Schaltung, die die Schallgeschwindigkeit in Beton misst

Ich brauche eine Schaltung, um die Schallgeschwindigkeit in Beton auf 1 μs oder besser zu messen. Dies ist eine Schuldemonstration, bei der Schüler, die Bau studieren, diese Schaltung verwenden, um die Schallgeschwindigkeit in einer Betonprobe zu messen und die Qualität des Betons zu bestimmen.

Ich habe zwei 40-kHz-Wandler: einen zum Übertragen des Impulses und einen zum Erfassen des Impulses auf der anderen Seite der Betonprobe, die etwa 10 cm dick ist.

Ich habe PIC-Prozessoren, um den Impuls zu erzeugen und dann den Impuls zu erfassen.

Wenn ich mir jedoch die vielen kommerziellen Ultraschall-Betontester anschaue

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

Aus ihren Spezifikationen geht hervor, dass sie mit kHz-Wandlern arbeiten, nicht mit MHz. Frequenzen über 200 kHz werden nicht erwähnt. Vielleicht gibt es eine Einschränkung der guten Schallübertragung in Beton auf kHz-Frequenzen, weil MHz-Frequenzen gedämpft werden?

Ich muss ein SEHR KOSTENGÜNSTIGES Schülersystem aufbauen, und ich kann nur kostengünstige 40-kHz-Wandler finden. Die MHz-Wandler, die ich finden kann, sind für meine Anforderungen viel zu teuer.

Aus den Spezifikationen für kommerzielle Geräte geht hervor, dass sie Impulse von 20us bis 20ms verwenden und dann auf eine Empfängererkennung warten, bevor sie einen weiteren Impuls senden. Der kürzeste Impuls wäre also nur eine vollständige 40-kHz-Sinuswelle, und längere Impulse wären mehrere vollständige 40-kHz-Sinuswellen. Eine Verzerrung kann unwichtig sein, da sie keine Schmalbandfrequenz erfasst, sondern nur den ersten Anstieg des Impulses vom Empfänger?

Ist das für jemanden sinnvoll? Ich meine, kann mir jemand helfen, dieses Problem zu lösen ...

Vielen Dank.

Nachdem ich in der industriellen Ultraschall- / ZfP-Industrie gearbeitet habe (obwohl es vor ungefähr 30 Jahren war :)), werde ich versuchen, den ausgezeichneten Rat, den Sie bereits erhalten haben, zu ergänzen.

Kaz macht einen sehr guten Punkt, dass Sie ein Oszilloskop verwenden sollten. Dies ist möglicherweise ein sehr schwieriges Projekt, und Sie müssen die erforderlichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Ultraschall durchführen, bevor Sie zu viel Schaltungsdesign durchführen.

Es gibt einige Probleme mit den 40-kHz-Wandlern, die Sie möglicherweise überwinden können oder nicht. Erstens, wie Andy aka hervorhob, unterscheidet sich die Zeit, in der der Ultraschall durch den Beton läuft, nicht wesentlich von der Periode einer 40-kHz-Welle. Möglicherweise können Sie dies überwinden, indem Sie die Phase des empfangenen Signals relativ zum gesendeten Signal messen. Zweitens wurden Ihre Schallköpfe wahrscheinlich für die Verwendung in der Luft entwickelt. Aufgrund der großen Dichteänderung beim Ein- und Austritt des Ultraschalls in den Beton verlieren Sie den größten Teil Ihres Signals aufgrund von Reflexionen. Möglicherweise ist am Empfänger nicht genügend Signal vorhanden. Da dies wahrscheinlich Ihre einfachste Lösung ist, lohnt es sich, sie mit einem Oszilloskop zu testen.

Jetzt werden die Dinge komplexer. Möglicherweise benötigen Sie ein anderes Kopplungsmittel als Luft, um die Dichte-Fehlanpassung zu verringern. Das Kopplungsmittel ist das Medium zwischen den Wandlern und dem zu testenden Material. Wenn Sie Ihre Probe eintauchen können, ist Wasser wahrscheinlich die beste Wahl. Wenn Sie die Probe nicht eintauchen können, können Sie möglicherweise Fett, Vaseline, Mineralöl oder eine Art Gel verwenden (ich kannte einen Ultraschall-Anwendungsingenieur, der auf Dippity-Do-Haargel schwor, aber ich glaube nicht, dass dies gemacht ist nicht mehr). Ihre 40-kHz-Wandler sind möglicherweise nicht mit anderen Kopplern als Luft kompatibel. Das Flüssigkeitskupplungsmittel muss die gesamte Luft zwischen der Oberfläche des Wandlers und der zu prüfenden Probe ersetzen.

Andy aka machte auch den Vorschlag von Hochfrequenzwandlern. Sie sollten sich bewusst sein, dass Sie, wenn Sie in den MHz-Bereich gelangen, definitiv ein anderes Kopplungsmittel als Luft benötigen, da Ultraschall bei diesen Frequenzen in Luft sehr schnell gedämpft wird. Ich war nicht im Geschäft und kenne die Wandlerpreise oder -quellen nicht mehr, aber Google wird Ihnen dabei helfen. Bearbeiten: Aus zusätzlichen Untersuchungen geht hervor, dass für die Betoninspektion geeignete Frequenzen normalerweise im Bereich von 24 kHz bis 200 kHz liegen (siehe "Zusätzliche Untersuchungen" weiter unten).

Diese Hochfrequenzwandler werden typischerweise mit einem sehr schnellen Hochspannungsimpuls gepulst, typischerweise vielleicht 300 V oder mehr in <10 ns (je schneller desto besser). Dies wird typischerweise mit einem schnellen SCR oder, abhängig von der Spannung, Schaltungen erreicht, an denen mehrere SCRs in Reihe geschaltet sind. Es ist so, als würde man mit einem Hammer eine Glocke läuten.

In Bezug auf die Geschwindigkeitsmessung: Wenn Ihre Wandler keinen Kontakt mit der Probe haben, müssen Sie die Reisezeit durch das Kopplungsmittel (Wasser oder Luft oder was auch immer) abziehen. Die Schallgeschwindigkeit in der Kupplung kann aufgrund verschiedener Faktoren (wie Temperatur und Verunreinigungen) variieren. Um eine optimale Genauigkeit zu erzielen, können Sie sie ohne Beton messen, indem Sie den Abstand zwischen den Wandlern kennen. Sie müssen dann die Betondicke von der Wandlertrennung subtrahieren, um die durch das Kopplungsmittel zurückgelegte Strecke zu bestimmen. Wenn Sie dann die Entfernung durch das Kopplungsmittel und die Schallgeschwindigkeit durch das Kopplungsmittel kennen, können Sie die Zeit berechnen, die Sie durch das Kopplungsmittel verbracht haben.

In Bezug auf Ihren Probentakt und Ihre Auflösung der Geschwindigkeitsmessung: Eine in der Ultraschallindustrie verwendete Technik zur "effektiven" Erhöhung der Auflösung besteht darin, separate asynchrone Uhren zu verwenden. Eine Uhr, um den Trigger für Ihren Übertragungsimpuls abzuleiten, und eine andere Uhr für die Zeitmessung. Sie nehmen dann den Durchschnitt vieler Messungen. Wenn Sie in Ihrem Timer nur eine Auflösung von 1 μs benötigen, ist dies natürlich nicht erforderlich.

Ich habe gerade den Ultraschall-Pulsgeschwindigkeitstest von Beton auf Youtube gefunden. Es gibt nicht viele technische Informationen über den Ultraschall selbst, aber er kann einige nützliche Informationen liefern. Es gibt auch Links zu anderen verwandten Videos. Ich sehe, dass sie direkten Kontakt zwischen den Wandlern und dem Beton verwenden und Fett oder Vaseline als Kupplungsmittel empfehlen.

Das NDT Resource Center bietet auch viele nützliche Informationen zu Ultraschallprüfungen.

Bearbeiten ... Zusätzliche Forschung :

Nach Ultraschall-Niederfrequenz-Kurzpulswandlern mit Trockenpunktkontakt. Entwicklung und Anwendung. ::

Die Ultraschallprüfung von Beton und Stahlbeton ist bei Frequenzen von nicht mehr als 150 - 200 kHz möglich.

In diesem Artikel wird ein DPC-Wandler (Dry Point Contact) erörtert, der anscheinend kein Kopplungsmittel verwendet.

Ich weiß nicht, ob Sie hier etwas Nützliches finden, aber es ist gut, alternative Ansätze zu kennen.

Die Verbesserung des Ultraschallgeräts für die Routineinspektion von Beton ist ein sehr informatives Papier zu diesem Thema. Von besonderem Interesse sind:

• 2.3 Konkrete und zerstörungsfreie Inspektionstechniken (erörtert verschiedene Ultraschalltechniken und andere alternative Techniken)
• 2.4 Das PUNDIT-Testgerät (erläutert die Blöcke, aus denen das Design des verwendeten Ultraschallgeräts besteht, sowie die verwendeten Wandler)

In diesem Artikel werden auch die für konkrete Tests verwendeten Frequenzen erörtert:

Unterschiedliche Größen des piezoelektrischen Elements und des Gehäuses ermöglichen einen Bereich von Wandlermittenfrequenzen von 24 kHz bis 200 kHz, der zum Testen von Beton geeignet ist.

Schlussbemerkung: Da die Verwendung teurer Wandler und Hochspannungspulser für ein Studentenprojekt sowohl zeitlich als auch finanziell außerhalb Ihres Budgets liegt, würde ich Ihnen empfehlen, ein paar Wandler für Forschung und Entwicklung zu riskieren Einige Versuche, einige kostengünstige 40-kHz-Luftwandler zu modifizieren, um die Verwendung eines Kopplungsmittels zu ermöglichen. Verwenden Sie die Durchlässigkeit mit direktem Kontakt auf dem Beton (bekannter Dicke) und prüfen Sie, ob Sie ein Signal empfangen können. Im Internet gibt es viel Hilfe bezüglich der Schaltungen für diese Wandler. Sie können unter Verdrahten des Ultraschallwandlers beginnen

Sie brauchen keine Schaltung, ich würde verwenden:

• Hammer (siehe @hoosierEE Kommentar, Hammer kann übertrieben sein)
• zwei kleine piezoelektrische Mikrofone (sogar ein Piezo-Lautsprecher könnte funktionieren)
• 2-Kanal-Digitaloszilloskop

Kleben / kleben Sie ein Piezomikrofon auf jede Seite des Betons. Verbinden Sie Piezo 1 mit Sonde 1, den anderen mit Sonde 2. Schalten Sie beide Kanäle ein. Stellen Sie das Zielfernrohr so ​​ein, dass Sonde 1 ausgelöst und gehalten wird. 1. Klopfen Sie mit dem Hammer neben Piezo 1 auf den Beton. Das Zielfernrohr sollte ausgelöst werden, und dann können Sie die Differenz zwischen dem Anfangs- und dem Endimpuls ermitteln. Führen Sie mehrere Messungen durch, um die Genauigkeit zu erhöhen.

Dies ist viel billiger und weniger zeitaufwendig als andere Projekte. Als Bonus erhalten Sie ein digitales Oszilloskop für andere Geräte wie Motoren, Mikrofone usw.

Die Schallgeschwindigkeit in Beton (laut uk.ask.com ) beträgt ungefähr 3400 m / s, und daher dauert es ungefähr Sekunden, um durch einen 10 cm-Betonblock zu gelangen - das sind ungefähr 29 . μ$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$$\mu s$

Ein 40-kHz-Ultraschallwandler möchte eine Sinuswelle bei 40 kHz erzeugen, und daher wird der Empfang eines Impulses Ihrer Meinung nach einer großen Bandpassfilterung unterliegen (aufgrund des 40-kHz-Wandlers).

Abgesehen von der Schlamperei des empfangenen Signals hat 40 kHz eine Periode von 25 und dies ist so ziemlich die Zeitdauer, die erwartet wird, damit der Schall den Beton überquert.$\mu s$

Ich glaube, Sie sollten nach Wandlern suchen, die eine massiv höhere Resonanzfrequenz haben, möglicherweise bis zu 10 MHz. Dies bedeutet, dass Sie einen Impuls anwenden können, der nur wenige Mikrosekunden lang ist, und erwarten können, dass die Flanken des Impulses zum Auslösen von Zählern zuverlässig sind, um die Zeitverzögerung zu berechnen.

Hier ist die Titelseite eines Datenblattes für ein typisches 40-kHz-Ultraschallgerät: -

Beachten Sie (in der roten Box) die begrenzte Bandbreite - dies bedeutet, dass ein an das Gerät gelieferter Impuls eine Reihe von abklingenden 40-kHz-Klingelschwingungen erzeugt, wodurch sinnvolle Messungen etwas bedeutungslos werden. Das Gleiche gilt für den Empfang eines Signals, bei dem es sich möglicherweise um einen Impuls handelt.

Um das Projekt zu vereinfachen, würde ich nicht versuchen, einen elektronischen Mechanismus zur Erzeugung des Impulses innerhalb des Betons herzustellen. Schlagen Sie einfach mit einem harten Gegenstand auf den Beton. Verwenden Sie Sensoren nur zum Aufnehmen des Tons.

Vielleicht kann eine Art Magnet so montiert werden, dass er hin und her vibriert und so oft pro Sekunde auf den Beton klopft.

In meinem Kommentar wird bereits das Oszilloskop erwähnt. Auf diese Weise können Sie möglicherweise ein Zeitdelta zwischen zwei Punkten auf dem Betonblock erhalten.

Wenn Sie die Position dieser beiden Blöcke und die Position kennen, an der der Beton getroffen wird, und eine gleichmäßige Schallgeschwindigkeit in alle Richtungen innerhalb des Betons annehmen, können Sie triangulieren, um die Geschwindigkeit zu erhalten.

Ich wette, wenn Sie beispielsweise mindestens 30 Mal pro Sekunde auf den Beton tippen können, erhalten Sie möglicherweise ein stabiles Spurenbild mit einem kostengünstigen alten analogen Oszilloskop. Der Sweep kann durch einen Kanal ausgelöst werden (entsprechend dem früheren Wandler).

Ich frage mich, ob nichts anderes als ein kostengünstiges Elektrogravurwerkzeug nicht einfach dazu beitragen würde, ausreichend nützliche Schallsignale im Beton zu erzeugen. Diese Werkzeuge haben eine scharfe Metallspitze, die vibriert. Sie werden wie ein Stift verwendet, um identifizierende Markierungen auf Objekten (normalerweise aus Kunststoff oder Metall) zu gravieren. Der metallische Meißelpunkt wird mit einem Vielfachen der Linienfrequenz wie 120 Hz abgegriffen. Wenn Sie das Werkzeug zu schnell bewegen, können Sie die einzelnen Gewindebohrer in der resultierenden Spur auf dem zu gravierenden Material sehen.

Wir brauchen die Impulse nicht, um mit einer hohen Frequenz anzukommen; gerade etwas, das hoch genug ist, um eine stabile visuelle Anzeige zu erhalten (und dennoch niedrig genug, damit alle internen Echos innerhalb des Betonblocks vor dem nächsten Impuls abklingen können). Wir wollen, dass die Impulse einzeln einen hohen Frequenzgehalt haben: eine scharfe Kante. Wenn harte Gegenstände getroffen werden, neigt dies dazu, scharfe Signale mit einem Frequenzgehalt im Ultraschallbereich zu erzeugen.

Ich bin weit davon entfernt, aber ich bezweifle sehr, dass Sie sich beim Timing auf den PIC verlassen können. Das heißt, wenn Sie nur die Zeit notieren, den Stimulus senden, die Antwort empfangen und dann die Zeit vergleichen, kann ich mir vorstellen, dass es sehr schwierig sein kann, eine genaue Messung zu erhalten. Sie benötigen eine Schaltung, die den Stimulus aussendet, die Antwort liest und einen Wert ausgibt, der für die verstrichene Zeit in einem rein analogen Schritt repräsentativ ist. Es gibt wahrscheinlich eine clevere Schaltung, die genau das tut. Was es ist, weiß ich nicht. Schauen Sie sich vielleicht alte Sonarschaltungen an. Aber ich kann mir vorstellen, dass dies etwas mit der Zeit zu tun hat, die ein Kondensator benötigt, um sich über einen Widerstand zu entladen (oder aufzuladen), nur weil Kondensatoren und Induktivitäten die einzigen passiven Komponenten sind, die "Speicher" haben. Und Sie benötigen ein "Sample and Hold" Schaltung, um den ansonsten flüchtigen Ausgangswert zu speichern. Beachten Sie, dass ein Operationsverstärker möglicherweise auch nicht schnell genug ist. Wie hoch ist normalerweise die Schallgeschwindigkeit in Beton? Ich vermute, es ist ziemlich viel schneller als die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Wenn ein Operationsverstärker schnell genug ist, können Sie einen Kondensator mit dem Stimulus aufladen und diesen mit dem Ausgang des Antwortwandlers vergleichen. Wenn Sie dafür sorgen, dass sich die beiden Spannungen kreuzen, spiegelt der Ausgang des Operationsverstärkers möglicherweise die Zeit zwischen Stimulus und Reaktion wider. Das heißt, wenn die Zeit kurz ist, ist der Ausgang "hoch" und wenn die Zeit länger ist, hat der Kondensator mehr Zeit zum Entladen und der Ausgang ist nicht so hoch. Es ist ziemlich viel schneller als die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Wenn ein Operationsverstärker schnell genug ist, können Sie einen Kondensator mit dem Stimulus aufladen und diesen mit dem Ausgang des Antwortwandlers vergleichen. Wenn Sie dafür sorgen, dass sich die beiden Spannungen kreuzen, spiegelt der Ausgang des Operationsverstärkers möglicherweise die Zeit zwischen Stimulus und Reaktion wider. Das heißt, wenn die Zeit kurz ist, ist der Ausgang "hoch" und wenn die Zeit länger ist, hat der Kondensator mehr Zeit zum Entladen und der Ausgang ist nicht so hoch. Es ist ziemlich viel schneller als die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Wenn ein Operationsverstärker schnell genug ist, können Sie einen Kondensator mit dem Stimulus aufladen und diesen mit dem Ausgang des Antwortwandlers vergleichen. Wenn Sie dafür sorgen, dass sich die beiden Spannungen kreuzen, spiegelt der Ausgang des Operationsverstärkers möglicherweise die Zeit zwischen Stimulus und Reaktion wider. Das heißt, wenn die Zeit kurz ist, ist der Ausgang "hoch" und wenn die Zeit länger ist, hat der Kondensator mehr Zeit zum Entladen und der Ausgang ist nicht so hoch.

Ein letzter Vorschlag, was Sie wirklich tun möchten, ist den Frequenzgang zu messen. Das heißt, nehmen Sie die FFT der Antwort. Das ist das elektronische Äquivalent zum Tippen auf etwas und Auflisten, wie es sich anhört. Wenn es langweilig klingt, was bedeutet, dass es nur niedrige Frequenzen hat, dann ist es nicht fest. Wenn jedoch alle Frequenzen übertragen werden, kann dies spröde sein. Oder wenn es eine Frequenz wirklich gut überträgt, schwingt es mit, was schlecht oder gut sein kann, nicht wahr?