【虹科案例】虹科数字化仪在超声波中的应用以及如何选择合适的数字化仪

超声波是一种频率大于人类听觉范围上限的声学声压波。超声波设备的工作频率从 20 kHz 到几千兆赫兹。表 1 总结了一系列常见的超声波应用的特性。

每个应用中使用的频率范围反映了工程权衡。 增加工作频率可以通过增加分辨率来检测较小的伪影，但较高频率的信号不会穿透那么远。超声应用的常见问题是信号衰减，它与信号频率成反比。因此，在表面研究应用中倾向于使用非常高的频率，而当需要更大的穿透力和功率时，较低的频率更占主导地位。当然，增加数字化仪的动态范围也可以让您检测到更小的信号。

表 1：常见超声波应用的特性以及推荐的 Spectrum 数字化仪

1.采样率

产品选择的基础主要与应用中使用的频率有关。通常，数字化仪的采样率需要是应用频率的 5 到 10 倍。如果应用程序使用多普勒频移，即使频率可能没有那么高，时间分辨率也需要更高，因为频移通常是需要测量的信号周期的一小部分。在多普勒应用中，数字化仪的采样率可能需要远远超过所用频率的 10 倍。

2.带宽

数字化仪带宽应超过应用中使用的最高频率至少两倍。使用较低的带宽会导致较高频率信号的衰减，并可能限制测量分辨率和精度。

3.动态范围

增加数字化仪的动态范围（位数）可以检测更小的信号。更高分辨率的 ADC 通常提供更好的信噪比，从而可以在同一采集中检测大信号和小信号。这就是为什么前沿系统通常使用更高分辨率的 ADC 或信号处理（如平均和滤波）来提高其整体测量灵敏度的原因。

4.其他注意事项

数字化仪的输入电路必须与超声波传感器的输出阻抗和耦合要求良好匹配。许多虹科Spectrum 数字化仪都提供输入路径、配置和端接阻抗选择，以实现最佳匹配。

根据超声波信号的性质，数字化仪的采集模式也很重要。使用多个信号突发或脉冲超声波的应用受益于数字化仪接受和处理多次采集的能力，并且突发事件之间的死区时间最短。多重（分段）、门控和流式采集模式都可以在确保准确捕获和分析每个事件方面发挥作用。此外，虹科Spectrum 数字化仪还提供平均、峰值检测、滤波和快速傅立叶变换 (FFT) 等信号处理功能。 其中，平均和峰值检测可用作基于 FPGA 的内部处理功能。其他信号处理功能可在虹科 Spectrum 的 SBench 6 或第三方软件中使用。

5.典型的超声波应用

图 2：使用虹科 Spectrum 的 SBench 6 软件采集处理 40 kHz 超声波信号。多次采集的五个部分使用带通滤波器、平均和 FFT功能进行处理。

以下超声波测距仪的测量说明了虹科 Spectrum 数字化仪的一些可用功能。该设备传输五个 40 kHz 声学脉冲。该测试的测量传感器是一个 100 kHz 带宽的仪表麦克风。麦克风需要一个 1 兆欧姆的输入终端，直流耦合。图 2 是虹科Spectrum SBench 6 软件对此测量的显示。数字化仪是使用多重采集模式设置的，它采集了五个超声波脉冲作为一次测量。显示屏顶部的预览窗格显示这些突发脉冲，这些事件中的每一个都带有时间戳，屏幕左下角的时间戳表显示了事件的绝对时间和相对于其他事件的时间。时间戳提供了一种测量脉冲重复周期的简单方法，而多重采集模式则可以轻松比较各个事件并进行其他测量，例如脉冲持续时间、占空比、空间脉冲长度、峰值振幅和时间。

左上方显示的迹线中显示了第一个采集脉冲的缩放显示，包括来自目标的衰减反射。请注意，后缘不平坦， FFT 的视图显示了右下象限中采集信号的频谱。除了 40 kHz 主频率之外，还有 80 kHz 的二次谐波和显着的低频杂散分量。采集信号中的基线上升是由于低频杂散拾取。基于此频谱视图，将截止频率为 20 和 50 kHz 的带通滤波器应用于信号（右上网格）， 滤波导致信号的后缘变平。五个采集的脉冲的平均值显示在左下角的网格中。每个视图的垂直轴都根据麦克风的灵敏度进行缩放，并以声压（Pascal）为单位读取。这些视图提供了有关所采集信号的重要量化信息。

此外，信号频率以及最大和最小信号幅度的测量值显示在标有“信息”的框中。这是可用测量的一小部分样本。数字化仪及其配套软件提供了大量的测量和分析工具，以帮助开发超声波应用。