Sirkuit yang mengukur kecepatan suara dalam beton

Saya membutuhkan rangkaian untuk mengukur kecepatan suara dalam beton hingga 1μs atau lebih baik. Ini untuk demonstrasi sekolah di mana siswa yang belajar konstruksi akan menggunakan sirkuit ini untuk mengukur kecepatan suara dalam sampel beton untuk menentukan kualitas beton.

Saya memiliki dua transduser 40kHz: satu untuk mengirimkan pulsa dan yang lainnya untuk mendeteksi pulsa di sisi lain dari sampel beton yang tebalnya sekitar 10cm.

Saya memiliki prosesor PIC untuk menghasilkan pulsa dan kemudian mendeteksi pulsa.

Namun ketika saya melihat banyak Penguji Beton Ultrasonik komersial

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

Tampaknya dari spesifikasi mereka bahwa mereka beroperasi dengan transduser khz, bukan mhz. Mereka tidak menyebutkan frekuensi lebih tinggi dari 200khz. Mungkin ada batasan transmisi suara yang baik dalam frekuensi konkrit ke khz karena frekuensi mhz dilemahkan?

Saya memiliki persyaratan untuk membangun sistem siswa SANGAT RENDAH BIAYA, dan saya hanya dapat menemukan transduser 40khz yang murah. Transduser Mhz yang saya temukan jauh terlalu mahal untuk kebutuhan saya.

Tampaknya dari spesifikasi untuk perangkat komersial bahwa mereka menggunakan pulsa 20us hingga 20ms dan kemudian menunggu deteksi penerima sebelum mengirim pulsa lain. Jadi pulsa terpendek akan menjadi hanya satu gelombang sinus 40khz lengkap dan pulsa lebih lama akan menjadi beberapa gelombang sinus 40khz lengkap. Adakah distorsi yang tidak penting karena mereka tidak mendeteksi frekuensi pita sempit, tetapi hanya kenaikan pertama dari pulsa dari penerima?

Apakah ini masuk akal bagi siapa pun? Maksud saya, ada yang bisa membantu saya untuk menyelesaikan masalah ini ...

Terima kasih.

Setelah bekerja di industri ultrasonik / industri NDT (meskipun sekitar 30 tahun yang lalu :)), saya akan mencoba menambahkan saran bagus yang sudah Anda terima.

Kaz membuat poin yang sangat bagus bahwa Anda harus menggunakan osiloskop. Ini berpotensi proyek yang sangat sulit dan Anda perlu melakukan R&D yang diperlukan pada ultrasonik sebelum Anda melakukan desain sirkuit terlalu banyak.

Ada beberapa masalah dengan transduser 40khz yang Anda mungkin atau mungkin tidak bisa atasi. Pertama, seperti yang ditunjukkan oleh Andy alias, waktu untuk ultrasonik melewati beton tidak jauh berbeda dari periode gelombang 40khz. Anda MUNGKIN dapat mengatasinya dengan mengukur fase sinyal yang diterima relatif terhadap sinyal yang ditransmisikan. Kedua, transduser Anda kemungkinan dirancang untuk digunakan di udara. Karena perubahan kepadatan yang besar ketika ultrasonik masuk dan keluar beton, Anda akan kehilangan sebagian besar sinyal Anda karena pantulan. Mungkin tidak ada sinyal yang cukup di penerima. Karena ini mungkin solusi Anda yang paling sederhana, layak untuk diuji dengan osiloskop.

Sekarang segalanya menjadi lebih kompleks. Anda mungkin membutuhkan penggandeng selain udara untuk mengurangi kepadatan yang tidak cocok. Couplant adalah media antara transduser dan material yang diuji. Jika Anda dapat merendam sampel, air mungkin merupakan pilihan terbaik. Jika Anda tidak dapat mencelupkan sampel, Anda mungkin bisa menggunakan minyak, jeli minyak, minyak mineral atau beberapa jenis gel (Saya tahu seorang Insinyur Aplikasi Ultrasonics yang bersumpah dengan gel rambut Dippity-Do, tapi saya tidak berpikir itu dibuat lagi). Transduser 40khz Anda mungkin tidak kompatibel dengan couplant selain udara. Coupler fluida harus menggantikan semua udara antara permukaan transduser dan sampel yang diuji.

Andy alias juga membuat saran transduser frekuensi yang lebih tinggi. Anda harus menyadari bahwa ketika Anda masuk ke dalam rentang Mhz, Anda pasti akan membutuhkan penggandeng selain udara karena ultrasonik pada frekuensi ini menipiskan sangat cepat di udara. Saya telah jauh dari bisnis dan tidak lagi akrab dengan harga atau sumber transduser, tetapi Google akan membantu dengan itu. Sunting: Dari penelitian tambahan, saya melihat bahwa frekuensi yang cocok untuk inspeksi beton biasanya berada dalam kisaran 24kHz hingga 200kHz (lihat "Penelitian Tambahan" di bawah).

Transduser frekuensi yang lebih tinggi ini biasanya berdenyut dengan pulsa tegangan tinggi yang sangat cepat, biasanya mungkin 300V atau lebih dalam <10ns (semakin cepat semakin baik). Ini biasanya dicapai dengan SCR cepat atau, tergantung pada voltase, sirkuit yang melibatkan beberapa SCR secara seri. Ini seperti membunyikan bel dengan palu.

Mengenai pengukuran volume: Jika transduser Anda tidak bersentuhan dengan sampel, Anda perlu mengurangi waktu perjalanan melalui kopling (air atau udara atau apa pun). Kecepatan suara dalam coupling dapat bervariasi karena berbagai faktor (seperti suhu dan kontaminan), jadi untuk akurasi terbaik Anda dapat mengukurnya tanpa beton di tempat dengan mengetahui pemisahan antara transduser. Anda kemudian perlu mengurangi ketebalan beton dari pemisahan transduser untuk menentukan jarak yang ditempuh melalui kopling, kemudian mengetahui jarak melalui kopling dan kecepatan suara melalui kopling, Anda dapat menghitung waktu yang dihabiskan bepergian melalui kopling.

Mengenai jam sampel dan resolusi pengukuran kecepatan Anda: Teknik yang digunakan dalam industri ultrasonik untuk "secara efektif" meningkatkan resolusi adalah dengan menggunakan jam asinkron yang terpisah. Satu jam untuk mendapatkan pemicu untuk pulsa transmisi Anda, dan jam yang berbeda untuk pengukuran waktu. Anda kemudian mengambil rata-rata banyak pengukuran. Tentu saja jika Anda hanya memerlukan resolusi 1μs di timer Anda, ini tidak akan diperlukan.

Saya baru saja menemukan tes kecepatan pulsa Ultrasonik beton di youtube. Tidak banyak informasi teknis tentang ultrasonik itu sendiri, tetapi mungkin memberikan beberapa informasi yang berguna. Ada juga tautan ke video terkait lainnya. Saya melihat mereka menggunakan kontak langsung antara transduser dan beton merekomendasikan grease atau petroleum jelly sebagai penggandeng.

The NDT Resource Center juga memiliki banyak informasi yang berguna tentang pengujian ultrasonik.

Edit ... Penelitian Tambahan :

Menurut Transduser Pendek-Frekuensi Rendah Ultrasonik dengan Kontak Titik Kering. Pengembangan dan Aplikasi. :

Pengujian ultrasonik beton dan ferroconcrete dimungkinkan pada frekuensi tidak lebih dari 150 - 200 kHz.

Makalah ini selanjutnya membahas transduser "Kontak Titik Kering" (DPC) yang tampaknya tidak menggunakan kopling.

Saya tidak tahu apakah Anda akan menemukan sesuatu yang berguna di sini, tetapi ada baiknya mengetahui pendekatan alternatif.

PENINGKATAN PAKAR ULTRASONIK UNTUK INSPEKSI ROUTINE OF BETON adalah makalah yang sangat informatif tentang masalah ini. Yang menarik adalah:

• 2.3 Teknik inspeksi beton dan non-destruktif (membahas berbagai teknik ultrasonik dan teknik alternatif lainnya)
• 2.4 Peralatan uji PUNDIT (membahas blok-blok penyusun desain peralatan ultrasonik yang digunakan serta transduser yang digunakan)

Makalah ini juga membahas frekuensi yang digunakan untuk pengujian beton:

Ukuran dan elemen listrik piezo yang berbeda memungkinkan berbagai frekuensi pusat transduser dari 24kHz hingga 200kHz yang cocok untuk pengujian beton.

Catatan Akhir: Karena penggunaan transduser mahal dan pulsers tegangan tinggi mungkin di luar anggaran Anda dalam waktu dan uang untuk proyek siswa, Jika Anda tidak keberatan mempertaruhkan beberapa transduser pada beberapa R&D, saya akan menyarankan Anda membuat beberapa upaya memodifikasi beberapa transduser udara 40kHz murah untuk memungkinkan penggunaan kopling. Gunakan melalui transmisi dengan kontak langsung pada beton (dengan ketebalan yang diketahui), dan lihat apakah Anda dapat menerima sinyal. Ada banyak bantuan di web mengenai sirkuit untuk transduser ini. Anda mungkin mulai di Cara Memasang Ultrasonik Transduser

Anda tidak perlu sirkuit, saya akan menggunakan:

• palu (silakan lihat komentar @hoosierEE, palu mungkin berlebihan)
• dua mikrofon piezoelektrik kecil (bahkan speaker piezo dapat bekerja)
• Osiloskop digital 2-saluran

Rekatkan / rekatkan mikrofon piezo ke setiap sisi beton. Hubungkan piezo 1 ke probe 1, yang lainnya ke probe 2. Nyalakan kedua saluran. Mengatur ruang lingkup untuk memicu dan menahan probe 1. Ketuk beton dengan palu di sebelah piezo 1. Ruang lingkup harus memicu dan kemudian Anda dapat menentukan perbedaan antara pulsa awal dan akhir. Lakukan beberapa pengukuran untuk meningkatkan akurasi.

Ini akan jauh lebih murah dan lebih sedikit memakan waktu daripada proyek lain. Sebagai bonus, Anda akan memiliki osiloskop digital untuk praktik lain seperti motor, mikrofon, dll.

Kecepatan suara dalam beton (menurut uk.ask.com ) adalah sekitar 3400 m / s dan karenanya akan membutuhkan waktu sekitar$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$ detik untuk melakukan perjalanan melalui balok beton 10 cm - sekitar 29$\mu s$.

Transduser ultrasonik 40 kHz ingin menghasilkan gelombang sinus pada 40 kHz dan dengan demikian apa yang Anda yakini sebagai pulsa akan dikenakan banyak penyaringan band-pass (karena transduser 40 kHz).

Terlepas dari kecerobohan sinyal yang diterima, 40 kHz memiliki periode 25$\mu s$ dan ini cukup lama untuk mengantisipasi suara yang melewati beton.

Saya percaya Anda harus mencari transduser yang memiliki frekuensi resonansi yang jauh lebih tinggi, mungkin setinggi 10 MHz. Ini berarti Anda dapat menerapkan pulsa yang panjangnya hanya beberapa mikrodetik dan berharap tepi pulsa dapat diandalkan untuk memicu penghitung untuk menghitung waktu tunda.

Berikut adalah halaman depan lembar data untuk perangkat ultrasonografi 40kHz: -

Catatan (dalam kotak merah) bandwidth terbatas - ini berarti pulsa yang dikirim ke perangkat akan menghasilkan serangkaian osilasi dering peluruhan 40 kHz yang membuat pengukuran yang masuk akal sedikit tidak berarti. Ditto saat menerima sinyal yang mungkin berupa pulsa.

Untuk menyederhanakan proyek, saya tidak akan mencoba membuat mekanisme elektronik untuk menghasilkan pulsa di dalam beton. Cukup pukul beton dengan benda keras. Gunakan sensor hanya untuk mengambil suara.

Mungkin beberapa jenis solenoid dapat dicurangi untuk bergetar bolak-balik dan mengetuk beton beberapa kali per detik.

Komentar saya sudah menyebutkan osiloskop. Dengan menggunakan itu Anda mungkin bisa mendapatkan delta waktu antara dua titik di blok beton.

Mengetahui posisi kedua balok dan posisi di mana beton dipukul, dengan asumsi kecepatan bunyi yang merata di setiap arah di dalam beton, Anda dapat melakukan triangulasi untuk mendapatkan kecepatan.

Saya yakin Anda bahwa jika Anda dapat mengetuk beton, katakanlah, setidaknya 30 kali per detik, Anda mungkin bisa mendapatkan gambar jejak yang stabil dengan cakupan analog lama yang murah. Sapu dapat dipicu oleh satu saluran (sesuai dengan transduser sebelumnya).

Saya bertanya-tanya apakah tidak lebih dari alat pengukir listrik yang murah tidak akan melakukan trik menghasilkan sinyal sonik yang cukup berguna dalam beton. Alat-alat ini memiliki titik logam tajam yang bergetar. Mereka digunakan seperti pena untuk mengukir tanda identifikasi pada objek (biasanya yang plastik atau logam). Titik pahat logam diketuk pada beberapa kelipatan frekuensi garis seperti 120 Hz. Saat Anda memindahkan alat terlalu cepat, Anda dapat melihat ketukan individu pada jejak yang dihasilkan pada materi yang sedang diukir.

Kami tidak membutuhkan pulsa untuk datang dengan frekuensi tinggi; hanya sesuatu yang cukup tinggi untuk mendapatkan tampilan visual yang stabil (namun cukup rendah sehingga semua gema internal di dalam blok beton dapat mereda sebelum pulsa berikutnya). Kami ingin pulsa secara individual memiliki konten frekuensi tinggi: memiliki tepi yang tajam. Ketika benda-benda keras dipukul, itu cenderung membuat sinyal tajam, dengan konten frekuensi ke dalam kisaran ultrasonik.

Saya jauh dari kedalaman saya dalam hal ini tetapi saya sangat meragukan bahwa Anda dapat mengandalkan PIC untuk pengaturan waktu. Berarti jika Anda hanya mencatat waktu, mengirim rangsangan, menerima respons dan kemudian membandingkan waktu, saya dapat membayangkan bahwa mungkin sangat sulit untuk mendapatkan pembacaan yang akurat. Anda memerlukan rangkaian yang akan memancarkan stimulus, membaca respons, dan memancarkan nilai representatif dari waktu yang dilewati semua dalam satu langkah murni analog. Mungkin ada sirkuit pintar yang melakukan hal itu. Apa itu saya tidak tahu. Lihat ke sirkuit sonar tua mungkin. Tetapi saya dapat menebak bahwa itu ada hubungannya dengan waktu yang diperlukan kapasitor untuk melepaskan (atau mengisi) melalui resistor hanya karena kapasitor dan induktor adalah satu-satunya komponen pasif yang memiliki "memori". Dan Anda akan membutuhkan "sampel dan tahan" sirkuit untuk menyimpan nilai output jika tidak cepat berlalu. Perhatikan bahwa op amp mungkin juga tidak cukup cepat. Berapa kecepatan suara beton secara normal? Dugaan saya, ini sedikit lebih cepat daripada kecepatan suara di udara. Jika op amp cukup cepat, Anda mungkin mengisi kapasitor dengan stimulus dan membandingkannya dengan output transduser respons. Jika Anda mengatur agar dua voltase melintas, output op amp entah bagaimana mencerminkan waktu antara stimulus dan respons. Berarti jika waktunya singkat outputnya "tinggi" dan jika waktu lebih lama, kapasitor memiliki lebih banyak waktu untuk melepaskan dan output tidak setinggi. Ini sedikit lebih cepat daripada kecepatan suara di udara. Jika op amp cukup cepat, Anda mungkin mengisi kapasitor dengan stimulus dan membandingkannya dengan output transduser respons. Jika Anda mengatur agar dua voltase melintas, output op amp entah bagaimana mencerminkan waktu antara stimulus dan respons. Berarti jika waktunya singkat outputnya "tinggi" dan jika waktu lebih lama, kapasitor memiliki lebih banyak waktu untuk melepaskan dan output tidak setinggi. Ini sedikit lebih cepat daripada kecepatan suara di udara. Jika op amp cukup cepat, Anda mungkin mengisi kapasitor dengan stimulus dan membandingkannya dengan output transduser respons. Jika Anda mengatur agar dua voltase melintas, output op amp entah bagaimana mencerminkan waktu antara stimulus dan respons. Berarti jika waktunya singkat outputnya "tinggi" dan jika waktu lebih lama, kapasitor memiliki lebih banyak waktu untuk melepaskan dan output tidak setinggi.

Satu saran terakhir, apa yang benar-benar ingin Anda lakukan adalah mengukur respons frekuensi. Berarti mengambil FFT dari respons. Itu setara dengan mengetuk sesuatu dan mendaftar pada kedengarannya. Jika terdengar membosankan, artinya hanya memiliki frekuensi rendah, maka itu tidak solid. Tetapi jika mentransmisikan semua frekuensi itu mungkin rapuh. Atau jika ia mentransmisikan satu frekuensi dengan sangat baik itu beresonansi yang mungkin buruk atau baik, jangan.