CN201387424Y

CN201387424Y - 混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置

Info

Publication number: CN201387424Y
Application number: CN200920064174U
Authority: CN
Inventors: 叶自清; 贺超英
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2019-04-23

Abstract

本实用新型公开了一种混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置，其特征在于，包括主控制器、用于发出超声波的发射器、用于驱动发射器的驱动电路、用于接收超声波的接收器、放大电路、用于计算超声波传输时间的计数器、AD转换器、用于启动主控制器中断的555触发器；所述的主控制器通过所述的驱动电路与所述的发射器连接；所述的接收器与所述的放大电路的输入端连接，所述的放大电路的输出端通过所述的AD转换器接主控制器的信号输入端，所述的放大电路的输出端通过555触发器接主控制器的中断端口；所述的计数器与主控制器连接。本装置具有测量精度高、成本低、可靠性高等特点。

Description

混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置

技术领域

本实用新型属于检测与电子技术领域，涉及一种混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置。

背景技术

研究火灾后结构损伤鉴定与修复，对尽快恢复建筑物使用功能，减少间接经济损失有着重要的现实意义和巨大的经济意义。湘潭市无线电厂的SYC-2型、汕头超声电子仪器厂的CTS-25型非金属超声检测仪代表了我国20世纪七八十年代非金属超声检测仪的发展水平。这些仪器基本上都是可以显示波形，并用游标手动判读声时参量，一般由数码管显示。少数便携式超声仪，体积少、重量轻(如北京无线电三厂的JC-2型)，但无波形显示设备，只能进行声时参量的测量，测量方法为整形自动读数，即将接收信号整形为方波，微分成尖脉冲后使计数器自动关门，这种整形关门需要一定的关门电平，因此要求接收信号首波有足够高的幅度，否则首波不能关门，而是后续波关门，造成“丢波”；而当噪声电平过大时又可能造成“误判”。因此，在长期距离弱信号测量时，可能出现判读错误。以上仪器均为模拟式超声仪，不具有对接收信号数字化自动采集功能，需人工记录数据，然后进行后期的数据分析处理。在20世纪八十年后期，一些超声仪配有微处理器、机内预置程序，可以对测量数据作一定的自动分析处理，如北京市计量科研所的HQY-901、扬州广陵专用超声设备厂的HTY-B型。20世纪八十年代末至90年代初，非金属超声检测仪由数字式向智能式发展，初期产品一般采用单片微处理器作为控制和处理单元，具有一定的数据处理功能，但由于受数据采集与传输速度、存贮容量以及编程语言等方面的限制，无法实时动态地显示波形，难以承担需要大容量处理单元和高速运算能力支持的信息处理工作。近年来，由北京市政工程研究院研制的NM系列非金属超声检测分析仪以PC机或工控机为核心，开发出了具有一定智能化的检测分析仪。所有这些超声波仪器均无一例外都是针对普通混凝土结构，而没有考虑火灾损伤后混凝土结构的物理化学参数和性能发生了根本的变化，因此，没有推出专门的检测火灾损伤后混凝土结构性能的仪器。

实用新型内容

本实用新型的要解决的技术问题是提供一种混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置，本装置结构简单、易于实施、放大器的增益可调。

本实用新型的技术方案如下：

一种混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置，其特征在于，包括主控制器、用于发出超声波的发射器、用于驱动发射器的驱动电路、用于接收超声波的接收器、放大电路、用于计算超声波传输时间的计数器、AD转换器、用于启动主控制器中断的555触发器；所述的主控制器通过所述的驱动电路与所述的发射器连接；所述的接收器与所述的放大电路的输入端连接，所述的放大电路的输出端通过所述的AD转换器接主控制器的信号输入端，所述的放大电路的输出端通过555触发器接主控制器的中断端口；所述的计数器与主控制器连接。

所述的放大电路由三个放大器级联而成。其中第二级放电器为可增益的放大器；其增益倍数有主控制器设定。

所述的主控制器采用51单片机。

本实用新型的优点与效果：

本装置又称超声波智能测试装置，具有测量精度高、操作简便、界面友好、安装调试简单、成本低、可靠性高等特点。

智能化超声损伤测试系统的特点：

1、适用于火灾后建筑构件安全性能的检测

2、精度：100ns以下

3、显示方式：9位LED显示

4、可通过微机进行输入参数、数据处理和显示打印

5、具有自检、出错告警和记录功能

6、配备远距离传输接口，最长距离为1200米

7、电源：220VAC，50Hz

另外，此装置还具有可靠性好、使用方便、可通过计算机处理、成本低、重量轻、操作简便等特点。

本装置的特点还体现在以下几个方面：

1、微处理器采用FLASH单片机(AT89C52)；

2、采用三级放大电路，第一级和第三级采用固定的高增益带宽积的精密运算放大器，第二级采用电压控制增益运算放大器，实现自动增益控制；

3、使用555构成的单稳脉冲触发器触发，完成计数器停止控制；

4、传感器驱动电路的高压是由脉冲变压器(T1)产生的(参见图4)，脉冲变压器输出端还有一个倍压电路，使驱动电压更高，大大的增强了驱动能力，尤其适应于高温下的混凝土构件的测试。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为本实用新型与上位机连接进行测试的结构示意图；

图3为实施例1的原理框图；

图4为驱动电路的电路图。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图3所示，一种混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置，其特征在于，包括主控制器、用于发出超声波的发射器、用于驱动发射器的驱动电路、用于接收超声波的接收器、放大电路、用于计算超声波传输时间的计数器、AD转换器、用于启动主控制器中断的555触发器；所述的主控制器通过所述的驱动电路与所述的发射器连接；所述的接收器与所述的放大电路的输入端连接，所述的放大电路的输出端通过所述的AD转换器接主控制器的信号输入端，所述的放大电路的输出端通过555触发器接主控制器的中断端口；所述的计数器与主控制器连接。

所述的放大电路由三个放大器级联而成。其中第二级放电器为可增益的放大器；其增益倍数有主控制器设定。所述的主控制器采用51单片机。

本装置采用脉冲法测量原理。智能超声损伤测试系统包括智能测试装置(即本实用新型涉及的装置)、智能转换器和计算机，如图2所示。

超声智能损伤测试装置是该检测系统的核心部分，测试装置精度的高低和可靠性的好坏都在于对这部分的设计和制作，该测试装置的主要功能有：

1 进行上电自检

2 产生换能器发射驱动信号

3 检测处理接收信号并识别第一个正脉冲信号

4 进行自动增益控制

5 计算声路的传播时间

6 向上位机回送测量的传播时间及状态

7 进行周期性系统检测

8 断电检测功能

9 控制输入输出功能

10 错告警功能

本装置的微处理器采用FLASH单片机(AT89C52)，实现整个装置的控制功能，包括传感器驱动控制、驱动/接收转换控制、A/D和D/A控制、传播时间测量、通信控制、计数控制等；采用三级放大电路，第一级和第三级采用固定的高增益带宽积的精密运算放大器，第二级采用电压控制增益运算放大器，实现自动增益控制；在三级放大电路之间各加入一个带通滤波器，去除低频噪声，使有用信号顺利通过ds12887为时钟电路芯片，其功能是提供系统基准时钟，具有计时准确、接口简单、操作方便的特点。计数器MAX032采用20MHZ，对超声波传播时间进行计数，从而得出传播时间；传感器驱动电路的输入控制信号通过高速光电隔离器件进行隔离，采用具有高速开关特性的MOSFET器件进行驱动控制；通过A/D和D/A转换电路实现信号大小的检测，信号增益的控制，最终实现自动增益控制；另外，具有RS-485串行接口。

工作过程：检测前将混凝土表面磨平，并将污物除去，然后将发射器(换能器B)和接收器(换能器A)压紧于互相对应的一对测点，设它们之间的距离为L。通过键盘，开启系统，单片机发出驱动控制信号至驱动电路，驱动超声波的发射传感器(换能器B)产生超声波脉冲。此时单片机同时发一个控制信号给计数器MAX032，开始计数。(说明：驱动电路的高压是由脉冲变压器(T1)产生的(参见图4)，脉冲变压器输出端还有一个倍压电路，使驱动电压更高，大大的增强了驱动能力，尤其适应于高温下的混凝土构件的测试(因为高温后的构件对超声波的衰减很大，这就要求发射功率大，才能提高该测试装置测量精度，此种电路能满足实际要求))。该超声波脉冲经过混凝土构件，一部分超声波被吸收，另外一部分穿透混凝土，被接收传感器(换能器A)接收，并将其转换为对应的电压波信号。该电压波信号首先进入第一级放大器进行放大，然后进入第一级滤波器消除干扰电压，再进入二级放大，因第一级滤波器不能完全消除干扰，残余的干扰信号同时被二级放大器放大，因此设置第二级滤波器，继续消除干扰，最后进入三级放大，输出一个干扰很小的标准电压波信号。(说明：第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，采用高速精密放大器LM318，其带宽为15MHz，放大倍数100倍时，能充分满足要求；第二级采用电压控制的可变增益运算放大器，选用VCA610芯片，增益为-40dB～+40dB即-100～+100倍，这样当第一级和第三级确定后，可以通过调节VCA610控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅值。)

当传感器的接收信号经过三级放大和滤波后，进行两个过程：一是信号进入采样/保持电路。经采样/保持后的信号送到A/D转换器，A/D转换器选用AD7810芯片。经A/D转换器得到的数字信号对应于三级放大输出的模拟电压值。该数值送到微处理器保存起来，作为下一次测量时的控制电压参考值。(在每次进行测量之前，单片机先根据上一次A/D转换器测得的电压值(第一次给定一个初始值)，经由D/A转换器和电压调整器，调节第二放大器增益控制端的电压。实现可变增益控制)；二是信号经555触发器(555触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲。同时，555触发器还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力)，向单片机CPU发中断申请。CPU发出停止信号停止计数器MAX032计数。在中断服务程序中读取MAX032计数器的计数值，并计算出声时值T(超声波透过混凝土的时间)，则通过公式v＝L/T计算出超声波传播速度v。同时通过公式

f_{cu}^{c} = {Ae}^{Bv}

计算出混凝土的强度值f_cu ^c，式中A、B为经验系数；最后通过显示器显示出来。

考虑到测试装置的功能划分和可靠性方面的要求，将其设计成两块PCB板，其中一块叫控制板，进行测量控制、参数存储、通讯控制及传播时间计算等功能，包括信号的放大、滤波、A/D、D/A、电压比较等功能。另一块板叫做驱动板，包括传感器驱动信号的隔离电路、驱动电路。

Claims

1、一种混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置，其特征在于，包括主控制器、用于发出超声波的发射器、用于驱动发射器的驱动电路、用于接收超声波的接收器、放大电路、用于计算超声波传输时间的计数器、AD转换器、用于启动主控制器中断的555触发器；所述的主控制器通过所述的驱动电路与所述的发射器连接；所述的接收器与所述的放大电路的输入端连接，所述的放大电路的输出端通过所述的AD转换器接主控制器的信号输入端，所述的放大电路的输出端通过555触发器接主控制器的中断端口；所述的计数器与主控制器连接。

2、根据权利要求1所述的混凝土火灾损伤特性智能超声测试装置，其特征在于，所述的放大电路由三个放大器级联而成。