CN102662190A - 一种超声波快速扫描勘探的方法与所用系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探技术领域，公开了一种超声波快速扫描勘探方法与所用系统。方法如下：首先利用滚轮扫描探头（1）进行超声波数据的发射和接收，根据滚动条件完成对不同测量点距离的自动记录；然后通过数据采集系统，由超声波数据采集控制与处理系统（3）设定相应的采集技术参数，由超声波数据采集器（2）完成对数据的同步采集任务，获得测线点超声波快速连续扫描数据；最后利用超声波数据采集控制与处理系统（3），对超声波快速扫描数据进行计算与处理，根据测试剖面结果对探测介质加以解释，判断剖面中介质的异常位置及其特征。本发明还公开了上述超声波快速扫描勘探方法所使用的系统。该方法提高了超声波数据采集的现场工作效率。

Description

一种超声波快速扫描勘探的方法与所用系统

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种超声波快速扫描勘探方法与所用系统。

背景技术

超声波探测技术受测试现场干扰因素少，使用简捷，是近年来发展迅速的一项实用检测技术，其基本原理是在被测物体中激发出一定频率的超声弹性波，以一定路径在被测介质内部传播并通过接收传感器接收，通过分析接收到的声波信号，根据声波波速、波幅、频率等属性参数的变化，了解物体内部的结构、力学特性和缺陷的分布情况。其在隧道、道路、桥梁等工程检测中广泛应用。

受超声波探测方式的限制，目前的超声波勘探方法多为单个传感器的一发一收或是一发双收方式，未见能够连续记录的探测方法和仪器设备。这种探测系统不能对地质目标体连续测量与评价，通过单一点的发射与接收方式进行数据采集，现场探测工作效率低，实时探测能力差，因此在混凝土工程测试中较地质雷达法应用程度不足。随着勘探技术的不断发展，混凝土工程中要求抗干扰能力强、能连续快速测试的方法技术出现，并能结合测试区域已有的地质条件现场确定异常体位置，为生产提供及时有效的指导，这对隧道壁、井筒壁、道路、桥梁及建筑等混凝土工程无损检测意义重大。

发明内容

针对现有超声波勘探技术的缺陷，本发明的目的是提供一种超声波快速扫描勘探的方法，该方法大大提高超声波数据采集的现场工作效率。

本发明的另一个目的是提供一种上述超声波快速扫描勘探的方法所使用的系统。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种超声波快速扫描勘探的方法，该方法包括以下步骤：

首先利用滚轮扫描探头进行超声波数据的发射和接收，根据滚动条件完成对不同测量点距离的自动记录；然后通过数据采集系统，由超声波数据采集控制与处理系统设定相应的采集技术参数，由超声波数据采集器完成对数据的同步采集任务，获得测线点超声波快速连续扫描数据；最后利用超声波数据采集控制与处理系统，对超声波快速扫描数据进行计算与处理，根据测试剖面结果对探测介质加以解释，判断剖面中介质的异常位置及其特征。

所述的滚轮扫描探头采用一个超声波发射传感器和两个超声波接收传感器，其中两个超声波接收传感器分别为第一接收传感器和第二接收传感器。

所述的超声波数据的发射和接收所用的超声换能器主频范围为10KHz~100KHz；是通过滚轮沿移动方向滚动，发射传感器发射超声波和接收传感器接收超声波同步进行，同时利用传感器底部喷水装置自动向测试介质喷射水流，增加传感器与混凝土介质之间的耦合程度，保证数据采集质量；数据采集时滚轮中的旋转编码器依据滚动条件自动完成测点距离的记录。

所述的数据采集系统包括超声波数据采集器和超声波数据采集控制与处理系统的采集控制部分；其中超声波数据采集器实现对超声波数据的采集与记录，而超声波数据采集控制与处理系统的采集控制部分实现对采集相关参数的设定，采集数据记录的显示及预处理。

所述的超声波数据采集器，包括采样电路和供电电源，其中采样电路中包括多路A／D转换器、DSP实时处理器和高性能嵌入式CPU，其中供电电源为12V充电锂电池。

所述的多路A／D转换器为16位，其中每个通道各有一个A／D，且各道具有独立的前端调理与DSP抗混滤波性能，实现任意带通、带阻滤波；信号采集时采样频率为1μs，2.5μs，5μs，10μs，20μs或50μs；信号采集时采样点数为512，1024，2048或4096；信号采集时采用触发方式，即数据采集时数据的确认方式，利用测距轮、时间和手动三种方式完成超声波的触发；其中测距轮方式：根据测距轮滚动的距离间隔，到达设定间隔后确认所需要的波形记录；其中时间方式：根据时间间隔确认波形，到达设定间隔后确认所需要的波形记录；其中手动方式：手动按健确认波形；信号采集时发射功率根据现场测试条件利用电压调整完成；超声波数据采集器中具有独立的电源系统，采集器面板设有多种指标灯，表征电源开关状态、发射状态或采样通讯状态。

所述的超声波数据采集控制与处理系统包括超声波数据采集控制部分，完成对两个信号接收通道数据的速采、速显与存储，提供测试拟雷达剖面；还包括超声波数据处理部分，完成对波形信号的简单处理及解释。

所述的超声波数据采集控制部分，在进行数据采集时，设定采集参数，对超声波数据采集器进行控制，进行数据采集；超声波数据采集控制部分包括实时数据区和静态数据区，分别对采集的波形记录进行显示；其中实时数据区对两道接收传感器记录数据进行实时显示，其显示方式采用波形曲线方式；静态数据区对选中的一道实时记录进行连续记录，形成记录剖面，其显示方式可用波形、变面积、全面积、彩色显示，并支持文件归一化和道归一化；实时数据区数据可以选择性地插入到静态数据区，是指通过接收的2道传感器的数据，直接选择其中一道，如选择1道即为第一接收传感器的数据，如选择2道即为第二接收传感器的数据，直接插入到静态显示区，静态数据区数据在记录显示时，进行波形放缩，如道宽放缩、道长放缩、振幅放缩等，可进行光标移动时对波形信息的查看，如查看测点号、测点距离、时间、振幅、速度、深度等。

所述的超声波数据处理部分，根据超声波扫描数据的处理剖面对混凝土介质进行简单评价，通过追踪波组相位的特征变化，根据波组缺失、异常特点，对混凝土体的质量及缺陷位置进行有效判断。

本发明还提供了一种上述超声波快速扫描勘探方法所使用的系统，该系统包括滚轮扫描探头、超声波数据采集器和超声波数据采集控制与处理系统三个部分；其中滚轮扫描探头与超声波数据采集器通过数据通讯线进行连接，超声波数据采集器和超声波数据采集控制与处理系统通过RS232通讯线进行连接。

所述的滚轮扫描探头包括超声波发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器、测距滚轮和耦合喷水头；超声波发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器、测距滚轮和耦合喷水头通过支架进行固定和连接。

所述的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器的结构采用两种不同类型：一体式或分体式；其中：一体式布置的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器距离固定，分别为10-20cm，第一接收传感器和第二接收传感器分布在超声波发射传感器的两侧且对称，第一接收传感器和第二接收传感器与超声波发射传感器之间用塑料或强力泡沫进行声波干扰隔离；分体式布置的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器之间距离可调，用连杆相连或多人同步操作。

所述的超声波数据采集器包括采样电路和供电电源，其中采样电路中包括多路A／D转换器、DSP实时处理器和高性能嵌入式CPU，其中供电电源为12V充电锂电池。

所述的数据通讯线是一根多芯电缆，能对传感器、发射源驱动、测距轮的信号进行传输，其传输距离不小于20m。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明对混凝土介质进行超声波测试时，将现有单点发射与接收的数据采集方式改变为快速扫描探查方式，首次形成对混凝土工程隐患的快速扫描测试，既提高了现场数据采集的工作效率，又为地球物理勘探学科发展提供了新的思路。

2、本发明通过拟雷达式发射与接收技术，以及超声波收发一体的滚轮结构研究，对现有的超声波仪器进行改进，实现对地球物理勘探系统的创新。通过对采集数据的相关、频谱、滤波等实时处理与分析，为现场提供及时有效的异常判断剖面，其指导意义重大。

3、本发明通过改进超声波数据采集方式，采用滚轮式机构完成超声波的发射与接收，进行连续扫描，实现了拟雷达式快速超声波数据采集，进一步提高现场施工速度和工作效率。超声波探测方法在混凝土体探测中占有优势地位，通过超声波速度可以定量评价其结构特性，随着社会不断发展，混凝土体工程类型逐渐增多，对混凝土体的探测需求也在增加，因此，本发明将会在混凝土工程无损检测中发挥重要的作用。

4、随着我国经济建设的快速发展，隧道、地铁交通、土建、道路桥梁、房屋建筑等基础行业对混凝土体质量评价要求越来越精细，因此必须充分利用全空间全时段有效测试信息，根据超声波速度、频谱、吸收特性等多种地球物理参数响应特性，进行快速扫描测试与分析，为隧道、道路、桥梁、建筑等混凝土结构提供高效诊断预防技术，提高测试的响应机制。国内外目前尚没有可直接进行多参数快速勘探的专用装备，本发明对现场测试技术及快速勘探仪器研制具有直接的推动作用，其未来的应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例的超声波快速扫描勘探方法所使用的系统的示意图。

图2为本发明实施例的超声波快速扫描勘探方法所使用的系统原理示意图。

图3为本发明超声波快速扫描测试中滚轮扫描探头工作原理示意图。

其中：1表示滚轮扫描探头，2表示超声波数据采集器，3表示超声波数据采集控制与处理系统，4表示数据通讯线，5表示RS232通讯线。

图4为数据采集控制与处理系统界面示意图。其中：6表示实时数据区，7表示静态数据区。

图5为某隧道壁混凝土介质表面所获得的超声波快速扫描剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1~3所示，图1为本发明实施例的超声波快速扫描勘探方法所使用的系统的示意图；图2为本发明实施例的超声波快速扫描勘探方法所使用的系统原理示意图；图3为本发明超声波快速扫描测试中滚轮扫描探头工作原理示意图。

一种超声波快速扫描勘探的方法，该方法包括以下步骤：

首先利用滚轮扫描探头1进行超声波数据的发射和接收，根据滚动条件完成对不同测量点距离的自动记录；然后通过数据采集系统，由超声波数据采集控制与处理系统3设定相应的采集技术参数，由超声波数据采集器2完成对数据的同步采集任务，获得测线点超声波快速连续扫描数据；最后利用超声波数据采集控制与处理系统3，对超声波快速扫描数据进行计算与处理，根据测试剖面结果对探测介质加以解释，判断剖面中介质的异常位置及其特征。

滚轮扫描探头1采用一个超声波发射传感器和两个超声波接收传感器，其中两个超声波接收传感器分别为第一接收传感器和第二接收传感器。

超声波数据的发射和接收所用的超声换能器主频范围为10KHz~100KHz；是通过滚轮沿移动方向滚动，发射传感器发射超声波和接收传感器接收超声波同步进行，同时利用传感器底部喷水装置自动向测试介质喷射水流，增加传感器与混凝土介质之间的耦合程度，保证数据采集质量；数据采集时滚轮中的旋转编码器依据滚动条件自动完成测点距离的记录。

数据采集系统包括超声波数据采集器2和超声波数据采集控制与处理系统3的采集控制部分；其中超声波数据采集器2实现对超声波数据的采集与记录，而超声波数据采集控制与处理系统3的采集控制部分实现对采集相关参数的设定，采集数据记录的显示及预处理。

超声波数据采集器2，包括采样电路和供电电源，其中采样电路中包括多路A／D转换器、DSP实时处理器和高性能嵌入式CPU，其中供电电源为12V充电锂电池。

多路A／D转换器为16位，其中每个通道各有一个A／D，且各道具有独立的前端调理与DSP抗混滤波性能，实现任意带通、带阻滤波；信号采集时采样频率为1μs，2.5μs，5μs，10μs，20μs或50μs；信号采集时采样点数为512，1024，2048或4096；信号采集时采用触发方式，即数据采集时数据的确认方式，利用测距轮、时间和手动三种方式完成超声波的触发；其中测距轮方式：根据测距轮滚动的距离间隔，到达设定间隔后确认所需要的波形记录；其中时间方式：根据时间间隔确认波形，到达设定间隔后确认所需要的波形记录；其中手动方式：手动按健确认波形；信号采集时发射功率根据现场测试条件利用电压调整完成；超声波数据采集器2中具有独立的电源系统，采集器面板设有多种指标灯，表征电源开关状态、发射状态或采样通讯状态。

超声波数据采集控制与处理系统3包括超声波数据采集控制部分，完成对两个信号接收通道数据的速采、速显与存储，提供测试拟雷达剖面；还包括超声波数据处理部分，完成对波形信号的简单处理及解释。

超声波数据采集控制部分，在进行数据采集时，设定采集参数，对超声波数据采集器2进行控制，进行数据采集；超声波数据采集控制部分包括实时数据区6和静态数据区7，分别对采集的波形记录进行显示；其中实时数据区6对两道接收传感器记录数据进行实时显示，其显示方式采用波形曲线方式；静态数据区7对选中的一道实时记录进行连续记录，形成记录剖面，其显示方式可用波形、变面积、全面积、彩色显示，并支持文件归一化和道归一化；实时数据区6数据可以选择性地插入到静态数据区7，是指通过接收的2道传感器的数据，直接选择其中一道，如选择1道即为第一接收传感器的数据，如选择2道即为第二接收传感器的数据，直接插入到静态显示区，静态数据区7数据在记录显示时，进行波形放缩，如道宽放缩、道长放缩、振幅放缩等，可进行光标移动时对波形信息的查看，如查看测点号、测点距离、时间、振幅、速度、深度等。

超声波数据处理部分，根据超声波扫描数据的处理剖面对混凝土介质进行简单评价，通过追踪波组相位的特征变化，根据波组缺失、异常特点，对混凝土体的质量及缺陷位置进行有效判断。超声波扫描勘探方法操作的具体流程如下：

1）连接设备，将带有一发双收传感器的滚轮扫描探头1、测距轮与超声波数据采集器2通过数据通讯线4连接。

2）启动主机，检查系统，主要检测超声波数据采集器2中电源电量、通道一致性、震源驱动、测距轮检测等内容。

3）设定参数，对采样参数、显示参数、处理参数、文件保存参数等进行设置。

4）连续发射，驱动震源连续发射，数据不断采集，并在实时数据区6中不断显示和刷新两个接收通道所获得波形的显示。

5）波形信号采集确认，根据不同的触发方式来确认波形，如触发方式为测距轮方式，当滚轮滚动距离到达所设定距离，或是到达所设定的时间间隔，或是根据手动按键进行波形信号的确认。在确定波形后，经过所设定的处理，将数据插入到连续剖面的静态数据区7。随着不断确认波形，连续显示区的波形逐渐增多，当波形记录满屏时自动切换到下一屏。如此循环可完成整条剖面的数据采集。

6）采集交互，在数据采集时，用户可通过光标来查看波形信息。通过鼠标或菜单等来查看数据信息，更改数据处理、显示方式等操作来提高剖面效果和质量。

7）后续处理：对采集超声波数据实时存储，采集完成后可进行混凝土体质量及缺陷的初步测评。

图4为数据采集控制与处理系统界面示意图；图5为某隧道壁混凝土介质表面所获得的超声波快速扫描剖面示意图。其横坐标表示测线方向扫描距离（单位为m）和记录道数据，纵坐标表示每一测点超声波信号记录延续时间（单位为ms）。静态数据区中显示的是，测线中来自介质反射的超声波剖面，采用全面积显示方式。

数据采集时采用发射和接收传感器间距10cm固定形式，50KHz主频换能器，测距轮方式触发，50μs采样频率，512个采样点数所获得波形记录。可以看出在横坐标测线方向上的1m处波组相位不连续，判断为异常位置。

实施例2

如图1所示，图1为本发明实施例的超声波快速扫描勘探方法所使用的系统的示意图。

一种超声波快速扫描勘探方法所使用的系统，该系统包括滚轮扫描探头1、超声波数据采集器2和超声波数据采集控制与处理系统3三个部分；其中滚轮扫描探头1与超声波数据采集器2通过数据通讯线4进行连接，超声波数据采集器2和超声波数据采集控制与处理系统3通过RS232通讯线5进行连接。

滚轮扫描探头1包括超声波发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器、测距滚轮和耦合喷水头；超声波发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器、测距滚轮和耦合喷水头通过支架进行固定和连接。

超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器的结构采用两种不同类型：一体式或分体式；其中：一体式布置的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器距离固定，分别为10-20cm，第一接收传感器和第二接收传感器分布在超声波发射传感器的两侧且对称，第一接收传感器和第二接收传感器与超声波发射传感器之间用塑料或强力泡沫进行声波干扰隔离；分体式布置的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器之间距离可调，用连杆相连或多人同步操作。

超声波数据采集器2包括采样电路和供电电源，其中采样电路中包括多路A／D转换器、DSP实时处理器和高性能嵌入式CPU，其中供电电源为12V充电锂电池。

数据通讯线4是一根多芯电缆，能对传感器、发射源驱动、测距轮的信号进行传输，其传输距离不小于20m。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

首先利用滚轮扫描探头（1）进行超声波数据的发射和接收，根据滚动条件完成对不同测量点距离的自动记录；然后通过数据采集系统，由超声波数据采集控制与处理系统（3）设定相应的采集技术参数，由超声波数据采集器（2）完成对数据的同步采集任务，获得测线点超声波快速连续扫描数据；最后利用超声波数据采集控制与处理系统（3），对超声波快速扫描数据进行计算与处理，根据测试剖面结果对探测介质加以解释，判断剖面中介质的异常位置及其特征。

2.根据权利要求1所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的滚轮扫描探头（1）采用一个超声波发射传感器和两个超声波接收传感器，其中两个超声波接收传感器分别为第一接收传感器和第二接收传感器。

3.根据权利要求1所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的超声波数据的发射和接收所用的超声换能器主频范围为10KHz~100KHz；是通过滚轮沿移动方向滚动，发射传感器发射超声波和接收传感器接收超声波同步进行，同时利用传感器底部喷水装置自动向测试介质喷射水流，增加传感器与混凝土介质之间的耦合程度，保证数据采集质量；数据采集时滚轮中的旋转编码器依据滚动条件自动完成测点距离的记录。

4.根据权利要求1所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的数据采集系统包括超声波数据采集器（2）和超声波数据采集控制与处理系统（3）的采集控制部分；其中超声波数据采集器（2）实现对超声波数据的采集与记录，而超声波数据采集控制与处理系统（3）的采集控制部分实现对采集相关参数的设定，采集数据记录的显示及预处理。

5.根据权利要求1所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的超声波数据采集器（2）包括采样电路和供电电源，其中采样电路中包括多路A／D转换器、DSP实时处理器和高性能嵌入式CPU，其中供电电源为12V充电锂电池。

6.根据权利要求5所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的多路A／D转换器为16位，其中每个通道各有一个A／D，且各道具有独立的前端调理与DSP抗混滤波性能，实现任意带通、带阻滤波；信号采集时采样频率为1μs，2.5μs，5μs，10μs，20μs或50μs；信号采集时采样点数为512，1024，2048或4096；信号采集时采用触发方式，即数据采集时数据的确认方式，利用测距轮、时间和手动三种方式完成超声波的触发；其中测距轮方式：根据测距轮滚动的距离间隔，到达设定间隔后确认所需要的波形记录；其中时间方式：根据时间间隔确认波形，到达设定间隔后确认所需要的波形记录；其中手动方式：手动按健确认波形；信号采集时发射功率根据现场测试条件利用电压调整完成；超声波数据采集器（2）中具有独立的电源系统，采集器面板设有多种指标灯，表征电源开关状态、发射状态或采样通讯状态。

7.根据权利要求1所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的超声波数据采集控制与处理系统（3）包括超声波数据采集控制部分，完成对两个信号接收通道数据的速采、速显与存储，提供测试拟雷达剖面；还包括超声波数据处理部分，完成对波形信号的简单处理及解释。

8.根据权利要求7所述的超声波快速扫描勘探的方法，其特征在于：所述的超声波数据采集控制部分，在进行数据采集时，设定采集参数，对超声波数据采集器（2）进行控制，进行数据采集；

超声波数据采集控制部分包括实时数据区（6）和静态数据区（7），分别对采集的波形记录进行显示；其中实时数据区（6）对两道接收传感器记录数据进行实时显示，其显示方式采用波形曲线方式；静态数据区（7）对选中的一道实时记录进行连续记录，形成记录剖面，其显示方式可用波形、变面积、全面积、彩色显示，并支持文件归一化和道归一化；实时数据区（6）数据可以选择性地插入到静态数据区（7），是指通过接收的2道传感器的数据，直接选择其中一道，选择1道为第一接收传感器的数据，选择2道为第二接收传感器的数据，直接插入到静态显示区，静态数据区（7）数据在记录显示时，进行波形放缩：道宽放缩、道长放缩或振幅放缩，进行光标移动时对波形信息的查看：查看测点号、测点距离、时间、振幅、速度或深度；

所述的超声波数据处理部分，根据超声波扫描数据的处理剖面对混凝土介质进行简单评价，通过追踪波组相位的特征变化，根据波组缺失、异常特点，对混凝土体的质量及缺陷位置进行有效判断。

9.权利要求1至8任一所述的方法所使用的系统，其特征在于：该系统包括滚轮扫描探头（1）、超声波数据采集器（2）和超声波数据采集控制与处理系统（3）三个部分；其中滚轮扫描探头（1）与超声波数据采集器（2）通过数据通讯线（4）进行连接，超声波数据采集器（2）和超声波数据采集控制与处理系统（3）通过RS232通讯线（5）进行连接。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述的滚轮扫描探头（1）包括超声波发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器、测距滚轮和耦合喷水头；超声波发射传感器、第一接收传感器、第二接收传感器、测距滚轮和耦合喷水头通过支架进行固定和连接；

所述的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器的结构采用两种不同类型：一体式或分体式；其中：一体式布置的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器距离固定，分别为10-20cm，第一接收传感器和第二接收传感器分布在超声波发射传感器的两侧且对称，第一接收传感器和第二接收传感器与超声波发射传感器之间用塑料或强力泡沫进行声波干扰隔离；分体式布置的超声波发射传感器、第一接收传感器和第二接收传感器之间距离可调，用连杆相连或多人同步操作；

所述的超声波数据采集器（2）包括采样电路和供电电源，其中采样电路中包括多路A／D转换器、DSP实时处理器和高性能嵌入式CPU，其中供电电源为12V充电锂电池；

所述的数据通讯线（4）是一根多芯电缆，能对传感器、发射源驱动、测距轮的信号进行传输，其传输距离不小于20m。

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