混凝土超聲成像檢測儀的設計與實(shí)現

摘要：設計了一種多通道、高精度混凝土超聲成像檢測儀。該檢測儀器通過(guò)高速、高精度數據采集卡同時(shí)采集多路經(jīng)過(guò)混凝土的超聲信號，根據各路信號的聲時(shí)值，給出混凝土結構的內部層析成像結果。檢測中給出的試驗結果很好地顯示了試件的內部結構。實(shí)驗結果表明：該檢測系統可有效用于混凝土結構物的安全監測和質(zhì)量評價(jià)。
關(guān)鍵詞：信息工程；超聲波檢測；數據采集與處理；超聲成像

1 引言
超聲波檢測儀是混凝土無(wú)損檢測中必備的裝置，該儀器通過(guò)檢測超聲波在混凝土中的走時(shí)、首波幅度和主頻等參數來(lái)推導混凝土內部的結構、缺陷、強度，進(jìn)而評價(jià)被測混凝土的安全運行期和使用壽命。為混凝土無(wú)損檢測提供一種科學(xué)、直觀(guān)的檢測手段。
縱觀(guān)目前國內外大量使用的混凝土超聲檢測設備，其采樣位數一般為8位，采樣頻率最大20 MHz，可以進(jìn)行單通道或雙通道數據采集，采樣精度較低，多點(diǎn)檢測時(shí)需要反復布點(diǎn)，逐個(gè)接收采樣數據，工作量大。同時(shí)，傳統的混凝土超聲檢測設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?？煽啃暂^差?；炷潦怯伤?、沙、粗骨散粒料組成的混合材料，同時(shí)由于混凝土檢測過(guò)程中檢測環(huán)境復雜，影響因素多，直接從一維接收信號中比較確定獲得關(guān)于混凝土的內部質(zhì)量的描述還存在相當大的難度和不確定性，一般需要要求儀器操作者具有相當的工作經(jīng)驗。這已成為嚴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(wú)損檢測技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種多通道、高精度混凝土超聲成像檢測儀。同時(shí)給出了試驗模型的檢測結果，其結果很好地顯示試件的內部結構。

2 系統結構
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、超聲數據分析與管理、現場(chǎng)數據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算機及內置的信號處理卡、MD卡和超聲電源構成，系統結構框圖如圖1所示。

該檢測儀可實(shí)現24通道高速并行數據采集，可將接收換能器傳來(lái)的模擬信號進(jìn)行放大／衰減，A/D轉換，數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(guò)程為：計算機通過(guò)PCI總線(xiàn)向信號處理卡和A／D卡發(fā)出各種配置命令；當軟件執行命令時(shí)，計算機向信號處理卡的觸發(fā)寄存器寫(xiě)入開(kāi)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(kāi)始向發(fā)射換能器高壓放電，發(fā)射換能器受到激發(fā)后向被測混凝土構件發(fā)射超聲波；接收換能器接收到超聲信號并將其轉換為電信號，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(kāi)始A/D轉換，同時(shí)將轉換后的數字信號通過(guò)PCI總線(xiàn)傳送到計算機內存，然后進(jìn)行數據處理。

3 數據采集卡
該檢測儀中，數據采集卡采用PCI-1714。PCI-1714是一款高速、高分辨率、板載高存儲容量的PCI數據采集卡，配備4組模擬輸入端，具備同步鎖存和同步采集的功能。當4組模擬輸入同時(shí)使用時(shí)，采樣頻率最高可達30 MS／s。該數據采集卡具備12 bit的分辨率，同時(shí)內含4個(gè)獨立A／D轉換器，可使4個(gè)信道同步采樣，板載32 KB FIFO內存，允許在極速采樣時(shí)有足夠的緩沖區可供暫存數據，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)復用的機制將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4路模擬信號的同步采集。
由于需要采集的數據量很大，同時(shí)要實(shí)時(shí)處理數據的實(shí)時(shí)處理，要求高速數據采集時(shí)不能過(guò)多占用CPU資源，因此采用DMA數據傳輸方式及相應的中斷控制。由于PCI-1714的PCI總線(xiàn)控制器工作在主控模式下，借助PCI總線(xiàn)高帶寬、低延遲的特性，經(jīng)DMA數據傳輸，將采集的數據從FIFO中讀出直接傳送給計算機內存，配合設備驅動(dòng)程序及上層應用程序對結果分析、處理、顯示和存儲，整個(gè)傳輸過(guò)程無(wú)需CPU干預，完全由硬件實(shí)現，從而有效地提高數據的傳輸速率。采用DMA方式進(jìn)行大段數據傳輸，采樣周期由板卡嚴格控制，避免了由于軟件系統時(shí)間控制不精確而產(chǎn)生的信號失真。這樣系統可在數據采集的同時(shí)進(jìn)行其他工作，增加了系統的靈活性。

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(lái)的信號變成符合A/D卡處理的信號，并把計算機發(fā)出的觸發(fā)命令轉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 )、限幅保護電路、多路復用電路、可變增益放大器、PCI橋和可編程邏輯器件等構成。其結構原理圖如圖2所示。

由接收換能器接收的超聲波被轉化成電信號送到信號處理卡，首先通過(guò)1／10倍可選的衰減網(wǎng)絡(luò )，這樣可降低強信號幅度，以免后續增益級飽和；限幅保護電路將信號幅度限制在多路復用IC允許的范圍內，以保護器件不被損壞；4片多路復用器ADG508F將24路信號分時(shí)復用，ADG508F是帶有過(guò)壓保護功能的8通道模擬多路復用器，通過(guò)控制3位地址線(xiàn)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橋將32位高速PCI總線(xiàn)轉換為類(lèi)似于ISA總線(xiàn)的8位主動(dòng)并行總線(xiàn)，實(shí)現信號處理卡與計算機接口，設計采用CH365作為PCI接口器件：CPLD把計算機發(fā)來(lái)的各種命令轉化為相應的控制信號，該系統選用EPM7128S作為控制核心。

5 系統軟件設計
該混凝土超聲檢測儀的軟件主要實(shí)現超聲數據的采集、處理、分析、數據存儲與管理等功能。如圖3所示。其層次結構由驅動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫程序、人機界面程序3部分組成。研華公司為PCI-1714提供了支持WIN2000環(huán)境的設備驅動(dòng)程序，而自制的PCI卡則需要編寫(xiě)驅動(dòng)程序。動(dòng)態(tài)鏈接庫接口程序是聯(lián)系應用程序與驅動(dòng)程序之間通信的橋梁，它封裝了一系列板卡操作函數，為應用程序對硬件進(jìn)行各種設置和操作提供接口。與用戶(hù)直接打交道的是基于Windows界面的超聲檢測儀應用程序，它由超聲儀數據采集與處理軟件和超聲數據分析軟件組成。前者負責超聲信號的采集、數字濾波和對采集數據的數據庫管理；后者負責對測試數據進(jìn)行計算和分析。超聲數據分析軟件不僅可以在超聲儀上運行。進(jìn)行現場(chǎng)數據分析、計算，還可以脫離儀器獨立運行于普通PC機上，可以在普通，PC機上分析和處理采集的數據。

6 試驗結果分析
為了驗證混凝土檢測儀的正確性和有效性，設計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埋蜂窩、離析、泥團等缺陷，采用單向測試方法，即檢測時(shí)一側某點(diǎn)發(fā)射，另一側所有點(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，得到混凝土結構的層析圖像。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是內含大小為(150x150x150)mm3泥團的混凝土試塊的CT成像圖。試驗結果表明，該檢測儀能夠準確再現混凝土內部缺陷。

7 結語(yǔ)
該系統具有層析成像功能，可直觀(guān)再現混凝土內部結構的強度分布和缺陷的位置，操作簡(jiǎn)單方便，可靠性高；可實(shí)現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，充分利用采樣數據之間的相關(guān)性，保證層析成像的精度；系統采樣位數高達12位，信號精度更高，最大采樣頻率是30 MHz，聲時(shí)測讀精度可達到0．033μs，從而有提高系統的精度和可靠性。