（机械电子工程专业论文）基于labview的混凝土无损检测系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 混凝土作为结构工程中最重要的材料之一，其质量直接关系到结构物的安 全。然而在混凝土结构物的施工及使用过程中，由于施工质量控制不严、设计 缺陷、结构老化或自然灾害等原因，混凝土结构在使用过程中不可避免地存在 如裂缝、蜂窝、孔洞、磨损和侵蚀等损伤，危及整个结构的安全，这己成为世 界范围内关注的问题。 本文对混凝土无损检测的原理、方法进行了系统论述、分析和研究。在此 基础上将虚拟仪器技术、数字信号处理技术和混凝土无损检测技术结合起来， 对混凝土无损检测系统进行开发研究。通过实际测试应用表明系统运行稳定， 基本达到系统应用要求。 介绍了无损检测领域的相关背景知识，包括国外和国内混凝土无损检测领 域的现状和不足，对虚拟仪器在无损检测中的应用进行了研究，详细介绍了基 于图像化编程软件l a b v i e w ；着重介绍了混凝土无损检测的冲击回波法原理、 传感器安装、回波信号获取与处理、混凝土结构内部缺陷的识别等；编程实现 了回波信号的采集与混凝土结构厚度测试、混凝土内部结构的裂缝深度检测等， 对系统的测试方案作出了解释介绍。对系统相关的硬件进行了分析、设计和选 配，分析了传感器的相关知识。为测试系统获取信息做了基本工作，并确定了 传感器的安放位置。冲击回波信号的处理采用的是信号的f f t 分析，并且提取 频谱达到缺陷的识别。设计了数据采集模块、数据管理模块、混凝土厚度测试 模块和混凝土裂缝深度测试模块和文件管理模块。 关键词：无损检测，冲击回波，l a b v i e w ，虚拟仪器 a b s t r a c t c o n e r e t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a lo ft h es t r u c t u r a le n g i n e e r i n g ，t h e s a f e t vo fs t r u c t u r ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo f t h ec o n c r e t e h o w e v e r , i nt h e p r o t e s so f t h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n c r e t es t r u c t u r e ，d u et ot h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y c o n t r o li sl a x ，d e s i g nd e f e c t s ，s t m c n l r a la g e i n go rn a t u r a ld i s a s t e r s ，c o n c r e t es t r u c t u r e i nt h eu s ep r o c e s si n e v i t a b l ye x i s ts u c ha sc r a c k s ，h o l e s ，h o n e y c o m b ，a b r a s i o na n d e r o s i o nd a m a g e ，e n d a n g e rt h es a f e t yo ft h ew h o l es 讯l c t u r e ，i th a s b e c o m ea w o r l d w i d ep r o b l e mw h i c hi sp a i da t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fc o n c r e t en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s a r e s v s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d ，a n a l y s i s e da n dr e s e a r c h e d b a s e d o nt h i s ，t h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dc o n c r e t e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g ya l ec o m b i n e dt o g e t h e r , t h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n g s v s t e mo nc o n c r e t ei sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d f i e l da p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h e s y s t e mi ss t a b l e ，a c c u r a t ea n df u l l ym e e t t h es t a n d a r dt e s ta p p l i c a t i o n s t h en d tf i e l db a c k g r o u n dk n o w l e d g ei si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ep r e s e n tf i e l d s i t u a t i o no ft h ec o n c r e t en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi nf o r e i g na n dd o m e s t i c ，a n dt h e i n s u f f i c i e n c y , t h ev i r t u a li n s t r u m e n ta p p l i c a t i o ni n n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o na n d i m a g ep r o g r a m m i n gs o f t w a r el a b v i e wi s i n t r o d u c e di nd e t a i l ；f o c u s e so nt h e n o i l d e s t r u c t i v et e s t i n go fc o n c r e t ei m p a c te c h om e t h o dp r i n c i p l e ，t h ei n s t a l l a t i o no f s e n s o r s ，s i g n a la c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g ，d e f e c tr e c o g n i t i o ni nt h e c o n c r e t e s t r u c t u r e ；p r o g r a m m e dt h ee c h os i g n a la c q u i s i t i o na n dc o n c r e t es t i u c t u r et h i c k n e s s m e a s u r e m e n t t h ec o n c r e t es t r u c t u r eq u a l i t yi d e n t i f i c a t i o n ，a n dt h es y s t e mt e s tp l a ni s g i v e n d e s i g n e da n ds e l e c t e d t h eh a r d w a r ew h i c hr e l a t e st ot h es y s t e m ，a n d a n a l y s i s e dt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e l so f t h es e n s o r t e s t i n gs y s t e mi sr e a d yt o o b t a i ni n f o r m a t i o no nt h eb a s i so fw o r k ，a n di d e n t i f i e dt h ep o s i t i o no ft h e s e n s o r u s i n gt h es i g n a lf f ta n a l y s i sf o rt h ei m p a c te c h os i g n a lp r o c e s s i n g ，s p e c t n u n i s e x t r a c t e df o rt h ed e f e c tr e c o g n i t i o n t h em o d u l ei sd e s i g n e df o rt h ed a t ac o l l e c t i o n ， t h ed a t am a n a g e m e n t ，t h et h i c k n e s so fc o n c r e t et e s ta n dt h ec o n c r e t es t r u c t u r eq u a l i t y j u d g m e n ta n da f i l em a n a g e m e n t k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ，i m p a c t - e c h os i g n a l ，l a b v i e w ，v i r t u a l i n s t r u m e n t i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 混凝土无损检测的意义与现状 1 1 1 混凝土缺陷的形成及其无损检测的意义 混凝土是多相复合体系，在混凝土中存在着许多各相之间的界面。如果把 混凝土内部构造分成微观、细观、宏观三个层次，则混凝土中存在着微观缺陷、 细观缺陷和宏观缺陷。一般认为，微观和细观缺陷是材料在形成过程中必然产 生的，是混凝土的固有缺陷。例如，各复合相界面，毛细孔、原生的胶孔及早 期非受力变形所造成的微裂缝等，都属于这类缺附l2 1 。这些缺陷对混凝土总体 性质将造成影响，是混凝土总体力学行为的根源。而宏观缺陷则是由于成型过 程振捣不实，或因为腐蚀性破坏及受力所造成的大缺陷。这类缺陷包括蜂窝、 裂缝、孔洞、腐蚀破坏层、不密实区等，当结构或构件受力时，这些缺陷将导 致应力集中而首先破坏。 混凝土是当今世界上用量最大、用途最广的建筑材料。由于具有经济适用、 易于成型等优点，混凝土结构被广泛应用于交通、水利、工业民用建筑等大型 国民经济基础性设施和国防工程中，成为一种不可替代的建筑材料。随着混凝 土结构的广泛使用，其性能评估和质量检测是目前土木工程界迫切需要解决的 问题p 4 j 。由于结构混凝土无损检测技术能反映结构物中混凝土的强度、均匀性、 连续性等各项质量指标，对保证新建工程质量。以及对己建工程的安全性评价 等方面具有无可替代的重要作用，因而越来越受到人们的重视。已有的研究进 展表明无损检测方法是能简便而又快捷地估计混凝土的结构性质及力学性能， 同时实现其内部缺陷的定位与测量，为混凝土维修工程提供快速、准确的依据， 进而为混凝土结构的安全性提供超前预警。 要合理评价混凝土结构的健康状况，首先必须正确认识混凝土在不同环境 下的结构特性及对结构中既有损伤的定位与识别。无损检测技术正是顺应这一 要求而发展起来的。特别是近年来，随着世界范围内道桥结构损伤、老化及病 害事故的增多，使无损检测技术的研究显得更加迫切。较为准确而定量的混凝 上结构状况数据，必将导致较好的决策和资源的更合理配置。 1 1 2 国内外研究现状 如何探测混凝土结构内部和表面的缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、 形状、位置、尺寸、分布及其变化等如何赋予正确的判断和评价，是多年以来 各国的学者们共同探索、研究的问题，所以在这一领域开展了大量的研究工作， 寄希望能够找到一种能在建筑物原位直接测量混凝土各项性能指标的方法。而 重庆大学硕士学位论文1 绪论 无损检测的方法就是在不损伤混凝土结构的前提下，利用结构内部异常或缺陷 存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，对结构进行“无损”的检测。 无损检测一般有三种含义，即无损检测n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) ，无损 检查 n d i ( n o n d e s t r u e t i v ei n s p e c t i o n ) 和无损评价n d e ( n o n d e s t r u e t i v e e v a l u a t i o n ) 。目前所说的无损检测大多是指n d t ，但是，近年己逐步从n d t 和 n d i 向n d e 过渡，即用n d e 来代替n d t 和n d i ，另一方面n d e 还具有更广 泛的内容，它要求无损检测工作者有更扎实的基础和更强的综合分析能力。一 般地说，n d t 仅仅是检测出缺陷；n d i 则以n d t 的结果为判定基础，对检测 对象的使用可能性进行判定，含有检查的意思，而n d e 则是指掌握对象的负载 条件、环境条件( 如断裂力学中预测材料的安全性及寿命等) 下，对构件的完整性、 可靠性及使用性能等进行综合评价【5 6 7 】。 早在2 0 世纪3 0 年代初，人们就己经开始探索和研究混凝土的无损检测方 法【8 9 1 川，该方法取得了迅速的发展。1 9 3 0 年表面压痕法首先出现。1 9 3 5 年格 里姆( gc , r i m e t ) 、艾德( j m i d e ) 把共振法用于混凝土弹性模量的测量。1 9 4 8 年 施米特( e s c h m i d ) 成功研制了回弹仪。1 9 4 9 年加拿大的莱斯禾l j ( l e s l i e ) 和奇斯曼 ( c h e e s m a n ) 、英国的琼斯( r j o n e s ) 等运用超声脉冲对混凝土进行检测并且获得 成功。接着，琼斯又使用放射性同位素进行混凝土强度和密实度检测，这些研 究都为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后，许多国家也相继开展了这方面 的研究。如前苏联、日本、罗马尼亚等国家在5 0 年代都曾取得许多成果。6 0 年代，罗马尼亚的弗格瓦洛( i f a c a o a r u ) 提出用声速一回弹法综合估算混凝土强度 的方法，为混凝土无损检测技术开辟了多因素综合分析的新途径。6 0 年代混凝 土检测体系引入了声发射技术，格林( a t g r e e n ) 、吕施( h r u s c h ) 等人先后研究 了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。8 0 年代中期，美国的m a r ys a n s a l o n e t 和n i c h o l a sj c a r i n o 实现了在水泥混凝土等 集结型非金属、复合材料中采用机械波反射法进行无损检测的目标。此外，无 损检测的另一分支拔出法、钻芯法、射钉法等半破损法也得到了发展，从而形 成了一个较为完整的混凝土无损检测的方法体系。 随着混凝土无损检测方法日趋成熟，许多国家开始了这类检测方法的标准 化工作，其中以a s t m 所颁布的有关标准最多，这些标准有硬化混凝土射入 阻力试验方法( c 8 0 3 8 2 ) ，混凝土超声脉冲速度试验方法( c 5 7 9 8 3 ) ，结 构混凝土抽样与检测方法( c 8 2 3 8 3 ) ，硬化混凝土回弹试验方法( c 8 0 5 8 5 ) 等。此外还有俄罗斯的混凝土超声测强度( g o s t l 7 6 2 4 ) ，硬化混凝土超 声脉冲速度的测定( d i n i s o8 0 4 7 ) ，英国的测试混凝土中超声速度( b s 1 8 8 1 ：p a r t 2 0 3 ) 等。与此同时国际标准化组织( i s o ) 及材料与结构试验研究国际联 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 合组织( r i l e m ) 也先后提出了若干相关的国际标准。这些工作都对结构混凝上 无损检测技术的工程应用起到了良好的促进作用。 我国的无损检测及其标准虽然起步较晚，但也正在努力向国际标准( i s o ) 和 工业先进国( 如d i n ，j i s 等) 标准靠近。但由于我国目前制造业的技术水平和管 理观念的落后及使用单位的管理与安全观念的迟钝，制约着我国无损检测的发 展。我国在这一领域的研究工作始于2 0 世纪5 0 年代中期，开始引进瑞士、波 兰、英国等国的超声仪和回弹仪，并结合工程应用开展了许多的研究工作。6 0 年代初即开始批量生产回弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪；在检测 方法方面也取得了许多进展。7 0 年代以后，我国曾多次组织力量合作攻关，8 0 年代着手制订了一系列技术规程，并引进了许多新的检测技术，大大推进了结 构混凝土无损检测技术的研究和应用。随着电子技术的发展，仪器的研制工作 也取得了新的成就，并逐步形成了自己的生产体系。9 0 年代以来，无损检测技 术继续向更深的层次发展，许多新技术得到应用，检测人员队伍不断壮大，素 质迅速提高。纵观整个发展历程，我国无损检测技术的发展也是非常迅速的。 一般来说，混凝土结构的无损检测包括强度检测和完整性两部分。近年来， 混凝土结构的完整性检测的内容主要包括：内部缺陷，如裂缝、离析、空洞、 预应力钢束的位置、沉渣和钢筋的分布、锈蚀程度以及保护层厚度等。混凝土 结构强度的无损检测方面，还是以传统测试混凝土强度的回弹法、超声法【1 1 1 2 】 为主。 1 2 虚拟仪器技术在无损检测中的应用 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切 结合是目前仪器发展的一个重要方向。1 9 8 6 年由美国国家仪器公司( n i 公司) 首先提出虚拟仪器的概念，其实质是一个按照仪器需求组织的数据采集系统， 使用先进的计算机技术与高性能的硬件产品，再结合灵活的功能软件，能够让 使用者建立以计算机为主的异于传统仪器的解决方案【l3 1 4 j 。由于v i 技术的高 速发展，推动着传统仪器也在向智能化方向发展。目前v i 技术与计算机辅助测 试相结合的研究已经成为测试科学的前沿课题。 虚拟仪器由最初的模拟类仪器逐渐发展成为数字化仪器，再发展为智能仪 器，最后再到虚拟仪器，虚拟仪器这一设计理念结合了目前最先进的计算机技 术与测试技术，也代表了未来智能化仪器设计的发展方向。 采用虚拟无损检测仪器设计具有以下优点： 尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，区分度高。 可充分发挥计算机的运算能力与处理数据能力，有强大的数据处理功 能，可创造出功能强大的仪器。 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 可由用户根据自己的需要定义和制造各种仪器，并能方便地集成为模块 化仪器。 由于是以计算机的开放式标准体系结构为基础。硬、软件都具有可重复 应用等特点。能够提高开发效率。 利用虚拟仪器可以对有缺陷的混凝土结构进行深入的研究，找出缺陷对混 凝土的影响，尤其是针对一些特定的缺陷如复合相界面，原生的胶孔、毛细孔 及早期非受力变形所造成的微裂缝等和人为缺陷进行一些深入研究。在工业化 快速发展的今天，利用虚拟仪器技术达到检测混凝土结构的缺陷无损检测目的， 将是未来发展的必然趋势。针对我国经济处于发展阶段的国情，有必要选择经 济、简便、快速的方法来建立混凝土自动在线实时无损检测系统，而冲击回波 法与虚拟仪器的有效结合恰恰具有以上优点。 随着电子技术、计算机技术及无损检测技术等科学技术的发展，混凝土结 构无损检测技术的研究也将会更加深入，并不断向智能化、小型化、自动化、 联机化方向发展。我国的无损检测技术仍然落后于其他国家，因此希望科研人 员在这方面多作努力，使我国能够尽快赶上其他发达国家，从而使混凝土无损 检测工业更加繁荣，更加有活力。 1 3 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金( 项目号：5 1 1 0 5 3 9 6 ) 和中国博士后科学 基金( 项目号：2 0 1 1 m 5 0 1 3 8 7 ) 。 1 4 论文的主要研究内容和所完成的工作 本文采用了基于u s b 数据采集卡的虚拟仪器测试系统方案。本文的主要目 的是在学习深入了混凝土无损检测原理、数字信号处理、传感器、计算机等相 关学科的基础上，对以下几方面展开研究：冲击回波法机理、回波信号提取、 混凝土无损检测方案设计和混凝土无损检测测试软硬件设计，在此基础上最终 确定混凝土无损测试系统的总体方案。 本文的主要工作： 研究国内外混凝土无损检测的发展动态，借鉴国内外经验。制定混凝土 无损检测测试方案。 研究混凝土无损检测方法的相关理论，主要包括混凝土无损检测涉及的 一些基本问题。本文采用冲击回波法对混凝土进行无损检测，作出了混凝土结 构厚度、频谱分析、混凝土裂缝深度确定等较为深入的探讨。 研究采用p c 计算机与u s b 数据采集卡的虚拟仪器测试系统的结构，并 由此开发、配置相应的硬件。采用压电加速度传感器获取冲击回波信号。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 测试系统的软件设计工作。采用图形化编程语言g 语言l a b v i e w 来进 行软件设计工作，设计了数据采集、数据管理、混凝土厚度测试、裂缝深度测 试和文件管理模块。完成了冲击回波信号数据的采集、分析和处理。 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器及其软件开发平台l a b v i e w 2 虚拟仪器及其软件开发平台l a b v i e w 2 1 引言 虚拟仪器的出现代表着异于传统硬件化仪器的一类全新仪器模式的出现， 使得测试仪器的概念、结构以及设计观点都发生了变化，其结合了多种先进技 术的特点，引领了测试仪器发展的新方向。 2 2 虚拟仪器介绍 2 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面 板。所谓虚拟仪器，就是基于计算机的平台上，实现何种功能以及定义均由用 户来设计，具有虚拟面板，不像传统仪器的面板是摸得着的，测试功能由用户 设计的软件来实现的一种虚幻的仪器系统。运用计算机高速处理功能去分析和 处理数据，由计算机的输入输出接口设备实现信号的采集和调理，能够完成由 用户预计测试功能的基于计算机和信号处理科学的测试仪器系统。 计算机总线技术以及软件技术等技术的发展，使得微机的计算机仪器上的 作用远远超过计算机仪器发展初期的范围。特别是近年来出现的数字信号处理 器，具有强大的计算与控制能力，使得其取代了许多硬件完成不了的功能，标 志着“软件即仪器”u5 j 时代的到来。 2 2 2 虚拟仪器的组成、种类和特点 虚拟仪器的组成 虚拟仪器系统的基本组成i l5 j 如图2 1 所示。 1 ) 计算机及其附件：虚拟仪器系统的基础是计算机，其强大的运算功能决 定了计算机在虚拟仪器系统的核心地位。 2 ) 功能软件：功能软件作用是采集、处理数据，以实现用户预计的功能。 3 ) 数据采集硬件：是虚拟仪器的外围部分，是软件部分得以采集数据的支 撑。其高性能的a d 转换与d a 转换功能是数据采集硬件的核心。 4 ) 传感器：是虚拟仪器与外部接触的基本设备。有了传感器，虚拟仪器才 能够获取外部信号，并且能够经数据采集部分送到计算机去处理。 6 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器及其软件开发平台l a b v i e w v i 系统 传 感 器 及 刖 置 装 置 数 据 采 集 硬 件 计 算 机 及 其 附 件 功 能 软 件 图2 1 虚拟仪器系统的基本组成 f i g 2 1t h eb a s i cc o m p o n e n t so fv is y s t e m 虚拟仪器的种类 虚拟仪器按照采用总线方式 1 5 】的不同，虚拟仪器可分为以信号调理电路和 计算机数据采集卡测试系统，以g p i b 、s e r i a l 、v x i 和f i e l d b u s 等标准总线仪 器为硬件组成的v x i 系统、g p i b 系统、现场总线系统和串口系统等多种形式【1 5 】。 1 ) p c 总线插卡型虚拟仪器 p c d a q ( p e r s o n a lc o m p u t e r - d a t aa c q u i s i t i o n ，p c 数据采集) 这种方式 借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件( 如l a b v i e w ) 相结合， 它充分利用计算机的总线、电源、机箱及软件的便利。利用各种控件或采用各 种编程语言组建各种仪器，组成测试系统。特别适合于教学部门和各种实验室 使用。 2 ) 采用并行1 2 ( p a r a l l e lp o r t ) 式虚拟仪器 并行1 ：3 ( p a r a l l e lp o r t ) 式虚拟仪器是最新发展的测试装置，是专为计算机并行 口准备的测试装置，整个测试装置的硬件集成在一个探头或一个采集盒上。一 般的虚拟仪器的功能基本可实现。 3 ) 采用串行口式虚拟仪器 与并行1 2 式虚拟仪器相似，串行1 2 ( s e r i a lp o r t ) 式虚拟仪器测试装置的硬件 也是集中在一起，但是串行i s l ( s e r i a lp o r t ) 式虚拟仪器是与计算机串行接1 2 相关 的测试装置，由于受串口的传输速率的限制，所以只能够应用于特定的场合 4 ) 采样g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 技术可以说是虚拟仪器 技术发展的最初阶段。像桥梁一样把计算机和可编程仪器紧密联系起来，白 g p i b 总线方式的虚拟仪器后，电子测量由独立手工操作的单台仪器走向了组成 大规模测试系统。 5 ) 采样v x i 总线方式的虚拟仪器 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器及其软件开发平台1 a b v i e w 6 ) 采样p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i 具有高度可扩展性。p x i 、v x i 、g p i b 总线方式，适用于大型高精度 集成系统，而p c 插卡式、串口方式、并行口式，适合普及型的廉价系统，有着 其广阔的发展应用前景【1 6 】。 虚拟仪器的特点 虚拟仪器系统是以个人计算机为基础的，硬件部分具有通用性，软件是系 统的关键核心，虚拟仪器与传统仪器相比较得出下面几点优势【1 6 】： 1 ) 功能强大。 2 ) 界面优美，信息量大。 3 ) 具有强大的数据处理以及存储能力。 4 ) 价格低廉，性价比高。 5 ) 可方便地与网络外设或其他设备相连接。 6 ) 开发周期短。 由以上分析，在与传统测量仪器相比较中，虚拟仪器在仪器的扩展性、性 价比、外部的信息交换性、更新等方面都具有较为明显的优势。决定虚拟仪器 具有传统仪器不可能具备的特点，其根本原因在于“虚拟仪器的核心是软件” 1 5 1 。 2 3 虚拟仪器软件的组成 依据v p p 规范，虚拟仪器系统的软件结构包括以下三部分【1 7 】，如图2 2 所 示。 i o 接口软件：存在于硬件和驱动程序之间，是软件层中最底端的，最 接近硬件，从而能够为硬件和驱动程序提供信息传递，是虚拟仪器系统实现统 一的开放的的基础。 驱动程序层：驱动程序是存在于应用软件和操作系统之间的桥梁，起着 联系二者纽带的作用。仪器的操作最初要调用驱动程序驱动才能够实现。 应用程序开发环境：应用程序开发环境是编写应用开发程序的编程环 境，完全脱离了仪器的硬件系统。 8 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器及其软件开发平台l a b v l e w 虚拟仪器软件结构 古 驱应 接 动用 口 程程 软 序序 开 件 发 环 境 图2 2 虚拟仪器软件组成 f i g 2 2s o f t w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 2 4 虚拟仪器的编程软件 编程软件作为虚拟仪器的重中之重，其重要性不言而喻。虚拟仪器必须要 靠强大的编程软件来支持才能够达到测试要求。目前有许多种可用于虚拟仪器 编程的编程软件，编程软件若按编程方式来划分，可分为文本式和图形化两种 【l 引。一种是以传统的文本式语言的开放平台为基础，包括微软的v i s u a lc + + ， b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 、n i 公司的l a b w i n d o w s 、d e l p h i 等；一种是基于图 形化编程语言的平台，包括h p 公司的v e e ，n i 公司的l a b v i e w 等。 过去v b ，v c + + 等工具是作为测量系统软件的主流工具，它们能够通用并 且具有灵活性，可以从系统底层编起，然而，开发周期长是其最主要的短处， 而且对于开发人员的整体素质包括编程能力以及对仪器硬件的熟练程度要求较 古 i - a j0 迄今为止，图形化编程软件已经成为现在虚拟仪器软件的主流。n i 公司是 最早应用图形化编程技术开发虚拟仪器的公司，其1 9 8 6 年推出的l a b v i e w 软 件包标志着图形化编程软件的诞生。由n i 公司2 0 0 1 年度的市场调查，在虚拟 仪器的编程领域，l a b v i e w 的使用人数超过了包括v c 在内的其它编程语言， 排在第一位，并且还在呈不断上升的趋势。 2 5l a b v i e w 开发平台 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟 仪器工程平台) 是美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司开发的一种基于g 语言( 图形化编程语言) ( g r a p h i c a l p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) 的可视化开发平台 1 9 1 ，其作为数据采集与仪器控制的标准软件的地位已经得到公认。 9 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器及其软件开发平台l a b v l e w 2 5 1g 语言编程 在虚拟仪器软件编程过程中，很多原理用语言表达描述较为困难，用图例 能够更为生动形象地解释帮助理解。g 语言编程正是采用的是图形化编程原理， 使得开发的门槛降低，一些专业性不强的人也能够通过g 语言进行一定逻辑层 的开发。不像v b 、v c 等编程软件需要较为深厚的编程功底。周期短也是g 语 言编程的一大优势。 2 5 2l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 编程的原理与传统的c 、b a s i c 等常规语言大相径庭，其编程方 式与传统语言比有着较多优势。除此之外，g 语言作为一门编程语言，必然具 有编程语言的共性【1 9 】。 图形化的仪器编程环境。在l a b v i e w 中，界面的许多显示控制对象如 开关、旋钮等都不像在传统语言中那样，这些在l a b v i e w 中都在面板中提供了 出来，并且与实际传统仪器类似。用户还可自定义已有的控制对象，能够方便 地将已有的改成自己需要的形式。并且操作面板优美且信息量大。 并行机制。l a b v i e w 并不是像c 等传统语言一样是顺序结构运行的， 而是一种多任务并行机制，一种带有图形控制流结构的数据流模式。 内置的程序编译器。l a b v i e w 并不是像其他图形编程平台那样按解释 方式工作，而是采用编译方式运行3 2 位应用程序，速度要比其他图形编程平台 快上很多。 灵活的程序调试手段。若在程序中出现错误，用户可以在源代码中随时 设置断点，也能在代码的数据流上设置探针以便单步执行代码，数据流的走向 能够在程序运行中得以体现。 功能强大的函数库。l a b v i e w 提供了大量现成函数供用户直接调用， 用户只需从库中将函数拖出即可使用，函数覆盖面很广，从基本功能函数到高 级分析库，仪器设计中所需要的函数基本都能够提供。 l a b v i e w 还能够支持多种系统平台，包括w i n d o w sn t 9 x 3 x ， s u n s p a r c ，m a c i n t o s h ，h p 等，其对应版本的软件l a b v i e w 都能提供。 除此之外，l a b v i e w 还提供了开放式的开发平台以及网络功能，能够支持 多种协议进行通信，提高了编程效率。适用于仪器控制、信号传输、信号分析 等实验场合2 0 ，2 1 1 。 2 6 本章小结 在本章中，对虚拟仪器的概念、种类、组成等进行了详细介绍，介绍了虚 拟仪器的特点，虚拟仪器相对于传统仪器具有很强的优势，界面优美，信息量 l o 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器及其软件开发平台l a b v l e w 大。具有强大的数据处理以及存储能力。价格低廉，性价比高。可方便地与网 络外设或其他设备相连接。市场容量大，开发周期短，具有广阔的发展前景。 介绍了图形化编程语言g 语言的特点，并与传统语言进行了比较，得出了g 语 言的很多优势。对本文用到的g 语言编程软件l a b v i e w 进行了详细阐述。本 课题就是利用先进的图形化编程语言l a b v i e w 编制了系统的各个模块，初步规 划了虚拟混凝土无损检测系统的结构。 重庆大学硕士学位论文3 混凝土无损检测原理及信号分析基本理论 3 混凝土无损检测原理及信号分析基本理论 3 1 引言 冲击回波法是利用小钢球冲击混凝土表面作为振源，通过被测混凝土介质 进行传播。所产生的波有三类：与传播方向平行的纵波，即p 波；与传播方向垂 直的横波，即s 波；沿固体表面传播的r a y l e i g h 波，即r 波。这些波遇到波阻 抗有差异的界面就发生反射、折射和绕射等现象。由传感器接收这些波后，通 过频谱分析，将时间域内的信号转化到频率域，找出被接收信号同混凝土质量 之间的关系，从而到达到无损检测的目的。 3 2 混凝土无损检测技术简介 混凝土的检测方法【2 2 2 3 4 1 就检测目的而论，可分为四类：第一类，以检测 强度为目的，有回弹法，超声法，综合法，振动法，射线法等；第二类，以检 测混凝土内部缺陷为目的，有超声脉冲法，射线法，声发射法，雷达法及电磁 法等；第三类，以检测结构混凝土受力历史和受力损伤程度为目的，有超声法， 声发射法，钻芯法等；第四类，以检测结构混凝土其他性能为目的，如检测混 凝土的弹性模量，粘塑性指标，密实度，抗冻性等等，方法有振动法，超声法， 射线法和钻芯法等。以下就几种主要混凝土无损技术进行介绍。 3 2 1 混凝土强度的无损检测 回弹法 混凝土的强度可以用回弹法来检测，即用一弹簧驱动的重锤通过弹击杆( 传 力杆) 弹击混凝土表面，并测出重锤被反弹回来的距离，以回弹值( 反弹距离 与弹簧初始长度之比) 作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度的一种方法。 由于测量在混凝土表面进行，所以应属于表面硬度法的一种。 超声脉冲法 结构混凝土强度的超声检测是以强度与超声波在混凝土中传播参数( 声速、 衰减系数等) 之间的相关关系为基础的，理论证明混凝土的强度与应力应变参 数有明确的关系。因此，超声传播特性应是描述混凝土强度的理想参数，但是， 由于混凝土强度是一项十分复杂的指标，它受许多因素的影响，要想建立强度 和超声传播特性之间的简单关系是困难的。因此，超声测强只能建立在实验归 纳的基础上，一般是通过实验建立强度与声速的关系曲线或经验公式，作为超 声法测强的基本换算依据。所以，超声脉冲测强的关键，就在于建立强度r 与 声速c 的关系，精确测量被测混凝土的声速，以及搞清多种影响r - c 关系的因 1 2 重庆大学硕士学位论文3 混凝土无损检测原理及信号分析基本理论 素，例如混凝土原材料性质及其配合比的影响，混凝土龄期的影响，还有环境 条件所引起的混凝土温度、湿度的影响等等。目前用声速法来推定混凝土强度 主要有两个方法，即校准曲线法和修正系数法。 3 2 2 混凝土厚度的无损检测 窄脉冲探头直读法 对于厚度2 0 c m 的混凝土，采用厚度振动模式的宽带窄脉冲超声换能器，可 有效地检测出混凝土界面处的反射回波信号。通过过测量混凝土声速以及发射 回波到达声时计算出被测混凝土的厚度。 脉冲相关法测量地面反射波 由于混凝土不像金属那样内部均匀，因此其反射波与金属等相比较来说复 杂，需要用信号处理方法。可以选择较为理想的底面反射波并且作为原始母波 序列，然后与其他接收到回波( 子波) 进行互相关，这是因为底面反射波若从 厚度相差不大的试块上接收到，则具有良好的相关性。所以可以得出较强的底 面反射波的位置，并且能够同时测出底面反射波的传播声时。 3 2 3 混凝土内部缺陷的无损检测 裂缝的超声检测 平测法或斜侧法适用于结构混凝土中开裂深度小于5 0 0 m m 的裂缝并且只 有一个可测表面。采用不跨缝和跨缝测量声时变化。但是探头的实际传播距离 需用平测“时距”曲线来定。平测法的裂缝深度可按下式计算： 7 d c f = t _ 。l r ； ( 3 1 ) 以不同测距取得吐。的平均值作为该裂缝的深度值。式中以。代表裂缝深度 ( m m ) ；t ，f ? 分别代表测距为，时不跨缝，跨缝平测的声时值，( p s ) ；z 。代表 不跨缝平测时第i 次的超声传播距离( m m ) 。 不密实区和空洞检测 布置换能器对测试面进行测试，测量每一个测点的声时、波幅、频率等参 数，再通过数理统计方法进行数据处理及判定，能够计算出测区混凝土声时( 或 声速) 、波幅、频率测量值的平均值和标准差。 混凝土结合面质量检测 混凝土结合面，是指前后两次浇筑间隔时间大于3 天的混凝土之间所形成 的接触面，如施工缝、修补加固等。 可采用斜测法来检测混凝土结合面的质量，按布置好的测点分别测出各点 的声时、波幅和频率值。数据处理及判定与上文描述的方法相同。再进行统计 重庆大学硕士学位论文3 混凝土无损检测原理及信号分析基本理论 与异常值判断。若某些通过结合面的数据被判断为异常情况并且没有其他相关 的因素影响时，则可判定为该部位的混凝土结合面结合不良。 3 3 冲击回波法原理 冲击回波方法【2 5 1 作为一种有着非常成熟使用经验的方法，在混凝土结构厚 度、缺陷等方面得到了广泛的应用，已经被证明是一种无损检测的强大工具， 是一种非常重要的混凝土无损检测方法。 本文选用冲击回波法对混凝土进行无损检测，冲击回波方法相对于超声波 方法的优点在于： 冲击回波方法与超声波方法相比只需一个测试面，这在程序上比超声波 方法简便了很多。 冲击回波方法使用的声波频率比超声波更低，这使得在超声波测试中遇 到的高信号衰减( h i 曲s i g n a la t t e n u a t i o n ) 和过多杂波干扰问题不会在冲击回波 方法中出现。 超声波方法需要使用专用的超声波传感器，冲击回波法在成本上要低于 超声波方法。 冲击回波方法与超声波方法相比测得深度比超声波要深，在某些深度较 深的情况下只能够运用冲击回波法。 由以上可以看出，i e 冲击回波方法与超声波方法相比具有很多优点，成为 一种非常重要的检测混凝土结构的无损方法。 3 3 1 应力波的激发 应力波可以由任何机械碰撞力如小钢球、铁锤等来激发2 6 1 。在冲击回波测 试中，产生的应力波与三个重要参数：冲击接触时间如、钢球直径d 和钢球冲 击动能有关。冲击力是时间的函数【2 7 1 ，其大致波形类似于正弦信号的四分之一 个周期。 f o ) = as i n ( t 二) f = 0 0 ( 3 2 ) r c 在冲击过程中，我们研究的应力波来自于在混凝土内部传播的弹性波能， 这部分是由球的一部分动能所转化的，所产生的应力波质点位移和冲击力成正 比。也就是冲击力越大，应力波的幅值也就越大。冲击接触时间t c 是关于球直 径的线性函数，与动能基本没关系。设小钢球自由下落的高度为h ，则冲击接触 时间屯可近似表示为： ( 3 3 ) 。2 百广一 u j j 1 4 重庆大学硕士学位论文3 混凝土无损检测原理及信号分析基本理论 一般情况下h 范围为o 2 0 4 m ，因此h o 1 计算得0 8 5 1 1 5 。这样公式3 3 分 母约为1 ，说明f c 与h 的关系不大，可以将分母省略。从而可得出冲击接触时间 t c 同钢球直径之间简单的线性关系： t 。= o 0 0 4 3 d( 3 4 ) 由冲击产生的应力波含有丰富的频率成分，而这些频率成分取决于图3 1 。 经验表明对于冲击回波测试，频率在1 2 5 t c 以内应力波的振幅己经足够了。 定义有用能量的最大频率乞= 1 2 5 t 。，将公式( 2 2 ) 代入得到矗觚同钢球直 径之间的关系： 2 9 1 m 双2 百 ( 3 5 ) 3 3 2 应力波的传播 用震源敲击混凝土表面，激发一低频应力波，其中含有表面波、横波( s 波) 和纵波( p 波) ，这些波在混凝土表面和内部缺陷或反射边界之间多次反射形成共 振。在p 波的波前面上质点沿同波的传播方向平行的振动方向运动，因此产生 压缩或拉伸应力。在s 波的波前面上质点沿垂直于波的传播方向的来运动，从 而产生剪切应力。r 波沿固体的表面传播，其振动特征表现为一个椭圆。由冲 击产生的应力波中，p 波和s 波均进入内部按照球面波来传播，而r 波不能够 进入内部，只能在固体表面放射状地向外传播。 冲击回波法主要研究的是应力波中的纵波，利用冲击回波法