超声波系统.doc

(1)3.1.2 超声反射法试验仪器超声反射法检测界面粘结质量的试验中，使用了两台超声探伤仪，其中一台是汕头超声仪器研究所生产的 CTS-23A 超声探伤仪，另一台是美国泛美公司生产的 EPOCH 4PLUS 数字式超声波探伤仪。汕头超声仪器研究所生产的 CTS-23A 超声探伤仪（如图 3.1 所示）。该探伤仪具有频带可变的宽频带放大器，宽扫描范围的时基电路；设置了细调及微调的高精度衰减器，采用高亮度内置刻度矩形示波器；具有探伤灵敏度高分辨能力强性能稳定等特点；适用于对焊缝、锻件等金属材料和部分非金属材料进行超声无损检测。其主要技术性能如下：1. 工作频率范围 0.520MHZ；2. 衰减器总衰减量为 90dB（20dB2，2dB20，0.5 dB20）；3. 探测范围 55000mm（钢纵波），粗调开关分为 5 mm、10 mm、50 mm、250 mm 和 1m（钢纵波）五档，微调由多圈电位器控制。美国泛美公司（Panametrics-NDT）生产的 EPOCH 4PLUS 数字式超声波探伤仪（如图 3.2 所示）。该仪器具有全面的综合的强大的检测功能；具有使用方便的内部数据记录仪；该仪器还配备了范围很广的软件系统，以方便测试数据的分析处理。其主要技术性能如下：1. 工作频率范围 0.325MHZ2. 衰减器总衰减量为 100dB，具有自动把第一个波设置为 80%的功能；3. 仪器最多可存储 2000 个波形，40000 个厚度读数；4. 可以选择使用方波或者尖波以提高检测灵敏度。在超声纵波反射法检测粘结界面质量的试验中。采用了图 3.3 所示的汕头超声仪器研究所生产的CTS-23A超声探伤仪，探头采用该所生产的 0.5MHZ，1.0MHZ，2.5MHZ，5.0MHZ，10MHZ的SHN-Z系列窄脉冲纵波探头。采用的耦合剂为凡士林。在超声横波反射法检测粘结界面质量的试验中采用美国泛美公司（Panametrics-NDT）生产的EPOCH 4PLUS数字式超声波探伤仪探头采用 1.0 MHZ横波直探头。采用横波检测专用的耦合剂SWC，该耦合剂主要成分为蜂蜜、红糖等，具有很大的粘度和稠度，适用于横波检测。横波探头和耦合剂如图 3.4 所示。(2)目前市场上混凝土检测设备的实现方式主要有两大类:第一类是采用通用型计算机系统为主控单元，具有通用计算机的程控、存储和高速运算等功能，可以解决现场测试自动化，大容量存储以及后期分析处理的全部工作，且全部计算机资源交给用户管理，利于系统的二次开发。通用型计算机系统可以采用分体式的超声信号采集仪外接笔记本电脑形式或一体化的以通用工控机为主控单元，相应设计与之配套的外围超声检测电路形式。分体式超声信号采集仪采用外接笔记本电脑的方式具有开发工作量小、单体器件较为轻便的优点。但是A心采集系统大容量存储模块与计算机内存之间难于进行高速数据通信。一体化结构克服了上述弊病，但其开发工作量大，并且体积和重量上不占任何优势，尤其是在地形复杂的检测环境下。第二类采用专用的计算机主机系统。现代超大规模电路的发展使得高性能、小体积、低功耗的主机系统的设计成为可能。目前像NM一4A、NM一4B型超声检测仪采用的就是流行的嵌入式主板设计方式I7，并根据仪器本身需要进行优化设计的，电路结构紧凑而且接插件大量减少，使得该仪器的专用主机系统在保证性能及功能的前提下，其可靠性大大提高;并且采用大规模集成芯片减少了外围器件的数量，大幅降低了主机功耗;同时，该结构具有体积小、质量轻、功耗小、可靠性高等优点。但由于其处理器内存有限，在测试过程中无法采集大量数据和进行较复杂的分析处理，导致只能对检测信号进行简单的分析和人工判读，工作效率低，人为因素对结果影响较大，不够准确和科学。经过反复分析比较，本系统将综合以上两种结构构成方案的优点，采用分体式超声信号采集仪外接笔记本电脑的方式。其中，超声信号采集仪采用专用计算机系统结构，它与计算机通过标准总线相连。超声信号采集仪将采集到的数据传送给计算机进行处理，计算机向超声信号采集仪发送控制命令。上述方案中，超声信号采集仪需要与计算机通过标准总线相连进行通信。国际权威组织制定并认可了一些接口总线标准，在标准的约束下，各厂家生产应用的接口总线在机械、电器、功能三个方面都必须具有兼容性。应用比较广泛的接口总线标准有CAMAC(正EE一583)、Gp一IB(正EE一488)等并行接口总线，Rs一232C、RS一422、RS423、RS485、USB等串行接口总线。另外，以太网和无线网络技术也可以用于数据的传输。下面对常用的几种通信方式进行比较，超声信号采集仪可以通过以上5种常用方式与计算机进行通信。在实际的检测工作中，由于地形环境复杂多变，需要长距离的数据传输，而且多通道数据的并行采集，采集数据量大，需要高速传输，为了满足系统这两个特点，RS一485和以太网都是不错的选择。但RS一485标准不是计算机的标准接口，所以超声信号采集仪与计算机互连时在计算机上需要增加额外的硬件接口，成本提高，而且安装麻烦。因此，在以太网传输距离可以满足要求的基础上，选择以太网作为超声信号采集仪与计算机的通信方式。这样，超声信号采集仪通过以太网不仅可以在局域网内使用，通过网络之间的联系及相应的软件配合，还可以传输到世界的其他地方。只要获取应用系统的IP地址和访问端口，人们就可以在任何有以太网的地方对应用系统进行控制，达到远程监测和控制的目的。另外，超声信号采集仪的程序下载和网络配置还需要其他的总线接口来完成。最简单、最方便的方法就是在网络连接未建立起来时，用RS一2犯接口设置超声信号采集仪的护地址和访问端口。因此，超声信号采集仪需要提供两种外部总线接口:串行接口和以太网接口经过以上分析研究，本系统的结构原理如图2.3所示。系统由发射换能器、接收换能器(阵列)、超声信号采集仪和具有网络接口、串行接口的笔记本电脑构成。发射换能器是一种能量转换设备，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。接收换能器在被测混凝土构件上接收由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。超声信号采集仪的主要功能是对接收换能器传来的模拟信号进行放大/衰减、A/D转换，并将转换后的数字信号保存在超声信号采集仪的缓存中，同时它还向发射换能器输出激发信号。超声信号采集仪将保存的数字信号通过网络接口传送给计算机进行分析和处理。同时，计算机还向超声信号采集仪发送各种配置参数和控制命令。另外，计算机还可通过串行接口设置超声信号采集仪的网络配置信息。(3)本次试验采用的超声仪为北京康科瑞公司生产的瓦材一3C非金属超声检测分析仪，它是集超声波发射、双通道同步接收、数学信号高速采集、声参量自动检测、数据分析处理、结果实时显示、数据存储与输出等功能于一身的智能化仪器。本次试验设置的仪器参数见表5.1。(4)因此，本文开发了一个以工业控制计算机为核心的混凝土实验探测系统，这个系统主要由工业控制计算机、信号发生卡、数据采集卡、功率放大器等组成，其结构如图 5.1 所示，通过程序控制可以完成对超声传感器的激励和检测数据采集操作。信号发生卡是北京迪阳公司生产的 LAI200-PCI 型任意波形发生卡，它除了可以产生一些常用的检测波形，如正弦波、方波、锯齿波和高斯脉冲波等外，还可以用 VC或 Matlab 程序编辑的各种复杂波形作为系统激励波形输出，如在本文中所用到的余弦调制信号等，它的最大数模转换频率可达到 50MHz，但是，其最大输出电压和其它信号发生器一样，仅有 10V。为此，仍然需要在信号输出端加入Model7602M 型功率放大器，可以在 020MHz 的工作频率范围内提供最大可达到200V 的输出电压，基本可以满足检测实验要求。实验中，使用了两个超声传感器作为一组，按照一个发射信号、一个接收信号的方式进行扫描检测。当激励电压到达 200V 时，接收到的检测信号峰值可以到达几百毫伏，能够满足 9812 数据采集卡的采集要求。9812 数据采集卡是由 ADLINK 公司开发的一款高性能高速数据采集卡，可以同时采集四个通道的输入信号，最大采样率可达到 20MHz，可用 VC或 Matlab 程序对其进行编辑，控制和设定采集参数。信号发生卡、数据采集卡都是内置于计算机的 PCI 插槽中，由计算机直接控制。通过软件编程，由计算机控制信号发生卡产生激励脉冲信号，由功率放大器放大后激励超声传感器发出超声信号，对混凝土结构进行检测，而后又由计算机控制数据采集卡接收检测信号。数据采集卡可以直接将检测信号存储在计算机中，便于计算机调用，这样就提高了检测系统的检测和成像效率。图 5.2 就是混凝土超声检测系统实物图。(5)水泥净浆