桩基钻孔沉渣厚度超声测量系统设计_图文

1、分类号:TB559 密级:公开U D C:单位代码:10424学位论文桩基钻孔沉渣厚度超声测量系统设计蔡芹光申请学位级别:硕士学位专业名称:控制理论与控制工程指导教师姓名:曹茂永职称:教授东科技大山学二零一二年四月论文题目:桩基钻孔沉渣厚度超声测量系统设计作者姓名:蔡芹光入学时间:2009年9月专业名称:控制理论与控制工程研究方向:检测理论与技术指导教师:曹茂永职称:教授范迪副教授论文提交日期:2012年4月论文答辩日期:2012年6月授予学位日期:DESIGN OF BOREHOLE SEDIMENTS THICKNESS ULTRASONIC DETECTION SYSTEM OF PIL

2、EA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements for the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyCai QinguangSupervisor: Professor Cao MaoyongCollege of Information and Electrical EngineeringApril 2012声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文,除了所列参考文献和世所公认的文献外,全部是本人在

3、导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名:日期:AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not be

4、en submitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:山东科技大学硕士学位论文摘要摘要桩基是各种构筑物的主要基础形式之一,起着将结构上部荷载传递到较深和较好地层中的作用,对上部构筑物的结构质量和安全扮演着至关重要的角色,桩底沉渣厚度的检测通常受测量仪器、施工和地质条件等的影响,一般较难控制,由此引发的工程事故频见报导。论文采用超声测距技术研制一套准确、快速的测量沉渣厚度专用仪器,以提高桩基沉渣厚度测量的准确性和可靠性,确保桩基工程的质量与安全。论文论述了超声波测量钻孔沉渣厚度的技术原理、参数与

5、系统指标间的关系等,确定了钻孔沉渣厚度超声测量系统的总体方案,设计了系统硬件电路,包括超声波触发驱动电路、自动增益控制电路、回波信号放大滤波电路、信号转换以及信号采集电路等;设计了主控制器程序流程和井下控制器程序流程;仿真和实际调试了超声波的触发驱动发射电路、回波放大滤波电路、自动增益控制电路等。在实验室搭建了简易沉渣厚度超声测量硬件电路,利用模拟的钻孔,实验、分析和讨论了触发脉冲个数、发射电压、回波接收电路的放大倍数以及触发脉冲信号宽度对沉渣厚度测量的影响。关键字:钻孔沉渣,超声检测,超声换能器,LPC2148ABSTRACTPile is one of the basis of vario

6、us structures, which plays an important role not only in passing the upper load of structure into the deeper and better stratum, but also in determining the quality and safety of the upper structure. Engineering accidents are reported frequently, because sediments thickness in borehole is difficult

7、to be handled due to greater impacted by measurement equipment, construction and geological conditions. In thesis, a special, accurate and fast detection instrument to detect borehole sediments thickness has been developed by using ultrasonic technology in order to improve the accuracy and reliabili

8、ty of sediments thickness detection and ensure the quality and safety of the pile foundation engineering.The paper discusses the technical principles of detecting borehole sediments thickness by using ultrasonic technology, the relationship between parameters and system indicators etc. Design genera

9、l scheme of sediments thickness ultrasonic detection system and hardware circuit, including ultrasonic trigger and drive circuit, AGC circuit, echo signals amplification and filter circuit, signal conversion and signal acquisition circuit etc. Design the program flow chart of the main controller and

10、 underground controller. The thesis has simulated and actual debugged the trigger and drive circuit, echo signals amplification and filter circuit, AGC circuit by taking advantage of simulation and hardware. Experiments using simple sediments thickness ultrasonic detection hardware circuitry and ana

11、log borehole built in the laboratory, then analyzes and discusses the influence of the number of trigger pulse, emission voltage, magnification of ultrasonic receiver circuit and duty cycle of trigger pulse signal on sediments thickness ultrasonic detection.Keywords: Borehole sediments, Ultrasound d

12、etection, Transducer, LPC2148目录1 绪论 (11.1 课题的目的和意义 (11.2 沉渣厚度检测现状 (21.3 本文的主要工作及内容安排 (32 沉渣厚度超声测量原理 (62.1 超声与沉渣厚度测量 (62.2 沉渣厚度超声测量方法 (102.3 渡越时间法沉渣厚度测量原理 (123 超声换能器参数确定 (143.1 超声换能器概述 (143.2 超声换能器等效电路 (153.3 超声换能器参数选择 (174 系统硬件设计 (254.1 系统硬件总体设计 (254.2 井上电路设计 (264.3 井下电路设计 (395 硬件调试及软件设计 (575.1 硬件电路

13、调试 (575.2 超声收发电路的实验和讨论 (645.3 系统软件设计 (686 总结和展望 (71致谢 (72参考文献 (73攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的论文 (77CONTENTS1 Introduction (11.1 Research Purpose and Meaning (11.2 Research Status of Sediments Thickness Detection (21.3 Main Work and Content Arrangement of Research (32 Principle of Sediments Thickness Ultrason

14、ic Detection (62.1 Ultrasound and Sediments Thickness Detection (62.2 Method of Sediments Thickness Ultrasonic Detection (102.3 Principle of Time of Flight Sediments Thickness Detection Method (123 Parameters of Ultrasonic Transducer (143.1 Overview of Ultrasound Transducer (143.2 Equivalent Circuit

15、 of Ultrasound Transducer (153.3 Parameters Selection of Ultrasound Transducer (174 System Hardware Design (254.1 Hardware Design of System (254.2 Hardware Design of Inoue Circuit (264.3 Hardware Design of Underground Circuit (395 Hardware Debug and Software Design (575.1 Hardware Simulation and Deb

16、ug (575.2 Experiments and Discussions of Ultrasound Transmitting and Receiving (645.3 System Software Design (686 Conclusion And Prospects (71Acknowledgements (72References (73Works and Papers (771 绪论1.1 课题的目的和意义桩基是各种构筑物的主要基础形式之一,主要用于将结构上部荷载传递到较深、较好的地层中,它对上部构筑物的结构质量以及安全扮演着至关重要的角色,直接关系到国家和人民生命财产的安全,其

17、工程质量一直倍受建设、施工、设计和监理等各部门的关注1,2。随着近代科学技术和国民经济的飞速发展,各种高层建筑、重型厂房、桥梁、码头和具有特殊要求的建筑物如雨后春笋般迅速拔起,桩和桩基的种类形式、施工工艺以及设备也都有了较大的发展。由于桩基础能够把荷载传递给较硬、较密实或者是压缩性更小的持力层上,且具有承载力高、差异沉降小、施工方便等诸多优点,桩基已经成为在土质基础不好的地区修建各种构筑物时最广泛采用的基础形式,桩基础在近代土木工程中的作用也显得越来越突出3。钻孔灌注桩以其具有的应用方便、适应性强、造价低等特点在大规模的城市建设和各项基础设施的建设中得到了较为广泛的应用。目前,在我国,钻孔灌注

18、桩不仅被普遍用于桥梁建设,而且在公路、铁路、港口、水利和建筑等许多部门中也发挥着不可替代的作用。钻孔灌注桩是否能够较好地发挥其作用,桩底沉渣厚度的控制是关键,钻孔底部的沉渣厚度检测不准确的话,对受其支撑的建筑、桥梁、道路、港口的安全来说将是一个很大的隐患4-5。为了得到准确的沉渣厚度值,必须采用高精度、高可靠性的检测方法,否则,将不利于实现对沉渣厚度的有效控制4。另外,我国地域非常广阔,地质条件则由于地区差异而显得尤为复杂,桩基工程不仅受到岩土工程条件,基础与结构设计,测量仪器,施工与专业技术水平等各种相互关联因素的影响外,桩基施工的高度隐蔽性使得桩基的质量隐患更难以被发现2,由此引发的工程事

19、故频见报导,如武汉三眼桥的一幢18层楼房,正是由于部分桩基不合格,却没有检测出来,而导致了较大的差异沉降,即将建成的楼房也因此发生了倾斜,最终被迫炸毁,由此给社会造成了巨大的经济损失和不良影响3。为了确保工程的质量和安全,避免给国家和人民的财产带来巨大损失,施工单位急需一种能够准确、可靠、方便的沉渣厚度测量仪器。目前沉渣厚度测量的方法和工具虽然有十几种之多,但这些工具以机械装置为主,具有精度低、可靠性差等缺点,同时泥浆的长期腐蚀等作用对于这些金属器件的稳定性、可靠性更是一严峻考验5。沉渣厚度直接决定了钻孔灌注桩的成桩质量,而目前尚没有能够实现对沉渣厚度准确检测的仪器,基于这一现状,设计出一套性

20、能好,精度高的超声沉渣厚度检测系统是非常必要的。研制出钻孔沉渣厚度超声测量系统,可为沉渣厚度的测量提供先进的技术手段,使沉渣的快速准确测量成为可能,较好地实现对桩底沉渣厚度的控制,有效避免类似楼体倾斜、倒塌等工程事故的发生。同时,若将其应用于高层建筑、重型厂房、桥梁、码头和具有特殊要求的建筑物等工程的桩基钻孔的质量检测中,将在推动沿海城市基础设施建设中发挥重要的作用,将会产生显著的社会和经济效益。1.2 沉渣厚度检测现状在我国,桩基检测技术作为一门新兴的行业,桩基检测技术于20世纪80年代末开始发展起来,声波透射法是当时最常用的检测方法6-7。伴随着我国经济社会的发展,桩基础也在桥梁、港口码头

21、、高层建筑等工程建设中得到了较为广泛的应用,这也直接推动了桩基检测方法的不断发展,经过工程施工单位、质量检测部门、研究院和设计院等的技术人员数十年的努力,已经研究和开发出了十多种沉渣厚度的检测装置和检测方法,如重锤法8-10、电解率法1,5、取芯法11、取样法12-13、超声法等。目前沉渣厚度的测量方法主要有重锤法、取芯法、电解率法、超声法等5,14-15。(1重锤法重锤法测量沉渣厚度的原理是在混凝土浇筑前,用一重约25kg的重锤,其顶端系上测绳,用手吊着缓缓放到孔底,凭借测量者的手感来判断沉渣的上界面,并记录此时下放测绳的长度,则所测沉渣的厚度就等于钻孔的终孔深度与下放测绳的长度之差。重锤法

22、是工程上沉渣厚度测量方法中应用最广泛的一种,利用重锤法测量沉渣厚度1的仪器有:中国建筑科学研究院研制的X-型孔底沉渣厚度测定仪1;广东汕头的黄建龙通过改良重锤法设计的“钻孔桩孔底沉渣厚度测量工具”5等等。重锤法测量沉渣厚度之所以被施工和监理单位广泛接受是由于其结构简单而且操作方便,但这种方法的缺点是它需要靠人的感觉来判断沉渣的上界面,因此,比较容易产生误差,同时沉渣上界面的位置深度又要通过量取测绳的长度得到,在量取测绳长度的过程中又会由于测绳的松紧及读数等因素而产生误差。显然,重锤法测量沉渣厚度的主观性强、精度比较低。(2取芯法取芯法测量沉渣厚度的原理是在成桩达到初始龄期以后,垂直从桩身混凝土

23、中钻孔取芯,取芯超过桩底一定深度,从而可以根据取芯判断桩底沉渣厚度。该方法虽直观可靠,但属事后判断,如果出现沉渣过厚等问题也为时已晚,而且该方法对取芯的垂直度有很高要求5, 16。(3电解率法电解率法测量沉渣厚度的原理是利用介质(如水、泥浆和沉渣颗粒等之间电解率的特性差异。在沉渣厚度的测量过程中,根据介质电解率值的变化来得到所测沉渣的厚度。根据上述原理设计的测量仪器有北京中国建筑科学研究院地基基础研究所修朝英研制的X-2型沉渣厚度测定仪1,5。(4超声法利用机械装置和超声波实现对沉渣厚度的测量是河北廊坊市地质矿产部勘探技术研究所的杨春明等于2004年提出的一种测量方法,该机械装置上垂直固定有四

24、根导柱探针,穿过四根探针上下分别有两个水平托盘,上下托盘在同一轴线上,分别固定超声波发射和接收换能器,同时,将上托盘固定在探针上,而允许下托盘沿着探针自由滑动。在测量沉渣厚度时,首先根据超声测距的方式测量当下托盘接触沉渣时上下托盘之间的距离,然后再测量探针深入沉渣底部,下托盘被沉渣顶起时上下托盘之间的距离,两次测量的距离之差即为沉渣厚度5。这种测量方法虽然可以得到上下托盘间的准确距离值,但是若沉渣底部的判断不准确仍然可能会带来一定的误差。综上可知,20世纪80年代以来,国内沉渣厚度测量的技术在不断的发展,但将超声应用于测量沉渣厚度的研究还不多,相关技术资料也较少,这可能与超声波在泥浆中的衰减和

25、吸收很大、工作环境较为恶劣而相关设备的抗干扰能力不强、接收到的回波信号因微弱、时变、信噪比低而不易处理有关,因此,研究超声波传播特性,超声信号处理技术,设计出高效的超声收发、处理电路以及信号处理算法等,研制出钻孔沉渣厚度超声测量系统,才能为桩基钻孔沉渣厚度测量提供先进的技术手段,使沉渣的快速、准确测量成为可能。1.3 本文的主要工作及内容安排本课题来源于山东省自然科学基金项目“桩基钻孔沉渣厚度超声测量信号处理技术研究”(编号:ZR2009GM024。本论文研制的桩基钻孔沉渣厚度超声测量系统以ARM 微控制为核心,在井下控制器的配合下,控制触发脉冲信号的产生,经触发驱动电路驱动超声换能器向钻孔底

26、部的沉渣发射超声波,经沉渣上下两个界面反射回来的两个超声波回波信号经接收电路、放大滤波电路处理后转换成电流信号远距离传送到地面;在地面将电流信号转换成一定幅值范围的电压信号再进行A/D采样;最后ARM将采样结果通过USB接口送到上位机,以供后续进一步的数据处理,例如计算沉渣厚度等。论文的主要工作有:在查阅相关资料,比较钻孔沉渣厚度各种测量方法的基础上,确定采用超声测距原理实现对沉渣厚度的测量,并设计出具体的方案;分析了超声换能器的特性和参数,实现了超声换能器的选型和参数的确定;设计了钻孔沉渣厚度超声测量系统,以32位ARM微控制器LPC2148为主控制器,用于控制超声波的发射、信号采集和数据传

27、输等整个测量过程,该系统以AT89C2051为辅助控制器,用于配合主控制器控制超声波的发射;设计了超声波触发驱动电路、自动增益控制电路、回波信号放大滤波电路、信号转换以及信号采集电路等系统硬件电路;设计了主控制器程序流程和井下控制器程序流程;仿真和实际调试了超声波的触发驱动发射电路、回波放大滤波电路、自动增益控制电路等。另外,利用搭建的简易沉渣厚度超声测量硬件电路与模拟的钻孔,实验、分析和讨论了触发脉冲个数、发射电压、回波接收电路的放大倍数以及触发脉冲信号宽度对超声波发射和接收信号的影响。整篇论文分为6章,其内容安排如下:第一章主要介绍了桩基钻孔沉渣厚度测量的背景以及沉渣厚度的主要测量方法,选

28、择了声波法用于实现对桩基钻孔沉渣厚度的测量,最后给出了论文的主要研究内容以及全文内容的安排。第二章介绍了沉渣、超声波的概念以及超声波的传播特性等,介绍了超声波测距的特点和超声检测技术和方法的分类,并选择了超声波渡越时间法作为沉渣厚度的测量方法,最后介绍了超声波渡越时间法测量沉渣厚度的原理。第三章先介绍了超声换能器的概念及分类,以压电陶瓷振子为例介绍了超声换能器的阻抗频率特性和等效电路。根据工程规范、设计系统对沉渣厚度超声测量的实际技术指标的要求等,通过计算确定了超声换能器的主要性能参数。第四章设计了桩基钻孔沉渣厚度超声测量系统的总体结构框图,整个系统分成了井上、井下和上位机三个部分。文中主要对

29、井上、井下两部分进行了设计,井上部分,以LPC2148主控制器为核心,设计了主控制器及其外围电路、电源电路、电流/电压转换电路、A/D转换电路、USB接口电路等;井下部分,以超声换能器为中心,设计了井下控制器及其外围电路、井下电源电路、单稳态触发电路、触发驱动电路、回波信号滤波放大电路、自动增益控制电路以及电压/电流转换电路等。第五章利用Multisim10.0仿真以及搭建的硬件电路,调试了超声波的触发驱动电路,回波信号放大滤波电路、自动增益控制电路等,在实验室模拟钻孔中,较好实现了超声波的发射和回波信号的接收,并讨论了触发脉冲个数、发射电压、回波接收电路的放大倍数以及触发脉冲信号宽度对超声波

30、发射和接收效果的影响。设计了主控制器和井下控制器的程序流程。第六章对论文进行了简要的总结并对下一步的工作提出了建议和展望。2 沉渣厚度超声测量原理超声波测量作为一种非接触式的检测方法,它不易受光线、色彩、电磁场等因素的影响,而且对恶劣的工作环境具有一定的适应能力。超声波检测通常还具有方便、快速、计算简单、实时性较好、精度比较高等特点。因此,超声检测技术被广泛应用在距离测量、厚度测量、水声工程、工业探伤、车辆自动导航、物体识别等领域17。同时,通过对当前沉渣厚度测量方法的研究和分析,论文采用超声检测技术实现对沉渣厚度的测量。2.1 超声与沉渣厚度测量所谓的沉渣,是指在钻孔灌注桩终孔及混凝土灌注前

31、,虽然经过反复循环的清洗,但仍残落在钻孔底部的具有一定厚度、性质相对较软的物质,钻孔灌注桩所穿越的地质构成决定了沉渣的组成成分,一般为土粒、沙粒、石粒等5。桩基钻孔底部的沉渣直接影响到成桩的承载力,由于沉渣过厚而产生“软垫”效应,不仅直接导致桩基承载力的不足,而且会造成构筑物的过大沉降,由此可见,过厚的沉渣是超深、大直径的桩基施工中遇到的最大隐患,因此,作为影响工程质量的一个重要因素钻孔沉渣厚度,凸显出了对其检测的重要性和迫切性。声波是一种机械波,振动频率在20Hz20kHz的范围内,可为人耳所感觉的称作可闻声波;振动频率在20Hz以下的无法被人耳感知,但却能被许多动物感受到的称为次声波,比如

32、发生地震前的次声波;超声波是由机械振动产生的,振动频率大于20kHz的一种特殊的声波,可在不同介质中以不同的速度传播,主要特点为能量集中、指向性好、介质中传输衰减小、反射能力强等优点17。(1按超声波的波型分由波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系,对应着不同的波型,超声检测中常用的波型有纵波、横波、表面波和兰姆波18-19。纵波的质点振动方向与波的传播方向平行,由介质的压缩弹性引起,亦称疏密波或压缩波。在超声检测中应用最多的是超声纵波,它是上述四种波型中唯一能够在固、液、气三种形态的物质中传播的波型。横波的质点振动方向与波的传播方向垂直,由受到交变剪切力作用的介质的剪切形变产生,因剪切力

33、不能在气、液体中传播,所以横波仅能在固体中传播。超声检测中用来检测表面和近表面缺陷的表面波主要是指瑞利波(表面波的一种,对检测表面裂纹具有很高的灵敏度,它沿界面传播而且仅产生于气体或者液体介质与半无限大固体介质的交界面上。表面波也不能在气、液体中传播。兰姆波是一种沿薄板延伸方向传播的、由倾斜入射到薄板中的声波所产生的波型19。(2按超声波的波形分波阵面是指声源在传播过程中,某一时刻介质中各相同相位振动点所连成的面;而波前则指某一时刻距声源最远的各振动点所连成的面;由此可知,任一时刻,波前是指距声源最远的波振面,而且仅有一个,但是波振面可以同时有任意多个。三种波振面的形状,即相互平行的平面、同心

34、球面和同轴圆柱面,分别对应平面波、球面波和柱面波三种波动类型。(3按发射超声的类型分根据发射超声类型的不同,分别将介质中各质点振动时间为无穷和很短的波称为连续波和脉冲波,其中,脉冲波在超声检测中应用最多19。(4按频率分根据声波频率的不同范围可分为:×超声波:2104108Hz;高频超声:1081010Hz;特高频超声:>1010Hz。超声波是一种机械振动在弹性介质中的传播过程,其特征是指向性较好,能量较集中,穿透本能力强,传播过程能量消耗缓慢,衰减较小,在介质中的传播距离较远,且反射能力较强20-22。超声波实现对桩基钻孔沉渣厚度的测量,正是基于超声波所具有的上述特性,而且其

35、在传播过程中遇到不同介质的分界面(例如泥浆与沉渣的交界面时,会产生明显的反射,从而可以通过检测沉渣上下两个界面(泥浆与沉渣的上交界面即沉渣上界面和沉渣与其下部持力层原状土的交界面即沉渣下界面反射的两个回波信号之间的时间差,间接求出所检测的沉渣厚度。声压与声强是两个用来描述超声场的物理量。超声场则是指介质中存在超声波的区域,声阻抗是与界面上超声波的行为密切相关的一个重要参数19,23。(1声压声压是指介质中某一点在某一时刻有超声场和无超声场存在所具有的压强之差;单位是Pa(帕斯卡,用表示。超声场中某一点的声压是一个变化量,时间和距离不同,声压也不同。可以证明,对于无衰减的平面余弦波有: P si

36、n (x P cA t cu c=-= (2.1 式中: 代表介质的密度;c 代表介质中的声速;A 代表介质中质点的位移振幅;代表角频率;u 代表质点振动速度。上式中,代表声压的振幅,在实际应用中,真正代表超声波强弱的是声压振幅,而不是某时刻对应的声压大小。因此,声压通常指的是声压振幅,用cA t p 表示,即19。p cA =(2声强声强也称为声的能流密度,即单位时间内单位面积上沿垂直于声波传播方向的平面上所通过的声能量。对于谐振波而言,其声强通常用一周期内的能流密度平均值来衡量,用符号I 表示:22p I c= (2.2 式中,p 为声压幅度。(3声阻抗在超声场中,由某点声压为p cu =

37、可知,在声压p 一定的条件下,可知c 的大小和质点的振动速度成反比,故把u c 称为介质的声阻抗,用大写字母Z 表示。在研究界面上超声波的行为时,超声波通过介质间的分界面时的能量分配取决于声阻抗的大小。(1声速声速是超声波传播速度的简称,超声波作为一种声波,其在媒介中的传播速度和媒介自身的密度、弹性模量以及声阻抗等特性有关,对用于沉渣厚度测量的超声纵波而言,其在沉渣介质中的传播速度只决定于沉渣介质本身的特性,而不受声波本身特性的影响19。由此可知,超声波在成分不同的沉渣中的传播速度也是不同的,而且即使是在相同的介质中,不同的温度条件下,超声波的传播速度也会发生变化。针对不同的沉积层类型,在常温

38、条件下(温度为25,超声波在相应沉积层中对应的传播速度,如表2.1所示5。表2.1 沉积层类型及对应的声速Table 2.1 Sedimentary types and their corresponding speed of ultrasound类型粗砂细沙很细沙泥沙泥沙泥粘土粘泥泥质粘土声速(m/s1836 1753 1697 1668 1664 1580 1546 1520 需要注意的是,超声波作为一种声波,沉渣介质的温度变化会影响超声波的传播速度,沉渣介质的温度变化会进一步影响到沉渣介质的密度和弹性性质的变化,这又会导致超声波的声速进一步发生变化。实际测量中,在沉渣介质均匀,而且温度变

39、化范围很小的情况下,可近似认为超声波在传播过程中的声速是保持不变的。因此,在沉渣厚度的测量过程中可以参考上表中的声速进行相应的计算。(2波长波长是指声波中两个相邻同相位点之间的距离,用表示。波长对于纵波而言是指两个相邻密集点(或稀疏点之间的距离,而对于横波而言是指两个相邻波峰(或波谷之间的距离。超声波在某种介质中的传播速度可以用其频率与该介质中对应的波长的乘积来表示,超声波在泥浆或沉渣中的传播速度相对于3´810m/s的电磁波则显得很慢,以细沙为例,超声波在其中的传播速度为1753 m/s (25时。在给定的介质中,除兰姆波等特殊情况以外,超声波的声速不会跟随其频率的改变而变化,故其

40、频率越高,对应的波长就会越短,当检测沉渣厚度的超声波的传播速度较低且波长很短时,便能够得到较高的厚度分辨率,正是由于这种较高的分辨率特性,才使高精确度的测量成为可能。(3频率超声波的信号频率决定了其在声线方向上的探测分辨率、探测精度和穿透的深度,当其信号频率越低时,穿透能力反而越强,不过分辨率和精度则会变差;相反,当信号的频率越高时,其探测的分辨率和精度则越高,但是其穿透深度又会随之减小。超声波的穿透能力在液体、固体中显得尤为突出,在不透明的固体中能达到几十米的穿透深度。(4衰减超声波的传播速度在同一介质中是相同的,在不同介质中传播时会由于介质的吸收而使其强度减弱,它在气体中衰减是最大的,液体

41、中次之,固体中的衰减最小21。另外,超声波的信号频率越高,其在介质中传播时的衰减就越厉害,穿透能力也会越弱,传播的距离也就越短。超声波在介质中传播的过程中声束的扩散、声波的散射以及介质的吸收作用是引起超声波衰减的三个主要方面。声束扩散引起的信号能量的衰减称为扩散衰减;传播介质的不均匀性引起的超声波的散射使得声能或声压的衰减称为散射衰减;传播介质的粘滞性以及介质的热传导作用导致的声能损耗称为吸收衰减。(5反射作为一种特殊的声波,超声波同样具有反射、折射、干涉、衍射和散射等声波传输的各种基本的物理特性。超声波在传播过程中遇到不同的介质,其反射信号的强弱也不同,由于布、棉花一类的媒介能够吸收超声波,

42、因此它们几乎检测不到反射回波,而金属、木材、橡胶、混凝土等则能反射近乎100%的超声波19,同时,超声波会在不同介质的分界面产生较为明显的反射、折射,从而形成反射回波,因此,系统设计中可以很好的利用这一特性,通过检测回波信号实现对不同参数的测量。另外,众所周知,多种波型可以在固体介质中传播,而只有纵波可以在液体和气体介质中传播。由于在沉渣厚度的测量过程中超声波首先是在泥浆媒介中传播,因此,发射波和反射回来的回波信号只能为纵波,而且入射角等于反射角,满足几何光学的反射定律,即超声纵波的入射声束、反射声束(回波信号和入射点的法线在一个平面内,而且声束的入射角等于反射角19。2.2 沉渣厚度超声测量

43、方法相对于其他测距方法,超声波测距方法有如下特点19,24-26:(1与普通声波相比较,超声波的优势在于其定指向性较好、能量比较集中,在传输的过程中衰减较小,而且其反射能力较强等。(2与光学方法相比较,超声波的传播速度较低,因而可用于测量距离较近的目标,且能获得较高的纵向分辨率;另外,超声波由于对光照度、色彩、电磁场等不敏感,因此,对恶劣的工作环境具有一定的适应能力。(3超声换能器具有结构简单、体积小、信息处理简单,因此,易于实现小型化和集成化。目前超声测量技术应用于测量钻孔沉渣厚度的研究还很少,不过超声波测距作为一种有效的非接触式测距方法,已广泛用于测量各种距离、物位、厚度等参数的场合,如金

44、属探伤、距离测量、厚度测量,并在海洋探查与开发、无损检测等领域发挥着不可取代的作用27,超声检测技术已经应用的相当成熟了,将超声波用于测量桩基钻孔沉渣厚度其原理上是超声测距技术的进一步推广,同时,设计的超声检测系统中采用的厚度测量方法也是根据超声测距方法中的渡越时间法的原理来实现对沉渣厚度测量的。超声波测距作为一种比较成熟的技术,有许多可供借鉴的资料,从而为沉渣厚度超声测量系统的设计与开发提供依据和参考。超声检测技术有多种分类方式19,较常用的如表2.2所示。表2.2 超声检测技术分类Table 2.2 Classification of ultrasonic detection分类方式名称原

45、理脉冲反射法、穿透法、共振法。显示方式A型显示、B型显示、C型显示。波形纵波法、横波法、瑞利波法、兰姆波法。探头数目单探头法、双探头法、多探头法。耦合方式接触法、液浸法。入射角度直射声束法、斜射声束法。以较常用的单个探头纵波垂直入射脉冲反射接触法(A型显示可以看出,每一种超声检测技术均是由上表中不同方式组合而成的。实际应用中,根据检测对象、检测目的等的不同来选择合适的检测技术。本论文选择的超声检测技术为单探头纵波垂直入射脉冲反射液浸法。超声波检测方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法等多种,相位检测法检测精度较高,但是范围有限;而声波幅值检测法又易受到反射波的影响20,28;渡越时间法即

46、时间差测距法,其原理是测量超声波从发射点到目的地所用的传输时间20-23,29,本论文即采用超声波渡越时间法实现对沉渣厚度的测量。2.3 渡越时间法沉渣厚度测量原理超声波渡越时间法测量沉渣厚度的原理如下:超声换能器探头由自重垂直浸入泥浆中,间隔一定的时间(进行多次测量垂直向桩底发射超声波信号,超声波在泥浆媒介中传输,遇到泥浆与沉渣的上交界面即沉渣上界面时一部分反射回来被超声换能器(收发同体的超声换能器接收;另一部分则进入沉渣中并继续传播,当遇到沉渣与其下部持力层原状土的交界面即沉渣下界面时再次反射,其中的一部分反射波再次被超声换能器接收,通过测量超声换能器前后两次接收到的回波信号之间的时间差,

47、便可以计算出所测沉渣的厚度。测量原理如图2.1所示。 图2.1 沉渣厚度超声测量原理Fig . 2.1 Principle of sediments thickness ultrasonic measurement 渡越时间法测量沉渣厚度,实际是对超声波穿透沉渣层所经历的时间(声波走时或声时差,即声波往返于沉渣上下两个界面时间的测量。假设超声波在泥浆或者沉渣介质中的传播速度是一定的(参照表2.1,当超声波在沉渣中传播的声速确定以后,只需要测得超声波在沉渣上下两个分界面的两个首波信号(上界面的第一个回波信号和下界面的第一个回波信号之间的时间差t ,则根据下式就可以计算出所测沉渣的厚度5,即:v

48、v d 12d =vt (2.3 式中:超声波在该沉渣中的传播速度;v 声波往返于沉渣上下两界面的时间。t 在沉渣厚度超声测量系统工作时,将超声传感器放在距沉渣大约有几十厘米的地方,待换能器稳定以后,则开始向沉渣发射超声波,超声波被沉渣的上下界面反射回来,依次被超声换能器接收并转换成电信号,经过后续的处理、采样等电路,将回波信号转换 成数字信号传送至上位机,通过上位机软件对采集到的数据进行处理,最后计算出沉渣厚度,上述过程是对沉渣厚度的一次测量。这个测量过程可以反复进行,实现对沉渣厚度的多次测量,可将多次测量结果的平均值作为沉渣厚度的最终测量结果。超声换能器在沉渣厚度超声测量系统中担负着发射和

49、接收超声波的任务,是系统的关键器件,它的参数直接影响到整个系统的技术指标,如穿透深度、探测精度和厚度分辨率等。因此,换能器的参数是否合适,直接影响到整个测量系统的准确性、可靠性及检测性能等。3.1 超声换能器概述超声换能器,也称为超声波传感器或者是超声波探头,在超声波频率范围内是一种能量转换器件,它可以实现将交变的电信号转换为超声波信号或者是将超声波信号转换为电信号,是发射和接收超声波信号的器件。当其既用于发射又用于超声波时,则称其为收发两用型的换能器30-32。超声换能器种类繁多,有多种不同的分类方式,如按能量转换机理和换能材料(有压电、磁致伸缩、电容型换能器等、振动模式(有纵向振荡、剪切振

50、荡、扭转振荡换能器等、工作介质(有气介、液体、固体换能器等、工作状态(有发射型、接收型、收发两用型超声换能器等19,32 分类方式。目前,在理论研究和实际应用中涉及到最多的是压电式超声换能器,因此,在所有的换能器中,压电式超声换能器是当前超声领域中应用最为广泛的一种换能器,原因在于:一方面是它结构简单,易于激励,压电陶瓷元件极化以后被用于换能器,则激励该换能器就不再需要极化电源了,从而使压电换能器的激励电路得以简化,但是其他类型的换能器(如磁致伸缩换能器则需要极化电源而使得激励电路变得复杂;另一方面是它较易加工和成型,因而能够在许多不同的场合发挥其作用。目前,在超声的研究及应用中比较常用的压电

51、超声换能器的电介质是压电陶瓷材料,其优点有:机电转换效率高(80%左右、改变成分即可得到各种性能的超声换能器、较易成型、造价低、性能稳、易于推广;但也存在脆性较大、抗张强度较低、大面积元件较难成型以及超薄高频换能器一般较难加工等缺点19。压电超声换能器之所以能够实现能量的转换,即实现电声信号或者声电信号的转换,是通过石英、压电陶瓷以及压电薄膜等具有压电效应的各种电介质实现的。压电效应和逆压电效应是压电材料所具有的两种特性(统称为压电效应,压电材料由于受到外力作用而使表面产生电荷的现象称为压电效应,而当压电材料放入电场中,由于电场的作用而发生的弹性形变现象称为逆压电效应;逆压电效应和压电效应可以

52、分别产生和接收超声波信号,即当压电材料的两侧受发射电脉冲激励后产生振动,即可产生超声波(为逆压电效应,当超声波传播过程中遇到压电材料时,压电材料受迫振动引起的拉伸和压缩而在压电材料表面形成电荷,即产生电信号(为正压电效应,该电信号可以作为超声波的接收信号21,33。以压电陶瓷振子为例,接入图 3.1(a所示的电路中以研究换能器频率与电流、阻抗的关系,当施加到压电陶瓷振子上的信号频率由低到高变化时,压电陶瓷振子上的电流会跟随输入信号频率的变化而变化,如图3.1(b所示34。II I mn f(a (b图3.1 压电陶瓷振子的电流-频率之间的关系图 Fig . 3.1 The relationsh

53、ip between the current and frequency of the piezoelectric ceramic oscillator 由图3.1 (b可以看出,压电陶瓷振子的传输电流在输入信号频率为m f 和n f 的地方分别出现最大和最小电流。上述情况表明压电陶瓷振子的等效阻抗也是随着输入信号频率的变化而变化的,如图3.2所示。| Z mn f图3.2 压电陶瓷振子的阻抗特性曲线示意图Fig . 3.2 Diagram of impedance characteristic of the piezoelectric ceramic oscillator由图3.2知,输入信

54、号频率为m f 和n f 的地方分别出现最大和最小电流,而在压电陶瓷振子出现最大传输电流,即f =m f 时,对应的等效阻抗最小;在压电陶瓷振子出现最小传输电流,即f =n f 时,对应的等效阻抗最大。因此,通常称m f 为最小阻抗频率,而称n f 为最大阻抗频率34。当继续增大输入信号的频率,在图3.1(b中的曲线后面会继续出现一系列的次最大电流值和次最小电流值,对应的频率分别为其他振动模式的谐振频率,这里就不作讨论了,因为通常较多使用的是压电陶瓷振子的基波振动频率。在声学研究领域中常用到电力声类比的方法来研究超声换能器的发射和接收超声波的特性(即机电特性;所谓类比就是利用物理现象存在的各种

55、不同的普遍规律和数学描述上的相似性,通过将较陌生的物理系统等效成一种比较熟知的物理系统加以分析和研究的方法34。研究超声换能器较为常用的方法是等效电路分析法35-36。由图3.2知,压电陶瓷振子的阻抗特性与串并联谐振电路的阻抗特性完全相似,因此,压电陶瓷振子谐振时的机电特性可以用图3.3的等效电路表示19,37-38。 LC 1L 1 C 1R图3.3 压电陶瓷振子等效电路图Fig . 3.3 Equivalent circuit diagram of piezoelectric ceramic oscillator图中为压电陶瓷振子的静态电容或者称为钳位电容,而0C 1R 、则分别表示其等效

56、电阻、等效电感和等效电容。当不考虑压电陶瓷振子的机械损耗,即当压电陶瓷1L 1C振子的等效电阻1R =0时,可得振子的输入阻抗与频率的关系为34, 39:1101021/22(21/21/2fL fC Z fC fL fC 1fC -=- (3.1 由式(3.1以及谐振理论可得,振子的最小阻抗频率为:m f = (3.2 最大阻抗频率为:+=1010121C C C C L f n (3.3LC 3.3 超声换能器参数选择系统设计中采用的超声换能器为中心频率100kHz 、带宽40KHz 、尺寸(这里指直径60mm 的小功率、圆形压电陶瓷宽带超声换能器,如下图3.4所示,工作介质为泥浆和沉渣,

57、是收发同体的超声换能器,即它既用于产生超声波信号又完成对回波信号的接收。 图3.4 实验用的超声换能器Fig . 3.4 Ultrasonic transducer of system selected该换能器是根据钻孔沉渣厚度超声测量系统的实际技术指标要求等通过一定计算而选择出来的。本文设计的系统工作在桩基钻孔中,根据桩基钻孔的尺寸以及工程技术规范对沉渣厚度测量的要求,应该选取尺寸小于10cm 、纵向分辨率约为2cm 、换能器下垂直距离约70cm 处的水平分辨率小于20cm 的换能器。另外,设计的系统要求沉渣厚度的测量误差应小于0.5cm 。下面根据这几方面的要求来确定所选换能器的工作频率、开角、尺寸和带宽等主要参数。(1换能器的工作频率超声换能器的工作频率的选择是否合理直接决定了其频率特性和方向特性,以及其发射功率、效率和灵敏度等重要性能指标的优劣。通常,超声换能器的工作频率等于其本身的谐振频率,也决定了整个超声检测设备的工作频率,此时换能器将获得最佳的工作状态、最大的发射功率、效率和较高的灵敏度19,21。在沉渣厚度超声测量系统中,超声波频率即为换能器的工作频