CN103439411B - 多跨孔超声波检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种多跨孔超声波检测系统及其检测方法，其中系统包括多个探头、深度计、高压脉冲发生器、信号调理模数转换器、超声波逻辑控制模块和主机；深度计上设有多个导线槽，探头的电缆线置于导线槽中；每个探头中均包括超声波发射换能器和超声波接收换能器；超声波逻辑控制模块通过主机接收配置信息，并根据获取的深度计的计数信息控制高压脉冲发生器发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；信号调理模数转换器对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换，超声波逻辑控制模块获取信号调理模数转换器的输出信号并在主机上显示。本发明中的探头采用全对称的发射和接收方式，外部连接的探头可以随意混用，用户使用更方便。
Description
技术领域
本发明涉及基桩的超声波检测，特别是涉及多跨孔超声波检测系统及其检测方法。
背景技术
目前已有的多通道（多跨孔）超声波检测系统一台仪器只能用于某一种基桩的检测，如三通道的超声波检测仪只能用于检测三孔的基桩，两孔和四孔均不能检测，故某一个检测单位必须买三种仪器才能应付各种基桩的超声波检测，浪费资源与资金。
目前已有的多通道（多跨孔）超声波检测系统，以四通道为例，即有四个探头。如图1所示，探头1’发射时，探头2’、3’、4’接收；探头2’发射时，探头3’、4’接收；探头3’发射时，探头4’接收。因此，探头1’只用于发射，探头4’只用于接收，故四个探头中至少有一个是不同的，即只具有接收或发射的功能。且如果其中一个探头损坏，相关的波形将不正常。在野外检测过程中，若只能用于发射或者接收的探头损坏，则检测工作不能继续进行，将给检测人员带来极大的不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中超声波检测系统中探头不能相互替换的缺陷，提供一种可以实现探头全对称发射和接收的多跨孔超声波检测系统及其检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种多跨孔超声波检测系统，包括多个探头、深度计、高压脉冲发生器、信号调理模数转换器、超声波逻辑控制模块和主机；
深度计上设有多个导线槽，探头的电缆线置于导线槽中；
每个探头中均包括超声波发射换能器和超声波接收换能器，超声波发射换能器与所述高压脉冲发生器连接，超声波接收换能器与信号调理模数转换器连接；
信号调理模数转换器、主机均与超声波逻辑控制模块连接；
超声波逻辑控制模块通过主机接收配置信息，并根据获取的深度计的计数信息控制高压脉冲发生器发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；信号调理模数转换器对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换，超声波逻辑控制模块获取信号调理模数转换器的输出信号并在主机上显示。
本发明所述的检测系统中，所述主机为工控机。
本发明所述的检测系统中，所述信号调理模数转换器包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器。
本发明所述的检测系统中，所述探头中还包括前置放大器，连接在所述超声波接收换能器和信号调理模数转换器之间。
本发明所述的检测系统中，超声波逻辑控制模块通过FPGA实现。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
提供一种多跨孔超声波检测方法，包括以下步骤：
S1、将探头置于基桩的测管中，所述探头包括超声波发射换能器和超声波接收换能器；
S2、通过主机设置在不同采样剖面，高压脉冲发生器激发探头的顺序；
S3、通过主机设置基桩采样剖面的间距；
S4、根据主机的设置，以及深度计的计数信息控制高压脉冲发生器发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；
S5、信号调理模数转换器对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换；
S6、超声波逻辑控制模块获取信号调理模数转换器的输出信号并在主机上显示。
本发明所述的方法中，步骤S3中，若设置基桩采样剖面的间距为零时，则进行基桩预测试，高压脉冲发生器轮流激发每一个探头的超声波发射换能器，当其中一个探头的超声波发射换能器被激发时，其余探头的超声波接收换能器则同时接收信号，以根据预测试结果设置高压脉冲发生器和信号调理模数转换器的工作参数，以及选择探头之间的发射顺序。
实施本发明的有益效果：本发明中的探头采用全对称的发射方式，外部连接的探头可以随意混用，若某一探头的发射或接收被损坏，可以采用相对的另一组数据来判定基桩的完整性，用户使用更方便；同时此功能还可以检测某一探头的好坏——完全损坏或发射部分损坏或接收部分损坏，节约资源。
进一步地，本发明的多跨孔超声波检测系统采用模块化设计，更便于调试与维修，可以很方便的对仪器进行检测通道上的升级，不必再去购买一台仪器，节约成本。
另外，本发明对深度计的控制上不仅兼容已有的技术，即不停地采集信号，但只保留特定位置的信号，其他丢弃的方法，更开发了更优的方法，即到达预设位置再控制信号的采集，用户可以根据需要选择不同的方法。相对来说，后一方法更省电，对于野外操作更有利。
附图说明
图1为现有超声波检测系统中四个探头的发射接收方式示意图；
图2为本发明实施例多跨孔超声波检测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例四个探头之间全对称的发射接收方式示意图；
图3a-3d为本发明实施例四个探头具体的全对称的发射接收方式示意图；
图4为本发明较佳实施例的采用FPGA板实现的多跨孔超声波检测系统的结构示意图；
图5为本发明实施例信号调理模数转换器的结构示意图；
图6为本发明实施例通过FPGA控制智能超声波发射机输出高压信号来驱动超声波发射换能器工作的结构示意图；
图7为本发明实施例通过编码器获取深度计的计数信号的原理图；
图8为本发明实施例探头的结构示意图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
本发明较佳实施例多跨孔超声波检测系统，以四个探头为例，如图2所示，包括多个探头1、2、3、4，以及深度计60（即提升装置）、高压脉冲发生器40、信号调理模数转换器50、超声波逻辑控制模块30和主机20；
深度计60上设有多个导线槽，探头1、2、3、4的电缆线置于导线槽中；每个导线槽中有一根电缆线，导线槽分布在一个圆形的滚轮上，探头在基桩的测管中上下移动时，深度计60的滚轮随之旋转，根据滚轮的转动角度以及滚轮的半径即可测出探头在基桩测管中的运动距离，从而计算出探头目前在基桩测管中的深度。
每个探头中均包括超声波发射换能器和超声波接收换能器，超声波发射换能器与所述高压脉冲发生器40连接，在本发明的一个较佳实施例中，如图8所示，探头中还包括前置放大器，连接在超声波接收换能器和信号调理模数转换器50之间。超声波接收换能器40接收的信号经过前置放大器前置放大后，再通过信号调理模数转换器50进行处理。
如图3所示，每一通道均是接收与发射一体的，以4通道为例，即使用四个探头进行检测。本发明采用全对称的发射和接收方式，如图3a-3d所示，探头1发射时，探头2、3、4同时接收信号；探头2发射，探头1、3、4接收；探头3发射，探头1、2、4接收；探头4发射，探头1、2、3接收。若有m个换能器，最终将接收到组数据4通道下，会采集到12组数据，即1-2、1-3、1-4、2-1、2-3、2-4、3-1、3-2、3-4、4-1、4-2、4-3，其中，类似1-2与2-1在理论上是相同的。
本发明的实施例中，探头中的换能器可为收发一体的装置。因此每一个探头都可以实现自发自收，这样就能很方便的检测探头自身的好坏，如完全损坏或发射部分损坏或接收部分损坏，若没有完全损坏，则可以根据未损坏的部分重新分配其相应的采集工作，从而无需全部更换探头，可不影响正常的工作，且节约了资源。
信号调理模数转换器50、主机20均与超声波逻辑控制模块30连接；
超声波逻辑控制模块30通过主机接收配置信息，并根据获取的深度计60的计数信息控制高压脉冲发生器40发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；信号调理模数转换器50对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换，超声波逻辑控制模块30获取信号调理模数转换器50的输出信号并在主机20上显示。该超声波逻辑控制模块30可通过FPGA模块实现。
本发明的一个实施例中，主机20为工控机。
信号调理模数转换器50包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器。
本发明实施例中，主机包括显示器和PC104工控板，超声波逻辑控制模块30与该PC104工控板连接，另外该多跨孔超声波检测系统还包括电源管理模块，其利用DC-DC将电池的电压信号转换为±12V、+5V、12V、机壳地AGND和数字地GND，给整个系统供电。
超声波逻辑控制模块30可通过单片机、CPLD以及FPGA来实现。如图4所示，本发明实施例中超声波逻辑控制模块30采用FPGA板实现，FPGA板通过主机接收记录步距、发射电压、采样长度、采样间隔、高通频率、低通频率、增益、延时等配置信息，在PC104工控板及超声波逻辑控制模块控制下，拉动深度计60，深度计60计算探头在基桩测管中的深度，在预设的深度位置由高压脉冲发生器40产生高压脉冲，通过相应探头中的发射换能器将电信号转换为超声波脉冲信号并传入被测混凝土，穿过混凝土的超声脉冲波，由相应探头中的接收换能器接收并将声波信号再转换为电信号，可先经前置放大器将信号经过适当的放大后（如图8所示）送给信号调理模数转换器50（如图5所示）进行增益调整，使其信号幅度及信噪比达到一定的要求后，将该模拟信号高速转换为离散的数字信号，以便主机20进行处理。主机20利用相关软件进行波形显示、声学参数判读和存储并进行必要地分析处理等操作工序。
其中，信号调理模数转换器50如图5所示，包括两级放大电路、滤波电路（先高通再低通）和AD转换电路。
本发明的一个实施例中，可由超声波发射机来驱动探头中的超声波发射换能器，若超声波逻辑控制模块30采用FPGA实现，如图6所示，则亦通过FPGA控制智能超声波发射机输出高压脉冲（500V或1000V）来驱动超声波发射换能器工作。高低压选择信号由FPGA板经过移位串转并芯片控制，触发信号直接由FPGA板控制。
本发明的一个实施例中，也可以通过编码器获取深度计60的计数信号，以确定当前电缆线的位置，并将接收的数据传送给FPGA板。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。编码器有绝对式和增量式两种。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位，适用于长距离传输。本发明实施例中使用编码器的原理图如图7所示。
利用上述实施例的多跨孔超声波检测系统进行多跨孔超声波检测，该方法包括以下步骤：
S1、将探头置于基桩的测管中，探头包括超声波发射换能器和超声波接收换能器；
S2、通过主机设置，在不同采样剖面，高压脉冲发生器激发探头的顺序；
S3、通过主机设置基桩采样剖面的间距；
S4、根据主机的设置，以及深度计的计数信息控制高压脉冲发生器发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；
S5、信号调理模数转换器对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换；
S6、超声波逻辑控制模块获取信号调理模数转换器的输出信号并在主机上显示。
本发明的一个实施例的步骤S3中，若设置基桩采样剖面的间距为零时，则进行基桩预测试，高压脉冲发生器轮流激发每一个探头的超声波发射换能器，当其中一个探头的超声波发射换能器被激发时，其余探头的超声波接收换能器则同时接收信号，以根据预测试结果设置高压脉冲发生器和信号调理模数转换器的工作参数，以及选择探头之间的发射顺序。
本发明所述的方法中，步骤S4中，深度计的控制有2种方法：不停地发射脉冲信号；到达预设位置再控制脉冲的发射。方法中不停发射脉冲并采集数据的同时，需要不停地判断深度计是否到达预设位置，然后根据判断结果保留预设位置的数据并丢弃其他数据。
本发明的多跨孔超声波检测系统采用模块化设计，更便于调试与维修，可以很方便的对仪器进行检测通道上的升级，不必再去购买一台仪器，节约成本。
本发明中对深度计的控制上不仅兼容已有的技术，即不停地采集信号，但只保留特定位置的信号，其他丢弃的方法，更开发并默认采用了到达预设位置再通过中断来控制信号的采集的方法，可以根据需要选择不同的方法。相对来说，后一方法更省电，对于野外操作更有利。
另外本发明实施例中的探头采用全对称的发射和接收方式，外部连接的探头可以随意混用，若某一探头的发射或接收被损坏，可以采用相对的另一组数据来判定基桩的完整性，用户使用更方便；同时此功能还可以检测某一探头的好坏——完全损坏或发射部分损坏或接收部分损坏，节约资源。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种多跨孔超声波检测系统，其特征在于，包括多个探头、深度计、高压脉冲发生器、信号调理模数转换器、超声波逻辑控制模块和主机；
深度计上设有多个导线槽，探头的电缆线置于导线槽中；
每个探头中均包括超声波发射换能器和超声波接收换能器，超声波发射换能器与所述高压脉冲发生器连接，超声波接收换能器与信号调理模数转换器连接；
信号调理模数转换器、主机均与超声波逻辑控制模块连接；
超声波逻辑控制模块通过主机接收配置信息，并根据获取的深度计的计数信息控制高压脉冲发生器发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；信号调理模数转换器对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换，超声波逻辑控制模块获取信号调理模数转换器的输出信号并在主机上显示；
所述高压脉冲发生器具体用于在基桩采样剖面的间距为零时，采用全对称的发射和接收方式，轮流激发每一个探头的超声波发射换能器，当其中一个探头的超声波发射换能器被激发时，其余探头的超声波接收换能器则同时接收信号，以根据预测试结果设置高压脉冲发生器和信号调理模数转换器的工作参数，以及选择探头之间的发射顺序。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述主机为工控机。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述信号调理模数转换器包括依次连接的放大器、滤波器和模数转换器。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述探头中还包括前置放大器，连接在所述超声波接收换能器和信号调理模数转换器之间。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，超声波逻辑控制模块通过FPGA实现。
6.一种多跨孔超声波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将探头置于基桩的测管中，所述探头包括超声波发射换能器和超声波接收换能器；
S2、通过主机设置在不同采样剖面，高压脉冲发生器激发探头的顺序；
S3、通过主机设置基桩采样剖面的间距；
S4、根据主机的设置，以及深度计的计数信息控制高压脉冲发生器发送高压脉冲给相应探头的超声波发射换能器；
S5、信号调理模数转换器对相应超声波接收换能器的信号进行放大、滤波和模数转换；
S6、超声波逻辑控制模块获取信号调理模数转换器的输出信号并在主机上显示；
步骤S3中，若设置基桩采样剖面的间距为零时，则进行基桩预测试，采用全对称的发射和接收方式，高压脉冲发生器轮流激发每一个探头的超声波发射换能器，当其中一个探头的超声波发射换能器被激发时，其余探头的超声波接收换能器则同时接收信号，以根据预测试结果设置高压脉冲发生器和信号调理模数转换器的工作参数，以及选择探头之间的发射顺序。
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