数字化仪的超声波应用

超声波是频率大于人类听觉范围上限的声学声压（声学）波。超声波设备的工作频率为 20 kHz 至几千 MHz。表 1 总结了一些更常见的超声波应用的特征。每个应用中使用的频率范围都反映了实际情况下的平衡。提高工作频率可以通过提高分辨率来检测较小的伪影，但较高频率的信号无法穿透那么远。超声波应用的常见问题是信号衰减，它与信号频率成反比。因此，在表面研究应用中往往使用非常高的频率，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更小的信号。

表 1：常见超声波应用的特征以及推荐的 Spectrum 数字化仪

数字化仪采样率

产品选型主要与实际应用中频率有关。一般来说，数字化仪的采样率需要是应用频率的 5 到 10 倍。除非应用中使用多普勒频移，即使频率可能不是那么高，但随着频移，定时分辨率也需要更高，而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高于所用频率的 10 倍。

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。使用较低带宽将导致较高频率信号的衰减，并且可能限制测量分辨率和精度。

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 通常可提供更好的信噪比，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经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。

其他因素

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。德思特大多数数字化仪都提供输入路径、配置和终端阻抗的选择，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可能很重要。数字化仪接受和处理多个采集的能力使得多个信号突发或脉冲超声波的应用成为现实，并且突发事件之间的死区时间最小。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，德思特数字化仪还提供信号处理功能，例如平均、峰值检测、滤波和快速傅立叶变换 (FFT)。其中，平均和峰值检测可作为基于 FPGA 的内部处理功能。其他信号处理功能可在配套的SBench 6 软件平台或第三方软件中使用。

典型的超声波应用

以下超声波测距仪的测量说明了数字化仪中可用的一些功能。该设备发射五个 40 kHz 的声脉冲。本次测试的测量传感器是 100 kHz 带宽仪表麦克风。麦克风需要一个 1 兆欧的直流耦合输入端接。下图显示了 SBench 6 软件对该测量结果的显示。数字化仪使用多种采集模式进行设置。它获取五个超声波脉冲作为单次测量。显示屏顶部的预览窗格显示了这些突发脉冲。每个事件都带有时间戳，屏幕左下角的时间戳表显示事件的绝对时间和相对于其他事件的时间。

所采集的第一个脉冲的缩放显示（包括来自目标的衰减反射）显示在左上方显示的轨迹中。请注意，后缘并不平坦。FFT 视图显示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。所采集信号的基线上升是由于低频杂散拾取造成的。根据此频谱视图，对信号应用截止频率为 20 和 50 kHz 的带通滤波器（右上网格）。滤波导致信号后沿变平。五个获取的突发的平均值显示在左下网格中。每个视图的垂直轴均按麦克风的灵敏度进行缩放，并以声压（帕斯卡）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结果显示在标记为“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多种测量和分析工具，以帮助超声波应用的开发。