多跨孔超音波循測系統

在高層建築、橋樑、碼頭、廠房的建設中，由於基樁具有施工簡便、噪音小、承載力高、樁徑大、適應各類地質條件等優點，使得基樁的套用越來越廣泛，成為各種地基類型中最多的形式之一。

基本介紹

• 中文名：多跨孔超音波循測系統
• 適應：各類地質條件等優點
• 項目背景：用樁量超過500萬根
• 超音波檢測：深入基樁預製的埋管傳遞超音波
• 創新點：採用編碼盤對高度進行記錄

多跨孔超音波自動循測系統

項目背景

據有關資料統計，自20世紀90年代以來我國每年的用樁量超過500萬根，而且絕大部分為混凝土基樁，其中沿海地區和長江中下游軟土地區占70%-80%。在現代大型土木工程建設項目中，用於基樁工程的費用通常達到總造價的四分之一至三分之一。由此可見，保證基樁的質量以滿足工程建設需要，對工程質量和工程費用而言，都是十分重要的。

近年來，由於基樁質量問題而直接影響建築物正常使用的事例很多，據有關資料報導，國外有害缺陷的損樁占15%-20%，在國內則是20%左右。基樁的施工有高度的隱蔽性，影響基樁工程的因素很多，所以基樁的施工質量有很多的不確定性因素，為此，加強基樁施工過程中的質量管理和施工後的質量檢測，提高基樁質量檢測工作的質量和檢測評定結果的可靠性，對確保整個基樁工程的質量和安全有重要意義。

超音波檢測簡介

·超音波的產生和接收裝置主要是超音波換能器，通過深入基樁預製的埋管傳遞超音波來達到檢測的目的。

·發射換能器和接收換能器分別置於兩根埋管中，超聲脈衝穿過兩管道之間的混凝土。超音波從發射換能器到接收換能器所掃過的範圍為有效測試面積。

發展情況

·國內外現有的聲波檢測儀調查：

·瑞士PROCEQ 公司生產的TICO混凝土檢測儀只能用單色屏顯示2個感測器之間的距離和超音波傳播時間以及脈衝速率等參數，無法顯示採集到的波形，而且只有1個發射通道和1個接收通道，系統存儲容量小，僅能存儲250組數據。

·英國生產的PUNDIT系列混凝土超音波測試儀用單色屏顯示波速、聲時和彈性模量3個參數，無法顯示採集到的波形，而且只有一個發射通道和一個接收通道。

·國內某些公司生產的非金屬超音波檢測儀的有的採樣間隔最大只有6.4us；放大器頻寬只有500KHz，最多只有單個發射和兩個接收通道，存儲波形的存儲器容量最大只有256MB，且USB接口不支持即插即用，數據轉移和存儲不方便。

設備概述

·本設備可用於工業混凝土基樁的缺陷檢測，可完成數據採集、數據處理、數據存儲等功能，每個功能模組無縫結合，實現檢測作業的自動化和集成化。

·數據採集：通過超音波換能器陣列傳送和接收超音波，再經過硬體電路實現放大、濾波和數位化等轉化，形成可供操作的數位訊號。

·數據處理：對數位訊號進行分析和處理，然後將這些數據以圖形方式顯示在彩屏上面，使缺陷一目了然。算法自動進行首波判斷所示是在顯示屏上顯示波形數據。

·數據存儲：為了工程存檔和進一步處理的需要，需要將數據保存下來，本系統提供的大容量存儲器保證了這一點。

·本設備功能強大，在充分考慮了工地特點的情況下，自動化程度高、使用方便、抗干擾能力強且小巧靈活，充分體現了“科技服務人類”的宗旨，是工地用戶的好幫手。

技術創新

一、 創新點

· 一次基樁檢測開銷巨大，而且操作複雜，加大了工人勞動強度，還影響了工程進度，為此本課題提出了以下的構想來解決這些缺點：

·採用編碼盤對高度進行記錄，實現高度自動判讀，在硬體基礎上實現自動檢測；

·採用多通道並行採集方式，實現一次檢測所有剖面，避免重複勞動，同時提高數據精確度。

·綜合以上的構想，本課題提出了多通道技術來達到高速、高效、高精度的工業檢測要求。

二、實現過程

·多通道技術的基本思想是使用多個收發一體換能器，加上高性能硬體和其他外部設備，實現一次性自動檢測完所有的剖面。

多通道技術的示意圖如圖 所示。

·其實現過程如下：

·所有的超音波換能器到達一個可測的高度。

·換能器Ⅰ處於發射狀態，換能器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均處於接收狀態。換能器Ⅰ發射超音波，換能器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接收超音波信號後送入採集板進行處理，如圖 所示。

經過一定的採集延時，換能器Ⅱ切換到發射狀態，換能器Ⅰ切換到接收狀態。換能器Ⅱ發射超音波，其餘換能器接收超音波，如圖 所示。

經過第二次採集延時，換能器Ⅲ切換到發射狀態，換能器Ⅱ切換到接收狀態。換能器Ⅲ發射超音波，其餘換能器接收超音波，如圖 所示。

經過一次層間延時，系統判斷是否到達下一個採樣高度，如果到達則進行下一次採樣，如果沒有到達，則繼續等待。

整個過程中，在高速硬體電路和高度自動判讀的支持下，系統完成了一次性自動檢測多個剖面，一方面避免了重複勞動所帶來的時間浪費，另一方面保證了缺陷高度的一致性，提高了檢測的精度。

技術方案

實現上述過程需要注意如下事項：

·適當處理採集過程中得到的大量數據，不致發生丟失

·自動判斷高度

·不會由於檢測時間過長導致誤差太大

·不會發生漏采某個點（簡稱漏點）的情況

·這些問題的解決得益於多種技術方案的支持：

高速硬體支持

·硬體電路包括採樣電路、CPLD控制電路和主控電路

·硬體電路保證了採樣的高速進行，採樣一個面的時間最少可以縮短到20ms（4埋管基樁），使得採樣點均能夠處於誤差範圍內，並且可以從硬體上面保證不會發生漏點。

編碼盤

·編碼盤是一種脈衝計數編碼器。

·通過繩索在滾輪上面滑動帶動滾輪，從而驅動編碼盤對高度進行脈衝計數，系統通過讀取脈衝計數得到當前的高度信息，實現高度自動判讀。

套用前景

本課題創造性地在基樁檢測領域提出多通道技術，並在本設備上實現了這一技術。一次性自動檢測六個剖面的大膽想法和巧妙的實現方法徹底打破了傳統的檢測方式，這一改革性的創舉不僅解放了檢測開發人員的開發思路，更重要的是為基樁檢測行業注入了新鮮的血液，使得基樁檢測更加方便、快捷、精確。

設備介紹

功能設計要求

·搭建一個通用超音波數據採集與處理平台：該平台應具有良好的可擴展性，使之能廣泛套用於超聲檢測領域，並能夠以此系統為實驗平台進行各種超音波數據採集與處理實驗。

·實現多通道採集技術：一次實現六個剖面的數據採集。

·採用流水線工作模式：提高採集效率，保證在採樣過程中不會出現漏采現象。

·數據處理：對於波形數據進行管理，並計算波形到達時間和首波時間。

·數據顯示：直觀的將樁的數據顯示在顯示屏上面，便於直觀了解基樁整體和局部的質量。

·精確記錄高度：精確記錄每個高度點，為缺陷定位提供高度基礎。

·數據存儲：對波形數據進行存儲、轉移，便於工程存檔和後續處理。

系統框架

·主控模組：主控模組採用ARM9系列為處理器作為硬體主控模組，並在此基礎上植入嵌入式作業系統WinCE，為其它的模組提供控制和接口。

·數據採集模組：數據採集模組的高精度儀表運放、高速A/D晶片和雙口RAM由CPLD和主控模組控制完成。完成了數據由模擬信號轉化為數位訊號並快取入雙口RAM供套用軟體調用的功能。

·高度記錄模組：由CPLD記錄編碼盤的脈衝計數實現高度記錄。高度記錄模組為自動監測提供了基礎。

·人機互動模組：人機互動模組在WinCE作業系統的支持下，通過觸控螢幕和應用程式界面實現數據顯示、參數設定等功能，符合工地使用情況。

·數據處理模組：數據處理模組將採集到的數據進行建鏈，並計算聲速、首波波幅等信息完成對數據處理，為判斷缺陷提供了基礎。

·數據存儲模組：有序地存儲數據，為基樁工程存檔和後續處理提供基礎。

要完成以上的系統功能，需要在軟體、硬體和驅動中給予相應的支持，三者需要相互協作才能完成這些複雜的功能，它們之間的分工如下：

·硬體層：從驅動中讀取相應設定參數，並根據設定的採樣高度間距和自動記錄的高度實時採集數據；

·驅動層：從硬體讀取採集到的數據後經過基本的處理，傳遞給應用程式；從應用程式讀取用戶的設定信息傳遞給硬體層；

·軟體層：記錄用戶的設定信息，傳遞給驅動；從驅動層中讀取採集到的數據，實時顯示數據的波形形式和波列形式

硬體電路

·本系統主要由系統主控單元、CPLD控制單元和數據採集單元組成。

·系統主控單元：主控單元具有數據通信接口和外圍設備接口，能夠實現數據向作業系統及其他外設的傳遞；主控單元還負責控制CPLD和數據採集單元，使得整個系統能夠有條不紊的進行。

·CPLD控制單元：CPLD控制單元集成了大部分底層硬體的時序、控制信號等，減輕了CPU的負擔。CPLD可進行獨立設計，模組化程度高。

·數據採集單元：數據採集單元完成了數據的採集、放大、濾波、數位化的功能，並將數據快取在雙口RAM中。

驅動層

·考慮整個系統的複雜程度和用戶需求，本系統通過低功耗嵌入式工業計算機將硬體和軟體結合起來。

·驅動層（此處僅指採集單元驅動程式）也是在低功耗嵌入式工業計算機上開發的，使得作業系統能夠識別設備,並為應用程式提供服務。驅動框架如圖 所示

·設定參數部分主要負責硬體各項參數設定，讀取採集數據模組主要負責數據採集工作，讀取高度值部分負責從硬體讀取高度。中斷服務程式主要負責相應硬體的數據讀取請求的回響。

軟體實現

·套用軟體在WinCE作業系統的基礎上進行編寫，在Microsoft®Embedded Visual C++集成開發環境下開發而成。

·整個應用程式分為五大功能模組，如圖 所示，這五模組分別是：

·主控模組：回響用戶的各種訊息事件，控制程式的主體流程。

·互動設定模組：設定各種硬體、軟體所需要的參數，使得用戶可以根據設定定製需要的工作方式。

·數據保存模組：完成數據的保存，便於數據的後期處理和存檔。

·數據處理模組：完成對採集到的數據進行建鏈、高度判斷等功能。

·波形繪製模組：實現對採集數據的繪製和首波判斷等功能，使用戶能夠直接了解基樁的質量。

技術性能

[1]採樣間隔：0.1us～200us

·[2] AD轉換器：12bit

·[3]觸發電路：預留外部觸發接口，預留同步接口

·[4]採樣長度：0.5K～1K

·[5]發射電路：發射電壓500/1000V可選，發射脈寬0.1us～100us可選，同步信號輸出，TTL電平負脈衝

·[6]軟體功能：測點波形曲線、整樁波列圖、剖面深度曲線聯動顯示

·[7] 串口通信口，標準RS-232C，波特率57600bps/19200bps可選

·[8]供電模式：內置鋰電池≥5小時

技術指標

·[1]放大增益82dB

·[2]頻頻寬度300Hz～500kHz

·[3]幅值測量準確度（或線性誤差）±3.5%

·[4]時間測量準確度≤0.1%

·[5]系統接收靈敏度≤30uv

·[6]噪聲電平≤35uv

·[7]通道間串擾小於≤1/5000

·[8]模擬可調濾波器：低通：2KHz 、10KHz 、50KHz 、500KHz共4檔 高通：10Hz、100Hz、5KHz、20KH共4檔

·[9]連續工作時間不小於6小時

主要技術特點

（一）三或四通道自發自收，大大提高檢測效率

·一發一收的聲波儀 需要六次提升完成測試

·一發雙收的聲波儀 需要三次提升完成測試

·YL-PST(A) 四通道僅需要一次

··YL-PST(B)三通道僅需要一次

（二）全自動深度記數，減小深度誤差，提高測試精度，深度記錄最小值可達5cm

（三）YL-PST採用先進的嵌入式工控機技術，全金屬外殼，噪聲水平低，結構牢固、運行穩定，低功耗，低故障率。

（四）超大彩色液晶（12.1寸）顯示，全觸控螢幕操作，採集軟體界面直觀、簡單易學。

（五）四通道可以任意組合使用，每通道可以獨立設定增益、延遲等參數。

（六）波形波列同步顯示，處理效率高，直觀反映樁身質量。

（七）採用低功耗嵌入式工業計算機，隨身碟數據傳輸，操作方便（不需重啟）。

（八）內置高容量鋰電池，滿足野外長時間操作。

（九）探頭稍有改進，成本增加很小。（耗材成本增加不大）

增加了電壓保護，儀器探頭可以隨意切換，不需要人為放電

（十）配備功能強大，界面友好的分析軟體，採用先進的自判算法，大大提高分析速度。