混凝土超声无损检测系统设计

武　刚，杨　录，张艳花

(中北大学 信息与通信工程学院 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)



混凝土超声无损检测系统设计

武刚，杨录，张艳花

(中北大学 信息与通信工程学院 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

摘要：针对传统的混凝土检测系统检测精度低、成本高、信号处理能力差的缺点，提出了一种一发四收超声信号处理系统。该系统选用200 kHz的超声，以合成孔径聚焦成像算法为基础，将四路信号整合为一路信号，通过判断回波信号声时、声幅和主频的变化来对混凝土质量进行检测，大大增加了混凝土缺陷回波的分辨率，提高了系统的检测精度。实验表明，系统性能稳定，精度高，有广阔的应用前景。

关键词：混凝土工程；无损检测；一发四收超声信号处理系统；大容量数据采集卡；合成孔径聚焦成像算法

传统换能器的半功率波速角为0.84λ/d[1]，其中d为换能器的直径，λ为超声的工作波长，高频超声的分辨率高，低频超声的分辨率低，由此我们知道要想提高换能器的横向分辨率可以选择大孔径的换能器[2]或提高探头的工作频率，但大孔径换能器制作不方便[3]，而超声波在探伤的过程中其穿透深度与频率有关，高频超声波的穿透能力小，低频超声波的穿透能力大，混凝土材料结构复杂、具有粘塑性，当超声波穿过混凝土时能量衰减很大，因此混凝土检测必须选用低频超声[4]，实际应用中多采用50 kHz的低频超声波，但此频率的超声回波拖尾较长，缺陷波与始发波、缺陷波与缺陷波叠加在一起影响检测结果。而且传统检测中多采用超声脉冲单通道检测法，但是这种方法检测精度低。为此，本课题选用200 kHz超声，采用一发四收超声信号处理电路，以合成孔径聚焦成像算法为基础，将四路信号整合为一路信号，以四个小孔径换能器去模仿一个大孔径的换能器。实验证明，本系统采用的合成孔径聚焦成像的方法，既提高了换能器的横向分辨率，又保证了超声波在混凝土标准件中有较大的穿透力[5]。

四通道超声波混凝土无损检测电路具体设计见图1。

图1　电路设计流程图

1超声波发射部分

超声发射电路的实质就是激励换能器的压电晶片，使其将电信号转换成超声波，本系统的发射电路由脉冲整形电路模块和高压脉冲产生模块组成。

本系统同步触发脉冲是由FPGA控制产生的，其触发频率为100 Hz、脉宽为1 us。由于触发脉冲是一个方波信号，含有丰富的高频分量，若这些信号进入模拟系统将影响超声回波信号的质量，有时甚至得不到超声回波信号。为此，在该设计中，通过加入光耦HCPL-0630将数字系统与模拟系统充分隔离。由于8N80MOS管需要12 V驱动，因此需要通过TC4427将5 V脉冲整型成12 V脉冲。经过整型的脉冲信号通过控制8N80MOS管的通断来对电容进行充放电，从而产生高压脉冲波，激励探头产生超声波。

2超声波模拟接收部分

超声波接收电路实现了超声波回波信号的前期处理，主要由前级阻抗匹配放大电路、低噪声放大电路、巴特沃斯滤波器、全波放大电路五部分构成。本系统采用单电源供电系统，具有携带方便、易于集成化等优点。

2.1前级阻抗匹配放大电路模块

由于超声波传感器接收到的回波信号仅有几毫伏，所以前级信号处理的好坏直接决定了超声波接收电路的整体性能。尽管随着当今科技的高速发展，很多低噪声高性能集成运算放大器被研发出来，但其噪声系数仍远大于分立元件的噪声放大系数。为了高精度地检测微弱信号，得到放大器的最小噪声系数，本课题选用由结型场效应管J310构成的低噪声、高输入阻抗的前级阻抗匹配放大电路。相比于其他形式的前级电路，场效应管阻抗匹配电路具有输入阻抗高、噪声系数小、制造工艺简单、耗能少、供电电压范围大等优势。由于其导电粒子只有多子，因此其稳定性极好，抗辐射能力极强。前级阻抗匹配放大电路模块如图2所示。

图2是J310场效应管构成的超声波接收电路的前级阻抗匹配放大部分，图中二极管和稳压管的作用是保护接收电路，防止电路受高压脉冲的冲击，RA3电阻选用1 MΩ保证其输入阻抗大输出阻抗小，起到电路阻抗匹配的作用。

图2　前级阻抗匹配放大电路模块

2.2低噪声放大电路模块

低噪声放大器是信号处理中一个极其重要的部分，常用于小信号处理的前级，不仅能放大传感器微弱信号，而且能有效地抑制噪声，提高电路分辨率。若在信号处理前级放置低噪声、高性能运放，就能在尽可能满足增益的同时，又有效地抑制电路的噪声，从而使整个电路噪声大大减小，提高了信噪比与分辨率。由此可见低噪声前级运放的性能决定了整个信号处理电路的性能，对于整个系统技术参数的提高，起到了至关重要作用。低噪声放大电路模块如图3所示。

图3　低噪声放大电路模块

在这里选用带宽为100 M的低噪声运放AD8072。其中，电容CB3的作用是为了滤除前级J310输出的直流分量，电容CB3选用0.01 μF滤去回波信号中混有的50 Hz工频干扰。本系统采用单电源供电，由于输入AD8072的信号含有负峰信号，为了防止输入信号烧毁芯片，同时提高AD8072输出的动态范围，必须在AD8072同向端加入2.5 V的偏置电压。

2.3二阶巴特沃斯带通滤波电路模块

由于超声波在混凝土内部传播时会遇到很多次折射、反射，产生各种频率、各种幅值的噪声，使超声波回波信号湮没到了噪声中无法识别，为提高信号的信噪比和方便后续A/D对全波信号有效采集，带通滤波器是必不可少的。相对于切比雪夫滤波器通带内增益不是单调变化，贝塞尔滤波器有一个恒定的群延迟而言，本文选用通带范围内平坦度较大的巴特沃斯带通滤波器。本系统设计了一个二阶巴特沃斯带通滤波器，其中心频率为200 kHz、带宽为100 kHz。二阶巴特沃斯带通滤波电路如图4所示。

图4　二阶巴特沃斯带通滤波电路模块

2.4全波放大电路模块

经过前几级的放大后回波信号幅值仍然达不到要求，因此对全波信号再进行放大是十分必要的。由于普通运放的信号峰峰值只可达到其电源电压的80%，即出现饱和失真，为了更好地解决问题，本设计采用轨到轨输出的、高速电压反馈型、带宽为80 M的运放芯片AD8031作为全波信号的放大器，使回波信号幅值达到要求。全波放大电路模块如图5所示。

图5　全波放大电路模块

3数据采集部分

系统以FPGA为控制核心来完成四路回波信号的采集。其外围器件有AD采集芯片TLC5510、电平转换芯片74HC245、数据存储芯片IDT7205及USB通信芯片CY7C68013A。上位机与下位机通过USB进行数据传输，本系统设计的四通道采集卡可以实时观测采集波形，并将采集数据读取保存，以便后期的数据处理。

4实验分析

实际合成孔径并不是将四路回波信号进行简单的叠加，而是要经过复杂的聚焦过程来对信号进行重建，图6为本次实验波形合成孔径的示意图。

图6　合成孔径聚焦原理图

由图知各孔径到目标点P的距离rm是变化的，可表示为：

(1)

其中，R为固定值，rm随着dm的不同呈曲线变化，所以P点在各个孔径检测信号中反射回波到达时刻tm不同，可表示为：

tm=2rm/v.

(2)

点P就可通过下式进行聚焦：

(3)

式中：F(dm，tm)为第m个孔径信号中点P的回波，s(xi，yj)为点P的重建信号，按照上述SAFT算法，混凝土结构中其它点也可进行聚焦[6]。按照以上理论我们对四路回波信号进行逐点时延，通过合成孔径算法就能对回波信号进行重建。

图7　四路混凝土有伤回波信号

图8　合成孔径聚焦后的有伤回波信号

上图是直径为10 cm的PVC管人工伤采集结果，图7为去掉直流偏置的四路有伤回波信号，由以上分析理论可知，要得到混凝土内某一点的聚焦成像，只需要将每个探头接收的回波信号做时延处理并求和取平均即可，这样既可以使超声回波信号幅值加强，又可以使噪声信号幅值减弱，达到了增强信号信噪比和横向分辨率的目的。图8是通过合成孔径算法得到的回波信号。通过两图对比可以知道，由合成孔径聚焦算法处理后的回波首波幅度为600 mV左右，而传统方法采集的回波首波幅度为400 mV左右。表1为合成孔径算法与传统测量方法测量结果。

表1　合成孔径算法与传统测量方法测量结果

表1中ΔV=V2-V1，由表1中数据可知，合成孔径算法的回波幅度V2大于传统测量方法的回波幅度V1，并且在缺陷尺寸越大时，ΔV的值越大，合成孔径算法优势越明显。由实验数据可知该系统的分辨率得到了较大的提高。

5结论

从实验数据可以看出：混凝土检测系统分辨率得到了较大提高，缺陷部位聚焦效果明显，基本可以满足一般实用分辨要求。所以该系统结合合成孔径算法，采取多组探头对于混凝土检测提供了一种很好的途径，并且该系统具有快速、分辨率高、成本低等优点。

参考文献

[1]吕晓光，王明全，李光亚.超声合成孔径聚焦成像在混凝土探伤中的仿真[D].南京：南京航空航天大学,2008.

[2]李小娟.基于合成孔径计较技术的轮对探伤成像算法研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[3]王治乐，周彦平，张伟，等.合成孔径成像技术对比研究[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36(3):384-387.

[4]李志强，周宗辉，徐东宇，等.基于超声波技术的混凝土无损检测[J].计量检测,2010(3):72-75.

[5]廖寅，熊必成，李秋锋，等.混凝土结构超声阵列探头成像算法研究[J].压电与声光，2013,34(6):932-935.

[6]李秋锋.混凝土结构内部异常超声成像技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2008.

Design of Concrete Ultrasonic Nondestructive Testing System

Wu Gang, Yang Lu, Zhang Yanhua

(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:For the problems of low accuracy, high cost and poor signal processing with traditional concrete detection system, this paper presents a four incomes and one out ultrasonic signal processing system. The system chooses the ultrasound of 200 kHz, integrates four signals into one signal based on the imaging algorithm of synthetic aperture focusing, and analyzes the changes of the sound velocity and main frequency of echo to detect the concrete quality. It greatly increases the resolution of concrete defect echo. Experimental results show that the system has the features of stable performance, high precision, has broad application prospects.

Key words:concrete projects; non-destructive testing; one out and four received ultrasonic signal processing system; high-capacity data acquisition card; synthetic aperture focusing imaging algorithm

中图分类号：TP274

文献标识码：A

文章编号：1674- 4578(2016)01- 0035- 03

作者简介：武刚(1987- )，男，硕士研究生，主要从事超声检测和信号处理方面的研究。

收稿日期：2015-11-19