基于嵌入式非金属超声无损检测系统研究

1 前言
超声波在介质中传播时, 遇到不同介质的界面就将产生反射、折射、绕射和衰减等现象。超声检测技术就是利用超声波在介质中的传播特性(声速、衰减、反射、声阻抗等) 来实现对非声学量(如缺陷、厚度、密度、强度、硬度、流量、液位等) 的测定。非金属超声检测仪主要用于混凝土的无损检测[1], 也可用于木材、塑料、橡胶、石墨、碳素纤维、陶瓷等材料的物理性能测量。
目前, 非金属超声检测仪主要为晶体管、集成电路混合式模拟仪器, 采用CRT 示波管作为显示器, 具有简单实用、直观、超声波形实时性好等特点, 但体积大且笨重, 功耗高, 无法实现各种检测工艺的选择调用, 也没有自动测读、存储、打印、传输等数字化处理功能, 因而不适应当今用户的实际检测应用和数据库管理需求。可以预期，具有体积小、耗能低、应用灵活、功能强大、可靠性强等诸多优点的嵌入式主控技术的应用将引起非金属超声检测仪向超小型手持化发展。
本文首先讨论了超声检测的原理，并分析了超声技术在混凝土检测的机理和应用方法[2，3]，采用ARM9嵌入式芯片做为主控制芯片，配合高精度数据采集系统、LCD液晶显示模块等设计的非金属超声检测分析仪。该仪器集超声波发射、同步接收、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，具有体积小，功耗低等优点，十分具有应用前景。
2 超声波检测的基本原理
在弹性介质内某一点，由于某种原因而引起初始扰动或振动时，这一扰动或振动将以波的形式在弹性介质内传播，形成弹性波。声波是弹性波的一种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。

比较（2.3）、（2.4）式，可看出VP>VS，即纵波波速大于横波波速，因此纵波又称为初至波，横波又称为次波。由波速的表达式还可以看出，当弹性介质的性质和种类不同、弹性常数和密度不相同时，弹性波在介质中传播的速度也不同。在实际测量中，由于横波的发生和接收都比较困难，多以测纵波为主，故本文主要考察的是纵波。
2.1 声波在两种介质面上的传播规律
声波在介质中传播的过程中，遇到与原介质阻抗不同的障碍物时，在两种介质面上声波的传播规律、声波能量的分配都将发生变化。这种变化的规律依赖于声波波长和障碍物尺寸的比率、两种介质的特性以及声波的入射角度。如果障碍物尺寸与波长相近，将发生显著的绕射现象。如果障碍物尺寸小于波长，声波的大部分能量绕过障碍物，少部分能量向障碍物四周散射。当两种介质的界面尺寸远大于声波波长时，声波在介质面上将发生反射、折射和波形转换。
2.2 声波在混凝土中的传播特点
混凝土类材料是一种集结型复合材料，是多相复合体系，其内部存在着广分布的复杂界面，例如砂浆与骨料的界面、各种缺陷所形成的界面，因此超声在混凝土中的传播状态要比均匀介质中复杂得多，根据超声波的性质，超声波混凝土中的传播有如下特点:
1.超声波在混凝土中衰减较大。混凝土材料具有粘塑性，当超声波穿过混凝土时将引起能量吸收，使部分声波在材料中被转换成其他能量而损失，即所谓吸收衰减;混凝土中存在颗粒结构—骨料或缺陷，因而其中存在广泛的界面，当超声波到达界面时会产生射现象，从而产生散射衰减，散射功率的大小与频率的平方成正比。因此，为使超声波在混凝土中的传播距离增大，往往采用比金属材料探伤中采用的频率得多的超声频率，频率低的波扩散角很大，波束扩散，单位面积上的声能随传距离的增大而减小，产生扩散衰减。根据文献[4]，对于质量正常的混凝土，超声波在传播过程中的总衰减系数a与频率f的关系为:

其中，f为超声频率;a、b、c 为由介质和散射物特性决定的比例常数，混凝土中存在缺陷时，被空气或其他物质(如水)所填充的缺陷在混凝土中形一个夹层，使混凝土的连续性受到破坏，由于高频分量易于被反射，超声波通裂缝后，接收波中高频分量减小，其结果是接收波的频率下降。
2.超声波在混凝土中的指向性差。主要有两个原因:其一是由于采用的频率较低，即波长较长，扩散角θ 一般较大，超声波失去指向性。其二是由于众多的界面所造成的发射和折射波，虽然这些波的声强比入低，但由于数量众多，而且彼此相互干涉和叠加，造成较大的漫射声能，也束的指向性变差。
3.超声波的传播路线往往因界面的发射和折射而曲折，因此当超声波在土中遇到较大的缺陷时并非直线传播。
4.在混凝土的超声检测中一般采用产生纵波的发射超声换能器，当超声一种介质入射到另一种介质时，声波能量在界面上要发生转化，因为混凝土种成分极为复杂的非均匀性物质，所以即使入射波为单一纵波，也会通过在介质界面上的波形转换产生横波。
由以上可知，高频超声波在传播过程中有很大的衰减，所以在混凝土的超声检测中一般都采用低频超声波，在检测缺陷时，超声波束不可能集中对准某一范围，这使缺陷处的反射波很微弱，所以在混凝土的超声检测中一般采用透射法.超声波在混凝土中的传播特点是超声无损检测的基础，但由于结构本身的复杂性，我们对其传播特性的了解仍然十分肤浅[5]。
2.3 超声波用于桩身混凝土检测时采用的物理量
超声脉冲法是根据声波在固体介质中的传播速度与密实度成正相关而建立的一种无损检测方法，其主要特点是使超声波穿透混凝土，以获知质量信息，包括强度及缺陷。就此而言，超声波法具有其他仅作用于混凝土表层的无损检测方法所不具备的优点，超声脉冲法的实用价值主要体现在对混凝土内部缺陷的判别上。超声声速由材料的刚度和密度所决定，而传播时间与传播距离及声速有关，超声的衰减以及频谱的变化与介质的成分和内部所含颗粒的大小密切相关。因此超声脉冲技术有着广泛的应用，能用于检测和定位混凝土中的缺陷、孔穴、钢筋等，测量厚度，评估桥梁、大坝、墙壁状态的完整性和可靠性，以及监测混凝土固化过程中强度的变化等。[!--empirenews.page--]
2.4 超声检测的判断标准
超声脉冲法对混凝土结构检测时，通过利用超声的声时、波幅、频率以及波形等参数综合对混凝土的浅裂缝、深裂缝、不密实区和空洞、混凝土结构结合面质量、表面损伤层以及混凝土内部匀质性等缺陷进行检测和判定[5，6，7]。
1.声速变化：当超声波在传播路径上遇到缺陷时，若该缺陷是空洞，则其中必充填空气或水汽。由于混凝土与空气的特性阻抗相差悬殊，界面的声能反射系数近于1,因此超声波难于通过混凝土/空气界面.但由于低频超声波漫射的特点，声波又将沿缺陷边缘而传播，这样，因为绕射传播的路径比直线传播的路径长，所测得的声时也就比正常的混凝土长。在计算测点声速时，我们总是以换能器间的距离t作为传播距离，结果在缺陷处的计算声速(视声速)就减小。
2.接收波振幅的变化：由于缺陷对声波的反射或吸收比正常混凝土大，所以当超声波通过缺陷后，衰减比正常混凝土大，即接收波的振幅将减小。因此，和声时(速)一样，根据接收波首波振幅的异常变化也可以发现缺陷的存在。
3.接收波主频率的变化：对接收波信号的频谱分析证明，不同质量的混凝土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减不同，因此，当超声波通过不同质量的混凝土后，接收波的频谱(即各频率分量的幅度)也不同.质量差或有内部缺陷、裂缝的混凝土，其接收波中高频分量相对减少而低频分量相对增大，接收波的主频率值下降，从而反映出缺陷和裂缝的存在。
4.接收波波形的变化：当超声波通过混凝土内部缺陷时，由于混凝土的连续性己被破坏，使声波的传播路径复杂化，直达波，绕射波等各类波相继到达接收换能器.它们各有不同的频率和相位。这些波的叠加有时会造成波形的畸变。
3 基于ARM9 嵌入式系统的非金属超声检测分析仪的研制[8,9,10]
3.1 基于ARM 的检测系统设计
本系统选用的三星S3C2510A处理器中内嵌ARM940T核[8]。本设计主要考虑到这款芯片具有高达166 MHz的主频且内含以太网控制器(MAC),同时具有6个32位可编程计数器, 2路异步串行通信接口。
数据采集与处理芯片选用的Spartan-3是Xilinx公司的新一代FPGA产品, 是一款90nm工艺FPGA, 采用1.2V内核, 在超高速数据采集和信号处理方面有着明显的优势。该FPGA 时钟频率高, 内部时延小,硬件资源丰富, 全部控制逻辑均可由硬件资源完成, 而且速度快, 效率高, 组成形式灵活, 并可集成外围控制、译码和接口电路。此外, 它还带有先进的数字时钟管理器(DCM), 可为高性能电路设计提供更大的灵活性和更强的控制能力。

        图1 主控制电路系统框图
3.2 软件设计
系统选用软件系统模块化，且克服了前后台软件设计的弊端，提高了系统的实时性和稳定性。整个程序从结构上分为几大模块：实时探伤系统，仪器参数设计，数据库管理系统，网络通信系统，报表打印模块。实时探伤系统根据设定的超声检测技术规程, 以每秒60帧的速度实时显示回波信号, 同时对闸门内的波形进行检验, 若超标则进行报警提示。软件启动后, 首先执行首波声时、频率、灵敏度等指标的自动测读。为了便于比较, 还应具有峰值记忆、波形比较显示等功能。仪器参数设置向硬件系统设定与检测相关的参数。如声速、探测范围、脉冲移位、探头零点、检波方式等。同时检验参数的有效性并给出提示。
4 实验分析
经调试使用，该仪器达到了下列性能指标：声时测读范围：0～50mS，声时测读精度：± 0.1 uS，幅度测读范围：0～78 dB，幅度分辨率:0.024‰，频率范围:10Hz～250KHz，可探测距离>10m，程序采样周期：0.1～10uS，发射电压：250V、500V、1000V、1500V可选，接收灵敏度≤30 μV，最大采样长度32K，工作时间：8小时（锂电池）。下面给出对混凝土灌注桩(Ⅲ类桩)进行无损检测，声测管的管距980mm，测试剖面，测试间距为0.05m,整个剖面分析结果如下：
声速最大值：5.131 (km/s)；声速最小值：3.904(km/s)；声速平均值: 4.588 (km/s)；声速标准差: 0.156 （km/s)；声速异常值判定值: 4.128 (km/s)；幅度最大值: 108.9 (dB)；幅度最小值: 88.8 (dB)；幅度平均值: 97.8(dB)；幅度标准差：3.3(dB)；幅度异常值判定值: 91.8 (dB)。

           图2 25.65m 处波形
结合25.65m 处波形，如图2 所示，声时明显增大，首波幅度衰减严重，波形明显异常。因此可初步推定在此桩的AB 剖面的25.45m-25.7m 处可能有缺陷。这与所测试试件为Ⅲ类桩的事实相符合。
5 结论
本文介绍了超声波用于非金属无损检测的基本原理，基于ARM9处理器作为核心处理器，并设计了一台数字式非金属超声波分析仪，并进行了混凝土无损检测的实验。试验结果表明：该仪器可准确快速地检测出被测件的缺陷，与传统的仪器相比，提高了系统得稳定性和可靠性，且具有体积小、重量轻和价格便宜和软硬件升级方便的优点，具有很好的应用价值。