CN101930069A - 基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统及其方法，包括虚拟仪器系统、12路换能器阵列、可以控制24路换能器阵列的换能器阵列控制器和UPS不间断电源，所说的虚拟仪器系统包括高压脉冲发生器、信号放大器、高速信号采集器和配有Labview软件程序的微型工控机，均带有PXI接口，本发明具有如下技术效果：1、采用了集成化设计，结构紧凑，携带方便，便于远程运输和野外工作；2、采用人机界面，智能化、集成化程度高，操作流程简单；3、设计了粗检和细检流程，粗检时一次检测可达60cm区域，检测对分辨率要求高的结构可采用细检，分辨率可达1cm；4、系统可对信号放大器和阵列换能器阵列程控，即只通过操作工控机即可实现系统的检测功能。

Description

基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种超声成像无损检测系统及其方法，具体地说，涉及一种基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统及其方法。

背景技术

混凝土超声无损成像探测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够对新旧建筑物整体或部分做质量状态监视，能够用来估计建筑材料和结构的性质及性能，并能对其内部含水量、缺陷和损伤进行测量和定位，还能够用来确定建筑材料和结构内部的预应力元件的位置，以避免在对建筑材料钻孔时发生意外的损伤。

随着混凝土的大规模使用，对新浇铸混凝土结构的强度、内部缺陷、裂缝等特征检测的需要越来越迫切，国内外对检测设备的开发极为关注，如日本Ritec公司开发了iTecs系统，美国Olson公司开发了冲击回波仪，这些仪器都是通过单点测量，回波间接推算，需要专业人员的判读，无法直观地显示混凝土结构内部的特征，且效率低。在公开号为CN1521503A，发明名称“全数字相控阵超声波无损检测系统及方法”的中国专利中，公开了一种全数字相控阵超声波无损检测系统，其操作对象为金属结构，探测效率不高，且其结构比较庞大，搬移较困难。在申请号为CN200610009691，发明名称为“超声相控阵检测仪器”的中国专利中公开了一种超声相控阵检测仪器，其采集的数据需要在控制器中处理后，然后经高速数据传输模块传到个人计算机进行成像，其系统复杂，数据处理过程繁琐，不适合工程应用，且其并非针对混凝土结构。

总之，现有的检测设备主要存在着下列不足之处：1)结构复杂，结构庞大；2)操作复杂，数据处理繁琐；3)探测效率不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统。

本发明的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统，包括虚拟仪器系统、12路换能器阵列、可以控制24路换能器阵列的换能器阵列控制器和UPS不间断电源，所说的虚拟仪器系统包括高压脉冲发生器、信号放大器、高速信号采集器和配有Labview软件程序的微型工控机，均带有PXI接口，微型工控机带有触摸屏，高压脉冲发生器、信号放大器和高速信号采集器集成在微型工控机内，所说的微型工控机的串行通信口与换能器阵列控制器通过屏蔽电缆连接，保证通信的可靠性，所说的换能器阵列控制器与换能器阵列采用SMA接口的屏蔽同轴线电缆连接，这种接口体积小，耐压高，传输信号的频率高，衰减小，便于高压高频脉冲的准确传输，所说的高压脉冲发生器和高速信号采集器与换能器阵列控制器采用BNC接口的高频低衰减的同轴线连接，保证发射信号与采集信号不失真传输。

优选地，

所说的换能器阵列控制器中的CPU为ARM单片机，继电器为耐500V高压高频单刀双路继电器。

所说的换能器阵列采用聚丙烯硬塑料夹固换能器，夹层设有弹簧，底层设有聚胺脂弹性材料，缓冲声波震动，减小相邻通道间的耦合。

本发明的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测方法，包括下列步骤：

1)将换能器阵列置于待测结构表面；

2)打开高压脉冲发生器；

3)操作微型工控机，运行Labview软件程序，进入人机界面；

4)调节信号放大器，设置采集参数；

5)选择“手动采集”或“自动采集”，选择“粗检”或“细检”；

6)开始采集：微型工控机通过串口与换能器阵列控制器通信并对其发送指令，通过其完成对换能器阵列的控制，换能器阵列按指令切换自动对待测结构进行扫描检测，扫描完毕后保存采集数据；

7)选择“是”或“否”结束采集，选择“否”，继续回到上一步继续进行数据采集；

8)选择“是”，结束采集，进行数据处理和超声成像，保存图像。

本发明中检测系统中，工控机为控制主机，用Labview软件建立人机界面并实现信号的采集、处理、成像，通过串口与换能器阵列控制器的ARM单片机通信来控制阵列换能器，通过控制换能器阵列控制器中继电器来控制高压脉冲通道和信号采集通道的通断，从而决定换能器阵列中换能器是处于发射信号还是接收信号状态。

高压脉冲发生器带有两通道输出信号，一通道为400V双指数波信号，一通道为同步5V双指数波信号，高压信号通过换能器阵列控制器激励换能器阵列，低压信号接高速采集器件的触发通道作为触发信号。

信号放大器具有四路通道，具有程控可调功能，即可以通过软件调节其增益，其增益范围为2～70倍，对于不同混凝土结构其回波信号各有不同，对微弱信号可以调大其增益，对强信号可以调小其增益。

高速信号采集器可以同步采集两个通道的输入信号，最大采样率可达到65MHz，也可用VC++或Matlab对其进行编辑，控制和设定采集参数。可以通过软件调节接收信号范围为(-1～1)V和(-5～5)V，采集信号时其触发方式可以选用内部触发和外部触发，系统为保证采样信号的完整性，选用外部触发，通过高压脉冲发生器件产生的低压信号作为其触发信号。

换能器阵列采用了多组换能器，系统通过换能器阵列进行信号发射或接收时，由于换能器制作的工艺偏差造成其频响特性的不一致性，得到的回波信号必然存在差异，这将会影响成像效果降低探测分辨力，为此采用一种基于数字滤波补偿的改进方法。数字滤波的过程实际上是按照系统辨识算法改变输入信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分的过程，其关键是求解出滤波系统的传递函数，考虑到换能器阵列采用顺序切换，通过多次试验选取中心频率精度最高的一组换能器为标准响应信号，即系统输出函数，以其他通道作为系统的输入函数，通过求出传递函数，使得每个通道检测信号通过各自系统传递函数进行补偿，实现各通道的频响一致。

换能器阵列控制器可与虚拟仪器系统通信，接收指令。内部装有可充电锂电池，实现在无外部电源的情况下自主供电，也可切换为外部电源供电状态或锂电池充电状态。

UPS电源可以实现在市电突然断电情况下实现系统的不间断供电，可持续供电5小时，在有市电情况下自动转为市电给系统供电并给蓄电池充电。

本发明的检测系统可安装在小型仪器车上，便于大面积检测和野外检测。

微型工控机通过Labview软件与换能器阵列控制器的ARM单片机建立通信，通过通信协议发送控制指令，ARM单片机接到指令后通过ADS软件设置其GPIO口实现24路继电器通断控制换能器阵列通道选择。换能器阵列各通道被顺序切换激励被测结构，每个通道由两个换能器组成，一个发射信号一个接收信号，实现对被测结构横向或纵向快速探测。信号采集完毕后通过数字补偿滤波器对各换能器通道进行校正，利用小波变换和波包分解技术对信号进行处理，采用合成孔径聚焦技术成像显示。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、采用了集成化设计，大大减小了系统的体积，另外带有微型大容量UPS电源，结构紧凑，携带方便，便于远程运输和野外工作；

2、采用人机界面，智能化、集成化程度高，操作流程简单，便于工程应用；

3、系统软件设计了粗检和细检，粗检时一次检测可达60cm区域，检测对分辨率要求高的结构可采用细检，分辨率可达1cm。

4、系统可对信号放大器和阵列换能器阵列控制程控，即只通过操作工控机就可实现系统的检测功能。

附图说明

图1是本发明的实施例1的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例2的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测方法的流程图；

图3是本发明的实施例2的系统对换能器阵列切换控制的工作流程图；

图4是本发明实施例3的混凝土内部预埋泡沫试块示意图；

图5是本发明实施例3的混凝土内部预埋泡沫试块成像图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统，包括虚拟仪器系统、12路换能器阵列、可以控制24路换能器阵列的换能器阵列控制器和UPS不间断电源，其中虚拟仪器系统包括高压脉冲发生器、信号放大器、高速信号采集器和配有Labview软件程序的微型工控机，均带有PXI接口，微型工控机带有触摸屏，高压脉冲发生器、信号放大器和高速信号采集器集成在微型工控机内，微型工控机的通过RS232串行通信口与换能器阵列控制器通过屏蔽电缆连接，保证通信的可靠性，换能器阵列控制器与换能器阵列采用SMA接口的屏蔽同轴线电缆连接，这种接口体积小，耐压高，传输信号的频率高，衰减小，便于高压高频脉冲的准确传输，高压脉冲发生器和高速信号采集器与换能器阵列控制器采用BNC接口的高频低衰减的同轴线连接，保证发射信号与采集信号不失真传输。换能器阵列控制器中的CPU为ARM单片机，继电器为耐500V高压高频单刀双路继电器。换能器阵列采用聚丙烯硬塑料夹固换能器，夹层设有弹簧，底层设有聚胺脂弹性材料，缓冲声波震动，减小相邻通道间的耦合。

实施例2

如图2、图3所示，本发明的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统的步骤如下：

1)将换能器阵列置于待测结构表面；

2)打开高压脉冲源；

3)操作微型工控机，运行Labview软件程序，进入人机界面；

4)调节信号放大器，设置采集参数；可预先调节放大器的增益，使采集信号幅度适中；

5)选择“手动采集”或“自动采集”，选择“粗检”或“细检”；手动采集可仔细查看采集信号是否稳定，但每个通道采集时需要人工存储数据。自动采集或手动采集时也可选择粗检或细检，粗检即一次检测为换能器阵列的长度，其最小分辨率为4cm，如果需要提高分辨率，则可选择细检，细检的一次移动步长为1cm，故其最小分辨率可达1cm。

6)开始采集：微型工控机通过串口与换能器阵列控制器通信并对其发送指令，换能器阵列控制器接收指令，收到指令后判断指令是否正确，如果错误，返回错误信息；如果正确，执行指令。继电器动作，使产生的高压脉冲顺序激励待测结构，进行扫描检测，扫描完毕后保存采集数据；

7)选择“是”或“否”结束采集，选择“否”，继续回到上一步继续进行数据采集；

8)选择“是”，结束采集，进行数据处理和超声成像，保存图像。为后续的检测作参考或备用。

实施例3

运用本发明的检测系统对厚度为30cm，中间预埋有长度为15cm泡沫的混凝土试块(如图4所示)进行检测，用阵列扫描装置对其扫描成像。从图5可以看出，虚线表示试块的底面位置，试块地面成像非常模糊，表明其反射信号强度很小，是超声波被吸收反射波减弱的结果。

Claims (4)

1.基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统，其特征在于，包括虚拟仪器系统、12路换能器阵列、可以控制24路换能器阵列的换能器阵列控制器和UPS不间断电源，所说的虚拟仪器系统包括高压脉冲发生器、信号放大器、高速信号采集器和配有Labview软件程序的微型工控机，均带有PXI接口，微型工控机带有触摸屏，高压脉冲发生器、信号放大器和高速信号采集器集成在微型工控机内，所说的微型工控机的串行通信口与换能器阵列控制器通过屏蔽电缆连接，所说的换能器阵列控制器与换能器阵列采用SMA接口的屏蔽同轴线连接，所说的高压脉冲发生器和高速信号采集器与换能器阵列控制器采用BNC接口的高频低衰减的同轴线连接。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统，其特征在于，所说的换能器阵列控制器中的CPU为ARM单片机，继电器为耐500V高压高频单刀双路继电器。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测系统，其特征在于，所说的换能器阵列中采用聚丙烯硬塑料夹固换能器，夹层设有弹簧，底层设有聚胺脂弹性材料。

4.基于虚拟仪器的合成孔径聚焦超声成像检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将换能器阵列置于待测结构表面；

2)打开高压脉冲发生器；

3)操作微型工控机，运行Labview软件程序，进入人机界面；

4)调节信号放大器，设置采集参数；

5)选择“手动采集”或“自动采集”，选择“粗检”或“细检”；

6)开始采集：微型工控机通过串口与换能器阵列控制器通信并对其发送指令，通过其完成对换能器阵列的控制，换能器阵列按指令切换自动对待测结构进行扫描检测，扫描完毕后保存采集数据；

7)选择“是”或“否”结束采集，选择“否”，继续回到上一步继续进行数据采集；

8)选择“是”，结束采集，进行数据处理和超声成像，保存图像。

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