專利名稱：一種混凝土結(jié)構(gòu)層析成像檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)，特別涉及混凝土結(jié)構(gòu)超聲CT層析成像檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)是橋梁、隧道和工業(yè)民用建筑等工程的重要構(gòu)件之一，其內(nèi)部特性檢測(cè)對(duì)于工程質(zhì)量評(píng)價(jià)和安全評(píng)估具有重要意義?；炷两Y(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法是對(duì)取樣制作的立方體試件的作破壞性強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)踐表明，用試件試驗(yàn)所測(cè)得的混凝土結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，往往與結(jié)構(gòu)物中實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的性能有較大差別。因此，直接檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)性能的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，已成為混凝土工程質(zhì)量管理的重要手段。
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)包括鉆芯取樣和無(wú)損檢測(cè)兩種方法，其中無(wú)損檢測(cè)的方法由于方便、高效和對(duì)工程結(jié)構(gòu)無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)而得到了普遍的應(yīng)用。
在混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)方法中，最常用和最有效的方法是超聲檢測(cè)法，與其它如高頻電磁雷達(dá)、紅外成像、微波和回彈小應(yīng)變等無(wú)損檢測(cè)方法相比，超聲波法具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、探測(cè)深度大、檢測(cè)靈敏度高、成本低、檢測(cè)速度快及現(xiàn)場(chǎng)使用方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波法是國(guó)內(nèi)外受到廣泛重視和迅速發(fā)展的一種混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)中，并被列入一些部門(mén)、地方和工程標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的檢驗(yàn)規(guī)程中。
超聲波檢測(cè)的原理是通過(guò)超聲發(fā)射探頭作用被測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)，超聲作用應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部穿透或在界面發(fā)生反射，然后通過(guò)接收探頭和信號(hào)檢測(cè)設(shè)備獲得波速、波幅、信號(hào)頻譜及信號(hào)波形，再通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的分析與判讀，而獲得對(duì)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度、內(nèi)部缺陷(空洞、裂縫、離析、夾層、不密實(shí)等)和厚度等的定量或定性描述，從而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。
目前國(guó)內(nèi)外大量采用的混凝土無(wú)損檢測(cè)儀器基本上是基于對(duì)所接收的一維信號(hào)的分析處理和人工判讀，工作效率低，可靠性差。由于混凝土是由水泥、沙、粗骨散粒料組成的混合材料，同時(shí)由于橋梁檢測(cè)中檢測(cè)條件環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，直接從一維接收信號(hào)中比較確定地獲得關(guān)于混凝土的內(nèi)部質(zhì)量的描述還存在相當(dāng)大的難度和不確定性，一般需要依賴儀器操作者相當(dāng)?shù)墓ぷ鹘?jīng)驗(yàn)。這已成為嚴(yán)重制約混凝土超聲檢測(cè)手段普及與發(fā)展的主要原因之一。
傳統(tǒng)的超聲波混凝土無(wú)損檢測(cè)儀的缺點(diǎn)主要有以下方面1)超聲波發(fā)射源由壓電陶瓷材料制作，發(fā)射功率小，在大體積的混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，接收信號(hào)的信噪比差，因此檢測(cè)效果會(huì)嚴(yán)重退化；2)壓電陶瓷超聲發(fā)射源的頻帶窄，因此在發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)，余震拖尾長(zhǎng)(一般為5個(gè)以上振蕩周期)，在測(cè)厚應(yīng)用中由于拖尾對(duì)反射波形成干擾，而使得檢測(cè)性能嚴(yán)重受限。
3)采用單通道的一維信號(hào)采集和分析，相鄰檢測(cè)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)信息沒(méi)有被有效利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種混凝土結(jié)構(gòu)層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，顯示直觀，對(duì)使用者的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技能要求相對(duì)較低，高精度、智能化的超聲檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括一個(gè)由PCI總線相互連接的CPU卡、A/D卡、信號(hào)處理卡，還包括一個(gè)發(fā)射電源和一個(gè)接收換能器陣列；接收換能器陣列與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器連接，接收換能器陣列的輸出端與信號(hào)處理卡連接，信號(hào)處理卡與超聲發(fā)射電源相連，超聲發(fā)射電源與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器的輸入端連接，信號(hào)處理卡與A/D卡連接，CPU卡、A/D卡、信號(hào)處理卡分別與PCI總線連接。
所述的超聲發(fā)射電源由直流電源E與電阻R1相連，R1與二極管D1相連，二極管D1分別與儲(chǔ)能電容C和電阻RT相連，儲(chǔ)能電容C分別與二極管D2、電阻RS相連，電阻RT與開(kāi)關(guān)管VT相連，電阻RS、電感LS、電感Le依次相連，開(kāi)關(guān)管VT、二極管D2、電感Le接地。
所述的超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器，在外殼內(nèi)裝有超磁致伸縮棒外殼，在超磁致伸縮棒外殼內(nèi)裝有超磁致伸縮棒，超磁致伸縮棒一端和打擊頭相連，另一端固定在壓塊上，在壓塊的上方裝有固定塊，在超磁致伸縮棒外殼和超磁致伸縮棒之間兩側(cè)分別裝有換能器線圈，換能器線圈一端通過(guò)導(dǎo)線和電源相連，另一端固定在超磁致伸縮棒外殼上，兩根換能器線圈用導(dǎo)線相連，在外殼和超磁致伸縮棒外殼之間兩側(cè)裝有預(yù)應(yīng)力彈簧，電源設(shè)置在超磁致伸縮棒外殼內(nèi)。
所述的信號(hào)處理卡，由第一衰減電路分別連接第一選擇放大電路和第三選擇放大電路，第一選擇放大電路與邏輯控制電路相連，邏輯控制電路還分別與第二衰減電路、第二選擇放大電路、第四選擇放大電路、第三選擇放大電路和PCI控制器相連，第四選擇放大電路和第二衰減電路連接，第二衰減電路和第二選擇放大電路連接。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)超聲波混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的理論和技術(shù)問(wèn)題的深入研究，在超聲源、超聲信號(hào)采集電路方面進(jìn)行了改進(jìn)，系統(tǒng)的發(fā)射源采用了基于稀土材料的超磁致伸縮超聲換能器，由于其發(fā)射功率大，可以檢測(cè)更大體積的混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于脈沖發(fā)射的余震小(小于2個(gè)周期)，在混凝土測(cè)厚中具有特別優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的信號(hào)接收采集采用了24通道的并行數(shù)據(jù)采集電路，每通道的A/D分辨率為12位，采樣率最大可到每秒30M采樣點(diǎn)，這使得層析成像檢測(cè)成為可能。另外，24通道的數(shù)據(jù)通道可以實(shí)現(xiàn)24個(gè)接收點(diǎn)同時(shí)接收信號(hào)，不僅大大提高了檢測(cè)效率，同時(shí)可保證采樣點(diǎn)位置的精確一致性，提高層析成像的精度度。由于上述新技術(shù)的采用，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)儀在直觀性、易操作、分析定量客觀和人為因素影響小等方面具有本質(zhì)的提高。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明超聲發(fā)射電源結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明信號(hào)處理卡原理結(jié)構(gòu)圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1所示，超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器1與接收換能器陣列2連接，接收換能器陣列2的輸出端與信號(hào)處理卡6連接，信號(hào)處理卡6與超聲發(fā)射電源7相連，超聲發(fā)射電源7與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器1的輸入端連接，信號(hào)處理卡6與AD卡5連接，CPU卡4、AD卡5、信號(hào)處理卡6分別與PCI總線8連接。
系統(tǒng)的工作過(guò)程為CPU卡4通過(guò)PCI總線8向信號(hào)處理卡6和A/D卡5發(fā)出各種配置命令，信號(hào)處理卡6與A/D卡5準(zhǔn)備就緒；軟件執(zhí)行開(kāi)始采集命令后，CPU卡4通過(guò)PCI總線8向信號(hào)處理卡6的觸發(fā)寄存器寫(xiě)入開(kāi)始采集命令。信號(hào)處理卡6接收到開(kāi)始采集命令后分別向發(fā)射電源7和A/D卡5發(fā)出特定寬度、特定延遲的觸發(fā)控制信號(hào)，發(fā)射電源7被觸發(fā)脈沖觸發(fā)后開(kāi)始向發(fā)射換能器1高壓放電，發(fā)射換能器1受到激發(fā)后開(kāi)始向被測(cè)混凝土構(gòu)件發(fā)射超聲波，超聲波在被測(cè)混凝土構(gòu)件中向接收換能器2陣列傳播；接收換能器2陣列接收到超聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理卡6處理后送到A/D卡5；A/D卡5在接收到信號(hào)處理卡6的控制信號(hào)后開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)PCI總線8傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與層析成像計(jì)算。
參照?qǐng)D2所示，直流電源E與電阻R1相連，電阻R1與二極管D1相連，二極管D1分別與儲(chǔ)能電容C和電阻RT相連，儲(chǔ)能電容C與二極管D2相連，電阻RT與開(kāi)關(guān)管VT相連，觸發(fā)脈沖與電阻R2相連，電阻R2與開(kāi)關(guān)管VT相連，儲(chǔ)能電容C、電阻RS、電感LS依次相連，電感LS分別與電感Le、電容Ce、電阻Re相連，開(kāi)關(guān)管VT、二極管D2、電感Le、電容Ce、電阻Re接地。
換能器驅(qū)動(dòng)過(guò)程為由直流電源E對(duì)C充電到500V并保持該電壓不變。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)使開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容C上的電荷通過(guò)開(kāi)關(guān)管VT迅速向線圈B放電，由B、C及R(≈RT+RS)組成的放電電路為二階回路。為了產(chǎn)生高頻電流脈沖，可以在放電電流達(dá)到最高(≈100A)時(shí)，迅速關(guān)斷開(kāi)關(guān)管VT，使電流陡降為零，這樣的大電流陡脈沖將導(dǎo)致磁致伸縮棒在產(chǎn)生激烈的膨脹后馬上恢復(fù)自由態(tài)，從而使Le、Ce發(fā)生并聯(lián)諧振(≈25kHz)并向外輻射高強(qiáng)度超聲波。
參照?qǐng)D3所示，在外殼1內(nèi)裝有超磁致伸縮棒外殼5，超磁致伸縮棒外殼5通過(guò)螺釘3和壓塊4固定。在超磁致伸縮棒外殼5內(nèi)裝有超磁致伸縮棒6，超磁致伸縮棒6一端和打擊頭9相連，另一端固定在超磁致伸縮棒外殼5上。在超磁致伸縮棒外殼5和超磁致伸縮棒6之間裝有換能器線圈7，換能器線圈7一端通過(guò)導(dǎo)線10和電源2相連，另一端固定在超磁致伸縮棒外殼5上。電源2可提供400v電壓。兩根換能器線圈7之間利用導(dǎo)線相連。在外殼1和超磁致伸縮棒外殼5之間裝有預(yù)應(yīng)力彈簧8。
其工作過(guò)程是電源接電以后產(chǎn)生一脈沖電流，該脈沖電流施加在換能器線圈上，通電后的換能器線圈7產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。超磁致伸縮棒6在此交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生伸縮變化，并撞擊打擊頭9產(chǎn)生振動(dòng)。由此將電脈沖信號(hào)高效地轉(zhuǎn)換為打擊頭9的活塞式機(jī)械振動(dòng)，使打擊頭9向被測(cè)物體發(fā)出超聲波信號(hào)。
參照?qǐng)D4所示，信號(hào)處理卡6，由第一衰減電路20分別連接第一選擇放大電路21和第三選擇放大電路25，第一選擇放大電路21與邏輯控制電路23相連，邏輯控制電路23還分別與第二衰減電路27、第二選擇放大電路24、第四選擇放大電路26、第三選擇放大電路25和PCI控制器22相連，第四選擇放大電路26和第二衰減電路27連接，第二衰減電路27和第二選擇放大電路24連接。
超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器是一種高效的大功率能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它能夠?qū)⑤斎氲碾娏髅}沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械聲波，并通過(guò)輻射面輻射到被測(cè)混凝土構(gòu)件中。接收換能器陣列由24個(gè)壓電陶瓷超聲換能器組成，各換能器單體之間的間距相同，接收換能器陣列能夠在被測(cè)混凝土構(gòu)件上等間距的24個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)接收由稀土發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波，并將接收到的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。24通道超聲信號(hào)采集儀由便攜式加固計(jì)算機(jī)及內(nèi)置插卡構(gòu)成，主要功能是將接收換能器陣列傳來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行放大\衰減、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理和分析等，同時(shí)它還向發(fā)射換能器輸出激發(fā)脈沖。
系統(tǒng)的工作過(guò)程為1)CPU通過(guò)PCI總線向信號(hào)處理卡和A/D卡發(fā)出各種配置命令，信號(hào)處理卡與A/D卡準(zhǔn)備就緒；2)軟件執(zhí)行開(kāi)始采集命令后，CPU通過(guò)PCI總線向信號(hào)處理卡的觸發(fā)寄存器寫(xiě)入開(kāi)始采集命令。信號(hào)處理卡接收到開(kāi)始采集命令后分別向發(fā)射電源和A/D卡發(fā)出特定寬度、特定延遲的觸發(fā)控制信號(hào)，發(fā)射電源被觸發(fā)脈沖觸發(fā)后開(kāi)始向發(fā)射換能器高壓放電，發(fā)射換能器受到激發(fā)后開(kāi)始向被測(cè)混凝土構(gòu)件發(fā)射超聲波，超聲波在被測(cè)混凝土構(gòu)件中向接收換能器陣列傳播；3)接收換能器陣列接收到超聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理卡處理后送到A/D卡；4)A/D卡在接收到信號(hào)處理卡的控制信號(hào)后開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)PCI總線傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與層析成像計(jì)算。
本發(fā)明在保留傳統(tǒng)的采集方式(單發(fā)單收或兩收)和測(cè)強(qiáng)測(cè)缺數(shù)據(jù)處理技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)和多道點(diǎn)陣發(fā)射與多道點(diǎn)陣采集隨機(jī)顯像技術(shù)。通過(guò)頻譜分析可以得到比較準(zhǔn)確的初至?xí)r間，提高測(cè)強(qiáng)的準(zhǔn)確性，通過(guò)疊加處理，可壓噪，提高信噪比，突出有用信息。在橋梁檢測(cè)中采用計(jì)算機(jī)智能成像技術(shù)，對(duì)被測(cè)混凝土構(gòu)件及鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行兩維層析成像，達(dá)到直觀反映各種缺陷、析離體、裂縫等工程問(wèn)題存在的位置和形狀等，實(shí)現(xiàn)缺陷集成圖像系統(tǒng)技術(shù)再現(xiàn)。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)儀器設(shè)備相比，主要的改進(jìn)是在超聲源、超聲信號(hào)采集電路和層析成像算法等方面。
權(quán)利要求
1.混凝土結(jié)構(gòu)超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括一個(gè)由PCI總線相互連接的CPU卡(4)、A/D卡(5)、信號(hào)處理卡(6)，還包括一個(gè)發(fā)射電源(7)和一個(gè)接收換能器陣列(2)；接收換能器陣列(2)與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器(1)連接，接收換能器陣列(2)的輸出端與信號(hào)處理卡(6)連接，信號(hào)處理卡(6)與超聲發(fā)射電源(7)相連，超聲發(fā)射電源(7)與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器(1)的輸入端連接，信號(hào)處理卡(6)與A/D卡(5)連接，CPU卡(4)、A/D卡(5)、信號(hào)處理卡(6)分別與PCI總線(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土結(jié)構(gòu)超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的超聲發(fā)射電源(7)由直流電源E與電阻R1相連，R1與二極管D1相連，二極管D1分別與儲(chǔ)能電容C和電阻RT相連，儲(chǔ)能電容C分別與二極管D2、電阻RS相連，電阻RT與開(kāi)關(guān)管VT相連，電阻RS、電感LS、電感Le依次相連，開(kāi)關(guān)管VT、二極管D2、電感Le接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土結(jié)構(gòu)超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器(1)，包括一個(gè)外殼(9)，在外殼(9)內(nèi)裝有超磁致伸縮棒外殼(13)，在超磁致伸縮棒外殼(13)內(nèi)裝有超磁致伸縮棒(14)，超磁致伸縮棒(14)一端和打擊頭(17)相連，另一端固定在壓塊(12)上，在壓塊(12)的上方裝有固定塊(19)，在超磁致伸縮棒外殼(13)和超磁致伸縮棒(14)之間兩側(cè)分別裝有換能器線圈(15)，換能器線圈(15)一端通過(guò)導(dǎo)線(18)和電源(10)相連，另一端固定在超磁致伸縮棒外殼(13)上，兩根換能器線圈(15)用導(dǎo)線相連，在外殼(9)和超磁致伸縮棒外殼(13)之間兩側(cè)裝有預(yù)應(yīng)力彈簧(16)，電源(10)設(shè)置在超磁致伸縮棒外殼(13)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土結(jié)構(gòu)超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號(hào)處理卡(6)，由第一衰減電路(20)分別連接第一選擇放大電路(21)和第三選擇放大電路(25)，第一選擇放大電路(21)與一個(gè)邏輯控制電路(23)相連，邏輯控制電路(23)還分別與第二衰減電路(27)、第二選擇放大電路(24)、第四選擇放大電路(26)、第三選擇放大電路(25)和PCI控制器(22)相連，第四選擇放大電路(26)和第二衰減電路(27)連接，第二衰減電路(27)和第二選擇放大電路(24)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種混凝土結(jié)構(gòu)層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)由PCI總線相互連接的CPU卡、A/D卡、信號(hào)處理卡，還包括一個(gè)發(fā)射電源和一個(gè)接收換能器陣列；接收換能器陣列與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器連接，接收換能器陣列的輸出端與信號(hào)處理卡連接，信號(hào)處理卡與超聲發(fā)射電源相連，超聲發(fā)射電源與超磁致伸縮稀土發(fā)射換能器的輸入端連接，信號(hào)處理卡與A/D卡連接，CPU卡、A/D卡、信號(hào)處理卡分別與PCI總線連接。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，顯示直觀，對(duì)使用者的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技能要求相對(duì)較低，高精度、智能化的超聲檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。
文檔編號(hào)G01N29/36GK1908649SQ20061010446
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者趙祥模, 宋煥生, 王國(guó)強(qiáng), 徐志剛, 戚秀真, 沈波, 楊正華 申請(qǐng)人:長(zhǎng)安大學(xué)