CN103308012A - 混凝土路面厚度检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种混凝土路面厚度检测系统及检测方法，包括两个超声换能器、分别连接于两个超声换能器的同步发射控制电路、同步接收控制电路，还包括远程连接于同步发射控制电路和同步接收控制电路的计算机控制系统；由同步发射控制电路产生一个标准宽度的高压脉冲，使其中一个超声换能器产生超声波，超声波从混凝土路面斜射入，遇到不同地质层材料后反射回混凝土路面，由另一个超声换能器接收反射波，并通过同步接收控制电路处理后，远程传输到计算机控制系统，由计算机控制系统计算出混凝土路面的厚度。本发明具有检测快捷、准确、方法简单、费用低廉等优点，并且检测的数据传输给计算机控制系统，对检测结果进行准确计算和实时记录，使用简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及自动检测领域技术，尤其是指一种混凝土路面厚度检测系统及检测方法。
背景技术
路面是公路工程的重要组成部分之一，它直接承受和传递行驶车辆的荷载作用，并保护路基免受各种自然因素的侵袭。自20世纪90年代以来，我国水泥混凝土路面以前所未有的速度快速发展。目前，我国已经成为当今世界上拥有水泥混凝土路面里程最多的国家之一，水泥混凝土路面每年在建规模超过25000 km。根据我国特重交通量与超重轴载的运营和路面的早期破损等情况，《公路水泥混凝土路面设计规范》( JTG D40- 2002) 提出我国一般水泥混凝土路面最薄设计厚度200 mm，高速公路水泥混凝土路面最薄设计厚度260mm；《公路水泥混凝土路面施工技术规范》( JTG F30- 2003) 按可靠度理论提高了水泥混凝土路面施工对配制弯拉强度的要求，希望能够达到有效遏制特重交通量与超重轴载下的早期快速破损问题。
目前我国对水泥混凝土路面强度、厚度的检测广泛采用钻孔取芯的方式，这种传统的破损检测方法费工、费时、成本高、抽样率低，而且取样后还要修补路面，对路面的各项质量指标都有所影响，这与优质高效修建公路的要求是不相适应的。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种混凝土路面厚度检测系统及检测方法，从超声换能器入手，结合先进的数字处理方法，给出了有效的超声反射信号的初始位置识别方法，提高了水泥混凝土路面厚度的测量精度。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种混凝土路面厚度检测系统，包括两个超声换能器、分别连接于两个超声换能器的同步发射控制电路、同步接收控制电路，还包括远程连接于同步发射控制电路和同步接收控制电路的计算机控制系统；由同步发射控制电路产生一个标准宽度的高压脉冲，使其中一个超声换能器产生超声波，超声波从混凝土路面斜射入，遇到不同地质层材料后反射回混凝土路面，由另一个超声换能器接收反射波，并通过同步接收控制电路处理后，远程传输到计算机控制系统，由计算机控制系统计算出混凝土路面的厚度。
作为一种优选方案，所述两个超声换能器采用既可作为发射器，也可作为接受器的配对换能器，且两个超声换能器均为宽带超声换能器。
作为一种优选方案，所述同步发射控制电路包括依次连接于超声换能器的触发电路、升压电路和稳压电路。
作为一种优选方案，所述同步接收控制电路包括依次连接于超声换能器的放大电路、滤波电路、采样电路、保持电路、A/D转换电路和接口电路。
作为一种优选方案，所述采样电路系一种放大倍数可调的采样电路。
作为一种优选方案，所述A/D转换电路选用了10M、10位的高速AD转换器件。
作为一种优选方案，所述计算机控制系统包括内置混凝土厚度计算模块的计算机、分别连接于计算机的显示器和键盘。
一种混凝土路面厚度检测方法，采用如权利要求1至8任一项所述的混凝土路面厚度检测系统进行测试，其步骤如下：首先，采用反射法，由同步发射控制电路产生一个标准宽度的高压脉冲，使其中一个超声换能器产生超声波，用另一个超声换能器接收反射波，通过同步接收控制电路处理后送到计算机控制系统；然后，由计算机控制系统内置的混凝土厚度计算模块对混凝土路面厚度进行计算，计算公式为： 
；式中V为超声波在被测混凝土中的传播速度；L为发射换能器和接受换能器之间的距离，根据反射波到达时间t，即可求得道路厚度。
作为一种优选方案，当采用反射法进行超声检测时，用于接收反射波的超声换能器采用了水耦合法进行反射波的接收。
作为一种优选方案，反射波的识别方法采用小波分析法，将一个信号分解成对时域和尺度的贡献，确定反射波和面波叠加的起始位置，综合得到反射波的起始位置。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，本发明是由两个超声换能器、一同步发射控制电路、一同步接收控制电路和一计算机控制系统组成，通过超声换能器发送和接收超声波来检测混凝土路面的厚度，不会破坏路面的结构，避免传统取芯法效率慢、破坏大的弊端，本发明具有检测快捷、准确、方法简单、费用低廉等优点，并且检测的数据传输给计算机控制系统，对检测结果进行准确计算和实时记录，使用简单方便。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明之实施例的系统框图；
图2是本发明之实施例中检测混凝图路面的原理图；
图3是本发明之实施例中超声换能器对零信号波形图；
图4是本发明之实施例中水耦合方法示意图。
附图标识说明：
10、10′、超声换能器 20、同步发射控制电路
21、稳压电路 22、升压电路
23、触发电路 30、同步接收控制电路
31、放大电路 32、滤波电路
33、采样电路 34、保持电路
35、A/D转换电路 36、接口电路
40、计算机控制系统 41、计算机
42、显示器 43、键盘。
具体实施方式
请参照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，水泥混凝土路面厚度超声检测系统包括两个超声换能器10、10′分别连接于两个超声换能器10、10′的同步发射控制电路20、同步接收控制电路30，还包括由计算机41、显示器42和键盘43构成的计算机控制系统40。该同步发射控制电路20由稳压电路21、升压电路22和触发电路23组成；该同步接收控制电路30由放大电路31、滤波电路32、采样电路33、保持电路34、A/D转换电路35和接口电路36组成。
本发明的原理是：由同步发射控制电路20产生一个标准宽度的高压脉冲，使其中一个超声换能器10产生超声波，超声波从混凝土路面斜射入，遇到不同地质层材料后反射回混凝土路面，由另一个超声换能器10′接收反射波，并通过同步接收控制电路30处理后，远程传输到计算机控制系统40，由计算机控制系统40计算出混凝土路面的厚度。
在超声波检测过程中，超声换能器10的同步发射控制电路20主要是产生一个标准宽度的高压脉冲，使超声换能器10产生超声波，高压脉冲的幅值和宽度直接决定了超声信号的能量和宽度。在测量过程中如果高压脉冲信号宽度太窄，电压较低，通过超声换能器10将得不到稳定的超声脉冲，如果信号太宽，或电压太高，将使超声信号余震很长，影响使用精度。实际应用时应根据不同的情况选用不同的激发电压和脉宽。
为了得到稳定的信号，还要求同步发射控制电路20具有较高的重复性和精度。设计中本发明应用升压电路22以获得稳定的脉宽和高压电平。
同步接受控制电路是信号处理的最前端，信号的频响宽度、信噪比、分辨率都由它决定。选择合适的接受器是采样最关键的一步。频响范围太大，势必增加成本，或以损失其他方面做代价；频响范围太小，将引起信号畸变，严重影响信号的判读。为了和发射超声换能器10的频率响应范围一致，本发明采用了配对超声换能器，每个超声换能器10、10′不但可作为发射器，也可作为接受器，性能基本一致。
由于不同配合比的水泥混凝土特性差别很大，接受超声换能器10′收到的信号幅值也差别很大，因此，采样电路33的放大倍数必须设置成可调。
滤波电路32也是接受电路的重要组成部分，合理地设计滤波电路32特性可显著提高信号的信噪比。
A/D转换电路35是采样的核心，也是和计算机41的接口电路36，它的采样频率和采样位数直接决定了数据处理的频率和精度。本发明选用了10 M、10 位的高速A/ D 转换器件。
本发明的超声换能器10、10′选用宽带超声换能器。目前，普通的超声换能器普遍存在余震长的问题，该问题在超声透射检测时，由于横波速度慢，纵波最先到达，余震对测量纵波初至时间影响不大。宽频带超声换能器在较宽的频率范围内，具有较平的幅度响应及线性相位响应，便于传送窄脉冲信号，因而有着较高的时域分辨率，以解决现有超声换能器余震长，难于辨识反射波初至的问题。
图2 所示混凝土路面厚度测量时，采用反射法进行测量，反射法测量时，理想的反射法测量信号是直达波由于距离短最先到达，间隔一定时间后，反射纵波达到，反射纵波的到达时间即为要求的反射时间t，依据公式(1)，就可求得路面的厚度。
式中：V为超声波在被测混凝土中的传播速度；L为发射超声换能器10和接受超声换能器10′之间的距离，根据反射波到达时间t，即可求得道路厚度。
为了提高灵敏度，改善宽带特性，本发明通过计算机41模拟得到最佳匹配参数，并在设计时依次进行修正，经过压制余震设计的超声换能器10对零信号波形如图3 所示。由图3可以看出，新型的宽带超声换能器10基本上只有一个主波，余波也只有一个，基本解决了常用超声换能器10余震长的难题，为混凝土厚度检测奠定了基础。
此外，在进行厚度测量时，由于超声信号在空气中的传播速度只有346 m/ s，在水泥混凝土中传播速度为4000 m/s，相差10倍，因此，必须解决好超声换能器10和水泥混凝土路面的耦合问题，否则严重影响厚度的检测结果。反射波到时的准确拾取一直是测厚测试分析中的难点问题。通常采用的耦合剂有黄油和凡士林。但黄油和凡士林耦合法并不能增加反射信号的信噪比。在本次研究中采用了水耦合法，如图4 所示。水耦合法能够有效地压制面波对反射波的影响，同时，由于波在水和水泥混凝土中的传播速度差异大，反射波到水中时，近垂直入射到超声换能器10上，使超声换能器10接收到比较强的垂直分量，横波的干扰受到压制，大大加强了测试效果。但是要真正做到水耦合发射，必须将超声换能器10′悬空，同时由于水中声速较慢，还要保证每次超声换能器10′的高度不变，因此，本发明设计了特定的固定架，保证了水耦合方法的实施。
水泥混凝土路面强度和厚度的检测，关键在于准确识别反射波。经过反复实验和研究，本发明采用了小波分析法识别反射波。小波分析能够将一个信号分解成对时域(空间)和尺度的贡献，在这种意义下小波分析又可称为多分辨力分析，本发明在此运用小波分析的方法，确定反射波和面波叠加的起始位置。最后通过综合分析，得到反射波的起始位置。
本发明经过多次实验和对实际水泥混凝土路面检测，试验结果表明，本发明系统检测厚度的误差最大不超过3%，检测一个测点，通常需要3 min 时间，同取芯法相比，测试效率提高了很多。同时，由于取芯法破坏路面，修补不好，容易造成坏板，测点之间要间隔一定距离等，超声无损厚度检测必将代替取芯法。
综上所述，本发明的设计重点在于，本发明是由两个超声换能器10、一同步发射控制电路20、一同步接收控制电路30和一计算机控制系统40组成，通过超声换能器10发送和接收超声波来检测混凝土路面的厚度，不会破坏路面的结构，避免传统取芯法效率慢、破坏大的弊端，本发明具有检测快捷、准确、方法简单、费用低廉等优点，并且检测的数据能远程传输给计算机控制系统40，可以实现远程监控。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：包括两个超声换能器、分别连接于两个超声换能器的同步发射控制电路、同步接收控制电路，还包括远程连接于同步发射控制电路和同步接收控制电路的计算机控制系统；由同步发射控制电路产生一个标准宽度的高压脉冲，使其中一个超声换能器产生超声波，超声波从混凝土路面斜射入，遇到不同地质层材料后反射回混凝土路面，由另一个超声换能器接收反射波，并通过同步接收控制电路处理后，远程传输到计算机控制系统，由计算机控制系统计算出混凝土路面的厚度。
2.根据权利要求1所述的混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：所述两个超声换能器采用既可作为发射器，也可作为接受器的配对换能器，且两个超声换能器均为宽带超声换能器。
3.根据权利要求1所述的混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：所述同步发射控制电路包括依次连接于超声换能器的触发电路、升压电路和稳压电路。
4.根据权利要求1所述的混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：所述同步接收控制电路包括依次连接于超声换能器的放大电路、滤波电路、采样电路、保持电路、A/D转换电路和接口电路。
5.根据权利要求4所述的混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：所述采样电路系一种放大倍数可调的采样电路。
6.根据权利要求4所述的混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：所述A/D转换电路选用了10M、10位的高速AD转换器件。
7.根据权利要求1所述的混凝土路面厚度检测系统，其特征在于：所述计算机控制系统包括内置混凝土厚度计算模块的计算机、分别连接于计算机的显示器和键盘。
8.一种混凝土路面厚度检测方法，其特征在于：采用如权利要求1至8任一项所述的混凝土路面厚度检测系统进行测试，其步骤如下：首先，采用反射法，由同步发射控制电路产生一个标准宽度的高压脉冲，使其中一个超声换能器产生超声波，用另一个超声换能器接收反射波，通过同步接收控制电路处理后送到计算机控制系统；然后，由计算机控制系统内置的混凝土厚度计算模块对混凝土路面厚度进行计算，计算公式为： 
；式中V为超声波在被测混凝土中的传播速度；L为发射换能器和接受换能器之间的距离，根据反射波到达时间t，即可求得道路厚度。
9.根据权利要求8所述的混凝土路面厚度检测方法，其特征在于：当采用反射法进行超声检测时，用于接收反射波的超声换能器采用了水耦合法进行反射波的接收。
10.根据权利要求8所述的混凝土路面厚度检测方法，其特征在于：反射波的识别方法采用小波分析法，将一个信号分解成对时域和尺度的贡献，确定反射波和面波叠加的起始位置，综合得到反射波的起始位置。
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