基于Labview的回波厚度测量系统

周红仙，王 毅

(东北大学秦皇岛分校，河北秦皇岛 066004)

把工程实际问题引入大学物理实验，对于激发大学生的学习兴趣、扩大知识面、培养综合能力有明显的帮助，这是目前实验教学改革的趋势。回波法是厚度测量的基本方法，有广泛的实际应用，例如用于混凝土、挡土墙、隧道衬砌、大坝等只存在单一测试面的物体的厚度测量。目前的回波厚度测量法需要两个压电换能器，通过直接测量声信号到达两换能器的时间间隔，计算厚度［1，2］，系统较复杂。在此基础上，发展一种使用单压电换能器，利用傅立叶变换计算回波时间的厚度测量方法，和双换能器直接测量回波时间相比，这种方法是通过频域计算回波时间，不受回波信号波形的影响，有较高的准确性。本系统以Labview(Laboratory Virtual instrument Engineering)为开发平台，LabVIEW是一种图形化的编程语言，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，借由直观的图标和连线，可以快速开发复杂的测量、测试和控制系统，摒弃了传统开发工具的复杂性［3］。和目前在大学物理实验中广泛使用的用驻波共振法及相位比较法测量空气中声速的实验项目相比［4，5］，本系统包括声学、计算机控制、信号采集、信号处理等多领域知识，是多领域技术的综合运用，但系统成本低、物理思想清晰、适合作为大学物理实验教学中的综合性、设计性实验，对于激发大学生的学习兴趣、扩大知识面、培养综合能力有很大的帮助。

1 原理与实验系统

本系统的原理图如图1(a)所示，利用机械力(如小钢球)瞬间撞击物体的表面1，产生脉冲声波，该声波传到物体的表面2时，部分出射，部分被表面2反射回到物体内部，在表面1和2之间进行多次反射，其中不满足驻波条件的分量很快衰减，而满足驻波条件的分量衰减较慢，形成较稳定的多个出射波，因此用压电换能器在表面1或2测量满足驻波条件的多个出射波，相邻出射波的时间间隔，就等于声波在表面1和2之间往返一次的时间。对于非均匀介质，由于声波在物体内部传播过程中，声波信号会发生变化，因此用时域的方法计算各个出射波的间隔有较大的误差。为了减小这种误差，用频域处理方法。假定声波在物体内部往返一次的时间为T，则多个回波信号的时间间隔即为T，对测量信号进行快速傅立叶变换(FFT)，其幅度谱极大值点对应的频率F=1/T，则表面1和2之间的间距L=V/(2F)，V为声速。用两个换能器，置于物体表面，测量声波在两个换能器之间的传输时间差及两个探测器之间的距离，就可以简单的计算出声速V。

图1 实验装置图

实验装置图如图1(b)所示，以Labview为开发平台，通过GPIB卡连接计算机和一台示波器(Tektronix，TDS210)，用计算机控制示波器对回波信号的采集并传到计算机进行处理。换能器置于待测物体表面，用直径为1.00 cm的金属球自由下落撞击物体表面，产生脉冲声波，换能器接收多次反射信号，转换为电信号传给示波器，示波器把信号通过GPIB卡传给计算机进行处理，所用子VI包括:Initialize.vi、Acquire mode.vi、Horizontal.vi、Read waveform.vi、Trigger.vi、Vertial.vi、Close.vi。用real FFT.Vi进行快速傅立叶变换。

2 结果及讨论

图2(a)为一个采集到的典型的回波多次反射信号，信号经过低通滤波消除高频噪声，可以明显看到多次驻波反射信号，实验样品是厚度为381.5 mm的石柱，随着反射次数增加，信号出现明显的衰减。

图2 (a)采集到的回波信号(b)傅立叶变换结果

图2(b)为对图2(a)所示信号做FFT的幅度谱，其中幅度极大值所对应的频率即是驻波频率，测量到的驻波频率为4 981 Hz，声速为3 810 m/s，由此计算出样品的厚度为38.25 cm。

对厚度为381.5 mm的石柱的多次测量结果见表1，共测量18次，示波器采样频率为2.5 MHz，用于撞击样品表面产生声波的钢球直径为1 cm。从表1可以看出，相对误差最大是0.682%，最小是0.13%，测量结果的相对误差都小于1%，测得的驻波频率在5 kHz左右，重复性较好。

以上实验结果显示，回波法测量石柱厚度的结果与其实际厚度相符，厚度检测结果相对误差小于1%，表明本系统可以达到很高的精确度，也证明了此方法的正确性。

表1 实验结果

3 结 论

在工业回波厚度测量方法的基础上，以Labview为平台建立了回波法厚度测量系统，使用FFT计算声波在样品内部的传输时间，可以使系统简单，不需要复杂的双换能器驱动及接受电路。本系统硬件只需要计算机、示波器、GPIB卡、换能器，借助Labview，可以快速建立示波器的控制系统及进行简单的信号处理。整个系统利用实验室常用设备即可完成，不需要太多的信号处理知识，成本较低、设计新颖，物理思想清晰，适合用于物理实验教学，特别适合学生作为综合设计性物理实验进行研究开发。

［1］王正君，金晓鸥，王红梅.超声反射波法检测水泥混凝土板厚度的研究［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2011，35(4):728-730.

［2］张建国，琚晓辉，路晋.水泥混凝土路面厚度超声检测系统研究［J］.公路交通技术.2006，(1):26-28.

［3］申炎华，王汝杰，雷振山.LabVIEW入门与提高范例教程［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［4］李春贵.大学物理实验［M］.2版，武汉:华中师范大学出版社，2010.

［5］仲志强.大学物理实验［M］.南京:南京大学出版社，2009.