基于嵌入式非金屬超聲無損檢測系統(tǒng)研究

1 前言
超聲波在介質(zhì)中傳播時, 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) 來實現(xiàn)對非聲學(xué)量(如缺陷、厚度、密度、強度、硬度、流量、液位等) 的測定。非金屬超聲檢測儀主要用于混凝土的無損檢測[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量。
目前, 非金屬超聲檢測儀主要為晶體管、集成電路混合式模擬儀器, 采用CRT 示波管作為顯示器, 具有簡單實用、直觀、超聲波形實時性好等特點, 但體積大且笨重, 功耗高, 無法實現(xiàn)各種檢測工藝的選擇調(diào)用, 也沒有自動測讀、存儲、打印、傳輸?shù)葦?shù)字化處理功能, 因而不適應(yīng)當今用戶的實際檢測應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫管理需求?？梢灶A(yù)期，具有體積小、耗能低、應(yīng)用靈活、功能強大、可靠性強等諸多優(yōu)點的嵌入式主控技術(shù)的應(yīng)用將引起非金屬超聲檢測儀向超小型手持化發(fā)展。
本文首先討論了超聲檢測的原理，并分析了超聲技術(shù)在混凝土檢測的機理和應(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)計的非金屬超聲檢測分析儀。該儀器集超聲波發(fā)射、同步接收、聲參量自動檢測、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果實時顯示、數(shù)據(jù)存儲與輸出等功能于一身，具有體積小，功耗低等優(yōu)點，十分具有應(yīng)用前景。
2 超聲波檢測的基本原理
在彈性介質(zhì)內(nèi)某一點，由于某種原因而引起初始擾動或振動時，這一擾動或振動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。由波速的表達式還可以看出，當彈性介質(zhì)的性質(zhì)和種類不同、彈性常數(shù)和密度不相同時，彈性波在介質(zhì)中傳播的速度也不同。在實際測量中，由于橫波的發(fā)生和接收都比較困難，多以測縱波為主，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)中傳播的過程中，遇到與原介質(zhì)阻抗不同的障礙物時，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，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。當兩種介質(zhì)的界面尺寸遠大于聲波波長時，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
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:
1.超聲波在混凝土中衰減較大?；炷敛牧暇哂姓乘苄?，當超聲波穿過混凝土?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，當超聲波到達界面時會產(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，頻率低的波擴散角很大，波束擴散，單位面積上的聲能隨傳距離的增大而減小，產(chǎn)生擴散衰減。根據(jù)文獻[4]，對于質(zhì)量正常的混凝土，超聲波在傳播過程中的總衰減系數(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，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。主要有兩個原因:其一是由于采用的頻率較低，即波長較長，擴散角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，因此當超聲波在土中遇到較大的缺陷時并非直線傳播。
4.在混凝土的超聲檢測中一般采用產(chǎn)生縱波的發(fā)射超聲換能器，當超聲一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，聲波能量在界面上要發(fā)生轉(zhuǎn)化，因為混凝土種成分極為復(fù)雜的非均勻性物質(zhì)，所以即使入射波為單一縱波，也會通過在介質(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程中有很大的衰減，所以在混凝土的超聲檢測中一般都采用低頻超聲波，在檢測缺陷時，超聲波束不可能集中對準某一范圍，這使缺陷處的反射波很微弱，所以在混凝土的超聲檢測中一般采用透射法.超聲波在混凝土中的傳播特點是超聲無損檢測的基礎(chǔ)，但由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，我們對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時采用的物理量
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度成正相關(guān)而建立的一種無損檢測方法，其主要特點是使超聲波穿透混凝土，以獲知質(zhì)量信息，包括強度及缺陷。就此而言，超聲波法具有其他僅作用于混凝土表層的無損檢測方法所不具備的優(yōu)點，超聲脈沖法的實用價值主要體現(xiàn)在對混凝土內(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，能用于檢測和定位混凝土中的缺陷、孔穴、鋼筋等，測量厚度，評估橋梁、大壩、墻壁狀態(tài)的完整性和可靠性，以及監(jiān)測混凝土固化過程中強度的變化等。