简仪科技主动式多通道超声导波监测测试解决方案

应用

主动式超声导波监测 (Active Ultrasonic Guided Wave Testing) 是一种典型的结构健康监测手段，通过压电陶瓷 (PZT) 进行主动激励，并在结构表面多个位置同步接收传播回波，可用于裂纹、脱粘、腐蚀、松动等缺陷的早期识别。

该技术可用于：

航空航天结构健康监测 (机翼、蒙皮、复合材料)

轨道交通与桥梁结构检测

工业设备状态监测 (压力容器、管道、壳体)

新材料与复合结构研发验证

在工程落地中，系统往往受限于同步精度、弱回波信号难以量化、模拟链路复杂等问题。本案例聚焦“降低硬件复杂度、保持可用信噪比、保证多通道同步”三项目标。

挑战

1. 弱信号难以采集

超声导波在结构中传播距离较长，回波幅值通常只有毫伏级甚至更低。传统方案往往需要在接收端增加低噪声前置放大器，否则难以满足 ADC 的量化精度与噪声底要求。

2. 模拟链路复杂、稳定性差

功率放大器+前置放大器+多级模拟滤波链路复杂，存在增益漂移、饱和恢复、温漂和通道一致性校准等问题，现场调试难度大，长期稳定性难以保证。

3. 多通道同步要求高

阵列超声通常涉及多通道同时采集，对触发同步、采样一致性和相位误差极其敏感，普通软件触发或异步采样难以满足。

4. 工程化部署成本高

大量模拟放大器、电源模块与屏蔽布线使系统体积大、成本高、故障点多，不利于阵列化与现场长期运行。

解决方案

本案例采用“多通道同步高速采集+小量程直采+数字零相位处理”的整体方案。核心思想是：利用采集卡的小量程档位直接采集微弱超声回波，在数字域完成滤波与增强，从而省去模拟前置放大器。

1.硬件架构系统

以PXIe平台实现同步发射与多通道同步采集：PXIe-9702发射端由任意波形发生模块输出激励信号；接收端使用PXIe-9818进行8通道同步采集，量程可配置至±0.5 V，以提升微弱回波的量化分辨率。

 

2. 软件处理

在软件侧结合带通/零相位滤波等数字处理方法，在不引入相位畸变的前提下抑制带外噪声，提升回波可辨识性，支撑后续TOF、幅值衰减、成像等算法。

测试方法与验证设计

1. 测试模式

验证覆盖两类典型测量模式：

· 单发单收：验证基础链路与波形质量，确定更优工作频点。

· 单发多收：验证多通道一致性与传播差异，支撑阵列算法。

· 自发自收/参考通道：用于触发对齐与链路健康检查。

2. 同步与触发策略

发射与采集采用PXIe背板触发资源实现硬件同步启动，多通道采集采用同步采样方式记录回波。在验证阶段完成“两通道同时发送、六通道同时采集”的同步演示，用于确认触发链路、通道延迟一致性与采集稳定性。

约40 kHz载波：配合功率放大器和无功率放大器，信号如图

如图具有功率放大器，信号大概100 mV左右

如图无功率放大，信号大概在10 mV左右

约200 kHz载波：配合功率放大器和无功率放大器，信号如图

如图具有功率放大器，信号大概在200 mV左右

如图具有功率放大器，信号大概在150 mV左右

关键结果与现象

频点对比与结论

在铝型材试件上进行多频点对比测试，结果表明200 kHz附近为更优频点（共振附近），即使不使用功率放大器也可获得较好的波形质量。

注：幅值为测试过程中的典型观测值，用于体现“频点选择可显著降低对功放的依赖”。

核心特色：无需前置放大器的工程价值

1. 传统方案的硬件痛点

传统超声系统通常依赖功率放大器提升 PZT 激励幅度，或在接收端加入低噪前置放大器以满足微弱回波的量化与信噪比要求。这将带来硬件复杂度上升、通道一致性校准成本增加以及现场部署难度提升。

2. 本案例的降硬件策略

本系统利用PXIe-9818的小量程档位 (最低可到±0.5 V) 提升弱信号分辨率，使接收端在多种场景下无需额外增加模拟前置放大器。软件侧结合零相位滤波等数字处理方法，可对极弱正弦信号实现良好还原 (1 mV以内亦可有效恢复) 。

3. 价值总结

结论

本案例在保证多通道同步采集与可用信噪比的前提下，通过“小量程直采+数字零相位处理”实现了无需前置放大器的超声导波监测链路。该方案显著降低硬件复杂度与工程部署成本，适合用于POC验证、研发测试以及阵列化长期监测的工程化推广。