CN1908649B - 一种混凝土结构层析成像检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土结构层析成像检测***，该***包括一个由PCI总线相互连接的CPU卡、A/D卡、信号处理卡，还包括一个发射电源和一个接收换能器阵列；接收换能器阵列与超磁致伸缩稀土发射换能器连接，接收换能器阵列的输出端与信号处理卡连接，信号处理卡与超声发射电源相连，超声发射电源与超磁致伸缩稀土发射换能器的输入端连接，信号处理卡与A/D卡连接，CPU卡、A/D卡、信号处理卡分别与PCI总线连接。本发明操作简单，显示直观，对使用者的专业经验和技能要求相对较低，高精度、智能化的超声检测设备，能够实时、准确地显示出混凝土内部结构特征。

Description

一种混凝土结构层析成像检测***

技术领域

本发明属于混凝土结构检测技术，特别涉及混凝土结构超声CT层析成像检测技术。

背景技术

混凝土结构是桥梁、隧道和工业民用建筑等工程的重要构件之一，其内部特性检测对于工程质量评价和安全评估具有重要意义。混凝土结构的传统检测方法是对取样制作的立方体试件的作破坏性强度试验。实践表明，用试件试验所测得的混凝土结构性能指标，往往与结构物中实际混凝土结构的性能有较大差别。因此，直接检测混凝土结构性能的现场检测技术，已成为混凝土工程质量管理的重要手段。

现场检测包括钻芯取样和无损检测两种方法，其中无损检测的方法由于方便、高效和对工程结构无损害的优点而得到了普遍的应用。

在混凝土结构的无损检测方法中，最常用和最有效的方法是超声检测法，与其它如高频电磁雷达、红外成像、微波和回弹小应变等无损检测方法相比，超声波法具有被测对象范围广、探测深度大、检测灵敏度高、成本低、检测速度快及现场使用方便等优点。因此，超声波法是国内外受到广泛重视和迅速发展的一种混凝土结构无损检测技术，目前已广泛应用于混凝土结构的内部质量检测中，并被列入一些部门、地方和工程标准化委员会的检验规程中。

超声波检测的原理是通过超声发射探头作用被测混凝土结构，超声作用应力波在混凝土内部穿透或在界面发生反射，然后通过接收探头和信号检测设备获得波速、波幅、信号频谱及信号波形，再通过对接收信号的分析与判读，而获得对混凝土构件强度、内部缺陷(空洞、裂缝、离析、夹层、不密实等)和厚度等的定量或定性描述，从而对混凝土结构的安全性和质量进行监测和评价。

目前国内外大量采用的混凝土无损检测仪器基本上是基于对所接收的一维信号的分析处理和人工判读，工作效率低，可靠性差。由于混凝土是由水泥、沙、粗骨散粒料组成的混合材料，同时由于桥梁检测中检测条件环境复杂，影响因素多，直接从一维接收信号中比较确定地获得关于混凝土的内部质量的描述还存在相当大的难度和不确定性，一般需要依赖仪器操作者相当的工作经验。这已成为严重制约混凝土超声检测手段普及与发展的主要原因之一。

传统的超声波混凝土无损检测仪的缺点主要有以下方面：

1)超声波发射源由压电陶瓷材料制作，发射功率小，在大体积的混凝土结构检测中，接收信号的信噪比差，因此检测效果会严重退化；

2)压电陶瓷超声发射源的频带窄，因此在发射脉冲信号时，余震拖尾长(一般为5个以上振荡周期)，在测厚应用中由于拖尾对反射波形成干扰，而使得检测性能严重受限。

3)采用单通道的一维信号采集和分析，相邻检测点的关联信息没有被有效利用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种混凝土结构层析成像检测***，该***操作简单，显示直观，对使用者的专业经验和技能要求相对较低，高精度、智能化的超声检测设备，能够实时、准确地显示出混凝土内部结构特征。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明包括一个由PCI总线相互连接的CPU卡、A/D卡、信号处理卡，还包括一个发射电源和一个接收换能器阵列；接收换能器阵列与超磁致伸缩稀土发射换能器连接，接收换能器阵列的输出端与信号处理卡连接，信号处理卡与超声发射电源相连，超声发射电源与超磁致伸缩稀土发射换能器的输入端连接，信号处理卡与A/D卡连接，CPU卡、A/D卡、信号处理卡分别与PCI总线连接。

所述的超声发射电源由直流电源E与电阻R1相连，R1与二极管D1相连，二极管D1分别与储能电容C和电阻R_T相连，储能电容C分别与二极管D2、电阻R_S相连，电阻R_T与开关管V_T相连，电阻R_S、电感L_S、电感L_e依次相连，开关管V_T、二极管D2、电感L_e接地。

所述的超磁致伸缩稀土发射换能器，在外壳内装有超磁致伸缩棒外壳，在超磁致伸缩棒外壳内装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒一端和打击头相连，另一端固定在压块上，在压块的上方装有固定块，在超磁致伸缩棒外壳和超磁致伸缩棒之间两侧分别装有换能器线圈，换能器线圈一端通过导线和电源相连，另一端固定在超磁致伸缩棒外壳上，两根换能器线圈用导线相连，在外壳和超磁致伸缩棒外壳之间两侧装有预应力弹簧，电源设置在超磁致伸缩棒外壳内。

所述的信号处理卡，由第一衰减电路分别连接第一选择放大电路和第三选择放大电路，第一选择放大电路与逻辑控制电路相连，逻辑控制电路还分别与第二衰减电路、第二选择放大电路、第四选择放大电路、第三选择放大电路和PCI控制器相连，第四选择放大电路和第二衰减电路连接，第二衰减电路和第二选择放大电路连接。

本发明通过对超声波混凝土结构无损检测的理论和技术问题的深入研究，在超声源、超声信号采集电路方面进行了改进，***的发射源采用了基于稀土材料的超磁致伸缩超声换能器，由于其发射功率大，可以检测更大体积的混凝土结构，同时由于脉冲发射的余震小(小于2个周期)，在混凝土测厚中具有特别优势。***的信号接收采集采用了24通道的并行数据采集电路，每通道的A/D分辨率为12位，采样率最大可到每秒30M采样点，这使得层析成像检测成为可能。另外，24通道的数据通道可以实现24个接收点同时接收信号，不仅大大提高了检测效率，同时可保证采样点位置的精确一致性，提高层析成像的精度度。由于上述新技术的采用，所开发的***比传统的超声检测仪在直观性、易操作、分析定量客观和人为因素影响小等方面具有本质的提高。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是本发明超声发射电源结构图。

图3是本发明超磁致伸缩换能器结构示意图。

图4是本发明信号处理卡原理结构图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，超磁致伸缩稀土发射换能器1与接收换能器阵列2连接，接收换能器阵列2的输出端与信号处理卡6连接，信号处理卡6与超声发射电源7相连，超声发射电源7与超磁致伸缩稀土发射换能器1的输入端连接，信号处理卡6与AD卡5连接，CPU卡4、AD卡5、信号处理卡6分别与PCI总线8连接。

***的工作过程为：CPU卡4通过PCI总线8向信号处理卡6和A/D卡5发出各种配置命令，信号处理卡6与A/D卡5准备就绪；软件执行开始采集命令后，CPU卡4通过PCI总线8向信号处理卡6的触发寄存器写入开始采集命令。信号处理卡6接收到开始采集命令后分别向发射电源7和A/D卡5发出特定宽度、特定延迟的触发控制信号，发射电源7被触发脉冲触发后开始向发射换能器1高压放电，发射换能器1受到激发后开始向被测混凝土构件发射超声波，超声波在被测混凝土构件中向接收换能器2阵列传播；接收换能器2阵列接收到超声信号并将其转换为电信号，电信号经信号处理卡6处理后送到A/D卡5；A/D卡5在接收到信号处理卡6的控制信号后开始A/D转换，同时将转换后的数字信号通过PCI总线8传送到计算机内存，然后进行数据处理与层析成像计算。

参照图2所示，直流电源E与电阻R1相连，电阻R1与二极管D1相连，二极管D1分别与储能电容C和电阻RT相连，储能电容C与二极管D2相连，电阻R_T与开关管V_T相连，触发脉冲与电阻R2相连，电阻R2与开关管V_T相连，储能电容C、电阻R_S、电感L_S依次相连，电感L_S分别与电感Le、电容Ce、电阻Re相连，开关管V_T、二极管D2、电感Le、电容Ce、电阻Re接地。

换能器驱动过程为：由直流电源E对C充电到500V并保持该电压不变。当触发脉冲到来使开关管V_T导通后，储能电容C上的电荷通过开关管V_T迅速向线圈B放电，由B、C及R(≈R_T+R_S)组成的放电电路为二阶回路。为了产生高频电流脉冲，可以在放电电流达到最高(≈100A)时，迅速关断开关管V_T，使电流陡降为零，这样的大电流陡脉冲将导致磁致伸缩棒在产生激烈的膨胀后马上恢复自由态，从而使L_e、C_e发生并联谐振(≈25kHz)并向外辐射高强度超声波。

参照图3所示，在外壳1内装有超磁致伸缩棒外壳5，超磁致伸缩棒外壳5通过螺钉3和压块4固定。在超磁致伸缩棒外壳5内装有超磁致伸缩棒6，超磁致伸缩棒6一端和打击头9相连，另一端固定在超磁致伸缩棒外壳5上。在超磁致伸缩棒外壳5和超磁致伸缩棒6之间装有换能器线圈7，换能器线圈7一端通过导线10和电源2相连，另一端固定在超磁致伸缩棒外壳5上。电源2可提供400v电压。两根换能器线圈7之间利用导线相连。在外壳1和超磁致伸缩棒外壳5之间装有预应力弹簧8。

其工作过程是电源接电以后产生一脉冲电流，该脉冲电流施加在换能器线圈上，通电后的换能器线圈7产生交变磁场。超磁致伸缩棒6在此交变磁场作用下产生伸缩变化，并撞击打击头9产生振动。由此将电脉冲信号高效地转换为打击头9的活塞式机械振动，使打击头9向被测物体发出超声波信号。

参照图4所示，信号处理卡6，由第一衰减电路20分别连接第一选择放大电路21和第三选择放大电路25，第一选择放大电路21与逻辑控制电路23相连，逻辑控制电路23还分别与第二衰减电路27、第二选择放大电路24、第四选择放大电路26、第三选择放大电路25和PCI控制器22相连，第四选择放大电路26和第二衰减电路27连接，第二衰减电路27和第二选择放大电路24连接.

超磁致伸缩稀土发射换能器是一种高效的大功率能量转换设备，它能够将输入的电流脉冲转化为机械声波，并通过辐射面辐射到被测混凝土构件中。接收换能器阵列由24个压电陶瓷超声换能器组成，各换能器单体之间的间距相同，接收换能器阵列能够在被测混凝土构件上等间距的24个测点同时接收由稀土发射换能器发射的超声波，并将接收到的超声波转换为电信号。24通道超声信号采集仪由便携式加固计算机及内置插卡构成，主要功能是将接收换能器阵列传来的模拟信号进行放大\衰减、A/D转换、数字信号处理和分析等，同时它还向发射换能器输出激发脉冲。

***的工作过程为：1)CPU通过PCI总线向信号处理卡和A/D卡发出各种配置命令，信号处理卡与A/D卡准备就绪；2)软件执行开始采集命令后，CPU通过PCI总线向信号处理卡的触发寄存器写入开始采集命令。信号处理卡接收到开始采集命令后分别向发射电源和A/D卡发出特定宽度、特定延迟的触发控制信号，发射电源被触发脉冲触发后开始向发射换能器高压放电，发射换能器受到激发后开始向被测混凝土构件发射超声波，超声波在被测混凝土构件中向接收换能器阵列传播；3)接收换能器阵列接收到超声信号并将其转换为电信号，电信号经信号处理卡处理后送到A/D卡；4)A/D卡在接收到信号处理卡的控制信号后开始A/D转换，同时将转换后的数字信号通过PCI总线传送到计算机内存，然后进行数据处理与层析成像计算。

本发明在保留传统的采集方式(单发单收或两收)和测强测缺数据处理技术基础上，进一步采用数据融合技术和多道点阵发射与多道点阵采集随机显像技术。通过频谱分析可以得到比较准确的初至时间，提高测强的准确性，通过叠加处理，可压噪，提高信噪比，突出有用信息。在桥梁检测中采用计算机智能成像技术，对被测混凝土构件及钢筋混凝土构件进行两维层析成像，达到直观反映各种缺陷、析离体、裂缝等工程问题存在的位置和形状等，实现缺陷集成图像***技术再现。与传统超声检测仪器设备相比，主要的改进是在超声源、超声信号采集电路和层析成像算法等方面。

Claims (3)

1.混凝土结构超声层析成像检测***，其特征在于，包括与PCI总线相互连接的CPU卡(4)、A/D卡(5)、信号处理卡(6)，还包括一个发射电源(7)和一个接收换能器阵列(2)；接收换能器阵列(2)与超磁致伸缩稀土发射换能器(1)之间设置有被测混凝土构件，接收换能器阵列(2)的输出端与信号处理卡(6)连接，信号处理卡(6)与超声发射电源(7)相连，超声发射电源(7)与超磁致伸缩稀土发射换能器(1)的输入端连接，信号处理卡(6)与A/D卡(5)连接，CPU卡(4)、A/D卡(5)、信号处理卡(6)分别与PCI总线(8)连接，所述的超磁致伸缩稀土发射换能器(1)，包括一个外壳(9)，在外壳(9)内装有超磁致伸缩棒外壳(13)，在超磁致伸缩棒外壳(13)内装有超磁致伸缩棒(14)，超磁致伸缩棒(14)一端和打击头(17)相连，另一端固定在压块(12)上，在压块(12)的上方装有固定块(19)，在超磁致伸缩棒外壳(13)和超磁致伸缩棒(14)之间两侧分别装有换能器线圈(15)，换能器线圈(15)一端通过导线(18)和电源(10)相连，另一端固定在超磁致伸缩棒外壳(13)上，两根换能器线圈(15)用导线相连，在外壳(9)和超磁致伸缩棒外壳(13)之间两侧装有预应力弹簧(16)，电源(10)设置在超磁致伸缩棒外壳(13)内。

2.根据权利要求1所述的混凝土结构超声层析成像检测***，其特征在于，所述的超声发射电源(7)由直流电源E与电阻R1相连，R1与二极管D1相连，二极管D1分别与储能电容C和电阻R_T相连，储能电容C分别与二极管D2、电阻R_S相连，电阻R_T与开关管V_T相连，电阻R_S、电感L_S、电感L_e依次相连，开关管V_T、二极管D2、电感L_e接地。

3.根据权利要求1所述的混凝土结构超声层析成像检测***，其特征在于，所述的信号处理卡(6)，由第一衰减电路(20)分别连接第一选择放大电路(21)和第三选择放大电路(25)，第一选择放大电路(21)与一个逻辑控制电路(23)相连，逻辑控制电路(23)还分别与第二衰减电路(27)、第二选择放大电路(24)、第四选择放大电路(26)、第三选择放大电路(25)和PCI控制器(22)相连，第四选择放大电路(26)和第二衰减电路(27)连接，第二衰减电路(27)和第二选择放大电路(24)连接。

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