混凝土超聲成像檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了一種多通道、高精度混凝土超聲成像檢測儀。該檢測儀器通過高速、高精度數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集多路經(jīng)過混凝土的超聲信號，根據(jù)各路信號的聲時(shí)值，給出混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部層析成像結(jié)果。檢測中給出的試驗(yàn)結(jié)果很好地顯示了試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該檢測系統(tǒng)可有效用于混凝土結(jié)構(gòu)物的安全監(jiān)測和質(zhì)量評價(jià)。
關(guān)鍵詞：信息工程；超聲波檢測；數(shù)據(jù)采集與處理；超聲成像

1 引言
    超聲波檢測儀是混凝土無損檢測中必備的裝置，該儀器通過檢測超聲波在混凝土中的走時(shí)、首波幅度和主頻等參數(shù)來推導(dǎo)混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、缺陷、強(qiáng)度，進(jìn)而評價(jià)被測混凝土的安全運(yùn)行期和使用壽命。為混凝土無損檢測提供一種科學(xué)、直觀的檢測手段。
    縱觀目前國內(nèi)外大量使用的混凝土超聲檢測設(shè)備，其采樣位數(shù)一般為8位，采樣頻率最大20 MHz，可以進(jìn)行單通道或雙通道數(shù)據(jù)采集，采樣精度較低，多點(diǎn)檢測時(shí)需要反復(fù)布點(diǎn)，逐個(gè)接收采樣數(shù)據(jù)，工作量大。同時(shí)，傳統(tǒng)的混凝土超聲檢測設(shè)備只能對所接收的一維信號分析處理和人工判讀，工作效率低。可靠性較差。混凝土是由水泥、沙、粗骨散粒料組成的混合材料，同時(shí)由于混凝土檢測過程中檢測環(huán)境復(fù)雜，影響因素多，直接從一維接收信號中比較確定獲得關(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，一般需要要求儀器操作者具有相當(dāng)?shù)墓ぷ鹘?jīng)驗(yàn)。這已成為嚴(yán)重制約混凝土超聲檢測手段普及與發(fā)展的主要原因之一。
    基于超聲波無損檢測技術(shù)開發(fā)了一種多通道、高精度混凝土超聲成像檢測儀。同時(shí)給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋z測結(jié)果，其結(jié)果很好地顯示試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該多通道、高精度混凝土超聲檢測儀是一款集超聲信號發(fā)射、采集與處理、超聲數(shù)據(jù)分析與管理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)CT成像多種功能于一體的智能化超聲檢測儀。該檢測儀由便攜式計(jì)算機(jī)及內(nèi)置的信號處理卡、MD卡和超聲電源構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    該檢測儀可實(shí)現(xiàn)24通道高速并行數(shù)據(jù)采集，可將接收換能器傳來的模擬信號進(jìn)行放大／衰減，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理和分析等，還可向發(fā)射換能器輸出激發(fā)脈沖。其工作過程為：計(jì)算機(jī)通過PCI總線向信號處理卡和A／D卡發(fā)出各種配置命令；當(dāng)軟件執(zhí)行命令時(shí)，計(jì)算機(jī)向信號處理卡的觸發(fā)寄存器寫入開始采集命令，信號處理卡接收到命令后分別向發(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，發(fā)射電源被觸發(fā)脈沖觸發(fā)后開始向發(fā)射換能器高壓放電，發(fā)射換能器受到激發(fā)后向被測混凝土構(gòu)件發(fā)射超聲波；接收換能器接收到超聲信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)處理后送到A／D卡；A／D卡在接收到信號處理卡的控制信號后開始A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過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。

3 數(shù)據(jù)采集卡
    該檢測儀中，數(shù)據(jù)采集卡采用PCI-1714。PCI-1714是一款高速、高分辨率、板載高存儲容量的PCI數(shù)據(jù)采集卡，配備4組模擬輸入端，具備同步鎖存和同步采集的功能。當(dāng)4組模擬輸入同時(shí)使用時(shí)，采樣頻率最高可達(dá)30 MS／s。該數(shù)據(jù)采集卡具備12 bit的分辨率，同時(shí)內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立A／D轉(zhuǎn)換器，可使4個(gè)信道同步采樣，板載32 KB FIFO內(nèi)存，允許在極速采樣時(shí)有足夠的緩沖區(qū)可供暫存數(shù)據(jù)，以維持信號采集的速度及完整性。
    混凝土超聲檢測儀支持24路模擬信號高速并行采集．而PCI-1714只有4組模擬輸入。該方案采用分時(shí)復(fù)用的機(jī)制將24路模擬輸入通道分為4路，使用多路選擇器選擇通道，這樣可實(shí)現(xiàn)4路模擬信號的同步采集。
    由于需要采集的數(shù)據(jù)量很大，同時(shí)要實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，要求高速數(shù)據(jù)采集時(shí)不能過多占用CPU資源，因此采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式及相應(yīng)的中斷控制。由于PCI-1714的PCI總線控制器工作在主控模式下，借助PCI總線高帶寬、低延遲的特性，經(jīng)DMA數(shù)據(jù)傳輸，將采集的數(shù)據(jù)從FIFO中讀出直接傳送給計(jì)算機(jī)內(nèi)存，配合設(shè)備驅(qū)動程序及上層應(yīng)用程序?qū)Y(jié)果分析、處理、顯示和存儲，整個(gè)傳輸過程無需CPU干預(yù)，完全由硬件實(shí)現(xiàn)，從而有效地提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。采用DMA方式進(jìn)行大段數(shù)據(jù)傳輸，采樣周期由板卡嚴(yán)格控制，避免了由于軟件系統(tǒng)時(shí)間控制不精確而產(chǎn)生的信號失真。這樣系統(tǒng)可在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行其他工作，增加了系統(tǒng)的靈活性。

4 信號處理卡
    信號處理卡的主要功能是把接收換能器傳來的信號變成符合A/D卡處理的信號，并把計(jì)算機(jī)發(fā)出的觸發(fā)命令轉(zhuǎn)化成適合超聲電源和MD卡接收的觸發(fā)脈沖信號。主要由可控衰減網(wǎng)絡(luò)、限幅保護(hù)電路、多路復(fù)用電路、可變增益放大器、PCI橋和可編程邏輯器件等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

    由接收換能器接收的超聲波被轉(zhuǎn)化成電信號送到信號處理卡，首先通過1／10倍可選的衰減網(wǎng)絡(luò)，這樣可降低強(qiáng)信號幅度，以免后續(xù)增益級飽和；限幅保護(hù)電路將信號幅度限制在多路復(fù)用IC允許的范圍內(nèi)，以保護(hù)器件不被損壞；4片多路復(fù)用器ADG508F將24路信號分時(shí)復(fù)用，ADG508F是帶有過壓保護(hù)功能的8通道模擬多路復(fù)用器，通過控制3位地址線的邏輯電平切換模擬通道，各通道的通態(tài)電阻為300 Ω；隨后信號進(jìn)入程控可變增益放大器PGA202，PGA202是一種增益為1／10／100／1 000程控放大器，其具有增益精確、失真小、建立時(shí)間快和共模抑制比高等優(yōu)點(diǎn)；PCI橋?qū)?2位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為類似于ISA總線的8位主動并行總線，實(shí)現(xiàn)信號處理卡與計(jì)算機(jī)接口，設(shè)計(jì)采用CH365作為PCI接口器件：CPLD把計(jì)算機(jī)發(fā)來的各種命令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號，該系統(tǒng)選用EPM7128S作為控制核心。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該混凝土超聲檢測儀的軟件主要實(shí)現(xiàn)超聲數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、數(shù)據(jù)存儲與管理等功能。如圖3所示。其層次結(jié)構(gòu)由驅(qū)動程序、動態(tài)鏈接庫程序、人機(jī)界面程序3部分組成。研華公司為PCI-1714提供了支持WIN2000環(huán)境的設(shè)備驅(qū)動程序，而自制的PCI卡則需要編寫驅(qū)動程序。動態(tài)鏈接庫接口程序是聯(lián)系應(yīng)用程序與驅(qū)動程序之間通信的橋梁，它封裝了一系列板卡操作函數(shù)，為應(yīng)用程序?qū)τ布M(jìn)行各種設(shè)置和操作提供接口。與用戶直接打交道的是基于Windows界面的超聲檢測儀應(yīng)用程序，它由超聲儀數(shù)據(jù)采集與處理軟件和超聲數(shù)據(jù)分析軟件組成。前者負(fù)責(zé)超聲信號的采集、數(shù)字濾波和對采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理；后者負(fù)責(zé)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。超聲數(shù)據(jù)分析軟件不僅可以在超聲儀上運(yùn)行。進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析、計(jì)算，還可以脫離儀器獨(dú)立運(yùn)行于普通PC機(jī)上，可以在普通，PC機(jī)上分析和處理采集的數(shù)據(jù)。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析
    為了驗(yàn)證混凝土檢測儀的正確性和有效性，設(shè)計(jì)了含多種已知缺陷的混凝土試塊模型。在(500x500x500)mm3的立方體混凝土試塊中預(yù)埋蜂窩、離析、泥團(tuán)等缺陷，采用單向測試方法，即檢測時(shí)一側(cè)某點(diǎn)發(fā)射，另一側(cè)所有點(diǎn)同時(shí)接收，這樣就可以獲得多個(gè)聲時(shí)值，基于這些聲時(shí)值，得到混凝土結(jié)構(gòu)的層析圖像。由層析圖像可較好地確定混凝土缺陷的位置和缺陷程度。圖4是內(nèi)含大小為(150x150x150)mm3泥團(tuán)的混凝土試塊的CT成像圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測儀能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)混凝土內(nèi)部缺陷。

7 結(jié)語
    該系統(tǒng)具有層析成像功能，可直觀再現(xiàn)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布和缺陷的位置，操作簡單方便，可靠性高；可實(shí)現(xiàn)4通道并行采集和24通道同時(shí)接收，不僅提高了工作效率，而且保證采樣點(diǎn)位置的精確一致性，充分利用采樣數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，保證層析成像的精度；系統(tǒng)采樣位數(shù)高達(dá)12位，信號精度更高，最大采樣頻率是30 MHz，聲時(shí)測讀精度可達(dá)到0．033μs，從而有提高系統(tǒng)的精度和可靠性。