畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于PC104的非金屬無損檢測(cè).doc

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展及其在工程檢測(cè)中的應(yīng)用，新的設(shè)計(jì)理念、新的實(shí)現(xiàn)方式不斷出現(xiàn)，并突破了傳統(tǒng)工程檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式。本課題設(shè)計(jì)的是應(yīng)用超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土、巖石陶瓷等非金屬材料和構(gòu)件進(jìn)行無損檢測(cè)的智能化儀器，配備功能強(qiáng)大的便攜式微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、大屏幕液晶顯示器和鋰電池，它集超聲波發(fā)射、同步接收、數(shù)字信號(hào)高速采集、聲參量自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出功能于一身。文章首先介紹了超聲檢測(cè)的相關(guān)理論以及現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了硬件系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)和部分軟件模塊的設(shè)計(jì)流程。接收系統(tǒng)采用程控濾波和程控放大，使得用戶能根據(jù)回波信號(hào)的強(qiáng)弱和探頭頻率的不同而選擇不同的濾波電路和放大倍數(shù)；交直流供電滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合；采用高分辨率大屏幕液晶顯示器，被測(cè)波形直觀形象；觸摸屏輸入，操作方便。各種接口齊全，方便用戶進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。通過和其它儀器對(duì)比，該系統(tǒng)具有可重配置性好，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，為產(chǎn)品的升級(jí)提供了很大的方便。關(guān)鍵詞：PC104；超聲檢測(cè)；程控；嵌入式系統(tǒng)ABSTRACT With the development of the technologies of micro-electronics, computers, and embedded system , and the application of them in project measuring, the new ideas of design and the new model of realization appear now, which break through the conventional pattern. This topic design is the application supersonic pulse examination technology to the concrete, the rock ceramics and so on the nonmetallic material and the component carries on the lossless examination the intellectualized instrument, provides the function formidable portable microcomputer systematic, the large screen liquid-crystal display and the lithium battery, its collection ultrasonic wave launch, the synchronization accept, digital signal high speed gathering, the sound parameter automatic detection, data analysis processing, finally the real time display and the data storage and the output function in a body.Firstly, this thesis has introduced the interrelated theory of ultrasonic testing and the domestic and foreign research present situation.the thesis also introduced each module of hardware in detail and software design flow chart.The receiving circuit adopts programmable gain amplifier and filter, enables the instrument to realize the automatic filter and the automatic adjusting enlargement factor according to the echo signals different amplitude and frequency; Having AC and DC power supply modes, the system can satisfy different situation; Having adopted the big screen TFT LCD,caused the tested wave displaying intuitively;Having designed the toucher ,which enables the system to have a human-computer interaction function, helps user operate facilely.Having diversified interfaces ,which convenient for father analyse and processing.contrasted with other instruments,the system has low height and good reconfiguration which convenient for upgrade of product.Keywords：The PC104 Ultrasonic detecting Programmable Embedded system目 錄第一章 緒論11.1 引言11.2 超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)11.3 非金屬超聲檢測(cè)儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)21.3.1 關(guān)于非金屬超聲檢測(cè)儀21.3.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)2第二章 本論文相關(guān)理論及技術(shù)簡(jiǎn)介42.1 PC104的簡(jiǎn)介42.2 超聲波檢測(cè)的基本原理52.2.1 聲波的傳播規(guī)律52.2.2 聲波在混凝土中的傳播特點(diǎn)82.2.3 聲波透射法檢測(cè)中的聲波102.2.4 聲波檢測(cè)的過程10第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)123.1 總體設(shè)計(jì)123.2 系統(tǒng)的各模塊設(shè)計(jì)133.2.1 便攜式微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)133.2.2 高壓脈沖發(fā)射與控制系統(tǒng)153.2.3 程控放大衰減系統(tǒng)203.2.4 同步電路243.2.5 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)253.2.6 電源電路26第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)304.1 Windows CE.net平臺(tái)主要開發(fā)工具介紹304.2 應(yīng)用程序開發(fā)334.3 軟件設(shè)計(jì)36第五章 結(jié)論與展望48致 謝50參 考 文 獻(xiàn)51 53 第一章 緒論1.1 引言隨著現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，人們生活水平不斷提高，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投入也越來越大，高速公路、大型橋梁、高層建筑、水利水電等設(shè)施到處大量興建。這些建筑物的質(zhì)量，無論是對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)，還是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)來說，都是十分重要的，而對(duì)建筑物的所有要求中，安全性是第一位的。近年來，災(zāi)難性的橋梁斷裂，房屋倒塌事故主要也是由于在設(shè)計(jì)施工中出了問題，加上對(duì)成橋的維修保養(yǎng)不力，出現(xiàn)了諸如混凝土內(nèi)部空洞、離析，鋼筋銹蝕、預(yù)應(yīng)力鋼筋失效、梁體受力部位開裂等病害，加強(qiáng)對(duì)這些設(shè)施的監(jiān)控和檢測(cè)，成為迫切需要解決的問題，無損檢測(cè)是防止這類惡性事件發(fā)生的重要手段；另一方面，對(duì)舊有建筑物的維修和保養(yǎng)非常困難，并且要耗費(fèi)大量的資金，無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用使維修保養(yǎng)大大減少盲目性，從而大大節(jié)約這項(xiàng)開支。建筑工程無損檢測(cè)技術(shù)有助于評(píng)估新舊建筑物的穩(wěn)定性和整體性，能夠用來估計(jì)建筑材料和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和性能，并能對(duì)其內(nèi)部含水量、缺陷和損傷進(jìn)行測(cè)量和定位，還能用來確定建筑材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力元件的位置，避免在打洞時(shí)發(fā)生意外的損傷?？傊ㄖこ虩o損檢測(cè)技術(shù)能夠以低成本、高效率的方式，起到監(jiān)督、診斷和測(cè)量的作用，對(duì)評(píng)價(jià)和保障建筑物的安全性，保護(hù)和保養(yǎng)珍貴的古建筑起到非常重要的作用。從某種意義上來講，無損檢測(cè)可以作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平，以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平高低的標(biāo)志之一3。工業(yè)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用的五大常規(guī)無損檢測(cè)方法有射線檢測(cè)法、超聲檢測(cè)法、磁粉檢測(cè)法、電磁感應(yīng)探傷法和浸透探傷法等。超聲波檢測(cè)是無損檢測(cè)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的無損檢測(cè)技術(shù)，占有非常重要的地位。超聲檢測(cè)法是利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響，非破壞性地探測(cè)材料內(nèi)部和表面的缺陷（如裂紋、氣泡、夾渣等）的大小、形狀和分布狀況及測(cè)定材料性質(zhì)。它提供了評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測(cè)其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備提出了越來越高的要求，超聲波檢測(cè)技術(shù)在電力、航空航天、石化、軍事、工業(yè)制造、醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛的采用，用來診斷和判別檢測(cè)對(duì)象的情況，在經(jīng)濟(jì)和安全上起著至關(guān)重要的作用4。1.2 超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)超聲波實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)的形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)，其物理實(shí)質(zhì)是能量的傳遞過程，一般其振動(dòng)頻率在20KHz以上。超聲波檢測(cè)也叫超聲檢測(cè)、超聲波探傷，是無損檢測(cè)的一種。超聲檢測(cè)常用的工作頻率在0.45MHz，較低頻率用于粗晶材料和衰減較大材料的檢測(cè)，較高頻率用于細(xì)晶材料和高靈敏度檢測(cè)。對(duì)于某些特殊要求的檢測(cè)，工作頻率可達(dá)1050MHz。近年來隨著寬頻窄脈沖技術(shù)的研究和應(yīng)用，超聲探頭的工作頻率，有的已經(jīng)高達(dá)100MHz。超聲波檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)主要有5：1） 超聲波具有良好的方向性超聲波的頻率很高，波長(zhǎng)很短，通常所使用的超聲波，波長(zhǎng)是毫米的數(shù)量級(jí)。它具有良好的方向性，頻率越高，方向性越好，可以定向發(fā)射，這對(duì)判定被檢測(cè)材料中的缺陷位置十分重要。2） 超聲波的能量高聲波所能傳送的能量與頻率的平方成正比，而超聲波的頻率很高。因此超聲波的能量遠(yuǎn)大于普通聲波的能量。這就保證了超聲波在傳遞中始終保持相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，而不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)樗p而造成的無法判別回波信號(hào)的問題。3） 具有良好的幾何特征超聲波的傳遞具有一些幾何光學(xué)的特點(diǎn)，在同一介質(zhì)中是直線傳輸，在介質(zhì)的界面會(huì)發(fā)生折射，反射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，這對(duì)缺陷的精確定位提供了可能。4） 適應(yīng)性強(qiáng)超聲檢測(cè)具有適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高、對(duì)人體無害、設(shè)備輕巧、成本低廉，可即時(shí)得到探測(cè)結(jié)果，適合在實(shí)驗(yàn)室及野外等各種環(huán)境下工作，并能對(duì)正在運(yùn)行的裝置和設(shè)備實(shí)行在線檢查。1.3 非金屬超聲檢測(cè)儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.3.1 關(guān)于非金屬超聲檢測(cè)儀非金屬超聲檢測(cè)分析儀是應(yīng)用超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土、巖石、陶瓷、石墨、塑料等非金屬材料和構(gòu)件進(jìn)行無損檢測(cè)的智能化儀器。它主要是通過測(cè)取被測(cè)介質(zhì)的超聲脈沖波的聲傳播時(shí)間以及超聲脈沖波的首波波幅，同時(shí)記錄經(jīng)被測(cè)介質(zhì)傳播后的波形，并通過一定的數(shù)據(jù)分析處理來達(dá)到分析與推斷被測(cè)介質(zhì)質(zhì)量（如強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和裂縫、勻質(zhì)性、損傷層厚度、混凝土基樁完整性）和聲學(xué)參數(shù)的目的。1.3.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)超聲波探傷優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無害，能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。超聲波探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結(jié)果不便于保存，超聲波檢測(cè)對(duì)工作表面要求平滑，要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類、適合于厚度較大的零件檢驗(yàn)，使超聲波探傷也具有其局限性。非金屬超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)在國(guó)際上始于二十世紀(jì)40年代后期。隨著檢測(cè)技術(shù)研究的深入和發(fā)展，儀器設(shè)備的更新和技術(shù)水平的提高，這項(xiàng)測(cè)試技術(shù)在世界各國(guó)得到普遍推廣和應(yīng)用，許多國(guó)家及國(guó)際學(xué)術(shù)團(tuán)體都先后制定了混凝土超聲檢測(cè)規(guī)程、方法或建議。如美國(guó)的ASTM、英國(guó)的BSI均已頒布或正準(zhǔn)備頒布有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中以 ASTM所頒布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最多，這些標(biāo)準(zhǔn)有 硬化混凝土射入阻尼標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法(C803-82)、結(jié)構(gòu)混凝土抽樣與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法(C823-83)、硬化混凝土回彈標(biāo)準(zhǔn)法(C805-85)等。世界無損檢測(cè)會(huì)議每四年舉行一次，亞洲及歐洲等也有無損檢測(cè)會(huì)議。2000年10月1521日，在意大利羅馬召開了第15屆世界無損檢測(cè)會(huì)議，2000名代表出席了會(huì)議，99家廠商參展，大會(huì)共收到來自54個(gè)國(guó)家的773篇論文，其中土木工程無損檢測(cè)的論文有39篇，是歷屆最多的，這說明國(guó)外非常重視土木工程的無損檢測(cè)工作。我國(guó)已申請(qǐng)到第17屆無損檢測(cè)會(huì)議，今年將在上海召開，這對(duì)我國(guó)的無損檢測(cè)將起到很大的促進(jìn)作用7。我國(guó)從上世紀(jì)50年代開展此項(xiàng)技術(shù)的研究，60年代開始用于工程檢測(cè)，后來在混凝土建設(shè)工程、巖體檢測(cè)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)檢測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用。從工程地上結(jié)構(gòu)到地下結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，從一般構(gòu)件檢測(cè)到大體積混凝土的檢測(cè)，從單一的測(cè)強(qiáng)發(fā)展到測(cè)裂縫、缺陷、損傷層厚度、彈性力學(xué)參數(shù)等，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得人們對(duì)超聲儀有了越來越高的要求，即：儀器不僅能夠具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的波形顯示、聲參量快速準(zhǔn)確的自動(dòng)測(cè)量和存儲(chǔ)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和處理等主要功能，而且應(yīng)具有體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)、液晶顯示技術(shù)、觸摸技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，也為超聲儀的進(jìn)一步發(fā)展提供了較為成熟的相關(guān)技術(shù)前提。數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化成為超聲儀發(fā)展的主流方向。第二章 本論文相關(guān)理論及技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 PC104的簡(jiǎn)介PC/104是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。 PC/104有兩個(gè)版本，8位和16位，分別與PC和PC/AT相對(duì)應(yīng)。PC/104PLUS則與PCI總線相對(duì)應(yīng)。 1） IEEE-996標(biāo)準(zhǔn)的延伸 第一塊PC104產(chǎn)生于1987年，但嚴(yán)格意義的規(guī)范說明在1992年才公布，從那以后，對(duì)PC104感興趣的人越來越多，當(dāng)時(shí)就有125個(gè)廠家引進(jìn)PC104規(guī)范生產(chǎn)PC104兼容產(chǎn)品。像原來的PC總線一樣，PC104一直是以一個(gè)非法定標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行，而不是委員會(huì)設(shè)計(jì)制定的。1992年IEEE開始著手為PC和PC/AT總線制定一個(gè)精簡(jiǎn)的IEEEP996標(biāo)準(zhǔn)（草稿），PC104作為基本文件被采納，叫做IEEE P996.1兼容PC嵌入式模塊標(biāo)準(zhǔn)。 可見，PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。我們知道IEEE-P996是PC和PC/AT工業(yè)總線規(guī)范，IEEE協(xié)會(huì)將它定義IEEE-P996.1，很明顯PC104實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P996，其信號(hào)定義和PC/AT基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。 PC104與普通PC總線控制系統(tǒng)的主要不同是： 1.小尺寸結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是3.63.8英寸，即9690mm； 2.堆棧式連接：去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝有極好的抗震性； 3.輕松總線驅(qū)動(dòng)：減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊1-2瓦能耗。 2） 有二個(gè)方法使用PC/104模塊： PC/104模塊的擴(kuò)展和應(yīng)用是靈活的,有二種基本方法在設(shè)計(jì)的嵌入系統(tǒng)中使用PC104。 獨(dú)立的模塊堆棧：PC/104模塊是自我堆棧式。這方式中，模塊是被用作全兼容的總線底板,但是不需要背板和插槽疊成的。每個(gè)模塊留出0.6英寸間距。作為高度集成的元件使用：在這方式下,模塊作為用一個(gè)高度集成元件，插入一個(gè)定制的母板上，母板上包含有應(yīng)用接口和總線邏輯，它的自我堆棧方式，可在一個(gè)位置上安裝幾個(gè)模塊。這種方式允許在系統(tǒng)調(diào)試或者測(cè)試時(shí)，臨時(shí)更換模塊，同時(shí)有利于我們將來的產(chǎn)品升級(jí)或者更換選件。 2.2 超聲波檢測(cè)的基本原理2.2.1 聲波的傳播規(guī)律在彈性介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)，由于某種原因而引起初始的擾動(dòng)或振動(dòng)時(shí)，這一擾動(dòng)或振動(dòng)將以波的形式在彈性介質(zhì)內(nèi)以波的形式傳播，形成彈性波。聲波是彈性波的一種，若視巖土和混凝土介質(zhì)為彈性體，則聲波在巖土和混凝土介質(zhì)中的傳播服從彈性波傳播規(guī)律。 1 波的分類圖2.1 縱波傳播示意圖根據(jù)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向的差別可將其分為若干種，如縱波、橫波、表面波、蘭姆波、扭轉(zhuǎn)波等。但根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的疊加原理，任何復(fù)雜的波動(dòng)都可以看成是縱波和橫波的疊加。因此，縱波和橫波是基本的機(jī)械波。1） 縱波介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向平行的波稱為縱波，又稱為P波?？v波的傳播是依靠介質(zhì)時(shí)疏時(shí)密的局部容積發(fā)生變化引起壓強(qiáng)的變化而傳播的，因此和介質(zhì)的體積彈性相關(guān)。任何彈性介質(zhì)都具有體積彈性，所以縱波可以在任何介質(zhì)中傳播。圖2.1為縱波的傳播示意圖。2） 橫波 圖2.2 橫波傳播示意圖介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波，又稱為S波。橫波的傳播是依靠使介質(zhì)產(chǎn)生剪切變形(局部形狀變化)引起的剪應(yīng)力變化而傳播的，它和介質(zhì)的剪切彈性相關(guān)。由于液體、氣體形狀變化時(shí)，不能產(chǎn)生抗拒形變的剪應(yīng)力，因此，液體和氣體不能傳播橫波，只有固體才能傳播橫波。圖2.2為橫波的傳播示意圖。2 聲波在兩種介質(zhì)面上的傳播規(guī)律聲波在介質(zhì)中傳播的過程中，遇到與原介質(zhì)阻抗不同的障礙物時(shí)，在兩種介質(zhì)面上聲波的傳播規(guī)律、聲波能量的分配都將發(fā)生變化。這種變化的規(guī)律依賴于聲波波長(zhǎng)和障礙物尺寸的比率、兩種介質(zhì)的特性以及聲波的入射角度。如果障礙物尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，聲波將在兩種介質(zhì)的界面處發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象。如果障礙物尺寸與波長(zhǎng)相近，將發(fā)生顯著的繞射現(xiàn)象。如果障礙物尺寸小于波長(zhǎng)，聲波的大部分能量繞過障礙物，少部分能量向障礙物四周散射。混凝土等非金屬材料是一種多種材料的聚合體，在其內(nèi)部存在多種聲學(xué)界面，聲波在其中的傳播是一個(gè)非常復(fù)雜的聲學(xué)現(xiàn)象，研究聲波在異質(zhì)界面上的傳播規(guī)律對(duì)于混凝土等非金屬材料質(zhì)量的聲波檢測(cè)具有重要意義。當(dāng)兩種介質(zhì)的界面尺寸遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)時(shí)，聲波在介質(zhì)面上將發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。1） 波的反射聲波從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，在界面上有一部分能量被界面反射，形成反射波。入射波波線和反射波波線與界面法線的夾角分別為入射角和反射角，入射角的正弦與反射角1的正弦之比，等于波速之比，即： (2.1)當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，V1V1，所以有：=1 (2.2)2） 波的折射聲波的部分能量將透過界面形成折射波,折射波線與界面法線的夾角為折射角。入射角與折射角的正弦比，等于入射波在第一種介質(zhì)中的波速與折射波在第二種介質(zhì)中的波速之比，即： （2.3）3） 反射率反射波聲壓與入射波聲壓之比，稱為反射率，即： (2.4)的大小與入射波角度、介質(zhì)聲阻抗率及第二種介質(zhì)的厚度有關(guān)，當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)很厚時(shí)， （2.5）式中： 第一種介質(zhì)阻抗 第二種介質(zhì)阻抗如果聲波垂直入射，即時(shí)，式（2.5）可簡(jiǎn)化為： （2.6）如果第二種介質(zhì)為薄層， （2.7）式中： 聲阻抗之比，即 波長(zhǎng) 第二種介質(zhì)的厚度4） 反射系數(shù)發(fā)射聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)之比，稱為反射系數(shù)，即有 （2.8）若為垂直入射，即，則 （2.9）5） 透過率透過聲壓與入射聲壓之比，稱為透過率，即： （2.10）當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)很厚時(shí)， （2.11）若為垂直入射，即，則 （2.12）當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)為薄層時(shí)， （2.13）6） 透過系數(shù)透過聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)之比，稱為透射系數(shù)，即有 （2.14）垂直入射，即時(shí)， （2.15）2.2.2 聲波在混凝土中的傳播特點(diǎn)前述關(guān)于聲波原理的論述，大多是以各向同性的均勻彈性介質(zhì)為基礎(chǔ)的，而實(shí)際上絕大部分材料是非均勻介質(zhì)?；炷翆?shí)際上近似于一種砧彈性材料。在混凝土的聲學(xué)檢測(cè)中，我們研究的對(duì)象混凝土實(shí)際上是一種集結(jié)型復(fù)合材料，是多相復(fù)合體系，其內(nèi)部存在著廣泛分布的復(fù)雜界面，例如，砂漿與骨料的結(jié)合面、各種缺陷所形成的界面。因此，超聲波在混凝土中的傳播狀況要比在均勻介質(zhì)中的傳播復(fù)雜的多。超聲波在混凝土中的傳播狀況有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)6： 1） 衰減較大混凝土材料具有粘塑性，當(dāng)超聲波穿過混凝土?xí)r將引起能量衰減，是部分超聲波被轉(zhuǎn)換成其他能量而損失，即所謂吸收衰減;混凝土中存在廣泛的異質(zhì)界面，當(dāng)超聲波到達(dá)界面會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生散射衰減，散射功率的大小與超聲波頻率的平方成正比。因此，為了使聲波在混凝土中的傳播距離增大，往往采用比金屬材料探傷中所采用的頻率低得多的超聲頻率，頻率低的波擴(kuò)散角很大，波束擴(kuò)散，單位面積上的聲能隨傳播距離的增大而減小，產(chǎn)生擴(kuò)散衰減。2） 指向性差混凝土中聲波指向性較差的原因主要有兩個(gè)方面： 1.使用的聲波頻率較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，擴(kuò)散角較大一般較大，超聲波失去指向性。主波束擴(kuò)散角與換能器直徑D和波長(zhǎng)的關(guān)系可近似表示為： （2.16）對(duì)常用的換能器探頭，D4cm，當(dāng)D=1.22，即當(dāng)采用137KHz超聲波時(shí)，角達(dá)90，這時(shí)由發(fā)射換能器進(jìn)入混凝土內(nèi)的超聲波實(shí)際上是以換能器為中心的球面波，超聲波失去指向性，其聲場(chǎng)占據(jù)整個(gè)試件空間。 2.混凝土內(nèi)存在眾多的聲學(xué)界面而導(dǎo)致出現(xiàn)許多反射波和折射播波，雖然這些波的聲強(qiáng)比入射波低，但是由于數(shù)量眾多，而且彼此相互干涉和疊加，因而造成較大的漫射聲能，也使波的指向性變差。3） 波的傳播路徑復(fù)雜波線往往因界面的反射和折射而曲折，因此，當(dāng)聲波在混凝土中遇到較大缺陷時(shí)，并非直線傳播。4） 在混凝土的超聲檢測(cè)中一般采用產(chǎn)生縱波的發(fā)射超聲換能器，當(dāng)超聲一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，聲波能量在界面上要發(fā)生轉(zhuǎn)化，因?yàn)榛炷练N成分極為復(fù)雜的非均勻性物質(zhì)，所以即使入射波為單一縱波，也會(huì)通過在介質(zhì)界面上的波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫波。另外一部分聲波會(huì)沿著混凝土表面?zhèn)鞑バ纬杀砻娌ǎ跓o限介質(zhì)中縱波、橫波和表面波的速度關(guān)系如下所示： (2.17) (2.18)式中：VR為表面波波速。一般固體，介于00.3左右，1.14，混凝土的在0.20.3左右,=1.631.87,因?yàn)閂R0.9VS，所以VP（1.82.0）VR。所以在接收通過混凝土的超聲波時(shí)，首先接收到的首波為縱波，其后是縱波的余振波，橫波和表面波的疊加。所以經(jīng)混凝土介質(zhì)特性調(diào)制后，在在混凝土超聲場(chǎng)所及空間內(nèi)的任何一點(diǎn)，都存在著一次聲波(即入射波)及二次聲波(即反射波、折射波和波形轉(zhuǎn)換后的橫波)。換能器的接收信號(hào)是一次聲波和二次聲波的疊加。所以直接穿越的一次聲波所走的距離較短，首先到達(dá)接收換能器，但是由于衰減作用往往波幅較低。二次波經(jīng)過多次反射所走距離較長(zhǎng)，其中橫波波速較慢，它到達(dá)的時(shí)間要比一次波滯后，但由于相互的疊加，使接收信號(hào)變大，而且使波形畸變。聲波在混凝土中的傳播過程是非常復(fù)雜的，混凝土內(nèi)部的缺陷、骨料與水泥砂漿構(gòu)成聲學(xué)界面的數(shù)量和空間分布也是隨機(jī)的、多樣性的，很難找到合適的力學(xué)模型進(jìn)行模擬。因此，對(duì)聲波在混凝土中的傳播機(jī)理目前還只是停留在定性的水平上。2.2.3 聲波透射法檢測(cè)中的聲波在非金屬材料的無損檢測(cè)中使用的聲波是脈沖聲波，它是由聲源間歇發(fā)出的一組組聲波，介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)作間歇的脈沖振動(dòng)10。1） 脈沖聲波的特點(diǎn)1.每次發(fā)射的持續(xù)時(shí)間短，重復(fù)間斷發(fā)射。2.聲脈沖經(jīng)頻譜分析后具有眾多的頻譜成分，因此聲脈沖是一種復(fù)頻波(多種頻率成分的余弦波疊加而成的聲波)，其主頻就是聲波換能器的標(biāo)稱頻率。2） 脈沖聲波在介質(zhì)中的傳播特征脈沖聲波的上述特點(diǎn)決定了它在介質(zhì)中的傳播比單頻連續(xù)波復(fù)雜，具有如下特征：1.頻波在介質(zhì)中的頻散現(xiàn)象造成聲脈沖的畸變。不同頻率的余弦波在介質(zhì)中傳播時(shí)具有不同的傳播速度，一般高頻快，低頻慢，這種現(xiàn)象稱為頻散。頻散現(xiàn)象必然導(dǎo)致聲脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)，與距離的增加而發(fā)生畸變。2.波在介質(zhì)中的頻漂引起聲脈沖的畸變。聲脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于各種頻率成分的衰減不同，頻率高的成分比頻率低的成分衰減大，因此脈沖頻譜將發(fā)生變化，主頻將向低頻漂移，造成聲脈沖波形的畸變，這種現(xiàn)象稱為頻漂。聲脈沖主頻的漂移程度，也是介質(zhì)對(duì)聲波衰減作用的一個(gè)表征。2.2.4 聲波檢測(cè)的過程 聲波檢測(cè)技術(shù)，是應(yīng)用頻率在幾百赫的彈性波，對(duì)非金屬材料，例如巖體、巖石、混凝土構(gòu)筑物、木材等進(jìn)行力學(xué)性能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不連續(xù)結(jié)構(gòu)面、缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一門較新興的檢測(cè)技術(shù)。在機(jī)理上它與淺層地震勘探一樣，但由于使用的頻率較高，儀器的計(jì)時(shí)精度在微秒級(jí)，因而有較高的分辨能力。在巖石試件，混凝土試塊測(cè)試時(shí)使用的頻率可達(dá)幾百KHz，測(cè)試精度高達(dá)0.05s。 聲波檢測(cè)是工程物探的手段之一。在解決復(fù)雜的工程地質(zhì)勘察和巖土工程施工質(zhì)量檢測(cè)中，不斷發(fā)展歸結(jié)起來的檢測(cè)過程可用圖2.3的框圖來說明。圖2.3 聲波檢測(cè)過程第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)硬件平臺(tái)總體框圖如圖3.1所示，其工作原理是程控直流升壓電路在PC104板卡控制下根據(jù)需要輸出高壓脈沖信號(hào)，通過發(fā)射換能器變換成超聲波信號(hào)并傳入被測(cè)介質(zhì)；接收換能器接收通過被測(cè)介質(zhì)的聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波等處理后送給數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行高速采集。數(shù)據(jù)采集電路將采集得到的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，得出被測(cè)對(duì)象的聲參量和缺陷分析，并將處理得到的數(shù)字信號(hào)和波形信號(hào)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在液晶顯示器上。此外，儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)文件可方便地通過RS232接口傳輸至用戶計(jì)算機(jī)中，可通過配套的Windows平臺(tái)下的分析處理軟件進(jìn)行更詳細(xì)的分析處理8。圖3.1 非金屬超聲檢測(cè)分析儀的原理框圖主要由高壓脈沖發(fā)射系統(tǒng)、程控放大衰減系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、專用微機(jī)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、I/O接口系統(tǒng)六部分組成。1） 高壓脈沖發(fā)射系統(tǒng)超聲波的產(chǎn)生是通過對(duì)發(fā)射換能器施加一定電壓激勵(lì)脈沖，使發(fā)射換能器的壓電晶體產(chǎn)生振蕩來實(shí)現(xiàn)，超聲脈沖波輻射的能量與激勵(lì)的脈沖電壓直接相關(guān)，脈沖電壓越高，發(fā)射的脈沖超聲就越強(qiáng)，如果要產(chǎn)生能量足夠大的超聲波信號(hào)，需要對(duì)發(fā)射換能器加很高電壓的激勵(lì)脈沖。本系統(tǒng)根據(jù)用戶的需要，在PC104模塊的控制下產(chǎn)生PWM波，控制高壓模塊分別實(shí)現(xiàn)500V、1000V、1500V高壓的輸出。2） 程控放大衰減系統(tǒng)采用寬帶、低噪聲的放大器件和低阻抗、低噪聲的繼電器，并配合使用精確的衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成寬增益、寬頻帶、低噪聲的程控放大系統(tǒng)。通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，滿足后續(xù)采集電路量程的要求。3） 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用雙通道、分辨率為12位、采樣速率為20MSPS、3.3V供電電壓的高速AD器件，組成高精度、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4） 專用微機(jī)系統(tǒng)專用微機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它由基于PC104總線的CPU板卡構(gòu)成專用微機(jī)系統(tǒng)，然后在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)WinCE操作系統(tǒng)上的移植，以及應(yīng)用程序的開發(fā)，在操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析、輸出等功能。5） 電源系統(tǒng)為了解決部分功能電路相互干擾的問題，利用帶隔離的DCDC電源模塊實(shí)現(xiàn)各種電壓的輸出，在系統(tǒng)中提供+5V、-5V、+12V、-12V，發(fā)射+12V、背光+5V、3.3V電壓。6） IO接口系統(tǒng)采用大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠪PGA/CPLD，構(gòu)成I/O接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC104之間的無縫連接，總線切換、程序控制功能等。 利用五線式電阻觸摸屏實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的輸入與控制，采用工業(yè)級(jí)的104寸TFT LCD滿足波形動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示以及高對(duì)比度的要求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器數(shù)據(jù)的后續(xù)處理、打印以及升級(jí)需要，設(shè)計(jì)了RS232和USB通信接口。其中RS232接口用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)通訊，USB用來實(shí)現(xiàn)打印、升級(jí)，也可與上位機(jī)進(jìn)行通訊。3.2 系統(tǒng)的各模塊設(shè)計(jì)3.2.1 便攜式微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本系統(tǒng)的便攜式微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由盛博公司SCM-7020（PC/104 模塊）構(gòu)成，它是一款 “all-in-one” CPU 模塊，它在板集成了10/100Base-T以太網(wǎng)接口及高性能圖形處理器。采用X86 兼容的64 位第六代處理器，最高運(yùn)行速度可達(dá)300MHz，在板內(nèi)存支持最大128M 3.3V SDRAM。圖形處理器可支持各種LCD 及TFT 顯示屏，最大4M 顯存、最大支持至1280*1024、1670萬種顏色，同時(shí)在板支持PS/2 鍵盤、PS/2鼠標(biāo)、IDE 接口、Floppy 接口、兩串一并接口、USB、以太網(wǎng)接口以及Watchdog timer。性能特點(diǎn)：l X86兼容64位微處理器，支持MMXTM指令集擴(kuò)展，速度高達(dá)300MHzl SVGA顯示接口支持CRT及TFT最大4M共享顯存，最大分辨率可達(dá)1280*1024，1670萬種顏色l 在板內(nèi)存最大可達(dá)128Ml 16KB L1 回寫緩存l 支持PS/2鍵盤及鼠標(biāo)l 支持軟驅(qū)、IDE硬盤l 兩串一并接口l USB1.1接口l 在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口l 16位PC/104總線圖3.2給出了板上的接口連接器和配置跳線的位置。表3.1列出板上連接器的用途。圖3.2 SCM-7020 機(jī)械尺寸及跳線圖(單位：英寸)表3.1 連接器的用途連接器功能尺寸Key PinPC104AB1PC/104擴(kuò)展總路線64-PinB10PC104CD1PC/104擴(kuò)展總路線40-PinC19J1電源4-PinNoneKBMS1多用接口10-PinNoneCOM1串行口110-PinNoneCOM2串行口210-PinNoneLPT1并行口26-PinNoneFDD1Floppy接口26-Pin FFCNoneCRT1CRT 接口10-Pin10PL1保留14-Pin-RJ1ETH/USB 接口10-PinNoneRJ3保留10-Pin-PIDE1IDE 接口44-Pin(2mm)20LCD1平板顯示接口40-Pin(2mm)30J2保留2-Pin-J3保留5-Pin-J4保留2-Pin-3.2.2 高壓脈沖發(fā)射與控制系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射部分包括發(fā)射電路和發(fā)射換能器。發(fā)射電路的任務(wù)是產(chǎn)生高頻脈沖波，用來激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲脈沖。探頭由超聲波換能器組成，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)向被測(cè)介質(zhì)發(fā)送。本系統(tǒng)采用的是收發(fā)分開的探頭，這樣可以減少發(fā)射余震信號(hào)的影響，即可減小盲區(qū)。針對(duì)不同的探測(cè)要求，探頭可以更換9。1 超聲換能器圖3.3 增壓式換能器換能器，是能量轉(zhuǎn)換的器件。聲波換能器從廣義上來講，應(yīng)是把聲能轉(zhuǎn)換成其它能量，并可互換的器件，聲波換能器是聲波檢測(cè)的重要部件。從表3.2可見,不同測(cè)試如使用不同圖3.5 平面型換能器圖3.4 朗之萬型換能器型式的換能器,其性能將會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。用壓電換能器發(fā)射與接收是混凝土及巖石檢測(cè)的主要測(cè)試方法。本文主要講述壓電換能器。常見的換能器有以下幾種：l 徑向增壓型(圖3.3)l 朗之萬型(夾心式)（低頻）(圖3.4)l 平面型（高頻）（圖3.5）l 一發(fā)雙收型l 橫波型以上各種換能器各自用在不同的場(chǎng)合。衡量壓電型換能器性能的技術(shù)指標(biāo)有很多，現(xiàn)在主要研究的是“頻率特性”、“首次波比”和“指向性”。表3.2 各類換能器比較換能器類型諧振頻范圍(KHz)阻抗范圍（）指向性首次波比耦合方法適應(yīng)的測(cè)試方法夾心式10-50幾至十幾無 1黃油或凡士林表面及平面測(cè)試增壓式25-351000左右無 1水鉆孔中跨孔測(cè)試圓管式一般為20-401000-2000左右無徑向指向性，長(zhǎng)度大時(shí)有軸向指向性優(yōu)質(zhì)品可接近1水鉆孔中跨孔測(cè)試一發(fā)雙收30左右無優(yōu)質(zhì)品可接近1水鉆孔中單孔測(cè)試單片彎曲振動(dòng)式5-20無 1黃油或凡士林表面及平面測(cè)試高頻換能器100-100010左右無優(yōu)質(zhì)品1黃油或凡士林巖樣測(cè)試橫波換能器40-400無1700V，BVceo1700V。由于超聲探測(cè)的對(duì)象是極不均勻的，其結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，其吸收衰減系數(shù)可達(dá)十多分貝，因而要求有足夠大的發(fā)射脈沖功率。發(fā)射電路采用非調(diào)諧式脈沖發(fā)射電路，其發(fā)射頻率由超聲換能器本身頻率決定。其電路如圖3.9所示。圖3.9 發(fā)射電路 當(dāng)CPLD的SEND_CON腳輸出一個(gè)占空比很小的矩形脈沖，經(jīng)光電耦合器隔離后到射極跟隨器的進(jìn)行電流放大加到功率放大器基極，于是功率三極管導(dǎo)通，電容C261開始放電，激勵(lì)發(fā)射換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。時(shí)間常數(shù)等于2.2倍R與換能器的靜態(tài)電容之積，發(fā)射脈沖寬度要小于該值，R281為阻尼電阻，其值越大阻尼越大。功率三極管選用TOSHIBA 公司的2SC5243，其反相擊穿電壓為1700V，滿足發(fā)射電壓1500V的要求。由于探測(cè)距離不同，所以要求發(fā)射電壓可調(diào)。 3 程控升壓電路設(shè)計(jì)根據(jù)發(fā)射電路可知，如供電越大，其電脈沖功率將越大。為了滿足不同的測(cè)試距離，共設(shè)計(jì)了500V、1000V、1500V三個(gè)等級(jí)的高壓輸出。從可靠性和抗干擾性出發(fā)，高壓的產(chǎn)生采用模塊來實(shí)現(xiàn)，該模塊采用天津市恒博高壓電源廠生產(chǎn)的高壓模塊，12V輸入，01500V、10mA輸出，外接電位器或05V控制。高壓控制電路如圖3.10所示。圖3.10 高壓控制電路該模塊的控制信號(hào)取自于CPLD，在CPLD內(nèi)部構(gòu)造一個(gè)控制器，利用三個(gè)引腳控制輸出不同電壓的輸出，當(dāng)引腳電壓為高電平時(shí)有效，這由用戶在操作界面中根據(jù)需要設(shè)置。表3.3為輸出高壓所對(duì)應(yīng)的引腳。表3.3 高壓與引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系高壓輸出CPLD引腳500VHV5001000VHV10001500VHV15003.2.3 程控放大衰減系統(tǒng)1 限幅電路限幅原理如圖3.11所示。由兩個(gè)二極管構(gòu)成正負(fù)12V的輸入限幅電路，當(dāng)采集到的輸入電壓在正負(fù)12V之間時(shí)，輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化。當(dāng)輸入電壓高于12V時(shí)，輸出電壓被限制在12V，或者當(dāng)輸入電壓低于負(fù)12V時(shí)，輸出電壓被限制在負(fù)12V。3.11 輸入限幅電路為了使輸入信號(hào)得到更好的調(diào)理，使之滿足AD量程的需要，在探頭和前置放大器之間設(shè)計(jì)了程控衰減電路。由于繼電器具有導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，程控衰減器是由繼電器來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)控制信號(hào)ATTE_A為高電平時(shí)，由R100和R104組成的衰減電路使輸入信號(hào)衰減10倍，當(dāng)其為低電平時(shí)不衰減。電路如圖3.12 所圖3.12 輸入限幅和程控衰減電路示2 程控濾波 為了得到更高的信噪比，由前置放大電路輸出信號(hào)送入程控濾波電路進(jìn)行濾波。用有源元件和無源元件(一般是R和C)共同組成的電濾波器，稱為有源濾波器。集成有源濾波器不但從根本上克服了R、L、C無源濾波器在低頻時(shí)存在的體積和重量上的嚴(yán)重問題，而且成本低、質(zhì)量可靠及寄生影響小。和無源濾波器相比，它的設(shè)計(jì)和調(diào)整過程較簡(jiǎn)便，此外還能提供增益。因受運(yùn)算放大器帶寬的限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)，在不允許