Схема, которая измеряет скорость звука в бетоне

Мне нужна схема для измерения скорости звука в бетоне до 1 мкс или лучше. Это для школьной демонстрации, где учащиеся, которые изучают строительство, будут использовать эту схему для измерения скорости звука в образце бетона для определения качества бетона.

У меня есть два датчика 40 кГц: один для передачи импульса, а другой для обнаружения импульса на другой стороне конкретного образца толщиной около 10 см.

У меня есть PIC-процессоры для генерации импульса и последующего его обнаружения.

Однако, когда я смотрю на многие коммерческие ультразвуковые тестеры бетона на

http://www.alibaba.com/trade/search?sb=y&IndexArea=product_en&CatId=&SearchText=Ultrasonic+Concrete+Tester

Из их спецификаций следует, что они работают с кГц-преобразователями, а не с МГц. Они не упоминают частоты выше 200 кГц. Возможно, есть ограничение хорошей передачи звука в бетоне до частот кГц, потому что частоты МГц ослаблены?

У меня есть требование, чтобы построить ОЧЕНЬ НИЗКУЮ СТОИМОСТЬ студенческой системы, и я могу найти только недорогие преобразователи 40 кГц. МГц преобразователи, которые я могу найти, слишком дороги для моих требований.

Из технических характеристик коммерческих устройств следует, что они используют импульсы от 20 до 20 мс, а затем ждут обнаружения приемника перед отправкой другого импульса. Таким образом, самый короткий импульс будет всего одной полной синусоидальной волной 40 кГц, а более длинные импульсы будут несколькими полными синусоидальными волнами 40 кГц. Любые искажения могут быть не важны, потому что они не обнаруживают узкополосную частоту, а только первое повышение импульса от приемника?

Имеет ли это смысл для кого-либо? Я имею в виду, кто-нибудь может мне помочь решить эту проблему ...

Спасибо.

Поработав в области промышленной ультразвука / неразрушающего контроля (хотя это было около 30 лет назад :)), я постараюсь добавить к прекрасному совету, который вы уже получили.

Kaz делает очень хорошее замечание, что вы должны использовать осциллограф. Это потенциально очень сложный проект, и вам необходимо провести необходимые исследования и разработки в области ультразвука, прежде чем делать слишком много схемотехники.

Есть пара проблем с преобразователями 40 кГц, которые вы можете или не можете преодолеть. Во-первых, как указал Энди ака, время прохождения ультразвука через бетон мало чем отличается от периода волны 40 кГц. Вы МОЖЕТЕ быть в состоянии преодолеть это, измеряя фазу принятого сигнала относительно переданного сигнала. Во-вторых, ваши датчики, вероятно, были разработаны для использования в воздухе. Из-за большого изменения плотности, когда ультразвук входит и выходит из бетона, вы потеряете большую часть вашего сигнала из-за отражений. На приемнике может быть недостаточно сигнала. Поскольку это, вероятно, самое простое решение, его стоит протестировать с помощью осциллографа.

Теперь все становится сложнее. Вам может понадобиться соединение, отличное от воздуха, чтобы уменьшить несоответствие плотности. Соединение является средой между преобразователями и тестируемым материалом. Если вы можете погрузить образец, вода, вероятно, является лучшим выбором. Если вы не можете погрузить образец, вы можете использовать смазку, вазелин, минеральное масло или какой-либо тип геля (я знал инженера по ультразвуковым технологиям, который поклялся гелем для волос Dippity-Do, но я не думаю, что это сделано больше) Ваши 40 кГц преобразователи могут быть несовместимы с другими компонентами, кроме воздушных. Гидравлическое соединение должно заменять весь воздух между поверхностью преобразователя и тестируемым образцом.

Энди также предложил более высокочастотные преобразователи. Вы должны знать, что когда вы попадете в диапазон МГц, вам определенно понадобится соединение, отличное от воздушного, потому что ультразвук на этих частотах очень быстро затухает в воздухе. Я был вне бизнеса и больше не знаком с ценами на датчики или источниками, но Google поможет с этим. Редактировать: Из дополнительных исследований я вижу, что частоты, подходящие для проверки бетона, обычно находятся в диапазоне от 24 кГц до 200 кГц (см. «Дополнительные исследования» ниже).

Эти высокочастотные преобразователи обычно пульсируют очень быстрым импульсом высокого напряжения, обычно 300 В или более в течение <10 нс (чем быстрее, тем лучше). Обычно это достигается с помощью быстрого SCR или, в зависимости от напряжения, цепей, включающих несколько SCR последовательно. Это как звон колокола с молотком.

Что касается измерения летучести: если ваши датчики не соприкасаются с образцом, вам нужно будет вычесть время прохождения через соединение (вода или воздух или что-то еще). Скорость звука в соединении может варьироваться в зависимости от различных факторов (таких как температура и загрязняющие вещества), поэтому для лучшей точности вы можете измерить ее без конкретного бетона, зная расстояние между датчиками. Затем вам нужно вычесть толщину бетона из расстояния между датчиками, чтобы определить расстояние, пройденное через соединение, затем, зная расстояние через соединение и скорость звука через соединение, вы можете рассчитать время, проведенное через соединение.

Относительно ваших тактовых импульсов и вашего разрешения измерения скорости: метод, используемый в ультразвуковой промышленности для «эффективного» увеличения разрешения, заключается в использовании отдельных асинхронных часов. Один час, чтобы получить триггер для вашего импульса передачи, и другие часы для измерения времени. Затем вы берете среднее из многих измерений. Конечно, если вам нужно только разрешение 1 мкс в таймере, это не будет необходимо.

Я только что нашел ультразвуковой тест скорости пульса бетона на YouTube. Существует не так много технической информации о самих ультразвуках, но она может предоставить некоторую полезную информацию. Есть также ссылки на другие похожие видео. Я вижу, что они используют прямой контакт между датчиками и бетоном, рекомендуя смазку или вазелин в качестве соединения.

Ресурсный центр NDT также много полезной информации о УЗК.

Изменить ... Дополнительные исследования :

По данным ультразвуковых низкочастотных короткоимпульсных преобразователей с сухим контактом. Разработка и применение. :

Ультразвуковой контроль бетона и железобетона возможен на частотах не более 150 - 200 кГц.

Эта статья посвящена обсуждению датчика «Сухого контакта» (DPC), который, по-видимому, не использует сопряжение.

Я не знаю, найдете ли вы здесь что-нибудь полезное, но полезно знать альтернативные подходы.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТОВАРНОЙ ИНСПЕКЦИИ БЕТОНА - очень информативный документ на эту тему. Особый интерес представляют:

• 2.3 Конкретные и неразрушающие методы контроля (обсуждаются различные ультразвуковые методы и другие альтернативные методы)
• 2.4 Испытательное оборудование PUNDIT (обсуждаются блоки, составляющие конструкцию используемого ультразвукового оборудования, а также используемые преобразователи)

В этой статье также обсуждаются частоты, используемые для конкретных испытаний:

Различные размеры пьезоэлектрического элемента и корпуса позволяют использовать диапазон центральных частот преобразователя от 24 кГц до 200 кГц, подходящий для испытаний бетона.

Заключительное примечание: поскольку использование дорогостоящих преобразователей и высоковольтных импульсных датчиков может оказаться не по средствам вашего времени и денег для студенческого проекта, если вы не возражаете рискнуть парой преобразователей в некоторых исследованиях и разработках, я бы посоветовал вам некоторые попытки модифицировать некоторые недорогие воздушные преобразователи 40 кГц, чтобы позволить использовать сопряжение. Используйте сквозную передачу с прямым контактом с бетоном (известной толщины) и посмотрите, сможете ли вы получить сигнал. В Интернете очень много информации о схемах для этих преобразователей. Вы можете начать с Как подключить ультразвуковой преобразователь

Вам не нужна схема, я бы использовал:

• молоток (см. комментарий @hoosierEE, молоток может быть излишним)
• два небольших пьезоэлектрических микрофона (даже пьезодинамик может работать)
• 2-канальный цифровой осциллограф

Приклейте / прикрепите пьезо-микрофон к каждой стороне бетона. Подключите пьезо 1 к датчику 1, другой к датчику 2. Включите оба канала. Установите прицел на срабатывание и удерживайте зонд 1. Постучите по бетону молотком рядом с пьезо 1. Прицел должен сработать, и тогда вы сможете определить разницу между начальным и конечным импульсами. Сделайте несколько измерений, чтобы повысить точность.

Это будет намного дешевле и займет меньше времени, чем другие проекты. В качестве бонуса у вас будет цифровой осциллограф для других устройств, таких как двигатели, микрофоны и т. Д.

Скорость звука в бетоне (по данным uk.ask.com ) составляет около 3400 м / с, и, следовательно, звук будет примерно$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$ секунд, чтобы пройти через 10 см бетонный блок - это около 29$\mu s$,

Ультразвуковой преобразователь 40 кГц хочет создать синусоидальную волну на частоте 40 кГц, и поэтому прием того, что, по вашему мнению, должно быть импульсом, будет подвергаться значительной полосовой фильтрации (из-за преобразователя 40 кГц).

Помимо неровностей принятого сигнала, 40 кГц имеет период 25$\mu s$ и это в значительной степени ожидаемое время, чтобы звук пересек бетон.

Я считаю, что вы должны искать преобразователи, которые имеют значительно более высокую резонансную частоту, возможно, до 10 МГц. Это означает, что вы можете подать импульс длительностью всего несколько микросекунд и ожидать, что его границы будут надежными для запуска счетчиков для расчета задержки по времени.

Вот первая страница таблицы данных для типичного ультразвукового устройства 40 кГц: -

Обратите внимание (в красной рамке) на ограниченную полосу пропускания - это означает, что импульс, подаваемый на устройство, будет генерировать серию затухающих звонких колебаний 40 кГц, делая осмысленные измерения немного бессмысленными. То же самое при получении сигнала, который может быть импульсом.

Чтобы упростить проект, я бы не стал создавать электронный механизм генерации импульса внутри бетона. Просто ударьте бетон твердым предметом. Используйте датчики только для улавливания звука.

Возможно, какой-то соленоид можно настроить так, чтобы он вибрировал взад-вперед и стучал по бетону столько раз в секунду.

Мой комментарий уже упоминает осциллограф. Используя это, вы сможете получить разницу времени между двумя точками на бетонном блоке.

Зная положение этих двух блоков и положение удара по бетону, предполагая равномерную скорость звука во всех направлениях внутри бетона, вы можете выполнить триангуляцию для получения скорости.

Могу поспорить, что если вы можете постучать по бетону, скажем, по крайней мере, 30 раз в секунду, вы сможете получить стабильное изображение трассы с недорогим старым аналоговым прицелом. Развертка может быть запущена одним каналом (соответствует более раннему датчику).

Мне интересно, не более ли недорогой электрический гравер? инструмент, просто достаточно полезные звуковые сигналы в бетоне. У этих инструментов есть острая металлическая точка, которая вибрирует. Они используются как ручка, чтобы выгравировать идентифицирующие отметки на объектах (обычно пластмассовых или металлических). Точка металлического долота постукивается с некоторой кратностью частоты линии, например, 120 Гц. Когда вы перемещаете инструмент слишком быстро, вы можете увидеть отдельные метки на полученном следе на гравируемом материале.

Нам не нужны импульсы, чтобы приходить с высокой частотой; просто что-то достаточно высокое, чтобы получить стабильное визуальное отображение (и все же достаточно низкое, чтобы все внутренние эхосигналы внутри бетонного блока могли стихнуть до следующего импульса). Мы хотим, чтобы импульсы по отдельности имели высокочастотное содержание: иметь острый край. Когда твердые предметы ударяются, это имеет тенденцию давать резкие сигналы с частотным содержанием в ультразвуковом диапазоне.

Я далеко ухожу от этого, но я очень сомневаюсь, что вы можете рассчитывать на PIC для выбора времени. То есть, если вы просто отметите время, отправите стимул, получите ответ, а затем сравните время, я могу представить, что получить точное чтение может быть очень трудно. Вам нужна схема, которая будет излучать стимул, читать ответ и излучать значение, представляющее время, прошедшее за один чисто аналоговый шаг. Вероятно, есть хитрая схема, которая делает именно это. Что это я понятия не имею. Посмотрите на старые схемы сонара, возможно. Но я могу предположить, что это будет связано со временем, которое требуется конденсатору для разрядки (или зарядки) через резистор только потому, что конденсаторы и катушки индуктивности являются единственными пассивными компонентами, которые имеют «память». И вам понадобится "образец и держите" схема для сохранения мимолетного выходного значения. Обратите внимание, что операционный усилитель не обязательно может быть достаточно быстрым. Какова скорость звука в бетоне в норме? Я предполагаю, что это немного быстрее, чем скорость звука в воздухе. Если операционный усилитель достаточно быстр, вы можете зарядить конденсатор стимулом и сравнить его с выходным сигналом ответного преобразователя. Если вы согласуете пересечение двух напряжений, выходной сигнал операционного усилителя может как-то отражать время между стимулом и откликом. Это означает, что если время короткое, выход «высокий», а если время больше, конденсатор имеет больше времени на разрядку, а выход не такой высокий. Это немного быстрее, чем скорость звука в воздухе. Если операционный усилитель достаточно быстр, вы можете зарядить конденсатор стимулом и сравнить его с выходным сигналом ответного преобразователя. Если вы согласуете пересечение двух напряжений, выходной сигнал операционного усилителя может как-то отражать время между стимулом и откликом. Это означает, что если время короткое, выход «высокий», а если время больше, конденсатор имеет больше времени на разрядку, а выход не такой высокий. Это немного быстрее, чем скорость звука в воздухе. Если операционный усилитель достаточно быстр, вы можете зарядить конденсатор стимулом и сравнить его с выходным сигналом ответного преобразователя. Если вы согласуете пересечение двух напряжений, выходной сигнал операционного усилителя может как-то отражать время между стимулом и откликом. Это означает, что если время короткое, выход «высокий», а если время больше, конденсатор имеет больше времени на разрядку, а выход не такой высокий.

Последнее предложение, которое вы действительно хотите сделать, это измерить частотную характеристику. Смысл взять БПФ ответа. Это электронный эквивалент постукивания по чему-либо и перечисления его звучания. Если он звучит скучно, то есть имеет низкие частоты, значит, он не твердый. Но если передает все частоты, это может быть хрупким. Или, если она действительно хорошо передает одну частоту, она резонирует, что может быть плохо или хорошо, не правда ли.