混凝土超声成像检测仪的设计与实现

摘要：设计了一种多通道、高精度混凝土超声成像检测仪。该检测仪器通过高速、高精度数据采集卡同时采集多路经过混凝土的超声信号，根据各路信号的声时值，给出混凝土结构的内部层析成像结果。检测中给出的试验结果很好地显示了试件的内部结构。实验结果表明：该检测系统可有效用于混凝土结构物的安全监测和质量评价。
关键词：信息工程；超声波检测；数据采集与处理；超声成像

1 引言
    超声波检测仪是混凝土无损检测中必备的装置，该仪器通过检测超声波在混凝土中的走时、首波幅度和主频等参数来推导混凝土内部的结构、缺陷、强度，进而评价被测混凝土的安全运行期和使用寿命。为混凝土无损检测提供一种科学、直观的检测手段。
    纵观目前国内外大量使用的混凝土超声检测设备，其采样位数一般为8位，采样频率最大20 MHz，可以进行单通道或双通道数据采集，采样精度较低，多点检测时需要反复布点，逐个接收采样数据，工作量大。同时，传统的混凝土超声检测设备只能对所接收的一维信号分析处理和人工判读，工作效率低。可靠性较差。混凝土是由水泥、沙、粗骨散粒料组成的混合材料，同时由于混凝土检测过程中检测环境复杂，影响因素多，直接从一维接收信号中比较确定获得关于混凝土的内部质量的描述还存在相当大的难度和不确定性，一般需要要求仪器操作者具有相当的工作经验。这已成为严重制约混凝土超声检测手段普及与发展的主要原因之一。
    基于超声波无损检测技术开发了一种多通道、高精度混凝土超声成像检测仪。同时给出了试验模型的检测结果，其结果很好地显示试件的内部结构。

2 系统结构
    该多通道、高精度混凝土超声检测仪是一款集超声信号发射、采集与处理、超声数据分析与管理、现场数据CT成像多种功能于一体的智能化超声检测仪。该检测仪由便携式计算机及内置的信号处理卡、MD卡和超声电源构成，系统结构框图如图1所示。

    该检测仪可实现24通道高速并行数据采集，可将接收换能器传来的模拟信号进行放大／衰减，A/D转换，数字信号处理和分析等，还可向发射换能器输出激发脉冲。其工作过程为：计算机通过PCI总线向信号处理卡和A／D卡发出各种配置命令；当软件执行命令时，计算机向信号处理卡的触发寄存器写入开始采集命令，信号处理卡接收到命令后分别向发射电源和A／D卡发出特定宽度、特定延迟的触发控制信号，发射电源被触发脉冲触发后开始向发射换能器高压放电，发射换能器受到激发后向被测混凝土构件发射超声波；接收换能器接收到超声信号并将其转换为电信号，电信号经处理后送到A／D卡；A／D卡在接收到信号处理卡的控制信号后开始A/D转换，同时将转换后的数字信号通过PCI总线传送到计算机内存，然后进行数据处理。

3 数据采集卡
    该检测仪中，数据采集卡采用PCI-1714。PCI-1714是一款高速、高分辨率、板载高存储容量的PCI数据采集卡，配备4组模拟输入端，具备同步锁存和同步采集的功能。当4组模拟输入同时使用时，采样频率最高可达30 MS／s。该数据采集卡具备12 bit的分辨率，同时内含4个独立A／D转换器，可使4个信道同步采样，板载32 KB FIFO内存，允许在极速采样时有足够的缓冲区可供暂存数据，以维持信号采集的速度及完整性。
    混凝土超声检测仪支持24路模拟信号高速并行采集．而PCI-1714只有4组模拟输入。该方案采用分时复用的机制将24路模拟输入通道分为4路，使用多路选择器选择通道，这样可实现4路模拟信号的同步采集。
    由于需要采集的数据量很大，同时要实时处理数据的实时处理，要求高速数据采集时不能过多占用CPU资源，因此采用DMA数据传输方式及相应的中断控制。由于PCI-1714的PCI总线控制器工作在主控模式下，借助PCI总线高带宽、低延迟的特性，经DMA数据传输，将采集的数据从FIFO中读出直接传送给计算机内存，配合设备驱动程序及上层应用程序对结果分析、处理、显示和存储，整个传输过程无需CPU干预，完全由硬件实现，从而有效地提高数据的传输速率。采用DMA方式进行大段数据传输，采样周期由板卡严格控制，避免了由于软件系统时间控制不精确而产生的信号失真。这样系统可在数据采集的同时进行其他工作，增加了系统的灵活性。

4 信号处理卡
    信号处理卡的主要功能是把接收换能器传来的信号变成符合A/D卡处理的信号，并把计算机发出的触发命令转化成适合超声电源和MD卡接收的触发脉冲信号。主要由可控衰减网络、限幅保护电路、多路复用电路、可变增益放大器、PCI桥和可编程逻辑器件等构成。其结构原理图如图2所示。

    由接收换能器接收的超声波被转化成电信号送到信号处理卡，首先通过1／10倍可选的衰减网络，这样可降低强信号幅度，以免后续增益级饱和；限幅保护电路将信号幅度限制在多路复用IC允许的范围内，以保护器件不被损坏；4片多路复用器ADG508F将24路信号分时复用，ADG508F是带有过压保护功能的8通道模拟多路复用器，通过控制3位地址线的逻辑电平切换模拟通道，各通道的通态电阻为300 Ω；随后信号进入程控可变增益放大器PGA202，PGA202是一种增益为1／10／100／1 000程控放大器，其具有增益精确、失真小、建立时间快和共模抑制比高等优点；PCI桥将32位高速PCI总线转换为类似于ISA总线的8位主动并行总线，实现信号处理卡与计算机接口，设计采用CH365作为PCI接口器件：CPLD把计算机发来的各种命令转化为相应的控制信号，该系统选用EPM7128S作为控制核心。

5 系统软件设计
    该混凝土超声检测仪的软件主要实现超声数据的采集、处理、分析、数据存储与管理等功能。如图3所示。其层次结构由驱动程序、动态链接库程序、人机界面程序3部分组成。研华公司为PCI-1714提供了支持WIN2000环境的设备驱动程序，而自制的PCI卡则需要编写驱动程序。动态链接库接口程序是联系应用程序与驱动程序之间通信的桥梁，它封装了一系列板卡操作函数，为应用程序对硬件进行各种设置和操作提供接口。与用户直接打交道的是基于Windows界面的超声检测仪应用程序，它由超声仪数据采集与处理软件和超声数据分析软件组成。前者负责超声信号的采集、数字滤波和对采集数据的数据库管理；后者负责对测试数据进行计算和分析。超声数据分析软件不仅可以在超声仪上运行。进行现场数据分析、计算，还可以脱离仪器独立运行于普通PC机上，可以在普通，PC机上分析和处理采集的数据。

6 试验结果分析
    为了验证混凝土检测仪的正确性和有效性，设计了含多种已知缺陷的混凝土试块模型。在(500x500x500)mm3的立方体混凝土试块中预埋蜂窝、离析、泥团等缺陷，采用单向测试方法，即检测时一侧某点发射，另一侧所有点同时接收，这样就可以获得多个声时值，基于这些声时值，得到混凝土结构的层析图像。由层析图像可较好地确定混凝土缺陷的位置和缺陷程度。图4是内含大小为(150x150x150)mm3泥团的混凝土试块的CT成像图。试验结果表明，该检测仪能够准确再现混凝土内部缺陷。

7 结语
    该系统具有层析成像功能，可直观再现混凝土内部结构的强度分布和缺陷的位置，操作简单方便，可靠性高；可实现4通道并行采集和24通道同时接收，不仅提高了工作效率，而且保证采样点位置的精确一致性，充分利用采样数据之间的相关性，保证层析成像的精度；系统采样位数高达12位，信号精度更高，最大采样频率是30 MHz，声时测读精度可达到0．033μs，从而有提高系统的精度和可靠性。