Circuito que mide la velocidad del sonido en el hormigón

Question

Necesito un circuito para medir la velocidad del sonido en el hormigón a 1μs o mejor. Es para una demostración escolar en la que los alumnos que estudian construcción utilizarán este circuito para medir la velocidad del sonido en una muestra de hormigón para determinar la calidad del mismo.

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

Tengo procesadores PIC para generar el pulso y luego detectarlo.

Sin embargo, cuando miro a los muchos probadores comerciales de hormigón por ultrasonidos en

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

De sus especificaciones se desprende que funcionan con transductores de khz, no de mhz. No mencionan frecuencias superiores a 200khz. Tal vez hay una limitación de buena transmisión del sonido en el hormigón a las frecuencias khz porque las frecuencias mhz están atenuadas?

Tengo la necesidad de construir un sistema estudiantil de MUY BAJO COSTO, y sólo puedo encontrar transductores económicos de transductores de 40khz. Los transductores de Mhz que puedo encontrar son demasiado caros para mis necesidades.

De las especificaciones de los dispositivos comerciales se desprende que utilizan pulsos de 20us a 20ms y luego esperan la detección del receptor antes de enviar otro pulso. Así que el pulso más corto sería sólo una onda sinusoidal completa de 40khz y los pulsos más largos serían varias ondas sinusoidales completas de 40khz. Cualquier distorsión puede no ser importante porque no están detectando una frecuencia de banda estrecha, pero sólo la primera subida del pulso del receptor?

¿Tiene esto sentido para alguien? Quiero decir si alguien puede ayudarme a resolver este problema...

Gracias.

Answer 1

No necesitas un circuito, yo usaría:

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

Pega / pega un micrófono piezoeléctrico a cada lado del hormigón. Conecta el piezo 1 a la sonda 1 y el otro a la sonda 2. Enciende ambos canales. Coloca el osciloscopio en posición de disparo y mantén apagada la sonda 1. Golpea el hormigón con el martillo junto al piezoeléctrico 1. El osciloscopio debería dispararse y entonces podrás calcular la diferencia entre los pulsos iniciales y finales. Realiza varias mediciones para aumentar la precisión.

Esto será mucho más barato y requerirá menos tiempo que otros proyectos. Como extra tendrás un osciloscopio digital para otras prácticas como motores, micrófonos, etc.

Answer 2

La velocidad del sonido en el hormigón (según es.ask.com ) es de unos 3400 m/s y, por tanto, el sonido tardará unos \$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}\$ segundos para atravesar un bloque de hormigón de 10 cm, es decir, unos 29 \$\mu s\$ .

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

Aparte de la irregularidad de la señal recibida, 40 kHz tiene un periodo de 25 \$\mu s\$ y este es más o menos el tiempo previsto para que el sonido atraviese el hormigón.

Creo que deberías buscar transductores que tengan una frecuencia de resonancia mucho más alta, posiblemente hasta 10 MHz. Esto significa que podrías aplicar un pulso de sólo unos microsegundos de duración y esperar que los bordes del pulso sean fiables para disparar los contadores con el fin de calcular el retardo de tiempo.

Esta es la primera página de una hoja de datos de un típico dispositivo de ultrasonidos de 40kHz: -

Obsérvese (en el recuadro rojo) el ancho de banda limitado: esto significa que un pulso suministrado al dispositivo producirá una serie de oscilaciones de timbre que decaen a 40 kHz, lo que hace que las mediciones sensibles carezcan de sentido. Lo mismo ocurre cuando se recibe una señal que podría ser un pulso.

Answer 3

Habiendo trabajado en la industria de los ultrasonidos / NDT (aunque fue hace unos 30 años :) ), intentaré añadir algo a los excelentes consejos que ya has recibido.

Kaz tiene un punto muy bueno en cuanto a que deberías usar un osciloscopio. Este es un proyecto potencialmente muy difícil y tienes que hacer la investigación y el desarrollo necesarios en los ultrasonidos antes de hacer demasiado diseño de circuitos.

Hay un par de problemas con los transductores de 40khz que puede o no ser capaz de superar. En primer lugar, como ha señalado Andy aka, el tiempo que tardan los ultrasonidos en atravesar el hormigón no difiere mucho del período de una onda de 40khz. Es posible que pueda superar esto midiendo la fase de la señal recibida en relación con la señal transmitida. En segundo lugar, sus transductores fueron probablemente diseñados para ser utilizados en el aire. Debido al gran cambio de densidad cuando el ultrasonido entra y sale del hormigón, perderá la mayor parte de la señal debido a las reflexiones. Es posible que no haya suficiente señal en el receptor. Dado que esta es probablemente su solución más simple, vale la pena probar con un osciloscopio.

Ahora las cosas se vuelven más complejas. Es posible que necesites un acoplante que no sea aire para reducir la falta de densidad. El acoplante es el medio entre los transductores y el material que se está probando. Si puede sumergir la muestra, el agua es probablemente la mejor opción. Si no puede sumergir la muestra, podría utilizar grasa, vaselina, aceite mineral o algún tipo de gel (conocí a un Ingeniero de Aplicaciones de Ultrasonidos que juraba por el gel para el cabello Dippity-Do, pero creo que ya no se fabrica). Es posible que sus transductores de 40khz no sean compatibles con otros acoplantes que no sean de aire. El acoplante de fluido debe reemplazar todo el aire entre la superficie del transductor y la muestra que se está probando.

Andy aka también ha sugerido el uso de transductores de mayor frecuencia. Debes tener en cuenta que cuando entres en el rango de los Mhz, definitivamente necesitarás un acople que no sea de 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 de los transductores o las fuentes, pero Google ayudará con eso. Edición: A partir de una investigación adicional, veo que las frecuencias adecuadas para la inspección de hormigón suelen estar en el rango de 24kHz a 200kHz (ver "Investigación adicional" más abajo).

Estos transductores de alta frecuencia son típicamente pulsados con un pulso de alto voltaje muy rápido, típicamente tal vez 300V o más en < 10ns (cuanto más rápido mejor). Esto se consigue normalmente con un SCR rápido o, dependiendo del voltaje, con circuitos que implican múltiples SCRs en serie. Es como hacer sonar una campana con un martillo.

En cuanto a la medición de la volatilidad: Si sus transductores no están en contacto con la muestra, tendrá que restar el tiempo de viaje a través del acoplante (agua o aire o lo que sea). La velocidad del sonido en el acoplante puede variar debido a diversos factores (como la temperatura y los contaminantes), por lo que para obtener una mayor precisión puede medirla sin el hormigón en su lugar conociendo la separación entre los transductores. A continuación, hay que restar el grosor del hormigón de la separación de los transductores para determinar la distancia recorrida a través del acoplante, y después, conociendo la distancia a través del acoplante y la velocidad del sonido a través del mismo, se puede calcular el tiempo de viaje a través del acoplante.

En cuanto a su reloj de muestra y su resolución de medición de la velocidad: Una técnica utilizada en la industria de los ultrasonidos para aumentar "efectivamente" la resolución es utilizar relojes asíncronos separados. Un reloj para derivar el disparo de su pulso de transmisión, y un reloj diferente para la medición del tiempo. A continuación, se toma la media de muchas mediciones. Por supuesto, si usted sólo necesita 1μs de resolución en su temporizador, esto no será necesario.

Acabo de encontrar Prueba de la velocidad de los impulsos ultrasónicos en el hormigón en youtube. No hay mucha información técnica sobre los ultrasonidos en sí, pero puede proporcionar alguna información útil. También hay enlaces a otros vídeos relacionados. Veo que utilizan el contacto directo entre los transductores y el hormigón recomendando grasa o vaselina como acoplante.

El Centro de Recursos de END también tiene mucha información útil sobre los ensayos por ultrasonidos.

Editar ... Investigación adicional :

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

El ensayo por ultrasonidos del hormigón y del ferrocemento es posible en las frecuencias no superiores a los 150 - 200 kHz.

En este documento se habla de un transductor de "contacto de punto seco" (DPC) que aparentemente no utiliza ningún acoplamiento.

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

LA MEJORA DE LOS APARATOS DE ULTRASONIDOS PARA LA INSPECCIÓN RUTINARIA DEL HORMIGÓN es un documento muy informativo sobre el tema. Son de especial interés:

• 2.3 Técnicas de inspección de hormigón y no destructivas (analiza diversas técnicas ultrasónicas y otras técnicas alternativas)
• 2.4 El equipo de ensayo PUNDIT (analiza los bloques que componen el diseño del equipo de ultrasonidos utilizado, así como los transductores empleados)

En este documento también se analizan las frecuencias utilizadas para los ensayos de hormigón:

Los diferentes tamaños del elemento piezoeléctrico y la carcasa permiten una gama de frecuencias centrales del transductor de 24kHz a 200kHz adecuadas para el ensayo del hormigón.

Nota final: Dado que el uso de transductores caros y pulsadores de alto voltaje puede estar fuera de tu presupuesto tanto en tiempo como en dinero para un proyecto de estudiante, si no te importa arriesgar un par de transductores en algo de I+D, te sugeriría que hicieras algunos intentos de modificar algunos transductores de aire baratos de 40kHz para permitir el uso de un acoplador. Utiliza la transmisión pasante con contacto directo sobre el hormigón (de un grosor conocido), y comprueba si puedes recibir una señal. Hay mucha ayuda en la web sobre los circuitos de estos transductores. Puedes empezar en Cómo cablear el transductor de ultrasonidos

Answer 4

Para simplificar el proyecto, no intentaría hacer un mecanismo electrónico para generar el pulso dentro del hormigón. Basta con golpear el hormigón con un objeto duro. Utiliza los sensores sólo para captar el sonido.

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

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

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

Te apuesto a que si puedes golpear el hormigón, digamos, al menos 30 veces por segundo, puedes ser capaz de obtener una imagen de trazado estable con un viejo y barato osciloscopio analógico. El barrido puede ser disparado por un canal (correspondiente al transductor anterior).

Me pregunto si nada más que un económico grabador eléctrico herramienta no sólo haría el truco de generar señales sónicas suficientemente útiles en el hormigón. Estas herramientas tienen una punta metálica afilada que vibra. Se utilizan como un bolígrafo para grabar marcas de identificación en objetos (normalmente de plástico o metal). La punta metálica del cincel se golpea con algún múltiplo de la frecuencia de la línea, como 120 Hz. Cuando se mueve la herramienta demasiado rápido, se pueden ver los golpes individuales en el trazo resultante en el material que se está grabando.

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

Answer 5

Estoy muy fuera de mi alcance en esto pero dudo mucho que puedas confiar en el PIC para la sincronización. Es decir, si sólo anotas el tiempo, envías el estímulo, recibes la respuesta y luego comparas el tiempo, me imagino que podría ser muy difícil obtener una lectura precisa. Necesitas un circuito que emita el estímulo, lea la respuesta y emita un valor representativo del tiempo transcurrido todo en un paso puramente analógico. Probablemente hay un circuito inteligente que hace exactamente eso. No tengo ni idea de cuál es. Busca en los viejos circuitos de sonar tal vez. Pero puedo adivinar que tendría algo que ver con el tiempo que tarda un condensador en descargarse (o cargarse) a través de una resistencia sólo porque los condensadores e inductores son los únicos componentes pasivos que tienen "memoria". Y necesitarás un circuito de "muestreo y retención" para guardar el valor de salida, que de otro modo sería fugaz. Ten en cuenta que un amplificador óptico tampoco es necesariamente lo suficientemente rápido. ¿Cuál es la velocidad del sonido en el hormigón normalmente? Supongo que es bastante más rápida que la velocidad del sonido en el aire. Si un amplificador óptico es lo suficientemente rápido, podrías cargar un condensador con el estímulo y compararlo con la salida del transductor de respuesta. Si haces que los dos voltajes se crucen, la salida del amplificador óptico 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 condensador tiene más tiempo para descargarse y la salida no es tan alta.

Una última sugerencia, lo que realmente quieres hacer es medir la respuesta en frecuencia. Es decir, tomar la FFT de la respuesta. Esto es el equivalente electrónico de golpear algo y escuchar cómo suena. Si suena apagado, es decir, sólo tiene frecuencias bajas, entonces no es sólido. Pero si transmite todas las frecuencias puede ser frágil. O si transmite una frecuencia muy bien es que está resonando, lo que puede ser malo o bueno, no sé.