测量混凝土声速的电路

我需要一个电路来测量混凝土中声速至1μs或更好。这是为学校示范而设计的，在那里学习建筑的学生将使用此电路来测量混凝土样品中的声速，以确定混凝土的质量。

我有两个40kHz的换能器：一个用于传输脉冲，另一个用于检测大约10厘米厚的混凝土样品另一侧的脉冲。

我有PIC处理器来生成脉冲，然后检测脉冲。

但是，当我看到许多商用超声波混凝土测试仪时，

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

从他们的规格看来，他们使用的是khz传感器，而不是mhz。他们没有提到高于200khz的频率。也许由于mhz频率衰减了，所以声音在混凝土中良好地传输到khz频率有局限性吗？

我有一个构建成本非常低的学生系统的要求，而我只能找到便宜的40khz传感器。我可以找到的Mhz传感器对于我的要求来说太昂贵了。

从商用设备的规范中可以看出，它们使用20us到20ms的脉冲，然后在发送另一个脉冲之前等待接收器检测到。因此，最短的脉冲将只是一个完整的40khz正弦波，而较长的脉冲将是几个完整的40khz正弦波。任何失真可能都不重要，因为它们没有检测到窄带频率，而只是检测到接收器脉冲的第一次上升？

这对任何人有意义吗？我的意思是有人可以帮助我解决这个问题...

谢谢。

在工业超声/ NDT行业工作（尽管大约30年前:)），我将尽力为您提供出色的建议。

哈兹（Kaz）指出，您应该使用示波器。这可能是一个非常困难的项目，在进行过多的电路设计之前，您需要对超声波进行必要的研发。

40khz换能器存在几个您可能无法解决的问题。首先，正如安迪·安卡（Andy aka）所指出的，超声波通过混凝土的时间与40khz波的周期没有太大区别。您也许可以通过测量接收信号相对于发射信号的相位来克服这一问题。其次，您的换能器很可能被设计用于空气中。由于超声波在进入和离开混凝土时的密度变化很大，由于反射，您将损失大部分信号。接收器可能没有足够的信号。由于这可能是您最简单的解决方案，因此值得用示波器进行测试。

现在事情变得更加复杂。您可能需要除空气以外的其他耦合剂，以减少密度不匹配的情况。耦合剂是换能器与被测材料之间的介质。如果您可以浸泡样品，则水可能是最佳选择。如果您无法将样品浸入水中，则可以使用油脂，凡士林，矿物油或某种类型的凝胶（我知道超声波技术应用工程师会用Dippity-Do发胶发誓，但我认为并非如此）还有）。您的40khz传感器可能与空气以外的其他耦合剂不兼容。液体耦合剂必须替代换能器表面与被测样品之间的所有空气。

安迪（aka）也提出了更高频率的换能器的建议。您应该意识到，进入Mhz范围时，肯定会需要除空气以外的耦合剂，因为这些频率的超声波会在空气中迅速衰减。我已经离开公司了，不再对换能器的价格或来源有所了解，但是Google会为您提供帮助。编辑：从其他研究中，我发现适合混凝土检查的频率通常在24kHz至200kHz的范围内（请参见下面的“其他研究”）。

这些较高频率的换能器通常以非常快的高压脉冲进行脉冲，通常可能在<10ns内达到300V或更高（越快越好）。通常，这可以通过快速SCR或取决于电压的串联多个SCR的电路来实现。有点像用锤子敲钟。

关于速度测量：如果您的换能器未与样品接触，则需要减去通过耦合剂（水或空气等）的传播时间。由于各种因素（例如温度和污染物），耦合剂中的声速可能会有所不同，因此，为了获得最佳精度，您可以通过了解换能器之间的间隔来在没有混凝土的情况下进行测量。然后，您需要从换能器间距中减去混凝土厚度，以确定穿过耦合剂的距离，然后知道穿过耦合剂的距离和穿过耦合剂的声速，就可以计算出穿过耦合剂的时间。

关于采样时钟和速度测量分辨率：超声波行业中“有效”提高分辨率的一种技术是使用单独的异步时钟。一个时钟用于导出传输脉冲的触发信号，另一个时钟用于时间测量。然后，您将许多测量结果取平均值。当然，如果您的计时器只需要1μs的分辨率，则没有必要。

我刚刚在YouTube上找到了混凝土的超声波脉冲速度测试。关于超声波本身的技术信息不多，但可能会提供一些有用的信息。也有指向其他相关视频的链接。我看到它们在换能器与混凝土之间直接接触，建议使用油脂或凡士林作为耦合剂。

在NDT资源中心还对超声波探伤很多有用的信息。

编辑...其他研究：

根据与干点Contact.Development和应用超声波低频短脉冲传感器。：

可以在不超过150-200 kHz的频率下对混凝土和钢筋混凝土进行超声测试。

本文继续讨论显然不使用耦合剂的“干点接触”（DPC）换能器。

我不知道您是否会在这里找到任何有用的方法，但是最好知道其他方法。

用于常规检查混凝土的超声仪器的改进是关于该主题的非常有用的论文。特别令人感兴趣的是：

• 2.3具体和无损检查技术（讨论各种超声技术和其他替代技术）
• 2.4 PUNDIT测试设备（讨论构成所使用的超声设备以及所使用的传感器的模块）

本文还讨论了用于具体测试的频率：

压电元件和外壳的大小不同，可实现范围从24kHz至200kHz的换能器中心频率，适用于混凝土测试。

最后说明：由于使用昂贵的换能器和高压脉冲发生器可能不适合您的学生项目，因此既耗费时间又不花钱，因此，如果您不介意在某些研发中冒险使用几个换能器，我建议您一些尝试修改一些便宜的40kHz空气传感器以允许使用耦合剂。在与混凝土（已知厚度）直接接触的情况下使用直通传输，并查看是否可以接收信号。Web上关于这些换能器的电路有很多帮助。您可能从如何连接超声波换能器开始

您不需要电路，我可以使用：

• 锤子（请参阅@hoosierEE评论，锤子可能会过大）
• 两个小型压电麦克风（甚至压电扬声器也可以工作）
• 2通道数字示波器

将压电麦克风胶粘/粘在混凝土的每一面。将压电1连接到探头1，另一个连接到探头2。打开两个通道。设置示波器以触发并延缓探针1。用锤子在压电1旁边敲击混凝土。示波器将触发，然后您可以算出初始脉冲和最终脉冲之间的差。进行多次测量以提高准确性。

与其他项目相比，这将更便宜，耗时更少。作为奖励，您将有一个用于其他用途的数字示波器，例如电动机，麦克风等。

混凝土中的声音速度（根据uk.ask.com）约为3400 m / s，因此穿过 10 cm的混凝土块需要约秒的声音-大约29。$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$$\mu s$

40 kHz超声换能器要产生40 kHz的正弦波，因此接收到您认为应该是脉冲的信号会受到很多带通滤波的影响（由于40 kHz换能器）。

除了接收信号的倾斜之外，40 kHz的周期为，这几乎是声音穿过混凝土的预期时间。$\mu s$

我相信您应该寻找具有更高谐振频率（可能高达10 MHz）的换能器。这意味着您可以施加仅几微秒长的脉冲，并期望脉冲的边沿对于触发计数器是可靠的，以便计算时间延迟。

这是典型的40kHz超声设备的数据表的首页：-

注意（在红色框中）有限的带宽-这意味着传送到设备的脉冲将产生一系列40 kHz衰减的振铃振荡，从而使明智的测量变得毫无意义。接收可能是脉冲的信号时同上。

为了简化项目，我不会尝试建立一种在混凝土内部产生脉冲的电子机制。只需用坚硬的物体撞击混凝土即可。仅将传感器用于拾取声音。

也许可以操纵某种螺线管来回振动，并在一秒钟内多次敲击混凝土。

我的评论已经提到了示波器。使用它，您可能能够在混凝土砌块的两点之间获得时间增量。

知道了这两个块的位置以及被敲击混凝土的位置，假设在混凝土内部各个方向上的声速均匀，则可以进行三角剖分以获得速度。

我敢打赌，如果您每秒至少可以敲击混凝土30次，那么您可以使用便宜的旧模拟示波器获得稳定的跟踪图像。扫描可以由一个通道触发（对应于较早的换能器）。

我想知道，除了廉价的电动雕刻工具外，难道不只是在混凝土中产生足够有用的声音信号的窍门。这些工具具有振动的尖锐金属点。它们像笔一样用于在物体（通常是塑料或金属物体）上雕刻识别标记。金属凿点以线频率的某些倍数（例如120 Hz）被攻丝。当您太快地移动工具时，您会在所雕刻的材料的结果轨迹中看到各个分接头。

我们不需要脉冲以高频率到达。刚好高到足以获得稳定的视觉显示（但又足够低，以至于下一个脉冲之前，混凝土砌块内的所有内部回声都可以消失）。我们希望脉冲分别具有高频成分：具有尖锐的边缘。撞击硬物时，往往会发出尖锐的信号，其频率范围在超声范围内。

我对此不太了解，但是我非常怀疑您可以依靠PIC来安排时间。这意味着如果您只记录时间，发送刺激，接收响应然后比较时间，我可以想象得到准确的读数可能非常困难。您需要一个能够发出刺激信号，读取响应并发出代表经过的时间的值的电路，该电路可以在一个纯模拟步骤中完成。可能有一个巧妙的电路可以做到这一点。我不知道是什么 看看旧的声纳电路。但是我可以猜测，这与电容器通过电阻放电（或充电）所花费的时间有关，这仅是因为电容器和电感器是仅有的具有“记忆”的无源组件。而且您需要“采样并按住” 电路来保存否则短暂的输出值。请注意，运算放大器也不一定足够快。混凝土中的声速通常是多少？我的猜测是它比空气中的音速快很多。如果运算放大器足够快，则可以通过激励为电容器充电，并将其与响应传感器的输出进行比较。如果安排两个电压交叉，则运算放大器的输出可能会以某种方式反映激励和响应之间的时间。这意味着如果时间短，则输出为“高”，如果时间较长，则电容器有更多的放电时间，输出也不那么高。比空气中的声音速度快很多。如果运算放大器足够快，则可以通过激励为电容器充电，并将其与响应传感器的输出进行比较。如果安排两个电压交叉，则运算放大器的输出可能会以某种方式反映激励和响应之间的时间。这意味着如果时间短，则输出为“高”，如果时间较长，则电容器有更多的放电时间，输出也不会很高。比空气中的声音速度快很多。如果运算放大器足够快，则可以通过激励对电容器充电，并将其与响应传感器的输出进行比较。如果安排两个电压交叉，则运算放大器的输出可能会以某种方式反映激励和响应之间的时间。这意味着如果时间短，则输出为“高”，如果时间较长，则电容器有更多的放电时间，输出也不那么高。

最后一条建议，您真正想要做的是测量频率响应。含义取响应的FFT。这相当于在电子上敲击某物并列出其声音。如果听起来很沉闷，这意味着它只有低频，那么就不是很牢固。但是，如果传输所有频率，则可能很脆弱。或者，如果它确实很好地传输了一个频率，那就很共振了，这可能是不好的，也可能是好的。