yếu tố khác nhau (chẳng hạn như nhiệt độ và chất gây ô nhiễm), vì vậy để có độ chính xác tốt nhất, bạn có thể đo nó mà không cần bê tông tại chỗ bằng cách biết phân tách giữa các bộ chuyển đổi. Sau đó, bạn cần phải trừ đi độ dày bê tông từ tách đầu dò để xác định khoảng cách di chuyển qua khớp nối, sau đó biết khoảng cách qua khớp nối và vận tốc âm thanh qua khớp nối, bạn có thể tính thời gian di chuyển qua khớp nối.

Về đồng hồ mẫu của bạn và độ phân giải đo vận tốc của bạn: Một kỹ thuật được sử dụng trong ngành siêu âm để "tăng" độ phân giải một cách hiệu quả là sử dụng đồng hồ không đồng bộ riêng biệt. Một đồng hồ để lấy kích hoạt cho xung truyền của bạn và một đồng hồ khác để đo thời gian. Sau đó, bạn lấy trung bình của nhiều phép đo. Tất nhiên, nếu bạn chỉ cần độ phân giải 1 giây trong bộ đếm thời gian, điều này sẽ không cần thiết.

Tôi chỉ tìm thấy thử nghiệm tốc độ xung siêu âm của bê tông trên youtube. Không có nhiều thông tin kỹ thuật về bản thân siêu âm, nhưng nó có thể cung cấp một số thông tin hữu ích. Ngoài ra còn có liên kết đến các video liên quan khác. Tôi thấy họ sử dụng tiếp xúc trực tiếp giữa các bộ chuyển đổi và bê tông khuyến cáo dầu mỡ hoặc dầu thạch làm chất ghép.

Các Trung tâm Tài nguyên NDT cũng có nhiều thông tin hữu ích về kiểm tra siêu âm.

Chỉnh sửa ... Nghiên cứu bổ sung :

Theo đầu dò xung ngắn tần số thấp siêu âm với tiếp xúc điểm khô. Phát triển và ứng dụng. :

Có thể kiểm tra siêu âm bê tông và cốt thép trên các tần số không quá 150 - 200 kHz.

Bài viết này tiếp tục thảo luận về một bộ chuyển đổi "Tiếp xúc điểm khô" (DPC) mà dường như không sử dụng khớp nối.

Tôi không biết liệu bạn có tìm thấy bất cứ điều gì hữu ích ở đây không, nhưng thật tốt khi biết các phương pháp thay thế.

CẢI TIẾN ỨNG DỤNG SIÊU HẤP DẪN ĐỂ KIỂM TRA ROUTINE CỦA BÊ TÔNG là một bài viết rất nhiều thông tin về chủ đề này. Quan tâm đặc biệt là:

• 2.3 Kỹ thuật kiểm tra bê tông và không phá hủy (thảo luận về các kỹ thuật siêu âm khác nhau và các kỹ thuật thay thế khác)
• 2.4 Thiết bị kiểm tra PUNDIT (thảo luận về các khối tạo nên thiết kế của thiết bị siêu âm được sử dụng cũng như các đầu dò được sử dụng)

Bài viết này cũng thảo luận về các tần số được sử dụng để thử nghiệm cụ thể:

Các kích cỡ khác nhau của phần tử và vỏ điện Piezo cho phép một dải tần số trung tâm đầu dò từ 24kHz đến 200kHz phù hợp để thử nghiệm bê tông.

Lưu ý cuối cùng: Vì việc sử dụng các bộ chuyển đổi đắt tiền và bộ tạo xung điện áp cao có thể nằm ngoài ngân sách của bạn cả về thời gian và tiền bạc cho một dự án sinh viên, nếu bạn không ngại mạo hiểm một vài bộ chuyển đổi trên một số R & D, tôi sẽ đề nghị bạn thực hiện một số nỗ lực sửa đổi một số đầu dò không khí 40kHz rẻ tiền để cho phép sử dụng khớp nối. Sử dụng truyền qua với tiếp xúc trực tiếp trên bê tông (có độ dày đã biết) và xem bạn có thể nhận được tín hiệu không. Có rất nhiều trợ giúp trên web liên quan đến các mạch cho các bộ chuyển đổi này. Bạn có thể bắt đầu tại Làm thế nào để lên dây đầu dò siêu âm

Bạn không cần một mạch, tôi sẽ sử dụng:

• búa (vui lòng xem bình luận @hoosierEE, búa có thể là quá mức cần thiết)
• hai micrô áp điện nhỏ (thậm chí một loa piezo có thể hoạt động)
• Máy hiện sóng kỹ thuật số 2 kênh

Keo / băng một micro piezo vào mỗi bên của bê tông. Kết nối piezo 1 với đầu dò 1, đầu kia để thăm dò 2. Bật cả hai kênh. Đặt phạm vi để kích hoạt và giữ đầu dò 1. Chạm vào bê tông bằng búa bên cạnh piezo 1. Phạm vi sẽ kích hoạt và sau đó bạn có thể tìm ra sự khác biệt giữa các xung ban đầu và xung cuối cùng. Làm nhiều phép đo để tăng độ chính xác.

Điều này sẽ rẻ hơn nhiều và tốn ít thời gian hơn so với các dự án khác. Như một phần thưởng, bạn sẽ có một máy hiện sóng kỹ thuật số cho các prac khác như động cơ, micro, v.v.

$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$$\mu s$

Đầu dò siêu âm 40 kHz muốn tạo ra một hình sin ở 40 kHz và do đó việc tiếp nhận những gì bạn tin là một xung sẽ phải chịu nhiều bộ lọc thông dải (do đầu dò 40 kHz).

$\mu s$

Tôi tin rằng bạn nên tìm kiếm các bộ chuyển đổi có tần số cộng hưởng lớn hơn, có thể lên tới 10 MHz. Điều này có nghĩa là bạn có thể áp dụng một xung chỉ dài vài micro giây và hy vọng các cạnh của xung đáng tin cậy để kích hoạt các bộ đếm để tính toán độ trễ thời gian.

Đây là trang đầu của bảng dữ liệu cho thiết bị siêu âm 40kHz thông thường: -

Lưu ý (trong hộp màu đỏ) băng thông hạn chế - điều này có nghĩa là một xung được truyền đến thiết bị sẽ tạo ra một chuỗi các dao động đổ chuông phân rã 40 kHz làm cho các phép đo hợp lý trở nên vô nghĩa. Ditto khi nhận được tín hiệu có thể là xung.

Để đơn giản hóa dự án, tôi sẽ không cố gắng tạo ra một cơ chế điện tử để tạo xung bên trong bê tông. Đơn giản chỉ cần tấn công bê tông với một vật cứng. Chỉ sử dụng cảm biến để nhận âm thanh.

Có lẽ một số loại điện từ có thể được chế tạo để rung qua lại và gõ vào bê tông nhiều lần trong một giây.

Nhận xét của tôi đã đề cập đến máy hiện sóng. Sử dụng điều đó bạn có thể có được một đồng bằng thời gian giữa hai điểm trên khối bê tông.

Biết vị trí của hai khối đó và vị trí mà bê tông bị đánh, giả sử tốc độ âm thanh đều theo mọi hướng trong bê tông, bạn có thể định hình tam giác để đạt được tốc độ.

Tôi cá với bạn rằng nếu bạn có thể chạm vào bê tông, giả sử, ít nhất 30 lần mỗi giây, bạn có thể có được hình ảnh dấu vết ổn định với phạm vi tương tự cũ không tốn kém. Quá trình quét có thể được kích hoạt bởi một kênh (tương ứng với đầu dò trước đó).

Tôi tự hỏi liệu không có gì hơn một công cụ khắc điện rẻ tiền sẽ không thực hiện thủ thuật tạo ra tín hiệu âm thanh đủ hữu ích trong bê tông. Những công cụ này có điểm kim loại sắc nét rung. Chúng được sử dụng như một cây bút để khắc dấu nhận dạng lên các vật thể (thường là nhựa hoặc kim loại). Điểm đục kim loại được gõ ở một số tần số dòng như 120 Hz. Khi bạn di chuyển công cụ quá nhanh, bạn có thể thấy các vòi riêng lẻ trong dấu vết kết quả trên vật liệu được khắc.

Chúng ta không cần các xung đến với tần suất cao; chỉ cần một cái gì đó đủ cao để có được một màn hình hiển thị ổn định (đủ thấp để tất cả tiếng vang bên trong khối bê tông có thể chết trước khi xung tiếp theo). Chúng tôi muốn các xung riêng lẻ có nội dung tần số cao: có cạnh sắc nét. Khi các vật cứng bị tấn công, điều đó có xu hướng tạo ra các tín hiệu sắc nét, với nội dung tần số vào phạm vi siêu âm.

Tôi đang tìm hiểu sâu về vấn đề này nhưng tôi rất nghi ngờ rằng bạn có thể dựa vào PIC để định thời gian. Có nghĩa là nếu bạn chỉ lưu ý thời gian, gửi kích thích, nhận phản hồi và sau đó so sánh thời gian, tôi có thể tưởng tượng rằng có thể rất khó để có được một bài đọc chính xác. Bạn cần một mạch sẽ phát ra kích thích, đọc phản hồi và phát ra một đại diện giá trị của thời gian trôi qua tất cả trong một bước hoàn toàn tương tự. Có lẽ có một mạch thông minh mà làm chính xác điều đó. Tôi không có ý kiến ​​gì. Nhìn vào mạch sonar cũ có thể. Nhưng tôi có thể đoán rằng nó sẽ có liên quan đến thời gian để tụ điện phóng điện (hoặc sạc) qua điện trở chỉ vì tụ điện và cuộn cảm là thành phần thụ động duy nhất có "bộ nhớ". Và bạn sẽ cần một "mẫu và giữ" mạch để lưu giá trị đầu ra thoáng qua. Lưu ý rằng op amp có thể không nhất thiết phải đủ nhanh. Tốc độ của âm thanh trong bê tông bình thường là gì? Tôi đoán là nó nhanh hơn một chút so với tốc độ âm thanh trong không khí. Nếu một amp op đủ nhanh, bạn có thể sạc một tụ điện với kích thích và so sánh nó với đầu ra của bộ chuyển đổi đáp ứng. Nếu bạn sắp xếp để hai điện áp giao nhau, đầu ra của op amp có thể bằng cách nào đó phản ánh thời gian giữa kích thích và đáp ứng. Có nghĩa là nếu thời gian ngắn thì đầu ra "cao" và nếu thời gian dài hơn, tụ điện có nhiều thời gian hơn để xả và đầu ra không cao bằng. s nhanh hơn một chút so với tốc độ âm thanh trong không khí. Nếu một amp op đủ nhanh, bạn có thể sạc một tụ điện với kích thích và so sánh nó với đầu ra của bộ chuyển đổi đáp ứng. Nếu bạn sắp xếp để hai điện áp giao nhau, đầu ra của op amp có thể bằng cách nào đó phản ánh thời gian giữa kích thích và đáp ứng. Có nghĩa là nếu thời gian ngắn thì đầu ra "cao" và nếu thời gian dài hơn, tụ điện có nhiều thời gian hơn để xả và đầu ra không cao bằng. s nhanh hơn một chút so với tốc độ âm thanh trong không khí. Nếu một amp op đủ nhanh, bạn có thể sạc một tụ điện với kích thích và so sánh nó với đầu ra của bộ chuyển đổi đáp ứng. Nếu bạn sắp xếp để hai điện áp giao nhau, đầu ra của op amp có thể bằng cách nào đó phản ánh thời gian giữa kích thích và đáp ứng. Có nghĩa là nếu thời gian ngắn thì đầu ra "cao" và nếu thời gian dài hơn, tụ điện có nhiều thời gian hơn để xả và đầu ra không cao bằng.

Một gợi ý cuối cùng, những gì bạn thực sự muốn làm là đo tần số đáp ứng. Có nghĩa là lấy FFT của phản ứng. Đó là tương đương điện tử của việc chạm vào một cái gì đó và liệt kê âm thanh của nó. Nếu nó nghe có vẻ buồn tẻ, có nghĩa là nó chỉ có tần số thấp, thì nó không phải là rắn. Nhưng nếu truyền tất cả các tần số, nó có thể dễ vỡ. Hoặc nếu nó truyền một tần số thực sự tốt thì nó sẽ tạo ra tiếng vang có thể là xấu hoặc tốt, đừng.