Eu preciso de um circuito para medir a velocidade do som no concreto para 1μs ou melhor. Isto é para uma demonstração escolar em que os alunos que estudam construção usarão esse circuito para medir a velocidade do som em uma amostra de concreto para determinar a qualidade do concreto.
Eu tenho dois transdutores de 40kHz: um para transmitir o pulso e outro para detectar o pulso no outro lado da amostra de concreto com cerca de 10 cm de espessura.
Eu tenho processadores PIC para gerar o pulso e depois detectá-lo.
No entanto, quando olho para os muitos testadores de concreto ultrassônicos comerciais
Parece pelas especificações deles que eles estão operando com transdutores de khz, não mhz. Eles não mencionam frequências superiores a 200khz. Talvez exista uma limitação da boa transmissão de som no concreto para frequências em kHz porque as frequências em MHz são atenuadas?
Tenho um requisito para construir um sistema de estudantes com MUITO BAIXO CUSTO, e só consigo encontrar transdutores de 40khz baratos. Os transdutores de Mhz que posso encontrar são muito caros para minhas necessidades.
Parece pelas especificações dos dispositivos comerciais que eles usam pulsos de 20us a 20ms e aguardam a detecção do receptor antes de enviar outro pulso. Portanto, o pulso mais curto seria apenas uma onda senoidal de 40 kHz e os pulsos mais longos seriam várias ondas senoidais de 40 kHz. Qualquer distorção pode não ter importância porque eles não estão detectando uma frequência de banda estreita, mas apenas o primeiro aumento do pulso do receptor?
Isso faz sentido para alguém? Quero dizer, alguém pode me ajudar a resolver esse problema ...
Obrigado.
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Respostas:
Tendo trabalhado na indústria de ultra-som / NDT industrial (embora tenha sido há cerca de 30 anos :)), tentarei acrescentar aos excelentes conselhos que você já recebeu.
Kaz argumenta muito bem que você deve usar um osciloscópio. Esse é um projeto potencialmente muito difícil e você precisa fazer a pesquisa e o desenvolvimento necessários na ultrassônica antes de fazer muito projeto de circuito.
Existem alguns problemas com os transdutores de 40 kHz que você pode ou não conseguir superar. Primeiro, como apontado por Andy aka, o tempo para a ultra-sonografia passar pelo concreto não é muito diferente do período de uma onda de 40 kHz. Você pode superar isso medindo a fase do sinal recebido em relação ao sinal transmitido. Segundo, seus transdutores foram projetados para serem usados no ar. Devido à grande alteração de densidade quando o ultrassom entra e sai do concreto, você perde a maior parte do seu sinal devido a reflexões. Pode não haver sinal suficiente no receptor. Como essa é provavelmente a sua solução mais simples, vale a pena testar com um osciloscópio.
Agora as coisas ficam mais complexas. Pode ser necessário um acoplamento que não seja o ar para diminuir a falta de correspondência de densidade. O acoplador é o meio entre os transdutores e o material que está sendo testado. Se você pode mergulhar sua amostra, a água é provavelmente a melhor escolha. Se você não puder mergulhar a amostra, poderá usar graxa, vaselina, óleo mineral ou algum tipo de gel (eu conhecia um engenheiro de aplicações de ultra-som que jurou pelo gel de cabelo Dippity-Do, mas não acho que seja feito) não mais). Seus transdutores de 40 kHz podem não ser compatíveis com acopladores que não sejam o ar. O acoplador de fluido deve substituir todo o ar entre a superfície do transdutor e a amostra que está sendo testada.
Andy aka também fez a sugestão de transdutores de frequência mais alta. Você deve estar ciente de que, quando chegar à faixa de Mhz, definitivamente precisará de um acoplamento que não seja o ar, porque o ultrassom nessas frequências atenua muito rapidamente no ar. Eu estive fora dos negócios e não estou mais familiarizado com preços ou fontes de transdutores, mas o Google ajudará nisso. Edit: A partir de pesquisas adicionais, vejo que as frequências adequadas para inspeção de concreto normalmente caem na faixa de 24kHz a 200kHz (consulte "Pesquisa adicional" abaixo).
Esses transdutores de frequência mais alta normalmente são pulsados com um pulso de alta voltagem muito rápido, tipicamente talvez 300V ou mais em <10ns (quanto mais rápido, melhor). Isso geralmente é alcançado com um SCR rápido ou, dependendo da tensão, circuitos envolvendo vários SCRs em série. É como tocar uma campainha com um martelo.
Com relação à medição de volocidade: Se seus transdutores não estiverem em contato com a amostra, você precisará subtrair o tempo de viagem pelo acoplador (água ou ar ou qualquer outra coisa). A velocidade do som no acoplamento pode variar devido a vários fatores (como temperatura e contaminantes); portanto, para obter melhor precisão, você pode medi-lo sem o concreto instalado, conhecendo a separação entre os transdutores. Em seguida, é necessário subtrair a espessura do concreto da separação do transdutor para determinar a distância percorrida através do acoplamento, sabendo a distância através do acoplamento e a velocidade do som através do acoplamento, você pode calcular o tempo gasto viajando pelo acoplamento.
Em relação ao relógio de amostra e à resolução da medição de velocidade: Uma técnica usada na indústria de ultrassom para "efetivamente" aumentar a resolução é usar relógios assíncronos separados. Um relógio para derivar o gatilho do seu pulso de transmissão e um relógio diferente para a medição do tempo. Você faz a média de muitas medições. Obviamente, se você precisar apenas de uma resolução de 1 μs no seu timer, isso não será necessário.
Acabei de encontrar o teste ultra-sônico de velocidade de pulso de concreto no youtube. Não há muitas informações técnicas sobre os ultrassônicos, mas elas podem fornecer algumas informações úteis. Há também links para outros vídeos relacionados. Vejo que eles usam contato direto entre os transdutores e o concreto, recomendando graxa ou vaselina como acoplador.
O NDT Resource Center também possui muitas informações úteis sobre testes ultrassônicos.
Editar ... Pesquisa adicional :
De acordo com os transdutores de pulso curto de baixa frequência ultra-sônicos com contato de ponto seco. Desenvolvimento e aplicação. :
Este artigo discute um transdutor de "contato de ponto seco" (DPC) que aparentemente não usa acoplamento.
Não sei se você encontrará algo útil aqui, mas é bom conhecer abordagens alternativas.
A MELHORIA DO APARELHO ULTRASSÔNICO PARA A INSPEÇÃO ROTINA DO CONCRETO é um artigo muito informativo sobre o assunto. De interesse particular são:
Este artigo também discute as frequências usadas para testes de concreto:
Nota final: Como o uso de transdutores e pulsos de alta tensão caros pode estar fora do seu orçamento, tanto em tempo quanto em dinheiro para um projeto de um estudante, se você não se importa em arriscar alguns transdutores em alguma pesquisa e desenvolvimento, sugiro que você faça algumas tentativas de modificar alguns transdutores de ar baratos de 40kHz para permitir o uso de um acoplador. Use transmissão direta com contato direto no concreto (de uma espessura conhecida) e veja se você pode receber um sinal. Há muita ajuda na Web sobre circuitos para esses transdutores. Você pode começar em Como conectar o transdutor ultrassônico
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Você não precisa de um circuito, eu usaria:
Cole / prenda um microfone piezoelétrico em cada lado do concreto. Conecte o piezo 1 à sonda 1 e o outro à sonda 2. Ligue os dois canais. Defina o osciloscópio para acionar e reter a sonda 1. Toque no concreto com o martelo próximo ao piezo 1. O osciloscópio deve acionar e, então, você pode descobrir a diferença entre os pulsos inicial e final. Faça várias medições para aumentar a precisão.
Isso será muito mais barato e consumirá menos tempo do que outros projetos. Como bônus, você terá um osciloscópio digital para outras práticas, como motores, microfones, etc.
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nearno sensor de gatilho, você deve tocá-lo diretamente. E talvez não com um martelo. :)A velocidade do som no concreto (de acordo com uk.ask.com ) é de cerca de 3400 m / se, portanto, será preciso10cm3400m/s segundos para percorrer um bloco de concreto de 10 cm - cerca de 29μs .
Um transdutor ultrassônico de 40 kHz deseja produzir uma onda senoidal a 40 kHz e, portanto, a recepção do que você acredita ser um pulso estará sujeita a muita filtragem de passagem de banda (devido ao transdutor de 40 kHz).
Além da negligência do sinal recebido, 40 kHz tem um período de 25μs e esse é praticamente o período de tempo previsto para o som atravessar o concreto.
Acredito que você deva procurar transdutores que tenham uma frequência ressonante massivamente mais alta, possivelmente tão alta quanto 10 MHz. Isso significa que você pode aplicar um pulso com apenas alguns microssegundos e esperar que as bordas do pulso sejam confiáveis para acionar contadores para calcular o atraso de tempo.
Aqui está a primeira página de uma planilha de dados para um dispositivo típico de ultrassom de 40kHz: -
Observe (na caixa vermelha) a largura de banda limitada - isso significa que um pulso entregue ao dispositivo produzirá uma série de oscilações de toque em decomposição de 40 kHz, tornando as medições sensíveis um pouco sem sentido. Idem ao receber um sinal que pode ser um pulso.
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Para simplificar o projeto, eu não tentaria criar um mecanismo eletrônico para gerar o pulso dentro do concreto. Simplesmente bata no concreto com um objeto duro. Use sensores apenas para captar o som.
Talvez algum tipo de solenóide possa ser equipado para vibrar para frente e para trás e bater no concreto tantas vezes por segundo.
Meu comentário já menciona o osciloscópio. Usando isso, você poderá obter um delta de tempo entre dois pontos no bloco de concreto.
Conhecendo a posição desses dois blocos e a posição em que o concreto está sendo atingido, assumindo uma velocidade uniforme do som em todas as direções do concreto, você pode triangular para obter a velocidade.
Aposto que se você puder explorar o concreto, digamos, pelo menos 30 vezes por segundo, poderá obter uma imagem estável de traço com um escopo analógico antigo e barato. A varredura pode ser acionada por um canal (correspondente ao transdutor anterior).
Estou imaginando se nada além de uma ferramenta de gravador elétrico barato não seria suficiente para gerar sinais sônicos suficientemente úteis no concreto. Essas ferramentas têm ponta metálica afiada que vibra. Eles são usados como uma caneta para gravar marcas de identificação em objetos (geralmente de plástico ou metal). O ponto de cinzel metálico é tocado em algum múltiplo de frequência de linha como 120 Hz. Quando você move a ferramenta muito rapidamente, pode ver os toques individuais no traço resultante no material que está sendo gravado.
Não precisamos que os pulsos cheguem com alta frequência; apenas algo alto o suficiente para obter uma exibição visual estável (mas baixo o suficiente para que todos os ecos internos no bloco de concreto possam diminuir antes do próximo pulso). Queremos que os pulsos individualmente tenham um conteúdo de alta frequência: para ter uma borda nítida. Quando objetos duros são atingidos, isso tende a emitir sinais nítidos, com um conteúdo de frequência na faixa ultrassônica.
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Estou muito longe disso, mas duvido muito que você possa confiar no PIC para o tempo. Ou seja, se você apenas notar o tempo, enviar o estímulo, receber a resposta e comparar o tempo, posso imaginar que pode ser muito difícil obter uma leitura precisa. Você precisa de um circuito que emita o estímulo, leia a resposta e emita um valor representativo do tempo passado em uma etapa puramente analógica. Provavelmente existe um circuito inteligente que faz exatamente isso. O que é que não faço ideia. Olhe para circuitos antigos de sonar, talvez. Mas posso supor que isso teria algo a ver com o tempo que um capacitor leva para descarregar (ou carregar) através de um resistor apenas porque capacitores e indutores são os únicos componentes passivos que têm "memória". E você precisará de uma "amostra e segure" circuito para salvar o valor de saída fugaz. Observe que um amplificador operacional também pode não ser rápido o suficiente. Qual é a velocidade do som no concreto normalmente? Meu palpite é que é um pouco mais rápido que a velocidade do som no ar. Se um amplificador operacional for rápido o suficiente, você poderá carregar um capacitor com o estímulo e compará-lo com a saída do transdutor de resposta. Se você providenciar o cruzamento das duas tensões, a saída do amplificador operacional poderá, de alguma forma, refletir o tempo entre o estímulo e a resposta. Ou seja, se o tempo for curto, a saída será "alta" e se o tempo for maior, o capacitor terá mais tempo para descarregar e a saída não será tão alta. é um pouco mais rápido que a velocidade do som no ar. Se um amplificador operacional for rápido o suficiente, você poderá carregar um capacitor com o estímulo e compará-lo com a saída do transdutor de resposta. Se você providenciar o cruzamento das duas tensões, a saída do amplificador operacional poderá, de alguma forma, refletir o tempo entre o estímulo e a resposta. Ou seja, se o tempo for curto, a saída será "alta" e se o tempo for maior, o capacitor terá mais tempo para descarregar e a saída não será tão alta. é um pouco mais rápido que a velocidade do som no ar. Se um amplificador operacional for rápido o suficiente, você poderá carregar um capacitor com o estímulo e compará-lo com a saída do transdutor de resposta. Se você providenciar o cruzamento das duas tensões, a saída do amplificador operacional poderá, de alguma forma, refletir o tempo entre o estímulo e a resposta. Ou seja, se o tempo for curto, a saída será "alta" e se o tempo for maior, o capacitor terá mais tempo para descarregar e a saída não será tão alta.
Uma sugestão final, o que você realmente deseja fazer é medir a resposta em frequência. Significado tomar a FFT da resposta. Esse é o equivalente eletrônico de tocar em alguma coisa e listar como ela soa. Se parecer aborrecido, o que significa que só tem baixas frequências, não é sólido. Mas se transmitir todas as frequências, pode ser quebradiço. Ou se ele transmite uma frequência muito bem, está ressonando o que pode ser ruim ou bom, não.
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