数据采集与信号处理装置的优化方案

对于大多数检测超声系统而言，由超声波换能器接收到的有效回波信号往往是脉冲或脉冲簇信号，其持续时间有时不到1μs。以一个采样率为2 MHz的数据采集系统为例，如果每个通道存储量为8 kB，它仅能记录4 ms长度的信号。若脉冲信号的重复间隔为几十毫秒甚至更长时，如何触发采集数据而保证有效采集到回波信号，是一个非常重要的问题。

通常采用的有以下三种触发技术：

（1）电触发。电触发就是指由发射电脉冲信号来启动数据采集系统。对一些主动式检测超声波设备，在发射启动脉冲给发射电路后，经过一定延时才可确定接收回波信号。因此在启动发射电路的同时，给出一个启动脉冲去触发单稳态触发器，经过一定延时后由单稳态触发器给出脉冲去启动采集系统。这种方法在设计电路上，可以将延迟时间设计为手动可调，以便具体测试时根据具体要求调节，保证采集到有效信号。

（2）声触发。声触发就是用接收到的回波信号来触发数据采集。对于超声波探伤等被动系统，声触发较为简单。最常用的方法就是监测接收超声波信号的电平，一旦电平超过一个预先设定的阈值，即启动数据采集工作。

（3）外触发。外触发就是根据具体的检测超声波系统特性，设计一套专用电路来保证正确的触发时刻，这尤其适用于周期性超声波信号的数据采集系统。

比较几种触发方式，电触发实现最简单，但适用范围限制较大；声触发工作稳定性差，易误触发；外触发实现繁杂，需要专门设计电路，但它具有声触发被动接收的优点，可以完成实时在线测量，同时工作稳定性高。

纳米颗粒超声波测量技术中所采用的超声波频率较高，信号数据量庞大，普通的数据采集卡难以满足要求，根据耐奎斯特（Nyquist）采样理论，采样频率必须是信号最高频率的2倍，否则就会出现频率混迭（图6.4）。例如，对于频率为20 MHz的超声波信号，其采样频率至少需要40 MHz。在实际采样时，为保证数据采集精度，采样率应取模拟信号的7～10倍，在编制的实际测量程序中，将采样率设置为连续可调。

图6.4　采样频率对波形恢复的影响

为满足高频、大数据量超声波信号的采集需要，本书试验选择美国某公司所生产的PCI-5114型双通道高速A/D卡，其最高采样频率可达250 MS/s，8位A/D，单通道存储容量为8 M，能够满足实时信号不间断采集和存储。具体实物如图6.5所示。(www.xing528.com)

图6.5　PCI-5114高速A/D卡

利用该采集卡，可以非常方便地实现数据的采集、保存和演示。为了更适合研究需要，基于LabVIEW软件，编制了数据采集程序。数据采集程序如图6.6所示。

图6.6　信号采集界面

由图6.6可见，采样频率连续可调，触发模式也可任意选择，采集数据可以根据实时显示的波形非常方便地保存到指定目录下。

超声谱测量的理论与测量技术在第3章中已经有详细介绍，从降低测量成本的角度出发，本研究选择采集脉冲超声波的变声程反射回波信号进行处理研究，并采用LabVIEW软件编写了专门的信号处理程序。程序界面如图6.7所示。

图6.7　超声波信号频谱分析程序界面

该信号处理软件中，可以方便地将采集到的超声波信号做FFT变换或者STFT变换，并可自由选择窗函数类型以及窗函数宽度，并将谱信号保存到指定文件夹。