CN106525974A - 一种超声波混凝土检测装置 - Google Patents

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钱琛
邓云霏
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Abstract

本发明公开了一种超声波混凝土检测装置，包括上位机成像显示模块、ARM主控芯片、超声波驱动模块、超声波接收模块、多路开关和超声相控阵换能器阵列；所述ARM主控芯片的一端连接上位机成像显示模块，另一端分别连接超声波驱动模块、超声波接收模块，所述超声波驱动模块和超声波接收模块通过多路开关与超声相控阵换能器阵列连接。本发明的超声波混凝土检测装置，克服了传统检测装置体型较大、分辨率低、检测结果单一的缺点，通过控制换能器阵列可实现高速扫查，有效地在不破坏混凝土的前提下，利用超声相控阵换能器阵列的高频聚焦特性，穿透混凝土，进行混凝土材料特性的检测。

Description

一种超声波混凝土检测装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体涉及的是一种超声波混凝土检测装置。
背景技术
在无损检测技术五大常规检测中,超声检测是应用最为广泛。目前国内广泛使用的一些常规超声无损检测方法都集中于手工探伤,检测装置体型较大，其操作工程比较复杂,检测周期也比较长,相对来说检测效率比较低。
如公开号为CN204882467U的中国专利提出了一种智能混凝土超声波检测装置，包括将发射与接收换能器相对放置在混凝土表面，发射声波后接收声波经过装置处理后显示数据和波形结果，但这种超声波换能器工作频率较低，分辨率差，测量结果单一，不能测量混凝土材料的其他特性如材质，硬度，疲劳程度等。
而采用超声相控阵技术则可以将多个高频声波聚焦，提高声波穿透性并能得到理想的回波信号，分辨率提高，使后续信号处理更为准确，提高测量精度。国内在此方面的相关研究尚很薄弱,开展此项研究有利于跟踪学术前沿,拓宽研究领域,具有重要的经济效益和社会效益。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够提高对混凝土材料特性如材质、硬度、疲劳程度的检测效率，提高检测精度，并将检测装置集成一体化，小型化，本发明提供了一种超声波混凝土检测装置。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种超声波混凝土检测装置，包括上位机成像显示模块、ARM主控芯片、超声波驱动模块、超声波接收模块、多路开关和超声相控阵换能器阵列；所述ARM主控芯片的输出端接超声波驱动模块、另一输出端接上位机成像显示模块、输入端接超声波接收模块，所述超声波驱动模块和超声波接收模块通过多路开关与超声相控阵换能器阵列连接。
多路开关为集成模拟多路电子开关，控制超声相控阵换能器阵列的开与闭从而接收与发射超声波信号。
上述超声波接收模块包括依次连接的限幅隔离模块、信号放大模块、带通滤波模块、和A/D采集模块，所述限幅隔离模块接多路开关，所述A/D采集模块接ARM主控芯片。
由于超声波在传播时存在反射和能量损失，信号放大模块将接收到的回波信号进行放大。
回波信号经过放大和滤波后输出的是模拟信号，A/D采集模块将模拟信号转变成数字信号，再传送到ARM主控芯片。
上述超声相控阵换能器阵列包括若干个等间距排列的压电晶片，负责超声波信号的聚焦发送与聚焦接收。
进一步的，上述压电晶片的材质为PZT。
上述超声相控阵换能器阵列的输出端设有加法器。
进一步的，上述超声相控阵换能器阵列的阵元数16≤N≤64，阵元间距d≤0.5λ。
进一步的，上述限幅隔离模块为高压二极管限幅电路，使低压回波信号顺利通过，屏蔽高压信号，起到保护电路并隔离大电压作用。
进一步的，上述带通滤波模块为无源带通滤波电路，能够有效地过滤掉外界的噪声干扰。
本发明的有益之处在于：
1、本发明的超声相控阵换能器阵列性能稳定，生成可控的波束指向和聚焦位置，能够全方位多角度检测不同混凝土的材料特性如材质、硬度、疲劳程度等。
2、由于超声相控阵换能器阵列尺寸较小，且该检测装置相比于传统检测装置体型小，无需人工手动检测，反应灵敏，检测速度快，检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能明显提升。
3、本发明的超声波混凝土检测装置，结构简单、携带转场方便、操作使用灵活，可适用不同检测的需要，实用性强，且成本低。
本发明的超声波混凝土检测装置，克服了传统检测装置体型较大、分辨率低、检测结果单一的缺点，通过控制超声相控阵换能器阵列可实现高速扫查，有效地在不破坏混凝土结构的前提下，利用超声相控阵换能器阵列的高频聚焦特性，穿透混凝土，进行混凝土材料特性的检测。
附图说明
图1本发明的一种超声波混凝土检测装置的结构示意图。
图2本发明的超声相控阵换能器阵列的结构示意图。
图3本发明的超声相控阵换能器阵列的发射聚焦示意图。
图4本发明的超声相控阵换能器阵列的接收聚焦示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，本发明的一种超声波混凝土检测装置，包括上位机成像显示模块、ARM主控芯片、超声波驱动模块、超声波接收模块、多路开关和超声相控阵换能器阵列。
ARM主控芯片产生超声波驱动信号，通过控制多路开关，使超声相控阵换能器阵列按一定的延时规律发射和接收超声波驱动模块产生的超声波信号，超声波信号经混凝土样块反馈，得到的回波信号通过超声波接收模块处理后反馈给ARM主控芯片，最后由上位机成像显示模块显示。
其中，超声波接收模块包括依次连接的高压二极管限幅电路、信号放大电路、无源带通滤波电路和A/D采集电路。高压二极管限幅电路使低压回波信号顺利通过，屏蔽高压信号；信号放大模块将接收到的回波信号放大；无源带通滤波电路有效地过滤掉外界的噪声干扰；A/D采集模块将模拟信号转变成数字信号后再传送到ARM主控芯片。
如图2所示，超声相控阵换能器阵列由若干个等间距排列的压电晶片组成，材料为PZT（锆钛酸铅）；超声相控阵换能器阵列的阵元数（压电晶片的数量）16≤N≤64，阵元宽度＜阵元间距,阵元间距d≤0.5λ(超声波波长)。
如图3所示，超声波驱动模块产生触发脉冲，使超声相控阵换能器阵列按一定规则延时后发射超声波脉冲，形成聚焦波场和焦点。
如图4所示，超声相控阵换能器阵列按照一定的延时规律接收回波信号，形成聚焦波场和焦点，通过加法器叠加信号，再传送给超声波接收模块。
根据超声相控阵换能器阵列自身的物理特性——压电效应，ARM主控芯片产生超声波驱动信号，使得超声波驱动模块按照一定间隔和规律发送高低电平触发脉冲，通过控制电子多路开关，从而分别控制每个压电晶片，使超声相控阵换能器阵列获得电压差，从而使超声相控阵换能器阵列按照一定的规律发射超声波，从而达到延时效果。
实际使用时：
使用本发明的超声波混凝土检测装置，用不同材料混凝土试块事先建立一个相对标准的材料特性数据库。
在检测实际生活中混凝土材料时，该检测装置可自动匹配对比数据库中的数据，然后判断当前检测对象的材质、硬度、疲劳程度等特性，最后通过由成像显示模块进行上位机显示。
对于不同情况下混凝土的材质，硬度，疲劳程度，超声波的传输速度，时间和返回波形的参数是不同的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，包括上位机成像显示模块、ARM主控芯片、超声波驱动模块、超声波接收模块、多路开关和超声相控阵换能器阵列；所述ARM主控芯片的输出端接超声波驱动模块、另一输出端接上位机成像显示模块、输入端接超声波接收模块，所述超声波驱动模块和超声波接收模块通过多路开关与超声相控阵换能器阵列连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述超声波接收模块包括依次连接的限幅隔离模块、信号放大模块、带通滤波模块和A/D采集模块，所述限幅隔离模块的输入端接多路开关，所述A/D采集模块的输出端接ARM主控芯片。
3.根据权利要求1所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述超声相控阵换能器阵列包括若干个等间距排列的压电晶片。
4.根据权利要求1所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述压电晶片的材质为PZT。
5.根据权利要求1所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述超声相控阵换能器阵列的输出端设有加法器。
6.根据权利要求3所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述超声相控阵换能器阵列的阵元数16≤N≤64，阵元间距d≤0.5λ。
7.根据权利要求2所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述限幅隔离模块为高压二极管限幅电路。
8.根据权利要求2所述的一种超声波混凝土检测装置，其特征在于，所述带通滤波模块为无源带通滤波电路。
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