基于嵌入式非金屬超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研究

1 前言
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), 遇到不同介質(zhì)的界面就將產(chǎn)生反射、折射、繞射和衰減等現(xiàn)象。超聲檢測(cè)技術(shù)就是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性(聲速、衰減、反射、聲阻抗等) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量(如缺陷、厚度、密度、強(qiáng)度、硬度、流量、液位等) 的測(cè)定。非金屬超聲檢測(cè)儀主要用于混凝土的無(wú)損檢測(cè)[1], 也可用于木材、塑料、橡膠、石墨、碳素纖維、陶瓷等材料的物理性能測(cè)量。
目前, 非金屬超聲檢測(cè)儀主要為晶體管、集成電路混合式模擬儀器, 采用CRT 示波管作為顯示器, 具有簡(jiǎn)單實(shí)用、直觀、超聲波形實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn), 但體積大且笨重, 功耗高, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)工藝的選擇調(diào)用, 也沒(méi)有自動(dòng)測(cè)讀、存儲(chǔ)、打印、傳輸?shù)葦?shù)字化處理功能, 因而不適應(yīng)當(dāng)今用戶的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫(kù)管理需求?？梢灶A(yù)期，具有體積小、耗能低、應(yīng)用靈活、功能強(qiáng)大、可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)的嵌入式主控技術(shù)的應(yīng)用將引起非金屬超聲檢測(cè)儀向超小型手持化發(fā)展。
本文首先討論了超聲檢測(cè)的原理，并分析了超聲技術(shù)在混凝土檢測(cè)的機(jī)理和應(yīng)用方法[2，3]，采用ARM9嵌入式芯片做為主控制芯片，配合高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、LCD液晶顯示模塊等設(shè)計(jì)的非金屬超聲檢測(cè)分析儀。該儀器集超聲波發(fā)射、同步接收、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、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出等功能于一身，具有體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，十分具有應(yīng)用前景。
2 超聲波檢測(cè)的基本原理
在彈性介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)，由于某種原因而引起初始擾動(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)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。

比較（2.3）、（2.4）式，可看出VP>VS，即縱波波速大于橫波波速，因此縱波又稱為初至波，橫波又稱為次波。由波速的表達(dá)式還可以看出，當(dāng)彈性介質(zhì)的性質(zhì)和種類不同、彈性常數(shù)和密度不相同時(shí)，彈性波在介質(zhì)中傳播的速度也不同。在實(shí)際測(cè)量中，由于橫波的發(fā)生和接收都比較困難，多以測(cè)縱波為主，故本文主要考察的是縱波。
2.1 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(guò)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(guò)障礙物，少部分能量向障礙物四周散射。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。
2.2 聲波在混凝土中的傳播特點(diǎn)
混凝土類材料是一種集結(jié)型復(fù)合材料，是多相復(fù)合體系，其內(nèi)部存在著廣分布的復(fù)雜界面，例如砂漿與骨料的界面、各種缺陷所形成的界面，因此超聲在混凝土中的傳播狀態(tài)要比均勻介質(zhì)中復(fù)雜得多，根據(jù)超聲波的性質(zhì)，超聲波混凝土中的傳播有如下特點(diǎn):
1.超聲波在混凝土中衰減較大?；炷敛牧暇哂姓乘苄裕?dāng)超聲波穿過(guò)混凝土?xí)r將引起能量吸收，使部分聲波在材料中被轉(zhuǎn)換成其他能量而損失，即所謂吸收衰減;混凝土中存在顆粒結(jié)構(gòu)―骨料或缺陷，因而其中存在廣泛的界面，當(dāng)超聲波到達(dá)界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生散射衰減，散射功率的大小與頻率的平方成正比。因此，為使超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采用的頻率得多的超聲頻率，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距離的增大而減小，產(chǎn)生擴(kuò)散衰減。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)于質(zhì)量正常的混凝土，超聲波在傳播過(guò)程中的總衰減系數(shù)a與頻率f的關(guān)系為:

其中，f為超聲頻率;a、b、c 為由介質(zhì)和散射物特性決定的比例常數(shù)，混凝土中存在缺陷時(shí)，被空氣或其他物質(zhì)(如水)所填充的缺陷在混凝土中形一個(gè)夾層，使混凝土的連續(xù)性受到破壞，由于高頻分量易于被反射，超聲波通裂縫后，接收波中高頻分量減小，其結(jié)果是接收波的頻率下降。
2.超聲波在混凝土中的指向性差。主要有兩個(gè)原因:其一是由于采用的頻率較低，即波長(zhǎng)較長(zhǎng)，擴(kuò)散角θ 一般較大，超聲波失去指向性。其二是由于眾多的界面所造成的發(fā)射和折射波，雖然這些波的聲強(qiáng)比入低，但由于數(shù)量眾多，而且彼此相互干涉和疊加，造成較大的漫射聲能，也束的指向性變差。
3.超聲波的傳播路線往往因界面的發(fā)射和折射而曲折，因此當(dāng)超聲波在土中遇到較大的缺陷時(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(guò)在介質(zhì)界面上的波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫波。
由以上可知，高頻超聲波在傳播過(guò)程中有很大的衰減，所以在混凝土的超聲檢測(cè)中一般都采用低頻超聲波，在檢測(cè)缺陷時(shí)，超聲波束不可能集中對(duì)準(zhǔn)某一范圍，這使缺陷處的反射波很微弱，所以在混凝土的超聲檢測(cè)中一般采用透射法.超聲波在混凝土中的傳播特點(diǎn)是超聲無(wú)損檢測(cè)的基礎(chǔ)，但由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，我們對(duì)其傳播特性的了解仍然十分膚淺[5]。
2.3 超聲波用于樁身混凝土檢測(cè)時(shí)采用的物理量
超聲脈沖法是根據(jù)聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度與密實(shí)度成正相關(guān)而建立的一種無(wú)損檢測(cè)方法，其主要特點(diǎn)是使超聲波穿透混凝土，以獲知質(zhì)量信息，包括強(qiáng)度及缺陷。就此而言，超聲波法具有其他僅作用于混凝土表層的無(wú)損檢測(cè)方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，超聲脈沖法的實(shí)用價(jià)值主要體現(xiàn)在對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的判別上。超聲聲速由材料的剛度和密度所決定，而傳播時(shí)間與傳播距離及聲速有關(guān)，超聲的衰減以及頻譜的變化與介質(zhì)的成分和內(nèi)部所含顆粒的大小密切相關(guān)。因此超聲脈沖技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，能用于檢測(cè)和定位混凝土中的缺陷、孔穴、鋼筋等，測(cè)量厚度，評(píng)估橋梁、大壩、墻壁狀態(tài)的完整性和可靠性，以及監(jiān)測(cè)混凝土固化過(guò)程中強(qiáng)度的變化等。