被测对象的振动最大只有 1 mm 峰峰值却要求实时、非接触地测出来。换能器以 40 Hz 到 100 Hz 的脉冲重复频率反复发射超声脉冲系统必须从每一发回波里把振动引起的微小时间差抠出来。超声换能器正对金属被测件发射脉冲LabVIEW 界面实时显示回波波形与飞行时间曲线01 要做什么背景与技术难点任务本身不复杂开发一套实时监测系统用非接触检测技术准确检测并分析某个对象承受的振动或运动。难点在于非接触和实时这两个定语必须同时成立。被测对象上没法安装传感器接触式测量方法因此直接出局其中就包括 LVDT也就是线性可变差动变压器。最终选定的方案是 SONAR。SONAR 描述的是这样一门技术发射超声脉冲再听它从对象上返回的回波。分析回波可以得到距离、尺寸、形状和结构等信息。选它的理由有两条结果比 LVDT 等方法更准确非接触适合无法安装传感器的对象。这套应用最关键的一点是实时、准确地测出毫米量级的微小振动位移。整套测量逻辑最终落在时间上。换能器以 40 Hz 到 100 Hz 的脉冲重复频率反复发射系统捕捉对应的回波精确测量收到每个回波所花的时间据此计算距离。对象一旦振动或移动回波的时间间隔就会引入变化。测振动测的就是这个时间间隔的变化量。02 难在哪五项要求一个都不能少这项工作被拆成五项必须同时满足的要求。第一开发高速数据采集系统同时从四个超声换能器采集超声频段的信号。多个换能器安装在被测对象的不同角度上。第二搭建高速总线承载高采样率下产生的大数据量——采样率在每通道 MS/s 量级。第三设计实时处理单元在其中实现精确时间和距离测量的算法。算法要在实时端跑而不是把原始数据全传到上位机再算。第四同步所有换能器的脉冲发射。四路换能器各自发射发射时刻对不齐通道之间就没有共同的时间参考。第五做到精确同步以便检测到每一个脉冲或回波。这已经不是系统能跑起来的级别而是每一发脉冲和每一个回波都不能漏的级别。03 方案从换能器到机箱的完整信号链系统由六个部分构成超声换能器、脉冲接收器、数字输出模块、数字化仪、实时控制器以及应用软件。信号走向是这样的。换能器被激励后发出超声波回波在换能器上产生电压被送回脉冲接收器。脉冲接收器承担两件事提供激励换能器所需的高压脉冲接收回波信号并放大再送给数字化仪。数字输出模块输出数字信号用于同步脉冲接收器。数字化仪用模数转换器把送来的波形从电压转换为二进制位。实时控制器控制采集与处理并把数据送往监控站也就是用户界面用于显示。应用软件按用户设定的参数对数字化仪的数据进行处理、分析和呈现。硬件集中在 PXIe-1071 机箱内机箱中装有实时控制器、数字化仪和数字输出模块。实时控制器控制所有模块的操作经脉冲接收器放大的超声回波信号由高速数字化仪采集。采集到的信号先做平均、滤波等处理以消除波形劣化。飞行时间的测量算法——飞行时间即收到回波所用的时间——用 LabVIEW Real-Time Module 和 LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit 实现后者随 LabVIEW Professional 一同提供。实时控制器中的处理单元确定性地执行这套算法从而高精度地检测振动。系统还提供数据记录功能供后续分析结果和采集数据实时传送到主机 PC 用于监控。支撑这套架构的是两点硬件特性机箱提供了足够的带宽应对数字化仪采集的大数据量数字化仪的 NI-TClk 特性提供精确同步。04 LabVIEW 里的程序一套软件两个执行端应用软件完全用 LabVIEW 开发分两部分运行在监控站 PC主机 PC上的 GUI和运行在 PXI Express 实时控制器上的处理单元。两者通过 LabVIEW TCP/IP 协议通信。用户可以借助 GUI 配置系统并下达控制采集的命令。配置工具让用户输入信号参数和数字化仪设置完成采集配置。采集与处理面板上集中了启动采集、停止采集以及记录数据和结果的控件。图形化显示指示器配合 LabVIEW 的分析工具让监控和分析变得直观显示与分析选项包括对数字化仪数据的 A-Scan 和 B-Scan 显示以及对结果的频域和时域分析。软件还提供把采集数据和结果记录下来的功能供日后分析使用。05 结果这套系统提供了一种非接触的手段来监测对象特性对被测表面、对象形状以及对象所处的环境都没有限制。即使被测振动最大为 1 mm 峰峰值它的结果也比 LVDT 等方法准确得多。由于同时从多个换能器采集数据系统能捕捉不止一个轴向上的运动。系统同样具备记录数据和结果的功能供后续分析。实际运行中系统对每个脉冲都测量时间和距离并同时监测四个换能器的信号这四个换能器位于与被测对象成不同角度的位置上。在实时控制器和 LabVIEW Real-Time Module 的支撑下系统能以很高的确定性同时对全部通道做采集和处理。06 这个案例说明什么从工程角度看这个项目最值得说的一点是它把位移翻译成了时间。第一时间基准决定精度上限。系统的被测量是飞行时间振动并不直接产生一个可读的电平而是表现为回波到达时刻的偏移。脉冲重复频率只有 40 Hz 到 100 Hz留给每一发脉冲的观察窗口很窄振动信息就藏在这个窗口内。要测出毫米量级的位移前提是时间测量本身足够稳、足够确定。第二多通道的价值在同步不在数量。四个换能器装在不同角度本是为了拿到不止一个轴向的运动信息但各通道发射脉冲一旦不同步也就失去了共同的时间参考多轴无从谈起。方案把同步脉冲发射和精确同步检测每个回波列成两条独立要求原因就在这里。第三架构上确定性和交互被分开放置。处理单元在实时控制器上确定性地执行算法GUI 在主机 PC 上通过 TCP/IP 与实时端通信界面侧的负载不会反过来影响采集与处理的确定性。第四数据量是这类系统的常态约束。采样率在每通道 MS/s 量级再乘以多个通道数据速率很快就上去了总线选型、同步机制和数据落盘方式都必须提前想清楚。第五善用现成的工具链。飞行时间算法直接用 LabVIEW Real-Time Module 和 Advanced Signal Processing Toolkit 实现通信直接用内置的 LabVIEW TCP/IP大数据存储用技术数据管理方案把精力留在系统集成本身。07 写在最后声呐测振本质是测时间振动不会直接变成一个可读的电平它表现为回波到达时刻的偏移。把这层时间差抠准位移自然就出来了。多通道先解决同步四路换能器装在不同角度如果发射脉冲对不齐通道之间就没有共同参考多轴数据也无从对齐。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。像这类多通道同步采集、实时信号处理与非接触测量的项目正是我们常做的事。欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。