CN104090031B - 一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置，包括环形超声阵列换能器、控制处理器、发射脉冲发生器、回波信号接收器、信号处理器、扫描转换器和显示器；环形阵列换能器主要由环形压电晶体阵列、电极、声阻匹配层、垫衬吸声材料等组成。各环形振元按一定的规则和时序组合发送、接收信号，实现聚焦发射和聚焦接收。在发射过程中改变激励信号延迟时间配置，实现动态聚焦，对不同埋置深度的预应力管道进行检测，采用变孔径技术提高近场区横向分辨率。使用本发明对预应力管道压浆质量检测，提高检测信噪声比和灵敏度。

Description

一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置。

背景技术

在预应力混凝土结构中，预应力管道压浆质量直接影响整体结构的承载能力和耐久性，对管道压浆质量的有效检测是工程人员普遍关心的一个问题。采用超声波法检测预应力管道压浆质量与检测混凝土内部缺陷的基本原理相同，利用超声透射法或超声回波法获得超声波在混凝土中传播的特性参数，如声速、波幅、频率，通过这些参数的变化来判断混凝土的质量。

混凝土是由水泥、沙、粗骨料组成的混合材料，超声波在混凝土中传播时，声束被反射、散射及吸收，超声波能量衰减大、穿透深度小，且随着频率的提高呈指数衰减。传统的超声波无损检测装置一般采用单振元换能器，如公开号为CN102788843的中国专利提出了一种预应力管道压浆质量低频超声阵列检测装置，包括将超声发射器和接收器放置在混凝土表面，发射和接收超声波，对采集到的超声信号进行滤波预处理后，用有限元方法对混凝土内部物理参数进行重建以及图像后处理，然后根据图像做结果分析，依据混凝土的结构设计，从而确定混凝土内缺陷的位置、大小和性质，此类装置选择较低的工作频率，横向分辨率差，仅能检测分米级的压浆缺陷，而且缺陷定位较困难，存在一些不足。为了提高检测横向分辨率，应选择频率高、波束方向性好的高频波。因此，在预应力管道压浆质量检测中，高的横向分辨率和大的探测深度形成了矛盾。

于是人们考虑声束聚焦技术，使换能器发射的超声波束在一定范围内汇聚，由于声束汇聚，使其穿透力和回波增强，改善探测灵敏度，分辨率也得到提高。目前，通常采用相控阵技术进行电子聚焦。相控阵换能器主要有线性阵列、二维阵列以及环形相控阵列等。超声相控阵技术已广泛应用于生物医学等领域，而在混凝土检测中应用较少。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置，能够提高检测的分辨率和灵敏度。

一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置，包括环形阵列换能器、发射脉冲发生器、回波信号接收器、控制处理器和信号处理器；

在所述的控制处理器控制下，发射脉冲发生器向环形阵列换能器各振元发射延时脉冲信号；

各振元接收延时脉冲信号，并将该信号转换成超声波信号，产生的超声波信号入射混凝土，在预埋于混凝土内的预应力管道压浆不饱满位置处反射，形成回波信号；各振元接收回波信号，并将回波信号转换成电信号，然后输出给回波信号接收器；

在所述的控制处理器控制下，回波信号接收器根据各振元所接收到的回波信号之间存在的相位差，对各振元输出的电信号进行移相合成，然后输出合成信号给信号处理器；

所述的信号处理器对合成信号进行增益补偿、对数放大及检波处理，进一步得到预应力管道压浆饱满度信息。

所述的环形阵列换能器包括外壳以及设于外壳内的环形压电晶体阵列和声阻匹配层；所述的环形压电晶体阵列由多个(一般为4～8个)同心的环形压电晶体按照规定的间距排列组成；所述的环形压电晶体的上、下表面分别连接有电极，连接电极的环形压电晶体即为所述的振元；朝向混凝土检测面的电极设于声阻匹配层上，背向混凝土检测面的电极与外壳之间设有垫衬吸声层。

所述的环形压电晶体的厚度为λ/2，所述的声阻匹配层的厚度为λ/4的奇数倍，λ为超声波波长。

所述的环形压电晶体两端的电极通过导线与发射脉冲发生器的输出端以及回波信号接收器的输入端连接。

所述的垫衬吸声层材料采用环氧树脂加钨粉配合而成，或采用铁氧体粉加橡胶粉配合而成。

所述的外壳用于固定换能器的内部元件并保护内部元件，内部元件与壳体之间要有声学隔离，可采用橡胶材料，防止外壳振动造成对信号干扰。

在发射过程中，各振元按一定的时序受到激励，使得各振元发射的超声波信号叠加形成一个新的波阵面，实现发射聚焦；在接收过程中，回波信号接收器根据各振元所接收到的回波信号之间存在的相位差，对各振元输出的电信号进行移相合成，实现接收聚焦。

在发射过程中，控制处理器改变延时脉冲信号的延迟时间配置，使得焦距随延迟时间改变而改变；在接收过程中，控制处理器根据超声回波的距离，控制回波信号接收器依次投入相应的接收延迟，实现动态聚焦。在实际应用中，可根据预应力管道的埋置深度选择焦距，无需更换环形阵列换能器。

为了提高近场区横向分辨率，本发明采用变孔径技术：在近场处投入较少的内环振元，环形阵列换能器以较小的孔径接收回波信号；在远场处适当增加投入外环振元，环形阵列换能器以较大的孔径接收回波信号。

为了减少与处理器连接的信号线，所述的振元连接有电子开关。

所述的信号处理单元连接有扫描转换器，所述的扫描转换器连接有显示器；经处理后的合成信号按照时间顺序输入扫描转换器将声束扫描转换成视频扫描，再将视频图像输入显示器显示。

本发明预应力管道压浆质量检测装置，具有以下有益技术效果：

(1)本发明的环形阵列式换能器克服了单振元系统横向分辨率不足，采用振元数较少的环形阵列换能器形成高分辨率的聚焦声场，对预应力管道压浆质量高横向分辨率的探测和识别，提高检测信噪声比和灵敏度。

(2)本发明的环形阵列换能器形成聚集声场，声能集中，在混凝土中传播距离远，从而增加了检测深度范围。

(3)本发明通过控制时延，能实现声场动态聚焦，焦点可根据实际中预应力管道的埋深进行自动调节，无需更换换能器。

(4)本发明检测装置简单，系统成本低，与传统单振元换能器检测装置成本相当。

附图说明

图1为本发明预应力管道压浆质量检测装置的结构示意图。

图2为环形阵列换能器的结构示意图。

图3为环形压电晶体阵列的横截面图。

图4为环形阵列式换能器的聚焦示意图。

图5为环形阵列式换能器的动态聚焦示意图。

图6为环形阵列式换能器变孔径接收回波信号的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置，包括：环形阵列换能器、发射脉冲发生器、回波信号接收器、控制处理器、信号处理器、电子开关、扫描转换器和显示器。

在控制处理器控制下，发射脉冲发生器向环形阵列换能器各振元发射延时脉冲信号，环形阵列换能器各振元接收激励脉冲信号，并将电信号转换成超声波信号，产生的声波信号入射混凝土结构，在混凝土内部声阻不连续面及预应力管道压浆不饱满位置处产生反射，环形阵列换能器接收该反射波信号，并将声波信号转换成电信号，然后输入回波信号接收器，接收信号的合成过程相当于发射聚焦的逆过程，信号处理器对回波信号进行增益补偿、对数放大、检波等处理，经过处理后的信号按时间顺序输入扫描变换电路将声束扫描转换成视频扫描，然后将图像输入显示器显示。

整个检测装置接收控制器的指令同步协调工作；各环形振元采用电子开关控制，减少与主机连接的信号线，保证信号能迅速的发射和接收。

图2是环形阵列换能器的构造图，其主要由环形压电晶体阵列1、声阻匹配层2、电极3、垫衬吸声层4、导线5和外壳6组成。

本实施方式中环形压电晶体阵列由4个相互独立同心环形压电晶体按照规定的间距排列，压电晶体是复合材料，一般采用压电陶瓷材料，用于将电脉冲转换成超声频率的机械振动，以及接收回波的机械振动转换成电信号，压电晶体的厚度取超声波长λ的1/2。

各压电晶体的上、下表面分别连接正负电极，连接正负电极的压电晶体称为环形振元，是构成超声换能器的基本元件。

压电振元前端，即朝向混凝土检测面侧设有声阻匹配层，应该选择绝缘、衰减系数低并且耐磨的材料。其作用一方面用于保护压电振元不被磨损；另一方面，使超声波束能量尽可能多的透射进入混凝土结构。声阻匹配层的几何尺寸和声阻抗必须满足匹配条件，厚度取1/4超声波长的奇数倍，其声阻抗Z₂满足下式：

$Z_2=\sqrt{Z_1{Z}_3}$

式中：Z₁为压电晶体材料的声阻抗，Z₃为混凝土材料的声阻抗。

由于压电晶体是向两端发射超声波，在背面需要加用垫衬吸声层，吸声材料一般为环氧树脂加钨粉或铁氧体粉加橡胶粉配合而成，用于衰减和吸收压电晶体背向辐射的超声能量，使之不在换能器内部来回反射。

外壳用于固定换能器的内部元件，并保护内部元件。内部元件与外壳之间要有声学隔离，可采用橡胶材料隔离，以防止外壳振动造成对信号的干扰。

图3是具有4个振元的环形阵列式换能器的截面示意图，各圆环采用同心、等面积的设计方案，保证各振元的电阻抗、灵敏度接近。

在保证换能器尺寸一定的前提下，振元数目少时，单个振元面积大，振元间相互干扰小，但是旁瓣的幅度也加大；振元数目增多时，振元间相互干扰加大，增加控制电路的复杂性和不稳定性。因此，根据检测要求及条件，环形阵列式换能器可设计为4～8个圆环振元的不同系列。

振元间距过小，振元间相互干扰增加，而且给换能器的加工制作带来不便；振元间距大于半波长时，近场区声场起伏加剧，而且振元间距过大，会导致换能器尺寸增大。因此，振元间距小于1/2波长比较合适。

本实施方式环形压电晶体阵列(4个振元)的参数如表1所示：

表1

环形阵列式换能器工作频率的选择，应根据不同探测深度，及横向分辨率的要求作出选择。频率越高，波长越短，则波束方向性越好，横向分辨力高，但衰减也成比例的增加，使探测深度减小，信噪比受到影响。因此，宜选择较低的工作频率，本实施方式工作频率在50kHz与250kHz之间。

图4给出了环形阵列式换能器电子聚焦示意图，超声相控阵检测技术是在精确控制各振元信号的延迟来实现的，是超声相控阵检测中的核心技术。

各环形振元被同一频率的脉冲信号激励时，产生的声波是相干波，空间中一些点的声压幅度因为声波同相叠加而得到增强，另一些点的声压幅度由于声波的反相抵消而减弱，从而在空间中形成稳定的超声场。

考虑各晶体阵列单元发射的超声波束在轴向聚焦于距离为F的位置，即焦点O，为使各阵列单元发射的超声波同时到达焦点O，先要计算焦点与各晶体单元之间的距离，根据算出的距离差，及超声波在该混凝土介质中的传播速度，来控制施加到各单元的时间延迟量。发射脉冲发生器产生延时不同的高压脉冲信号激励相应的振元，精确控制不同振元的超声波信号同时到达目标聚焦点O，在焦点O各振元声束叠加得到最大的声束信号。

接收过程是发射过程的逆过程；首先设定好目标聚焦点，回波信号接收器根据目标聚焦点O到达不同振元的时间差对不同振元的回波信号进行精确的延时，使不同振元的回波信号相加，将多路回波信号的能量集中获得更大的回波信号幅度。

通常在声程上满足延时要求的反射信号才能被聚焦而得到加强。而对于一些随机反射干扰信号和噪声，因为不是按照特定反射规律反射，不被叠加，因此，有用的反射信号会得到加强，干扰信号被抑制，提高了信噪比。

在实际检测中，预应力管道埋置深度不同，与换能器的距离D是变化的，这时，改变各个圆环的时延，使得焦距F总是等于D，辐射声场总是聚焦在预应力管道埋置深度处，即实现动态聚焦，如图5所示。通过控制各个振元上发射信号的时延和幅度进行扫描成像，进行动态聚焦，不需更换换能器就可实现不同埋置深度的预应力管道压浆质量检测。

采用振元阵列组合发射和接收，增大了声源孔径，提高了远场分辨率，但是随着孔径增大，声束的直径在近场区也增大，使得近场的横向分辨率下降。针对这一问题，采用改变孔径技术来获得近、远场良好的分辨率，如图6所示。当探测目标较近时，采用中心圆盘和较少圆环振元接收近场的回波信号，以提高近场区的横向分辨率，随着探测目标深度增加，增加外圆环振元接收远场回波信号，以提高远场横向分辨率。

另外，本实施方式还可以在不改变软、硬件的条件下支持中心单个圆盘振元发送接收信号，即单振元换能器检测模式。

以上说明了本发明的实施方式，只是作为示例，在不脱离本发明要旨的范围内，可进行省略、增加、变更，通过其他方式实施，这些变动也应视为本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于超声环形相控阵列的预应力管道压浆质量检测装置，包括环形阵列换能器、发射脉冲发生器、回波信号接收器、控制处理器和信号处理器；其特征在于：

在所述的控制处理器控制下，发射脉冲发生器向环形阵列换能器各振元发射延时脉冲信号；

各振元接收延时脉冲信号，并将该信号转换成超声波信号，产生的超声波信号入射混凝土，在预埋于混凝土内的预应力管道压浆不饱满位置处反射，形成回波信号；各振元接收回波信号，并将回波信号转换成电信号，然后输出给回波信号接收器；

在所述的控制处理器控制下，回波信号接收器根据各振元所接收到的回波信号之间存在的相位差，对各振元输出的电信号进行移相合成，然后输出合成信号给信号处理器；

所述的信号处理器对合成信号进行增益补偿、对数放大及检波处理，进一步得到预应力管道压浆饱满度信息；

所述的环形阵列换能器包括外壳以及设于外壳内的环形压电晶体阵列和声阻匹配层；所述的环形压电晶体阵列由多个同心的环形压电晶体按照规定的间距排列组成；所述的环形压电晶体的上、下表面分别连接有电极，连接电极的环形压电晶体即为所述的振元；朝向混凝土检测面的电极设于声阻匹配层上，背向混凝土检测面的电极与外壳之间设有垫衬吸声层；

所述的环形压电晶体采用压电陶瓷材料；

所述的环形压电晶体的厚度为λ/2，所述的声阻匹配层的厚度为λ/4的奇数倍，λ为超声波波长；

所述的垫衬吸声层材料采用环氧树脂加钨粉配合而成，或采用铁氧体粉加橡胶粉配合而成。

2.根据权利要求1所述的预应力管道压浆质量检测装置，其特征在于：在发射过程中，各振元按一定的时序受到激励，使得各振元发射的超声波信号叠加形成一个新的波阵面，实现发射聚焦；在接收过程中，回波信号接收器根据各振元所接收到的回波信号之间存在的相位差，对各振元输出的电信号进行移相合成，实现接收聚焦。

3.根据权利要求2所述的预应力管道压浆质量检测装置，其特征在于：在发射过程中，控制处理器改变延时脉冲信号的延迟时间配置，使得焦距随延迟时间改变而改变；在接收过程中，控制处理器根据超声回波的距离，控制回波信号接收器依次投入相应的接收延迟，实现动态聚焦。

4.根据权利要求1所述的预应力管道压浆质量检测装置，其特征在于：采用变孔径技术提高近场区横向分辨率，在近场处投入较少的内环振元，环形阵列换能器以较小的孔径接收回波信号；在远场处适当增加投入外环振元，环形阵列换能器以较大的孔径接收回波信号。

5.根据权利要求1所述的预应力管道压浆质量检测装置，其特征在于：所述的信号处理器连接有扫描转换器，所述的扫描转换器连接有显示器。

6.根据权利要求1所述的预应力管道压浆质量检测装置，其特征在于：所述的振元连接有电子开关。