武　剛，楊　錄，張艷花

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

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混凝土超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武剛，楊錄，張艷花

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的混凝土檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度低、成本高、信號(hào)處理能力差的缺點(diǎn)，提出了一種一發(fā)四收超聲信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用200 kHz的超聲，以合成孔徑聚焦成像算法為基礎(chǔ)，將四路信號(hào)整合為一路信號(hào)，通過(guò)判斷回波信號(hào)聲時(shí)、聲幅和主頻的變化來(lái)對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，大大增加了混凝土缺陷回波的分辨率，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：混凝土工程；無(wú)損檢測(cè)；一發(fā)四收超聲信號(hào)處理系統(tǒng)；大容量數(shù)據(jù)采集卡；合成孔徑聚焦成像算法

傳統(tǒng)換能器的半功率波速角為0.84λ/d[1]，其中d為換能器的直徑，λ為超聲的工作波長(zhǎng)，高頻超聲的分辨率高，低頻超聲的分辨率低，由此我們知道要想提高換能器的橫向分辨率可以選擇大孔徑的換能器[2]或提高探頭的工作頻率，但大孔徑換能器制作不方便[3]，而超聲波在探傷的過(guò)程中其穿透深度與頻率有關(guān)，高頻超聲波的穿透能力小，低頻超聲波的穿透能力大，混凝土材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有粘塑性，當(dāng)超聲波穿過(guò)混凝土?xí)r能量衰減很大，因此混凝土檢測(cè)必須選用低頻超聲[4]，實(shí)際應(yīng)用中多采用50 kHz的低頻超聲波，但此頻率的超聲回波拖尾較長(zhǎng)，缺陷波與始發(fā)波、缺陷波與缺陷波疊加在一起影響檢測(cè)結(jié)果。而且傳統(tǒng)檢測(cè)中多采用超聲脈沖單通道檢測(cè)法，但是這種方法檢測(cè)精度低。為此，本課題選用200 kHz超聲，采用一發(fā)四收超聲信號(hào)處理電路，以合成孔徑聚焦成像算法為基礎(chǔ)，將四路信號(hào)整合為一路信號(hào)，以四個(gè)小孔徑換能器去模仿一個(gè)大孔徑的換能器。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)采用的合成孔徑聚焦成像的方法，既提高了換能器的橫向分辨率，又保證了超聲波在混凝土標(biāo)準(zhǔn)件中有較大的穿透力[5]。

四通道超聲波混凝土無(wú)損檢測(cè)電路具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1　電路設(shè)計(jì)流程圖

1超聲波發(fā)射部分

超聲發(fā)射電路的實(shí)質(zhì)就是激勵(lì)換能器的壓電晶片，使其將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，本系統(tǒng)的發(fā)射電路由脈沖整形電路模塊和高壓脈沖產(chǎn)生模塊組成。

本系統(tǒng)同步觸發(fā)脈沖是由FPGA控制產(chǎn)生的，其觸發(fā)頻率為100 Hz、脈寬為1 us。由于觸發(fā)脈沖是一個(gè)方波信號(hào)，含有豐富的高頻分量，若這些信號(hào)進(jìn)入模擬系統(tǒng)將影響超聲回波信號(hào)的質(zhì)量，有時(shí)甚至得不到超聲回波信號(hào)。為此，在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)加入光耦HCPL-0630將數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)充分隔離。由于8N80MOS管需要12 V驅(qū)動(dòng)，因此需要通過(guò)TC4427將5 V脈沖整型成12 V脈沖。經(jīng)過(guò)整型的脈沖信號(hào)通過(guò)控制8N80MOS管的通斷來(lái)對(duì)電容進(jìn)行充放電，從而產(chǎn)生高壓脈沖波，激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波。

2超聲波模擬接收部分

超聲波接收電路實(shí)現(xiàn)了超聲波回波信號(hào)的前期處理，主要由前級(jí)阻抗匹配放大電路、低噪聲放大電路、巴特沃斯濾波器、全波放大電路五部分構(gòu)成。本系統(tǒng)采用單電源供電系統(tǒng)，具有攜帶方便、易于集成化等優(yōu)點(diǎn)。

2.1前級(jí)阻抗匹配放大電路模塊

由于超聲波傳感器接收到的回波信號(hào)僅有幾毫伏，所以前級(jí)信號(hào)處理的好壞直接決定了超聲波接收電路的整體性能。盡管隨著當(dāng)今科技的高速發(fā)展，很多低噪聲高性能集成運(yùn)算放大器被研發(fā)出來(lái)，但其噪聲系數(shù)仍遠(yuǎn)大于分立元件的噪聲放大系數(shù)。為了高精度地檢測(cè)微弱信號(hào)，得到放大器的最小噪聲系數(shù)，本課題選用由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管J310構(gòu)成的低噪聲、高輸入阻抗的前級(jí)阻抗匹配放大電路。相比于其他形式的前級(jí)電路，場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配電路具有輸入阻抗高、噪聲系數(shù)小、制造工藝簡(jiǎn)單、耗能少、供電電壓范圍大等優(yōu)勢(shì)。由于其導(dǎo)電粒子只有多子，因此其穩(wěn)定性極好，抗輻射能力極強(qiáng)。前級(jí)阻抗匹配放大電路模塊如圖2所示。

圖2是J310場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的超聲波接收電路的前級(jí)阻抗匹配放大部分，圖中二極管和穩(wěn)壓管的作用是保護(hù)接收電路，防止電路受高壓脈沖的沖擊，RA3電阻選用1 MΩ保證其輸入阻抗大輸出阻抗小，起到電路阻抗匹配的作用。

圖2　前級(jí)阻抗匹配放大電路模塊

2.2低噪聲放大電路模塊

低噪聲放大器是信號(hào)處理中一個(gè)極其重要的部分，常用于小信號(hào)處理的前級(jí)，不僅能放大傳感器微弱信號(hào)，而且能有效地抑制噪聲，提高電路分辨率。若在信號(hào)處理前級(jí)放置低噪聲、高性能運(yùn)放，就能在盡可能滿足增益的同時(shí)，又有效地抑制電路的噪聲，從而使整個(gè)電路噪聲大大減小，提高了信噪比與分辨率。由此可見(jiàn)低噪聲前級(jí)運(yùn)放的性能決定了整個(gè)信號(hào)處理電路的性能，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的提高，起到了至關(guān)重要作用。低噪聲放大電路模塊如圖3所示。

圖3　低噪聲放大電路模塊

在這里選用帶寬為100 M的低噪聲運(yùn)放AD8072。其中，電容CB3的作用是為了濾除前級(jí)J310輸出的直流分量，電容CB3選用0.01 μF濾去回波信號(hào)中混有的50 Hz工頻干擾。本系統(tǒng)采用單電源供電，由于輸入AD8072的信號(hào)含有負(fù)峰信號(hào)，為了防止輸入信號(hào)燒毀芯片，同時(shí)提高AD8072輸出的動(dòng)態(tài)范圍，必須在AD8072同向端加入2.5 V的偏置電壓。

2.3二階巴特沃斯帶通濾波電路模塊

由于超聲波在混凝土內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)遇到很多次折射、反射，產(chǎn)生各種頻率、各種幅值的噪聲，使超聲波回波信號(hào)湮沒(méi)到了噪聲中無(wú)法識(shí)別，為提高信號(hào)的信噪比和方便后續(xù)A/D對(duì)全波信號(hào)有效采集，帶通濾波器是必不可少的。相對(duì)于切比雪夫?yàn)V波器通帶內(nèi)增益不是單調(diào)變化，貝塞爾濾波器有一個(gè)恒定的群延遲而言，本文選用通帶范圍內(nèi)平坦度較大的巴特沃斯帶通濾波器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)二階巴特沃斯帶通濾波器，其中心頻率為200 kHz、帶寬為100 kHz。二階巴特沃斯帶通濾波電路如圖4所示。

圖4　二階巴特沃斯帶通濾波電路模塊

2.4全波放大電路模塊

經(jīng)過(guò)前幾級(jí)的放大后回波信號(hào)幅值仍然達(dá)不到要求，因此對(duì)全波信號(hào)再進(jìn)行放大是十分必要的。由于普通運(yùn)放的信號(hào)峰峰值只可達(dá)到其電源電壓的80%，即出現(xiàn)飽和失真，為了更好地解決問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用軌到軌輸出的、高速電壓反饋型、帶寬為80 M的運(yùn)放芯片AD8031作為全波信號(hào)的放大器，使回波信號(hào)幅值達(dá)到要求。全波放大電路模塊如圖5所示。

圖5　全波放大電路模塊

3數(shù)據(jù)采集部分

系統(tǒng)以FPGA為控制核心來(lái)完成四路回波信號(hào)的采集。其外圍器件有AD采集芯片TLC5510、電平轉(zhuǎn)換芯片74HC245、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片IDT7205及USB通信芯片CY7C68013A。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四通道采集卡可以實(shí)時(shí)觀測(cè)采集波形，并將采集數(shù)據(jù)讀取保存，以便后期的數(shù)據(jù)處理。

4實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)際合成孔徑并不是將四路回波信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加，而是要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的聚焦過(guò)程來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重建，圖6為本次實(shí)驗(yàn)波形合成孔徑的示意圖。

圖6　合成孔徑聚焦原理圖

由圖知各孔徑到目標(biāo)點(diǎn)P的距離rm是變化的，可表示為：

(1)

其中，R為固定值，rm隨著dm的不同呈曲線變化，所以P點(diǎn)在各個(gè)孔徑檢測(cè)信號(hào)中反射回波到達(dá)時(shí)刻tm不同，可表示為：

tm=2rm/v.

(2)

點(diǎn)P就可通過(guò)下式進(jìn)行聚焦：

(3)

式中：F(dm，tm)為第m個(gè)孔徑信號(hào)中點(diǎn)P的回波，s(xi，yj)為點(diǎn)P的重建信號(hào)，按照上述SAFT算法，混凝土結(jié)構(gòu)中其它點(diǎn)也可進(jìn)行聚焦[6]。按照以上理論我們對(duì)四路回波信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)時(shí)延，通過(guò)合成孔徑算法就能對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行重建。

圖7　四路混凝土有傷回波信號(hào)

圖8　合成孔徑聚焦后的有傷回波信號(hào)

上圖是直徑為10 cm的PVC管人工傷采集結(jié)果，圖7為去掉直流偏置的四路有傷回波信號(hào)，由以上分析理論可知，要得到混凝土內(nèi)某一點(diǎn)的聚焦成像，只需要將每個(gè)探頭接收的回波信號(hào)做時(shí)延處理并求和取平均即可，這樣既可以使超聲回波信號(hào)幅值加強(qiáng)，又可以使噪聲信號(hào)幅值減弱，達(dá)到了增強(qiáng)信號(hào)信噪比和橫向分辨率的目的。圖8是通過(guò)合成孔徑算法得到的回波信號(hào)。通過(guò)兩圖對(duì)比可以知道，由合成孔徑聚焦算法處理后的回波首波幅度為600 mV左右，而傳統(tǒng)方法采集的回波首波幅度為400 mV左右。表1為合成孔徑算法與傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果。

表1　合成孔徑算法與傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果

表1中ΔV=V2-V1，由表1中數(shù)據(jù)可知，合成孔徑算法的回波幅度V2大于傳統(tǒng)測(cè)量方法的回波幅度V1，并且在缺陷尺寸越大時(shí)，ΔV的值越大，合成孔徑算法優(yōu)勢(shì)越明顯。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的分辨率得到了較大的提高。

5結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：混凝土檢測(cè)系統(tǒng)分辨率得到了較大提高，缺陷部位聚焦效果明顯，基本可以滿足一般實(shí)用分辨要求。所以該系統(tǒng)結(jié)合合成孔徑算法，采取多組探頭對(duì)于混凝土檢測(cè)提供了一種很好的途徑，并且該系統(tǒng)具有快速、分辨率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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Design of Concrete Ultrasonic Nondestructive Testing System

Wu Gang, Yang Lu, Zhang Yanhua

(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:For the problems of low accuracy, high cost and poor signal processing with traditional concrete detection system, this paper presents a four incomes and one out ultrasonic signal processing system. The system chooses the ultrasound of 200 kHz, integrates four signals into one signal based on the imaging algorithm of synthetic aperture focusing, and analyzes the changes of the sound velocity and main frequency of echo to detect the concrete quality. It greatly increases the resolution of concrete defect echo. Experimental results show that the system has the features of stable performance, high precision, has broad application prospects.

Key words:concrete projects; non-destructive testing; one out and four received ultrasonic signal processing system; high-capacity data acquisition card; synthetic aperture focusing imaging algorithm

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0035- 03

作者簡(jiǎn)介：武剛(1987- )，男，碩士研究生，主要從事超聲檢測(cè)和信號(hào)處理方面的研究。

收稿日期：2015-11-19