1 概述
超聲波探傷系統生產商在無損探測薄片鋼部件中，所有的測量方法都是使用模擬電路。但是要在今天競爭激烈的市場上生存，需要的是能夠提供更高性能和更低價格的基于PC的現代化操作系統及有商業價值的高速高分辨率信號采集卡。
在討論高速高分辨率信號采集卡在探傷中所扮演的角色之前，先來回顧一下整個系統。商用寬帶超聲傳感器是自動定位到被測試部件面前的，傳感器和部件都放在水槽里。在反射模式下工作的傳感器發射并檢測超聲波。接收到超聲脈沖發生器/接收器的激勵后，傳感器忽略部分帶寬的超聲能量脈沖，并接收從被測部件反射的回波。
在連續超聲記錄的提取中，通過GPIB旁路鏈接控制的自動定位臂，以0.1mm步進移動傳感器。該臂通過一個前后都類似光柵圖案的500mm×500mm矩形網進行掃描，并有快速軸和直交的慢速軸。當傳感器正在沿著快速軸平移時，定位系統以大約1ms/步的致密步伐尾隨傳送器。
定位控制器裝備了輸出位置的脈沖發生器，這是一個用在很多超聲波定位控制器上的標準件。一旦確定了目標位置，控制器就產生一個TTL脈沖。這個脈沖經常用來使超聲波脈沖發生器/按收器發出一個激勵。這樣，超聲檢查只在目標位置自動進行。
在傳感器接收到激勵以后，相應的超聲波回波序列需要返回，因此超聲波必須穿過約一米長的水路。超聲激勵后，用一個可編程延遲器創建一個持續大約700μs的TTL激勵。這個脈沖觸發高速高分辨率信號采集卡。而超聲波回波序列持續大約100μs。

圖1

2 高速高分辨率信號采集卡的角色
嵌入式高速高分辨率信號采集卡用來捕獲來自傳感器電子設備的超聲波信號。系統合并兩種信號：來自傳感器的中心頻率達10MHz的信號和10MS/s的取樣超聲信號。這個采樣率可達每信號周期10點，回波時間允許極好的分辨率。為了探測到盡可能小的裂隙回波，需要盡可能大的動態范圍和垂直分辨率。
Gage CompuScope 14100是一款PCI總線、基于PC系統的高速高分辨率信號采集卡。該卡提供100MHz的采樣率及50MHz的模擬輸入帶寬，以滿足超聲傳感器的需求。圖1是該系統的原理圖。
來自超聲脈沖發生/接收器的±1V信號輸出直接連到數字卡的BNC輸入端。高速高分辨率信號采集卡的輸入阻抗為50Ω且可編程。它提供與BNC線50Ω阻抗相適應的輸入終端，并可消除多重信號反射產生的失真。延遲器的輸出被連接到高速高分辨率信號采集卡的BNC外圍觸發輸入。
高速高分辨率信號采集卡提供14bit的采集精度。因此探測到的裂隙回波是任意小的，所以高采樣精度在超聲無損探測中勢在必行。
圖2給出一個來自疊片鋼部件的真實超聲信號。由圖中可以看出零件前壁反射了較大的回波，后面跟著較小的回波，說明表面之后就是裂隙。裂隙回波和前壁回波之間的時間差與裂隙的深度之間有如下的關系：
Depth=vΔt/2
其中，Δt為前壁回波與裂隙回波的時間差，v為超聲波在鋼中的波速。
超聲掃描的目的是在整個掃描中確定Δt，并給制一張標志整個部件上裂隙深度的分布圖。
跟蹤回波的振幅隨裂隙的尺寸而增加。全部超聲波信號的振幅由脈沖發生/接收器增益進行調整。這樣前壁回波幾乎充滿高速高分辨率信號采集卡的輸入范圍，本例中是±V。
結果是，在前壁回波不發生削頂失真的前提下，裂隙回波無法進一步放大。圖3給出了圖2中裂隙回波放大后的圖像，上面的波形是8位分辯率，下面的是14位分辨率。
裂隙回波的振幅僅約為前壁回波振幅的1%。8位的高速分辨率信號采集卡將輸入范圍分隔成2 8=256個不同的等級。這說明圖3中階梯一般的回波只相差2～級。此外，該回波波形嚴重失真，如果它小一點，則根本就不會被探測到。

圖2

相比之下，14位的高速高分辨率信號采集卡將輸入范圍分割成2 14=16384個不同的等級，裂隙回波跨越150個等級。如圖3所示，14位高速高分辨率信號采集卡的高分辨率重現了裂隙回波的形狀和位置。即使回波與背景噪聲可作比較，其時延Δt依然可以靠數字相關分析來提取。很明顯，高分辨率在裂隙回波的探測中至關重要。
在沿快速軸的線性掃描中，超聲觸發器分布在規整的1kHz比率。高速高分辨率信號采集卡嚴禁漏掉任何這些觸發，否則捕獲的波形和傳感器位置之間就不相關了。
沿快速軸的線性掃描需要（500mm/0.1mm）/1kHz=5s。下次快速軸掃描的開始是程控；然而，因為商業上的原因，慢速軸的重新定位需要至少0.5s。
14位的高速高分辨率信號采集卡可以通過PCI總線以100MB/s的穩定速率傳輸數據。因此，高速高分辨率信號采集卡可以捕獲50μs的超聲波且通過PCI總線將其送入內存，以備下次1kHz的觸發。
14位高速高分辨率信號采集卡在諸如MSDOS這類單任務操作系統下就可以滿足此性能基準。
3 采集深度
由于多任務的Window