Circuito que mide la velocidad del sonido en concreto.

Necesito un circuito para medir la velocidad del sonido en concreto a 1 μs o mejor. Esto es para una demostración escolar donde los estudiantes que estudian construcción usarán este circuito para medir la velocidad del sonido en una muestra de concreto para determinar la calidad del concreto.

Tengo dos transductores de 40 kHz: uno para transmitir el pulso y el otro para detectar el pulso en el otro lado de la muestra de concreto que tiene aproximadamente 10 cm de espesor.

Tengo procesadores PIC para generar el pulso y luego detectar el pulso.

Sin embargo, cuando miro los muchos probadores de concreto ultrasónicos comerciales en

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

De sus especificaciones parece que están operando con transductores khz, no mhz. No mencionan frecuencias superiores a 200khz. ¿Quizás hay una limitación de buena transmisión de sonido en concreto a frecuencias de khz porque las frecuencias de mhz están atenuadas?

Tengo el requisito de construir un sistema de estudiantes de MUY BAJO COSTO, y solo puedo encontrar transductores de bajo costo de 40 kHz. Los transductores Mhz que puedo encontrar son demasiado caros para mis necesidades.

De las especificaciones de los dispositivos comerciales parece que usan pulsos de 20us a 20ms y luego esperan la detección del receptor antes de enviar otro pulso. Entonces, el pulso más corto sería solo una onda sinusoidal completa de 40 kHz y los pulsos más largos serían varias ondas sinusoidales completas de 40 kHz. Cualquier distorsión puede no ser importante porque no están detectando una frecuencia de banda estrecha, sino solo el primer aumento del pulso desde el receptor.

¿Esto tiene sentido para alguien? Quiero decir, ¿alguien puede ayudarme a resolver este problema ...

Gracias.

Después de haber trabajado en la industria de ultrasonidos industriales / END (aunque fue hace unos 30 años :)), intentaré agregar al excelente consejo que ya ha recibido.

Kaz señala muy bien que debes usar un osciloscopio. Este es un proyecto potencialmente muy difícil y necesita hacer la I + D necesaria en los ultrasonidos antes de hacer demasiado diseño de circuito.

Hay un par de problemas con los transductores de 40 kHz que puede o no puede superar. Primero, como señaló Andy alias, el tiempo para que los ultrasonidos pasen a través del concreto no es muy diferente del período de una onda de 40 kHz. PUEDE ser capaz de superar esto midiendo la fase de la señal recibida en relación con la señal transmitida. En segundo lugar, sus transductores probablemente fueron diseñados para usarse en el aire. Debido al gran cambio de densidad cuando el ultrasonido entra y sale del concreto, perderá la mayor parte de su señal debido a los reflejos. Puede que no haya suficiente señal en el receptor. Dado que esta es probablemente su solución más simple, vale la pena probarla con un osciloscopio.

Ahora las cosas se vuelven más complejas. Es posible que necesite un acoplador que no sea aire para disminuir la densidad de coincidencia errónea. El acoplador es el medio entre los transductores y el material que se está probando. Si puede sumergir su muestra, el agua es probablemente la mejor opción. Si no puede sumergir la muestra, posiblemente podría usar grasa, vaselina, aceite mineral o algún tipo de gel (conocí a un ingeniero de aplicaciones de ultrasonidos que juró por el gel para el cabello Dippity-Do, pero no creo que esté hecho nunca más). Es posible que sus transductores de 40 kHz no sean compatibles con otros acoplamientos que no sean aire. El acoplador de fluido debe reemplazar todo el aire entre la superficie del transductor y la muestra que se está analizando.

Andy también hizo la sugerencia de transductores de mayor frecuencia. Debe tener en cuenta que cuando ingrese al rango de Mhz, definitivamente necesitará un acoplador que no sea aire porque los ultrasonidos a estas frecuencias se atenúan muy rápidamente en el aire. He estado fuera del negocio y ya no estoy familiarizado con los precios o las fuentes de los transductores, pero Google me ayudará con eso. Editar: De una investigación adicional, veo que las frecuencias adecuadas para la inspección de concreto generalmente caen en el rango de 24kHz a 200kHz (ver "Investigación adicional" a continuación).

Estos transductores de frecuencia más alta generalmente son pulsados ​​con un pulso de alto voltaje muy rápido, típicamente quizás 300V o más en <10ns (cuanto más rápido, mejor). Esto generalmente se logra con un SCR rápido o, dependiendo del voltaje, circuitos que involucran múltiples SCR en serie. Es como tocar una campana con un martillo.

Con respecto a la medición de volocidad: si sus transductores no están en contacto con la muestra, deberá restar el tiempo de viaje a través del acoplador (agua o aire o lo que sea). La velocidad del sonido en el acoplador puede variar debido a varios factores (como la temperatura y los contaminantes), por lo que para una mejor precisión puede medirlo sin el concreto en su lugar al conocer la separación entre los transductores. Luego, debe restar el espesor del concreto de la separación del transductor para determinar la distancia recorrida a través del acoplador, luego, conociendo la distancia a través del mismo y la velocidad del sonido a través del mismo, puede calcular el tiempo que pasa viajando a través del mismo.

Con respecto a su reloj de muestra y su resolución de medición de velocidad: Una técnica utilizada en la industria de los ultrasonidos para aumentar "efectivamente" la resolución es usar relojes asíncronos separados. Un reloj para derivar el disparador de su pulso de transmisión y un reloj diferente para la medición del tiempo. Luego tomas el promedio de muchas medidas. Por supuesto, si solo necesita una resolución de 1 μs en su temporizador, esto no será necesario.

Acabo de encontrar la prueba de velocidad de pulso ultrasónico de concreto en youtube. No hay mucha información técnica sobre los ultrasonidos en sí, pero puede proporcionar alguna información útil. También hay enlaces a otros videos relacionados. Veo que usan el contacto directo entre los transductores y el concreto, recomendando grasa o vaselina como acoplante.

El NDT Resource Center también tiene mucha información útil sobre pruebas ultrasónicas.

Editar ... Investigación adicional :

Según los transductores ultrasónicos de pulso corto de baja frecuencia con contacto de punto seco. Desarrollo y aplicación. :

La prueba ultrasónica de hormigón y ferroconcreto es posible en las frecuencias no más de 150-200 kHz.

Este documento continúa discutiendo un transductor de "Contacto de Punto Seco" (DPC) que aparentemente no usa acoplador.

No sé si encontrará algo útil aquí, pero es bueno conocer enfoques alternativos.

LA MEJORA DEL APARATO ULTRASÓNICO PARA LA INSPECCIÓN RUTINARIA DEL HORMIGÓN es un documento muy informativo sobre el tema. De particular interés son:

• 2.3 Técnicas de inspección concretas y no destructivas (discute varias técnicas ultrasónicas y otras técnicas alternativas)
• 2.4 El equipo de prueba PUNDIT (analiza los bloques que componen el diseño del equipo ultrasónico utilizado, así como los transductores utilizados)

Este documento también analiza las frecuencias utilizadas para las pruebas concretas:

Los diferentes tamaños de elemento piezoeléctrico y carcasa permiten un rango de frecuencias centrales del transductor de 24kHz a 200kHz adecuado para pruebas de concreto.

Nota final: dado que el uso de transductores caros y pulsadores de alto voltaje puede estar fuera de su presupuesto tanto en tiempo como en dinero para un proyecto estudiantil, si no le importa arriesgar un par de transductores en algo de I + D, sugeriría que haga algunos intentos de modificar algunos transductores de aire económicos de 40 kHz para permitir el uso de un acoplador. Utilice la transmisión directa con contacto directo sobre el concreto (de un espesor conocido) y vea si puede recibir una señal. Hay mucha ayuda en la web con respecto a los circuitos para estos transductores. Puede comenzar en Cómo conectar el transductor ultrasónico

No necesitas un circuito, yo usaría:

• martillo (vea el comentario de @hoosierEE, el martillo puede ser excesivo)
• dos micrófonos piezoeléctricos pequeños (incluso un parlante piezoeléctrico podría funcionar)
• Osciloscopio digital de 2 canales

Pegue / pegue un micrófono piezoeléctrico a cada lado del concreto. Conecte el piezo 1 a la sonda 1, el otro a la sonda 2. Encienda ambos canales. Establezca el alcance para disparar y detener la sonda 1. Golpee el concreto con el martillo al lado del piezo 1. El alcance debe dispararse y luego puede resolver la diferencia entre los pulsos inicial y final. Haga múltiples mediciones para aumentar la precisión.

Esto será mucho más barato y menos lento que otros proyectos. Como beneficio adicional, tendrá un osciloscopio digital para otras prácticas como motores, micrófonos, etc.

La velocidad del sonido en el concreto (según uk.ask.com ) es de aproximadamente 3400 m / sy, por lo tanto, tendrá un sonido de aproximadamente$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$ segundos para viajar a través de un bloque de concreto de 10 cm, eso es aproximadamente 29$\mu s$.

Un transductor ultrasónico de 40 kHz quiere producir una onda sinusoidal a 40 kHz y, por lo tanto, la recepción de lo que cree que debería ser un pulso estará sujeta a una gran cantidad de filtrado de paso de banda (debido al transductor de 40 kHz).

Además del descuido de la señal recibida, 40 kHz tiene un período de 25$\mu s$ y esto es más o menos el tiempo previsto para que el sonido cruce el concreto.

Creo que debería estar buscando transductores que tengan una frecuencia de resonancia masivamente más alta, posiblemente tan alta como 10 MHz. Esto significa que puede aplicar un pulso de solo unos microsegundos de largo y esperar que los bordes del pulso sean confiables para disparar contadores para calcular el retraso de tiempo.

Aquí está la portada de una hoja de datos para un dispositivo de ultrasonido típico de 40kHz:

Tenga en cuenta (en el recuadro rojo) el ancho de banda limitado: esto significa que un pulso entregado al dispositivo producirá una serie de oscilaciones resonantes de 40 kHz que hacen que las mediciones sensatas tengan un poco de sentido. Lo mismo ocurre al recibir una señal que podría ser un pulso.

Para simplificar el proyecto, no trataría de hacer un mecanismo electrónico para generar el pulso dentro del concreto. Simplemente golpee el concreto con un objeto duro. Use sensores solo para captar el sonido.

Quizás se pueda manipular algún tipo de solenoide para que vibre de un lado a otro y golpee el concreto tantas veces por segundo.

Mi comentario ya menciona el osciloscopio. Con eso, puede obtener un delta de tiempo entre dos puntos en el bloque de hormigón.

Conociendo la posición de esos dos bloques y la posición donde se golpea el concreto, suponiendo una velocidad de sonido uniforme en todas las direcciones dentro del concreto, puede triangular para obtener la velocidad.

Le apuesto a que si puede tocar el concreto, por ejemplo, al menos 30 veces por segundo, puede obtener una imagen de traza estable con un alcance analógico antiguo y económico. El barrido puede ser activado por un canal (correspondiente al transductor anterior).

Me pregunto si nada más que una herramienta de grabadora eléctrica de bajo costo no sería suficiente para generar señales sónicas suficientemente útiles en el concreto. Estas herramientas tienen una punta metálica afilada que vibra. Se utilizan como un bolígrafo para grabar marcas de identificación en los objetos (generalmente de plástico o metal). El punto de cincel metálico se toca en algún múltiplo de frecuencia de línea como 120 Hz. Cuando mueve la herramienta demasiado rápido, puede ver los grifos individuales en la traza resultante en el material que se está grabando.

No necesitamos que los pulsos lleguen con una frecuencia alta; solo algo lo suficientemente alto como para obtener una pantalla visual estable (pero lo suficientemente bajo como para que todos los ecos internos dentro del bloque de concreto puedan apagarse antes del siguiente pulso). Queremos que los pulsos individualmente tengan un contenido de alta frecuencia: tener un borde afilado. Cuando se golpean objetos duros, eso tiende a hacer señales agudas, con un contenido de frecuencia en el rango ultrasónico.

Estoy muy lejos de esto, pero dudo mucho que pueda confiar en el PIC para el tiempo. Es decir, si solo anota el tiempo, envía el estímulo, recibe la respuesta y luego compara el tiempo, me imagino que podría ser muy difícil obtener una lectura precisa. Necesita un circuito que emita el estímulo, lea la respuesta y emita un valor representativo del tiempo transcurrido en un paso puramente analógico. Probablemente hay un circuito inteligente que hace exactamente eso. De qué se trata, no tengo idea. Mira en los viejos circuitos de sonar tal vez. Pero puedo suponer que tendría algo que ver con el tiempo que tarda un condensador en descargarse (o cargarse) a través de una resistencia solo porque los condensadores e inductores son los únicos componentes pasivos que tienen "memoria". Y necesitarás una "muestra y espera" circuito para guardar el valor de salida de otra manera fugaz. Tenga en cuenta que un amplificador operacional no necesariamente puede ser lo suficientemente rápido tampoco. ¿Cuál es la velocidad del sonido en el hormigón normalmente? Supongo que es bastante más rápido que la velocidad del sonido en el aire. Si un amplificador operacional es lo suficientemente rápido, puede cargar un condensador con el estímulo y compararlo con la salida del transductor de respuesta. Si organiza que los dos voltajes se crucen, la salida del amplificador operacional podría reflejar de alguna manera el tiempo entre el estímulo y la respuesta. Es decir, si el tiempo es corto, la salida es "alta" y si el tiempo es más largo, el capacitor tiene más tiempo para descargar y la salida no es tan alta. Es bastante más rápido que la velocidad del sonido en el aire. Si un amplificador operacional es lo suficientemente rápido, puede cargar un condensador con el estímulo y compararlo con la salida del transductor de respuesta. Si organiza que los dos voltajes se crucen, la salida del amplificador operacional podría reflejar de alguna manera el tiempo entre el estímulo y la respuesta. Es decir, si el tiempo es corto, la salida es "alta" y si el tiempo es más largo, el capacitor tiene más tiempo para descargar y la salida no es tan alta. Es bastante más rápido que la velocidad del sonido en el aire. Si un amplificador operacional es lo suficientemente rápido, puede cargar un condensador con el estímulo y compararlo con la salida del transductor de respuesta. Si organiza que los dos voltajes se crucen, la salida del amplificador operacional podría reflejar de alguna manera el tiempo entre el estímulo y la respuesta. Es decir, si el tiempo es corto, la salida es "alta" y si el tiempo es más largo, el capacitor tiene más tiempo para descargar y la salida no es tan alta.

Una sugerencia final, lo que realmente quiere hacer es medir la respuesta de frecuencia. Lo que significa tomar la FFT de la respuesta. Ese es el equivalente electrónico de tocar algo y enumerar cómo suena. Si suena aburrido, lo que significa que solo tiene bajas frecuencias, entonces no es sólido. Pero si transmite todas las frecuencias, podría ser frágil. O si transmite una frecuencia realmente bien, está resonando, lo que podría ser malo o bueno, no.