Circuito che misura la velocità del suono nel calcestruzzo

Ho bisogno di un circuito per misurare la velocità del suono nel calcestruzzo a 1μs o meglio. Questo è per una dimostrazione scolastica in cui gli studenti che studiano l'edilizia useranno questo circuito per misurare la velocità del suono in un campione di calcestruzzo per determinare la qualità del calcestruzzo.

Ho due trasduttori da 40kHz: uno per trasmettere l'impulso e l'altro per rilevare l'impulso sull'altro lato del campione di cemento che ha uno spessore di circa 10 cm.

Ho processori PIC per generare l'impulso e quindi rilevare l'impulso.

Tuttavia, quando guardo i numerosi tester commerciali di calcestruzzo ad ultrasuoni su

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

Dalle loro specifiche sembra che stiano funzionando con trasduttori khz, non mhz. Non menzionano frequenze superiori a 200 khz. Forse c'è una limitazione della buona trasmissione del suono nel calcestruzzo alle frequenze khz perché le frequenze mhz sono attenuate?

Ho un requisito per costruire un sistema studentesco MOLTO BASSO COSTO e posso trovare solo trasduttori economici da 40 kHz. I trasduttori Mhz che trovo sono troppo costosi per le mie esigenze.

Dalle specifiche per i dispositivi commerciali risulta che usano impulsi da 20us a 20ms e quindi attendono il rilevamento di un ricevitore prima di inviare un altro impulso. Quindi l'impulso più breve sarebbe solo un'onda sinusoidale completa da 40 kHz e impulsi più lunghi sarebbero diverse onde sinusoidali complete da 40 kHz. Qualsiasi distorsione può non essere importante perché non rileva una frequenza a banda stretta, ma solo il primo aumento dell'impulso dal ricevitore?

Per qualcuno questo ha senso? Voglio dire, qualcuno può aiutarmi a risolvere questo problema ...

Grazie.

Avendo lavorato nel settore degli ultrasuoni industriali / NDT (anche se era circa 30 anni fa :)), proverò ad aggiungere agli eccellenti consigli che hai già ricevuto.

Kaz sottolinea molto bene che dovresti usare un oscilloscopio. Questo è potenzialmente un progetto molto difficile e devi fare la ricerca e sviluppo necessaria sugli ultrasuoni prima di fare troppa progettazione del circuito.

Ci sono un paio di problemi con i trasduttori da 40 khz che potresti non essere in grado di superare. Innanzitutto, come sottolineato da Andy aka, il tempo per gli ultrasuoni di passare attraverso il calcestruzzo non è molto diverso dal periodo di un'onda di 40 khz. È possibile che sia possibile superarlo misurando la fase del segnale ricevuto rispetto al segnale trasmesso. In secondo luogo, i trasduttori sono stati probabilmente progettati per essere utilizzati in aria. A causa della grande variazione di densità quando l'ultrasuono entra ed esce dal calcestruzzo, perderai la maggior parte del segnale a causa dei riflessi. Potrebbe non esserci abbastanza segnale sul ricevitore. Poiché questa è probabilmente la soluzione più semplice, vale la pena testarla con un oscilloscopio.

Ora le cose diventano più complesse. Potrebbe essere necessario un accoppiatore diverso dall'aria per ridurre il miss-match della densità. Il giunto è il mezzo tra i trasduttori e il materiale da testare. Se riesci ad immergere il tuo campione, l'acqua è probabilmente la scelta migliore. Se non riesci a immergere il campione, potresti eventualmente usare grasso, vaselina, olio minerale o qualche tipo di gel (conoscevo un ingegnere di applicazioni ad ultrasuoni che giurò con il gel per capelli Dippity-Do, ma non credo che sia fatto più). I trasduttori da 40 kHz potrebbero non essere compatibili con accoppiamenti diversi dall'aria. L'accoppiatore del fluido deve sostituire tutta l'aria tra la superficie del trasduttore e il campione da testare.

Andy aka ha anche suggerito trasduttori di frequenza più elevata. Dovresti essere consapevole che quando entri nella gamma Mhz, avrai sicuramente bisogno di un accoppiatore diverso dall'aria perché gli ultrasuoni a queste frequenze si attenuano molto rapidamente nell'aria. Sono stato lontano dal business e non ho più familiarità con i prezzi o le fonti dei trasduttori, ma Google lo aiuterà. Modifica: da ulteriori ricerche, vedo che le frequenze adatte per l'ispezione del calcestruzzo in genere rientrano nell'intervallo da 24kHz a 200kHz (vedi "Ricerca aggiuntiva" di seguito).

Questi trasduttori di frequenza più elevata sono tipicamente pulsati con un impulso ad alta tensione molto veloce, in genere forse 300 V o più in <10 ns (più veloce è, meglio è). Ciò si ottiene in genere con un SCR veloce o, a seconda della tensione, circuiti che coinvolgono più SCR in serie. È un po 'come suonare un campanello con un martello.

Per quanto riguarda la misurazione della volocità: se i trasduttori non sono in contatto con il campione, sarà necessario sottrarre il tempo di viaggio attraverso il giunto (acqua o aria o altro). La velocità del suono nel giunto può variare a causa di vari fattori (come la temperatura e i contaminanti), quindi per la massima precisione è possibile misurarlo senza il calcestruzzo presente conoscendo la separazione tra i trasduttori. È quindi necessario sottrarre lo spessore del calcestruzzo dalla separazione del trasduttore per determinare la distanza percorsa attraverso il giunto, quindi conoscendo la distanza attraverso il giunto e la velocità del suono attraverso il giunto, è possibile calcolare il tempo trascorso viaggiando attraverso il giunto.

Per quanto riguarda il clock di campionamento e la risoluzione della misurazione della velocità: una tecnica utilizzata nel settore degli ultrasuoni per aumentare "efficacemente" la risoluzione consiste nell'utilizzare clock asincroni separati. Un orologio per derivare il trigger per l'impulso di trasmissione e un altro orologio per la misurazione del tempo. Quindi prendi la media di molte misurazioni. Ovviamente se hai bisogno di una risoluzione di 1μs nel tuo timer, questo non sarà necessario.

Ho appena trovato un test ad ultrasuoni sulla velocità degli impulsi del calcestruzzo su YouTube. Non ci sono molte informazioni tecniche sugli ultrasuoni stessi, ma può fornire alcune informazioni utili. Ci sono anche collegamenti ad altri video correlati. Vedo che usano un contatto diretto tra i trasduttori e il calcestruzzo raccomandando grasso o vaselina come accoppiatore.

Il Centro risorse NDT ha anche molte informazioni utili sui test ad ultrasuoni.

Modifica ... Ricerca aggiuntiva :

Secondo i trasduttori ad ultrasuoni a bassa frequenza a impulsi corti con contatto a secco. Sviluppo e applicazione. :

Il test ad ultrasuoni di calcestruzzo e cemento armato è possibile sulle frequenze non più di 150-200 kHz.

Questo documento prosegue con la discussione di un trasduttore "Dry Point Contact" (DPC) che apparentemente non utilizza accoppiatori.

Non so se troverai qualcosa di utile qui, ma è bene conoscere approcci alternativi.

IL MIGLIORAMENTO DELL'APPARECCHIO ULTRASUONI PER L'ISPEZIONE ORDINARIA DEL CALCESTRUZZO è un documento molto informativo sull'argomento. Di particolare interesse sono:

• 2.3 Tecniche di ispezione concrete e non distruttive (discute varie tecniche ultrasoniche e altre tecniche alternative)
• 2.4 L'apparecchiatura di prova PUNDIT (illustra i blocchi che compongono il design dell'attrezzatura ad ultrasuoni utilizzata e i trasduttori utilizzati)

Questo documento discute anche le frequenze utilizzate per i test concreti:

Diverse dimensioni di elemento piezoelettrico e custodia consentono una gamma di frequenze centrali del trasduttore da 24kHz a 200kHz adatte alla prova del calcestruzzo.

Nota finale: poiché l'uso di costosi trasduttori e pulsatori ad alta tensione potrebbe essere al di fuori del budget sia in termini di tempo che di denaro per un progetto studentesco, se non ti dispiace rischiare un paio di trasduttori su un po 'di ricerca e sviluppo, ti suggerirei di fare alcuni tentativi di modificare alcuni trasduttori dell'aria a 40 kHz economici per consentire l'uso di un accoppiatore. Utilizzare la trasmissione passante con contatto diretto sul calcestruzzo (di spessore noto) e vedere se è possibile ricevere un segnale. C'è molto aiuto sul web per quanto riguarda i circuiti per questi trasduttori. È possibile iniziare da Come collegare il trasduttore ad ultrasuoni

Non hai bisogno di un circuito, vorrei usare:

• hammer (vedere il commento di @hoosierEE, il martello potrebbe essere eccessivo)
• due piccoli microfoni piezoelettrici (anche un altoparlante piezoelettrico potrebbe funzionare)
• Oscilloscopio digitale a 2 canali

Incollare / fissare un microfono piezoelettrico su ciascun lato del calcestruzzo. Collegare il piezo 1 alla sonda 1, l'altro alla sonda 2. Attivare entrambi i canali. Impostare l'oscilloscopio per innescare e trattenere la sonda 1. Toccare il calcestruzzo con il martello accanto al piezoelettrico 1. L'oscilloscopio dovrebbe attivarsi e quindi è possibile calcolare la differenza tra gli impulsi iniziale e finale. Esegui più misurazioni per aumentare la precisione.

Questo sarà molto più economico e richiederà meno tempo rispetto ad altri progetti. Come bonus avrai un oscilloscopio digitale per altri prac come motori, microfoni, ecc.

La velocità del suono nel calcestruzzo (secondo uk.ask.com ) è di circa 3400 m / se quindi prenderà il suono$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$ secondi per viaggiare attraverso un blocco di cemento di 10 cm - sono circa 29$\mu s$.

Un trasduttore ultrasonico a 40 kHz vuole produrre un'onda sinusoidale a 40 kHz e quindi la ricezione di ciò che si ritiene debba essere un impulso sarà soggetta a un sacco di filtri passa banda (a causa del trasduttore a 40 kHz).

A parte la sciattezza del segnale ricevuto, 40 kHz ha un periodo di 25$\mu s$ e questo è praticamente il periodo di tempo previsto perché il suono attraversi il cemento.

Credo che dovresti cercare trasduttori con una frequenza di risonanza massicciamente superiore, forse fino a 10 MHz. Ciò significa che è possibile applicare un impulso lungo solo pochi microsecondi e aspettarsi che i bordi dell'impulso siano affidabili per l'attivazione dei contatori al fine di calcolare il ritardo.

Ecco la prima pagina di una scheda tecnica per un tipico dispositivo a ultrasuoni 40kHz: -

Nota (nella casella rossa) la larghezza di banda limitata - questo significa che un impulso inviato al dispositivo produrrà una serie di oscillazioni di squillo che decadono a 40 kHz rendendo le misurazioni sensibili un po 'insignificanti. Idem quando si riceve un segnale che potrebbe essere un impulso.

Per semplificare il progetto, non proverei a creare un meccanismo elettronico per generare l'impulso all'interno del calcestruzzo. Basta colpire il cemento con un oggetto duro. Utilizzare i sensori solo per captare il suono.

Forse una specie di solenoide può essere truccata per vibrare avanti e indietro e toccare il calcestruzzo così tante volte al secondo.

Il mio commento menziona già l'oscilloscopio. Usandolo potresti essere in grado di ottenere un delta temporale tra due punti sul blocco di cemento.

Conoscendo la posizione di quei due blocchi e la posizione in cui viene colpito il calcestruzzo, assumendo una velocità uniforme del suono in ogni direzione all'interno del calcestruzzo, è possibile triangolare per ottenere la velocità.

Scommetto che se riesci a toccare il calcestruzzo, diciamo, almeno 30 volte al secondo, potresti essere in grado di ottenere un'immagine di traccia stabile con un vecchio ambito analogico economico. Lo sweep può essere attivato da un canale (corrispondente al trasduttore precedente).

Mi chiedo se nient'altro che uno strumento per incisore elettrico economico non farebbe solo il trucco di generare segnali sonori sufficientemente utili nel calcestruzzo. Questi strumenti hanno una punta metallica affilata che vibra. Sono usati come una penna per incidere segni identificativi su oggetti (di solito di plastica o di metallo). Il punto metallico dello scalpello viene sfruttato con un multiplo della frequenza di linea come 120 Hz. Quando si sposta lo strumento troppo rapidamente, è possibile vedere i singoli tocchi nella traccia risultante sul materiale da incidere.

Non abbiamo bisogno che gli impulsi arrivino ad alta frequenza; solo qualcosa di abbastanza alto da ottenere una visualizzazione visiva stabile (eppure abbastanza basso da far scomparire tutti gli echi interni all'interno del blocco di cemento prima dell'impulso successivo). Vogliamo che gli impulsi abbiano individualmente un contenuto ad alta frequenza: avere un bordo tagliente. Quando vengono colpiti oggetti duri, questo tende a produrre segnali nitidi, con un contenuto di frequenza nella gamma ultrasonica.

Sono fuori dalla mia profondità su questo, ma dubito fortemente che tu possa fare affidamento sul PIC per i tempi. Significa che se si nota l'ora, si invia lo stimolo, si riceve la risposta e si confronta il tempo, posso immaginare che potrebbe essere molto difficile ottenere una lettura accurata. Hai bisogno di un circuito che emetterà lo stimolo, legga la risposta ed emetta un valore rappresentativo del tempo trascorso tutto in un passo puramente analogico. C'è probabilmente un circuito intelligente che fa esattamente questo. Cosa non ho idea. Cerca nei vecchi circuiti del sonar forse. Ma posso immaginare che avrebbe qualcosa a che fare con il tempo impiegato da un condensatore per scaricarsi (o caricarsi) attraverso un resistore solo perché condensatori e induttori sono gli unici componenti passivi che hanno "memoria". E avrai bisogno di un "campione e tieni premuto" circuito per salvare il valore di uscita altrimenti fugace. Notare che un amplificatore operazionale potrebbe non essere necessariamente abbastanza veloce. Qual è la velocità del suono nel calcestruzzo normalmente? La mia ipotesi è che è un po 'più veloce della velocità del suono nell'aria. Se un amplificatore operazionale è abbastanza veloce, è possibile caricare un condensatore con lo stimolo e confrontarlo con l'uscita del trasduttore di risposta. Se si prevede che le due tensioni si incrociano, l'uscita dell'amplificatore operazionale potrebbe in qualche modo riflettere il tempo tra stimolo e risposta. Ciò significa che se il tempo è breve, l'uscita è "alta" e se il tempo è più lungo, il condensatore ha più tempo per scaricarsi e l'uscita non è così alta. s un po 'più veloce della velocità del suono nell'aria. Se un amplificatore operazionale è abbastanza veloce, è possibile caricare un condensatore con lo stimolo e confrontarlo con l'uscita del trasduttore di risposta. Se si prevede che le due tensioni si incrociano, l'uscita dell'amplificatore operazionale potrebbe in qualche modo riflettere il tempo tra stimolo e risposta. Ciò significa che se il tempo è breve, l'uscita è "alta" e se il tempo è più lungo, il condensatore ha più tempo per scaricarsi e l'uscita non è così alta. s un po 'più veloce della velocità del suono nell'aria. Se un amplificatore operazionale è abbastanza veloce, è possibile caricare un condensatore con lo stimolo e confrontarlo con l'uscita del trasduttore di risposta. Se si prevede che le due tensioni si incrociano, l'uscita dell'amplificatore operazionale potrebbe in qualche modo riflettere il tempo tra stimolo e risposta. Ciò significa che se il tempo è breve, l'uscita è "alta" e se il tempo è più lungo, il condensatore ha più tempo per scaricarsi e l'uscita non è così alta.

Un ultimo suggerimento, quello che vuoi davvero fare è misurare la risposta in frequenza. Il significato prende la FFT della risposta. Questo è l'equivalente elettronico di toccare qualcosa e elencare come suona. Se sembra noioso, significa che ha solo basse frequenze, quindi non è solido. Ma se trasmette tutte le frequenze potrebbe essere fragile. O se trasmette davvero una frequenza è risonante che potrebbe essere buona o cattiva, donno.