基于嵌入式非金屬超聲無損檢測系統(tǒng)研究
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2.4 超聲檢測的判斷標準
超聲脈沖法對混凝土結(jié)構(gòu)檢測時，通過利用超聲的聲時、波幅、頻率以及波形等參數(shù)綜合對混凝土的淺裂縫、深裂縫、不密實區(qū)和空洞、混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合面質(zhì)量、表面損傷層以及混凝土內(nèi)部勻質(zhì)性等缺陷進行檢測和判定[5，6，7]。
1.聲速變化：當(dāng)超聲波在傳播路徑上遇到缺陷時，若該缺陷是空洞，則其中必充填空氣或水汽。由于混凝土與空氣的特性阻抗相差懸殊，界面的聲能反射系數(shù)近于1,因此超聲波難于通過混凝土/空氣界面.但由于低頻超聲波漫射的特點，聲波又將沿缺陷邊緣而傳播，這樣，因為繞射傳播的路徑比直線傳播的路徑長，所測得的聲時也就比正常的混凝土長。在計算測點聲速時，我們總是以換能器間的距離t作為傳播距離，結(jié)果在缺陷處的計算聲速(視聲速)就減小。
2.接收波振幅的變化：由于缺陷對聲波的反射或吸收比正?；炷链?，所以當(dāng)超聲波通過缺陷后，衰減比正?；炷链?，即接收波的振幅將減小。因此，和聲時(速)一樣，根據(jù)接收波首波振幅的異常變化也可以發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。
3.接收波主頻率的變化：對接收波信號的頻譜分析證明，不同質(zhì)量的混凝土對超聲脈沖波中的高頻分量的吸收、衰減不同，因此，當(dāng)超聲波通過不同質(zhì)量的混凝土后，接收波的頻譜(即各頻率分量的幅度)也不同.質(zhì)量差或有內(nèi)部缺陷、裂縫的混凝土，其接收波中高頻分量相對減少而低頻分量相對增大，接收波的主頻率值下降，從而反映出缺陷和裂縫的存在。
4.接收波波形的變化：當(dāng)超聲波通過混凝土內(nèi)部缺陷時，由于混凝土的連續(xù)性己被破壞，使聲波的傳播路徑復(fù)雜化，直達波，繞射波等各類波相繼到達接收換能器.它們各有不同的頻率和相位。這些波的疊加有時會造成波形的畸變。
3 基于ARM9 嵌入式系統(tǒng)的非金屬超聲檢測分析儀的研制[8,9,10]
3.1 基于ARM 的檢測系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)選用的三星S3C2510A處理器中內(nèi)嵌ARM940T核[8]。本設(shè)計主要考慮到這款芯片具有高達166 MHz的主頻且內(nèi)含以太網(wǎng)控制器(MAC),同時具有6個32位可編程計數(shù)器, 2路異步串行通信接口。
數(shù)據(jù)采集與處理芯片選用的Spartan-3是Xilinx公司的新一代FPGA產(chǎn)品, 是一款90nm工藝FPGA, 采用1.2V內(nèi)核, 在超高速數(shù)據(jù)采集和信號處理方面有著明顯的優(yōu)勢。該FPGA 時鐘頻率高, 內(nèi)部時延小,硬件資源豐富, 全部控制邏輯均可由硬件資源完成, 而且速度快, 效率高, 組成形式靈活, 并可集成外圍控制、譯碼和接口電路。此外, 它還帶有先進的數(shù)字時鐘管理器(DCM), 可為高性能電路設(shè)計提供更大的靈活性和更強的控制能力。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/151950.htm
圖1 主控制電路系統(tǒng)框圖
3.2 軟件設(shè)計
系統(tǒng)選用軟件系統(tǒng)模塊化，且克服了前后臺軟件設(shè)計的弊端，提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。整個程序從結(jié)構(gòu)上分為幾大模塊：實時探傷系統(tǒng)，儀器參數(shù)設(shè)計，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，報表打印模塊。實時探傷系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的超聲檢測技術(shù)規(guī)程, 以每秒60幀的速度實時顯示回波信號, 同時對閘門內(nèi)的波形進行檢驗, 若超標則進行報警提示。軟件啟動后, 首先執(zhí)行首波聲時、頻率、靈敏度等指標的自動測讀。為了便于比較, 還應(yīng)具有峰值記憶、波形比較顯示等功能。儀器參數(shù)設(shè)置向硬件系統(tǒng)設(shè)定與檢測相關(guān)的參數(shù)。如聲速、探測范圍、脈沖移位、探頭零點、檢波方式等。同時檢驗參數(shù)的有效性并給出提示。
4 實驗分析
經(jīng)調(diào)試使用，該儀器達到了下列性能指標：聲時測讀范圍：0～50mS，聲時測讀精度：± 0.1 uS，幅度測讀范圍：0～78 dB，幅度分辨率:0.024‰，頻率范圍:10Hz～250KHz，可探測距離>10m，程序采樣周期：0.1～10uS，發(fā)射電壓：250V、500V、1000V、1500V可選，接收靈敏度≤30 μV，最大采樣長度32K，工作時間：8小時（鋰電池）。下面給出對混凝土灌注樁(Ⅲ類樁)進行無損檢測，聲測管的管距980mm，測試剖面，測試間距為0.05m,整個剖面分析結(jié)果如下：
聲速最大值：5.131 (km/s)；聲速最小值：3.904(km/s)；聲速平均值: 4.588 (km/s)；聲速標準差: 0.156 （km/s)；聲速異常值判定值: 4.128 (km/s)；幅度最大值: 108.9 (dB)；幅度最小值: 88.8 (dB)；幅度平均值: 97.8(dB)；幅度標準差：3.3(dB)；幅度異常值判定值: 91.8 (dB)。
圖2 25.65m 處波形
結(jié)合25.65m 處波形，如圖2 所示，聲時明顯增大，首波幅度衰減嚴重，波形明顯異常。因此可初步推定在此樁的AB 剖面的25.45m-25.7m 處可能有缺陷。這與所測試試件為Ⅲ類樁的事實相符合。
5 結(jié)論
本文介紹了超聲波用于非金屬無損檢測的基本原理，基于ARM9處理器作為核心處理器，并設(shè)計了一臺數(shù)字式非金屬超聲波分析儀，并進行了混凝土無損檢測的實驗。試驗結(jié)果表明：該儀器可準確快速地檢測出被測件的缺陷，與傳統(tǒng)的儀器相比，提高了系統(tǒng)得穩(wěn)定性和可靠性，且具有體積小、重量輕和價格便宜和軟硬件升級方便的優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用價值。
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