基于PXI和LabVIEW的含氣沉積物聲學(xué)測試系統(tǒng)設(shè)計

盧校山，王 英，王 強，盧 群

（1.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州310018；2.浙江省地礦勘察院，杭州310013）

基于PXI和LabVIEW的含氣沉積物聲學(xué)測試系統(tǒng)設(shè)計

盧校山1，王 英1，王 強2，盧 群2

（1.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州310018；2.浙江省地礦勘察院，杭州310013）

針對含氣沉積物取樣樣品在測試時難以保持原位狀態(tài)的情況，設(shè)計了一套含氣沉積物模擬及測試實驗平臺，采用PXI總線及Lab VIEW技術(shù)設(shè)計了多參數(shù)測量及數(shù)據(jù)處理軟硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括選擇PXI模塊構(gòu)建硬件系統(tǒng)，設(shè)計了與之匹配的超聲波發(fā)射和接收電路，基于Lab VIEW軟件進行超聲、溫度、壓力及位移數(shù)據(jù)的采集，對聲學(xué)參數(shù)聲速進行信號處理計算后顯示計算結(jié)果。通過對現(xiàn)有沉積物樣品進行聲速測試對比實驗，表明本測試系統(tǒng)與RS-ST01C非金屬超聲波測試儀聲速測試結(jié)果一致，說明測試系統(tǒng)超聲測量部分是可靠的。本測試系統(tǒng)的優(yōu)勢在于具有更好的擴展性和開放性。

PXI；聲學(xué)測試；含氣沉積物；Lab VIEW

0 引 言

淺層氣在杭州灣、長三角、珠三角等區(qū)域廣泛存在，主要為生物成因氣，由河流攜帶有機質(zhì)入海沉積，有機質(zhì)在生物化學(xué)作用下產(chǎn)生氣體，氣體存儲在孔隙較大的砂層中，砂層上覆小孔隙的蓋層即可形成氣體、砂、孔隙水三態(tài)穩(wěn)定含氣沉積物。含氣沉積物通常具有分散分布、規(guī)模小、分布形狀復(fù)雜、內(nèi)部各要素之間動態(tài)平衡脆弱等特點。在含淺層氣區(qū)域施工時常常會引發(fā)工程事故［1-2］，同時淺層氣的釋放也對環(huán)境造成了污染，因此實施淺層氣無損探測具有重要意義，然而目前還沒有高精度的無損探測方法及設(shè)備投入勘察使用。

含氣沉積物樣品與其原位狀態(tài)大不相同，因為取樣過程必定造成氣體逃逸，所以對樣品的測試結(jié)果很難反應(yīng)其原位特征。為此筆者設(shè)計了一套含氣沉積物模擬及測試實驗平臺，試圖模擬不同沉積物組分和氣體含量，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一套測試系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是NI公司提出的一種儀器設(shè)計理念。利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。本文采用PXI硬件平臺，超聲波發(fā)射接收電路，溫度、壓力、位移傳感器等設(shè)備搭建了整體硬件結(jié)構(gòu)，使用圖形化編程語言Lab VIEW作為軟件開發(fā)平臺，通過界面操作實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收以及溫度、壓力、位移數(shù)據(jù)的采集和顯示，構(gòu)建了聲學(xué)測試系統(tǒng)［3-4］。本系統(tǒng)可通過Lab VIEW編程對采集到的信號做進一步分析、處理等［5-7］，具有很好擴展性與較高的性價比。

1 含氣沉積物實驗平臺的設(shè)計

通過對杭州灣含氣沉積物的總體了解，發(fā)現(xiàn)氣體的成分主要為甲烷，占90%以上，其余為氮氣、二氧化碳及少量一氧化碳，原位壓力值在0.04～0.39 MPa之間。設(shè)計含氣沉積物實驗平臺的主體部分壓力容器的耐壓為10 MPa，擬向沉積物中充入甲烷、氮氣和二氧化碳3種氣體。設(shè)計了如圖1所示的含氣沉積物氣體填充控制和壓力監(jiān)測平臺。

含氣沉積物實驗平臺由放置沉積物的壓力容器、加氣增壓裝置和抽真空裝置三部分組成。抽真空裝置用于抽去沉積物中的空氣；加氣增加裝置用于給沉積物加氣，可以獲得不同壓力大小含不同氣體的含氣沉積物。

圖1 含氣沉積物氣體填充控制和壓力監(jiān)測平臺

圖2 含氣沉積物測試模型主艙

放置沉積物的壓力容器是含氣沉積物測試平臺的被測主體，如圖2所示，是一底面直徑為100 mm，高為200 mm的圓柱體，內(nèi)壁吸聲設(shè)計，用以吸收未在縱波傳播方向上的雜散波，提高抗干擾性。壓力容器上部頂板設(shè)計成可以移動以保證超聲探頭和被測沉積物樣品嚴(yán)密耦合，最大移動距離60 mm，利用位移擋板安放位移傳感器；超聲換能器安放于沉積物兩端；溫度、壓力傳感器的傳輸線引出口開在容器下方的1/3處，內(nèi)部安放位置不影響聲波傳播；容器的進氣口在最下方，出氣口在上方，進氣和出氣氣壓均有壓力傳感器監(jiān)測。

2 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

PXI（PCIeXtensions for Instrument）是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展，PXI將PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。通過選擇PXI模塊化儀器，即可構(gòu)建一個低成本、高性能及靈活性的測試系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)的硬件由PXI機箱、控制器和若干PXI模塊組成，測試系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)硬件框圖

機箱選用NI公司的8插槽PXIe-1062Q機箱，控制器選用NI公司的PXIe-8135控制器，數(shù)據(jù)采集模塊選用NI公司的PXIe-6341，具有16路模擬輸入，16位分辨率，500 KS/s的采樣率；2路模擬輸出，16位分辨率，900 KS/s的采樣率；24條數(shù)字IO線；4路32位計數(shù)器/定時器。數(shù)字化儀選用NI公司的PXIe-5105。

PXIe-6341數(shù)據(jù)采集卡與SCB-68屏蔽式I/O接線盒相連，通過接線盒中的螺栓端子實現(xiàn)I/O連接；PXIe-4353熱電偶輸入模塊與TB-4353接線盒相連；PXI-5105數(shù)字化儀通過SMB接口實現(xiàn)信號的輸入。

溫度傳感器采用WRNT-13探頭式K型熱電偶；壓力變送器采用QLPT-01，選擇量程為0～10 MPa；位移變送器采用NS-WY04，行程為100 mm。溫度傳感器引線連接至TB-4353接線盒，壓力、位移變送器引線連接至SCB-68接線盒。

2.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計

在超聲波換能器兩端加上100 V以上的瞬時高壓脈沖即可發(fā)出超聲波。發(fā)射高壓脈沖通常是用預(yù)先充電到高壓的電容突然放電來產(chǎn)生，該方案需要為電路提供100 V以上的直流電壓，存在嚴(yán)重的安全隱患，本文設(shè)計了一種新型發(fā)射電路，5 V低壓供電，利用儲能電感瞬間放電產(chǎn)生高壓脈沖［8］，如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

該超聲波發(fā)射電路采用脈沖激勵方式，激勵脈沖通過與PXIe-6341數(shù)據(jù)采集卡相連的SCB-68接線盒引出，高電平為5 V，低電平為0 V。電路主要器件功能如下：U1為高速光耦6N137，用于隔離數(shù)據(jù)采集卡和發(fā)射電路，場效應(yīng)管Q1為開關(guān)元件，電感L1儲能形成觸發(fā)脈沖。當(dāng)激勵脈沖為低電平時，U1不導(dǎo)通，Q1的柵極為高電平，Q1導(dǎo)通，Q1相當(dāng)于一個小電阻，與電阻R3，電感L1串聯(lián)，和低壓電源一起構(gòu)成回路，L1中的電流快速上升進行儲能。當(dāng)激勵脈沖為高電平時，U1導(dǎo)通，Q1的柵極置低，Q1迅速關(guān)斷，L1、C14、R8組成諧振電路快速放電，在電阻R8上形成高壓脈沖，可達(dá)100 V以上，D1、D2起單向開關(guān)作用。

2.2 回波信號放大電路的設(shè)計

超聲回波電壓信號為微弱電壓信號，一般為毫伏級，部分信號為幾十微伏，必須對超聲回波電壓進行可變增益放大，將信號放大到±10 V范圍內(nèi)，以滿足數(shù)字化儀模擬電壓輸入范圍。單片AD603芯片只有40 dB的增益范圍，幾十微伏的信號經(jīng)過40 dB增益放大后還是很微弱，不適合采集，因此采用兩片AD603級聯(lián)實現(xiàn)0～80 dB增益范圍，放大后的信號通過SMB接口接入數(shù)字化儀實現(xiàn)信號采集。AD603是一款可變增益、低噪聲運算放大器，主要由前級無源寬帶衰減器（0～42.14 dB），固定增益放大器和增益控制梯形網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)25 mV/dB的線性增益控制。AD603通過引腳不同連接能實現(xiàn)三種增益范圍的選擇，即-11～31 dB（帶寬90 MHz）、0～40 dB（30 MHz帶寬）和10～50 dB（9 MHz帶寬）［9］，AD603連接電路如圖5所示。

圖5 程控放大電路

兩級電路完全相同，圖5只顯示了一級，以此進行說明。Vin是超聲回波信號輸入腳，CONTROL為增益控制電壓輸入端，Vout端與FDBK端通過一個2.15 kΩ的電阻連接，F(xiàn)DBK端通過一個5.6 pF的極性電容接地，此接法可實現(xiàn)AD603芯片增益為0～40 dB（30 MHz帶寬）。增益控制電壓由PXIe-6341的AO1口輸出，±0.5 V的增益控制電壓可以實現(xiàn)0～40 dB增益的線性控制，為了消除前級漂移直流電壓的影響，前后級之間采用了RC交流耦合的方式，兩級級聯(lián)即可實現(xiàn)0～80 dB增益范圍。

3 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用NI公司的圖形化編程語言Lab VIEW，Lab VIEW與Visual C++、Visual Basic等文本類編程語言不同，它用圖標(biāo)、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本程序代碼，采用數(shù)據(jù)流的方法來描述程序的執(zhí)行，其界面風(fēng)格與傳統(tǒng)儀器類似［10］。

結(jié)合測試系統(tǒng)功能要求，采用模塊化編程思想，軟件系統(tǒng)主要包括參數(shù)設(shè)置及信號輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和界面顯示及數(shù)據(jù)存儲模塊。Lab VIEW功能框圖如圖6所示。

圖6 Lab VIEW功能框圖

3.1 參數(shù)設(shè)置及信號輸出模塊

利用數(shù)據(jù)采集模塊PXIe-6341內(nèi)置計數(shù)器輸出脈沖，可以選擇哪個計數(shù)器來輸出脈沖。本文選擇的是ctr0，可以設(shè)置輸出脈沖的占空比、頻率和脈沖個數(shù)。輸出一個激勵脈沖，通過超聲波發(fā)射電路后可產(chǎn)生一個高壓脈沖激發(fā)超聲波換能器發(fā)出超聲波，這里設(shè)置的頻率指的是這種激發(fā)的周期，脈沖個數(shù)代表激發(fā)的次數(shù)。當(dāng)按下發(fā)射按鈕時，輸出配置好的脈沖。脈沖輸出程序框圖如圖7所示。

圖7 輸出脈沖程序框圖

放大電路的增益控制電壓由AO1口輸出，通過DAQ助手配置其為模擬電壓輸出，生成模式為1采樣，最大最小值±5 V，當(dāng)輸出為0.5 V時，即可實現(xiàn)放大電路的最大增益80 dB。

3.2 信號采集模塊

超聲回波信號采用NI公司的PXIe-5105數(shù)字化儀接收，配置觸發(fā)方式為數(shù)字觸發(fā)，觸發(fā)信號輸入端口為PFI1，計數(shù)器輸出脈沖作為觸發(fā)源，保證超聲波發(fā)射時接收程序同時開始接收數(shù)據(jù)，PXI系統(tǒng)提供了業(yè)內(nèi)最低延遲，使采集到的回波信號具有較高的時間準(zhǔn)確性。超聲信號采集程序框圖如圖8所示。

圖8 超聲信號采集程序框圖

溫度數(shù)據(jù)通過K型熱電偶接入PXIe-4353熱電偶采集模塊實現(xiàn)采集。壓力和位移數(shù)據(jù)通過將壓力、位移變送器引線接入PXIe-6341的AI口實現(xiàn)采集，在程序框圖中通過配置DAQ助手實現(xiàn)溫度、壓力、位移數(shù)據(jù)的采集。

3.3 數(shù)據(jù)處理分析模塊

數(shù)據(jù)處理是通過濾波、降噪等手段，得到我們想要的有用信號，數(shù)據(jù)分析是通過數(shù)學(xué)運算分析信號，使我們對信號有進一步的認(rèn)識。Lab VIEW中內(nèi)置了大量的數(shù)據(jù)處理和分析VI，選用濾波器VI對信號進行帶通濾波，頻譜測量VI對信號進行頻譜分析。

另外界面顯示采用波形圖控件來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲采用寫入測量文件VI來實現(xiàn)。

4 對含氣沉積物樣品的測試實驗

4.1 試驗樣品

試驗樣品是國家海洋局第二海洋研究所提供的從浙江德清縣下渚湖獲取的含氣沉積物樣品（長度為203 mm）。采用直接對樣品進行測試的方法，以驗證本聲學(xué)測試系統(tǒng)超聲測量部分可靠性。

4.2 對比試驗和測試結(jié)果分析

試驗一：采用RS-ST01C非金屬超聲波測試儀進行測試。

a）安裝標(biāo)稱值為40 k Hz的換能器，上電調(diào)試儀器，給兩個超聲換能器端面均勻涂抹耦合劑，貼合在一起測出系統(tǒng)零聲時，即系統(tǒng)聲時誤差的修正值，所有測得的聲時值都要減去這個值（由儀器自動完成）。

b）將發(fā)射接收換能器分別放置于含氣沉積物樣品的兩端，并且與樣品端面耦合良好，保持發(fā)射換能器和接收換能器的中心近似在一條直線上，通過RS-ST01C進行發(fā)射和采集超聲波，采到理想的超聲波波形后，停止采樣，儀器自動判讀出首波的位置和聲速。測試的結(jié)果如圖9所示。

c）從圖9中讀出聲時為191.4μs，波速為1.061 km/s。

試驗二：使用本文設(shè)計的虛擬儀器聲學(xué)測試系統(tǒng)測試樣品。

a）首先安裝標(biāo)稱值為40 k Hz換能器于含氣沉積物兩端，并且耦合良好。運行程序，并在發(fā)射信號前面板設(shè)置脈沖個數(shù)為1，頻率為1 k Hz，這個頻率是換能器被激發(fā)的頻率，占空比為0.01，脈寬為10 μs。通過調(diào)節(jié)占空比可以調(diào)節(jié)激發(fā)脈沖的脈寬，從而調(diào)節(jié)輸出功率大小。

b）點擊發(fā)射按鈕，發(fā)射預(yù)先設(shè)置好的超聲波激勵脈沖，調(diào)節(jié)輸出增益控制電壓的大小，觀察接收到的波形，理想時，停止程序，測試結(jié)果如圖10所示。

c）直接從用戶界面讀出數(shù)據(jù)：溫度21℃，壓力0.1 MPa，首波時間為192μs，聲速為1.057 km/s。

圖9 RS-ST01C測試結(jié)果

圖10 虛擬儀器測試界面

4.3 測試結(jié)果分析

試驗一采用的RS-ST01C非金屬超聲波測試儀由廠家在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境調(diào)試合格后出廠，聲時誤差為± 0.1μs，可進行可靠的聲速測量。采用RS-ST01C測得的聲時為191.4μs。

試驗二采用本文設(shè)計的聲學(xué)測試系統(tǒng)測量，測得的聲時為192μs，與RS-ST01C測得的聲時相差0.6μs，兩者測試結(jié)果十分接近，說明本文設(shè)計的聲學(xué)測試系統(tǒng)測得的聲速結(jié)果是可靠的。

5 結(jié) 論

在無法獲得準(zhǔn)確含氣沉積物樣品的情況下，通過在實驗室建立含氣沉積物測試平臺，可以對模擬的含氣沉積物進行測試研究。利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了含氣沉積物聲學(xué)測試系統(tǒng)，采用PXI硬件平臺，設(shè)計了超聲波低壓發(fā)射電路，該發(fā)射電路具有體積小、低壓供電、更加安全等特點，設(shè)計了兩級AD603級聯(lián)信號放大電路，經(jīng)過放大電路后的信號滿足數(shù)字化儀±10 V的輸入范圍要求。通過Lab VIEW圖形化編程語言開發(fā)了軟件，通過界面操作實現(xiàn)激勵脈沖的輸出，超聲波信號的接收和溫度、壓力、位移數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計了對比試驗，測試結(jié)果表明本測試系統(tǒng)測得的聲時與RS-ST01C測得的聲時相近，驗證了本測試系統(tǒng)超聲測量部分的可靠性。由于含氣沉積物的復(fù)雜性，本測試系統(tǒng)采用PXI硬件平臺和Lab VIEW開發(fā)，軟硬件擴展性好，為后續(xù)實驗及進一步研究打下了基礎(chǔ)。

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Design of Acoustic Testing System for Gas-Containing Sediment Based on PXI and LabVIEW

LU Xiao-shan1，WANG Ying1，WANG Qiang2，LU Qun2
（1.School of Mechanical Engineering&Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China；2.Mineral Exploration Institute of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，China）

Aiming at the problem that gas-containing sediment sample is difficult to maintain in-situ state during the test，a platform for gas-containing sediment simulation and testing experiments is designed.Lab VIEW and PXI bus are used to design multi-parameter measurement and data processing soft and hardware system.PXI module is selected to construct hardware system.Circuits for transmitting and receiving ultrasonic waves are designed.Ultrasound，temperature，pressure and displacement data are collected on the basis of Lab VIEW software.After signal processing and calculation of acoustic parameters and sound velocity，the results are shown.Contrast experiments of sound velocity testing of existing sediment samples indicate the testing system has consistent testing results with RS-ST01C nonmetal ultrasonic tester.This shows ultrasonic measurement section of the testing system is reliable.The advantage of this testing system is that it has better expansibility and openness.

PXI；acoustic testing；gas-containing sediment；Lab VIEW

TH766

A

（責(zé)任編輯：陳和榜）

1673-3851（2014）05-0496-06

2014-02-21

浙江省科技計劃項目（111329A4E12340）

盧校山（1988-），男，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事超聲波測試技術(shù)及虛擬儀器研究。

王 英，E-mail：wangying@zstu.edu.cn