一種裂縫深度測試儀的製作方法

2024-03-21 06:18:05

專利名稱：一種裂縫深度測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種裂縫深度測試儀，尤其涉及一種利用聲波衍射法來 測量固體介質中裂縫深度的裝置。
生產生活中常常會利用聲波衍射法來對固體表面的裂縫深度進行測量， 尤其可以用於建築工程中廣泛存在的混凝土裂縫深度的檢測。
目前檢測混凝土非貫穿性裂縫的深度，主要採用聲波衍射法，具體測試
方法有以下兩種
第一種是"衍射聲時計算法"。該方法被英國標準BS-4408和中國工程 建設標準化協會標準《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS 21:2000， 以下簡稱《測缺少見程》)所採用，具體測量步驟為
1. 在沒有裂縫處的混凝土表面，多點測量發射換能器與接收換能器的間 距與傳播聲時，用線性回歸法得到聲時一測距線性關係的回歸係數，即混凝 土的聲速v
2. 將發射與接收換能器分別置於以裂縫為對稱的兩側，在兩換能器之間
的間距^取100mm、 150mm、 200ran、 250ram、......時，分別讀取聲時值、裂
縫深度計算式為
式中化一第z'點計算的裂縫深度值(ran)
A —第^點兩換能器之間的間距(mm) C一第/點聲波傳播時間(戸)
W —不同間距測點裂縫深度平均值 "一測點數
1確定裂縫深度將各間距測點對應的間距值〖與平均縫深^相比較， 凡間距糹小於^或大於3氣，應剔除該組數據，取餘下的4的平均值作為裂
背景技術縫深度。
第二種是"首波相位反轉法"。該方法也被《測缺規程》所採用，該方 法的具體測試步驟、裂縫深度計算公式與"衍射聲時計算法"相同，但對不
同間距裂縫深度值的取捨方法不同。具體測量步驟為在不同間距測點的測 試中，觀察首波相位的變化。當在某個間距測點發現首波反相時，用該間距 測點及兩個相鄰間距測點的裂縫深度測量值的平均值作為裂縫深度值。
但是上述方法存在誤差大，耗時長，技術要求高以及繁雜的數據剔除步 驟等缺陷。針對上述缺陷可以釆用一種更為簡便，測試精度更高的方法。
將聲波繞劈(wedge)產生衍射(diffraction)的衍射場近似公式，應用 於衍射法檢測混凝土裂縫深度，進一步考慮了聲波的衰減、換能器的指向性 以及脈衝波的復頻特性，推導出適用於裂縫測試的聲波衍射場數學近似表達 式
式中，Q為指向性因子 A為衰減因子
S是對組成復頻波的單頻衍射波的求和 對其求模("to")即為衍射場的振幅
同時根據裂縫深度計算公式物理條件的要求，在確定合適的換能器間距 即合適的衍射角時，顯然衍射場的範圍越小越好，即衍射角越小越好。然後， 從衍射聲場表達式分析出最合適的衍射角，使之既能保證足夠的振幅，又能 獲得儘量小的衍射角度。
在上述聲衍射場數學理論支持的情況下，經過大量的試驗和研究，這種 測量固體介質中裂縫深度的方法具體包括以下步驟
1. 在無縫區將發射換能器與接收換能器固定於某一間距/,測量傳播聲 時"計算混凝土聲速v-〃h其中^為50mm~ 300mm，通常取200mm。
2. 選擇第一測點，將發射與接收換能器分別置於以裂縫為對稱的兩側， 發射與接收換能器的間距為、讀取聲時值、並由下式計算裂縫深度、
爐一爐o)
cos — + l
V
(—)2-1，其中，A的範圍為30wTM^/, S500mw。3.選擇第二測點，將發射與接收換能器的間距置為/2， /2的範圍為 0.1/^ S/2 Sl0/i,或者30wm^/2 S500w附，通常當/z， S50w附時，/2為^的0. 6 ~ 8倍、 或者30wm S /2 S 200附w ; 當/ 、 > 時，/2為^的 0. 1 ~ 5倍、或者
50wW^/2S400;w 。其餘條件與第一測點測量的情況相同，讀取聲時值/2;採
用與上述相同公式計算第二測點裂縫深度值^;
4. 計算4與^的平均值"5A+W, ^為裂縫深度。
5. 在上述步驟4中，還可以繼續計算離散A-h-^，若該離散值小於某一
限定值^，則以^為裂縫深度；否則，再增加一個測點，直到該測點的深度 值與之前其他任何一個測點深度值的離散值小於限定值~ ，則以此離散值所
屬的兩個測點深度值的平均值作為裂縫深度。
目前按照《測缺規程》進行聲波衍射法檢測裂縫深度，現場測試工作繁 瑣，需要畫出測點位置，測量測距，測試中需要判讀記錄聲時，觀察波形變 化等，而且使用的測試儀器是通用的超聲儀，價格高，對測試人員還需要進 行超聲波基礎知識、測試儀器使用方法以及數據處理方法的培訓。
與本實用新型相關的中國實用新型專利"混凝土裂縫測試儀，，(專利號 ZL200420016797. 6，以下筒稱對比專利)，該專利利用了與"首波相位反轉 法"相類似的方法，採用多個發射和接收換能器依次發射和接收多個聲波信 號，在多個聲波信號中找到首波反相的測點位置，利用測點的相位變化計算 測定出被測裂縫的深度。
該測試儀內部結構複雜，同時需要多個發射和接收換能器，儀器成本高。 而且在測試過程中需要觀察首波相位的變化，由於在測試中，何時能夠出現 首波反相的測點是無法預知的，因此使現場測試工作變得十分繁瑣，同時對 測試人員的測試經驗也要求更高。另外，大量試驗表明，在首波剛剛出現反 相時，首波幅度會明顯減小，這時會直接影響聲時的測試精度，如不仔細觀 察，甚至可能丟波， 一旦丟波，會使測試精度明顯下降。
發明內容
為了解決上述測試儀器的操作複雜，誤差大，操作技術要求高和儀器成 本高等缺陷，需要尋找一種結構更簡單，操作更簡便，無需培訓即可快速掌 握和使用且精度高，成本低的設備。本實用新型根據上述以聲衍射場數學理論為基礎提出的測量固體介質 中裂縫深度的方法，提出了一種裂縫深度測試儀，包括主控系統、發射換
能器、接收換能器、電源模塊；所述的主控系統通過高壓發射模塊與發射 換能器相連接，所述的高壓發射模塊通過施加高壓脈沖使發射換能器產生 聲波信號；接收換能器將接收到的聲波信號通過信號接收調理模塊進行放 大、濾波處理，然後由;f莫數轉換模塊轉換為數位訊號傳遞給主控系統；主 控系統對接收到的數位訊號進行處理並直接計算出裂縫深度；所述的主控 系統通過人機接口模塊與使用者進行交互。
具有上述結構的裂縫深度測試儀，可以直接得到測量結果，即在現場 通過該儀器就可以直接得到縫深值。而不必像《測缺規程》中規定的那樣， 需要使用通用超聲儀進行測量，並需人工現場判讀和記錄測試參量(即需要 人工現場觀察測點的相位變化，發現首波反相的測點位置)，也不需要後期 人工計算或調用分析軟體進行數據處理。本實用新型中的裂縫深度測試儀與 通用超聲儀相比，結構更為筒單，設備成本明顯降低。與對比專利相比，上 述結構的裂縫深度測試儀其結構更筒單，可以只採用 一對發射和接收換能 器，並且可以直接得到縫深值，設備成本明顯降低，操作更為簡便。使用本 實用新型的裂縫深度測試儀，測試人員不需要了解超聲波基礎知識、也不需 要經過複雜的測試儀器使用方法以及數據處理方法的培訓，即可快速的掌握 和使用該設備。
進一步，所述主控系統採用的裂縫深度的計算公式如下
其中A為裂縫深度值，/為兩換能器的間距，/為聲波傳播時間，v為 被測固體介質中的聲速。
進一步，所述的高壓發射模塊中的高壓激勵電路為單次高壓激勵電路， 所述的單次高壓激勵電路使發射換能器產生的是單次脈衝聲波信號。
進一步，所迷的信號接收調理模塊採用固定增益放大器。
進一步，所述的信號接收調理模塊採用放大倍數高於600倍的高增益放 大器。
進一步，所述的信號接受調理模塊採用放大倍數為IOOO倍的高增益放大器。進一步，所述的主控系統由主控CPU模塊、邏輯控制模塊組成；主控CPU 模塊分別與邏輯控制模塊、人機接口模塊、電源管理模塊之間電連接，用於 實現各功能模塊之間的調度；主控CPU模塊通過邏輯控制模塊與高壓發射模 塊電連接；模數轉換模塊通過邏輯控制模塊與主控CPU模塊電連接。
進一步，所述的主控系統通過數據通信模塊與外接設備之間進行數據傳輸。
進一步，所述的一種裂縫深度測試儀，還包括至少一個換能器支架，至 少一對發射換能器和接收換能器分別被固定在支架兩邊，並分別可沿換能器 支架上的滑軌移動。
進一步，在所述的換能器支架上、沿滑軌方向上設有刻度標識。
進一步，在所述的換能器支架上設有一個中心標識。
進一步，所述的換能器支架上的刻度標識由成對的標識線組成，每對刻 度標識線對稱的分布在中心標識兩側。
進一步，所述的刻度標識線有四對，每對刻度標識間的距離分別為50mm、 100mm、 150薩、200mm,並在相應位置標有標識值。
進一步，所述的換能器支架上設有定位裝置，該定位裝置可將換能器固 定在滑軌上。
進一步，所述的換能器支架上設有定位裝置，該定位裝置可將換能器固 定在刻度標識處。
進一步，所述的中心標識為一個標有十字刻線的有機玻璃板，在十字刻 線中心設有一個小孔。


圖1為本實用新型的裂縫測試儀原理示意圖 圖2為本實用新型的裂縫測試儀結構示意圖。 圖3a為本實用新型的單次高壓激勵電路示意圖。 圖3b為單次脈沖信號波形。 圖4為本實用新型的固定大增益放大電路示意圖。 圖5為本實用新型的裂縫深度測試儀操作流程圖。 圖6a為本實用新型的換能器支架示意圖。 圖6b為本實用新型的換能器支架示意圖。
具體實施方式

為了使本領域技術人員能進一步了解本實用新型的特徵及技術內容，請 參閱以下有關本實用新型的詳細說明與附圖，附圖僅提供參考與說明，並非 用來限制本實用新型。
以下結合附圖，對本實用新型的實施方式進行描述。
圖1為本實用新型的裂縫測試儀原理示意圖。該測試系統由裂縫深度測
試儀主機l，發射換能器2和接收換能器3組成。主控系統l通過高壓發射 模塊的高壓激勵電路施加高壓脈沖於發射換能器2,產生單次脈衝的聲波信 號，進入混凝土，經裂縫末端繞射，被接收換能器3所接收，接收的信號經 測試儀信號接收調理模塊的固定增益放大系統，進行放大、濾波處理後，由 模數(A/D)轉換模塊轉換為數位訊號。測試儀主機還包含同步控制元件， 以實現高壓激勵電路的輸出與A/D轉換模塊的接收信號實現同步。主控系統 對接收的數位訊號進行採集、判讀，獲取聲波走時"根據預先設定的混凝 土聲速值v以及換能器支架確定的換能器間距/，由以下公式計算並顯示裂縫 深度
所述發射換能器2和接收換能器3可以採用50kHz的平面換能器。因為 採用的聲波信號為單次脈沖信號，並將可調增益放大系統改變為固定增益放 大系統，大大減少了測試儀中的同步控制部件和增益放大元件，簡化了操作 步驟，降低了技術難度，減少了儀器成本。
圖2為本實用新型的裂縫測試儀結構示意圖。主機由主控CPU模塊、邏 輯控制模塊、高壓發射模塊、信號接收調理模塊、模數(A/D)轉換模塊、 人機接口模塊、數據通信模塊和電源管理模塊組成。
主控CPU模塊是測試系統的核心模塊，內嵌智能分析軟體，實現各功能 模塊之間的調度，由C語言和彙編語言混合編程，主要有裂縫測試、數據查 看、數據清除和數據傳輸四個程序模塊。裂縫測試程序模塊對採集回來的信 號進行分析處理，得出表徵被測裂縫的聲速及其裂縫的深度，並進行存儲。 數據查看程序模塊實現對已存測試數據的回放並分頁進行瀏覽。數據清除程 序模塊實現數據存儲空間的清空，為測試數據提供足夠的存儲空間。數據傳輸程序功能實現測試系統的數據上傳至計算機的功能，以實現長期的數據備 份。
邏輯控制模塊是實現主控CPU模塊調度功能的重要載體。通過邏輯控制 模塊，主控CPU模塊將高壓激勵信號加載到發射換能器，同時又將接收信號 A/D轉換後的數位訊號傳至CPU以供進一步的分析處理。在本測試系統中， 邏輯控制模塊用CPLD (可編程邏輯器件)實現。
高壓發射模塊主要實現從低電壓到高電壓的轉換，對發射換能器產生高 壓激勵。信號接收調理模塊主要實現對來自接收換能器的信號進行放大、濾 波等處理。模數(A/D)轉換模塊主要實現模擬信號到數位訊號的轉換。人 機接口模塊主要指LCD (液晶顯示屏)和鍵盤等與使用者直接交互的功能模 塊。數據通信模塊是實現測試系統所存數據向PC機傳輸的硬體載體，所述 的主控系統通過數據通信模塊與外接設備之間進行數據傳輸，在具體實施方 式中，可以有USB和RS232兩種通信方式。電源管理模塊由電源、DC-DC電 源轉換等部分組成。實現從原始電源到主機各功能模塊所需電壓的轉換和分 配，原始電源可以是鋰離子可充電電池、鎳氳可充電電池或普通乾電池等。
圖3a為本實用新型的單次高壓激勵電路示意圖。在本實施方式中，單 次高壓激勵電路由容值為0. 47jiF的隔直通交電容C2,開關三極體Ql BU806， 容值為0. 47^iF的儲能電容C1組成，通過一個倍壓整流電路實現從低電壓到 高電壓(500V以上)的轉換，單次激勵脈沖經隔直通交電容C2到開關三極 管Ql的基極B，控制高壓由開關三極體Ql的集電極C到發射極E,使儲能 電容C1放電，對發射換能器產生單次高壓激勵脈衝信號，其波形如圖3b所 示。圖4為本實用新型的固定大增益放大電路示意圖。固定大增益放大電路 由放大器OP37,比例電阻R21和R22,濾波電路電阻R23和C20組成。發射 換能器產生的聲波信號由接收換能器經阻值為lkQ的電阻R23,容值為 0. 022pF的電容C20組成的濾波電路，濾掉不需要的信號，再經放大器OP37, 阻值為lkQ的比例電阻R21和阻值為1MQ的比例電阻R22使輸入信號放大 一千倍，使微弱信號能被模擬/數字轉換器採集識別。
圖4為本實用新型的裂縫深度測試儀操作流程圖。打開測試儀後，對變 量定義及初始化，對顯示屏清屏，然後進入聲速測試，測試完成後進入裂縫 測試模式，選擇否，則返回聲速測試模式，若選擇是，則進行第一次測試，第一次測試後，進入下一步測試，選擇否，則返回第一次測試，若選擇是， 則進行第二次測試，完成後查看測試結果是否滿意，若離散值小於限定值，
則選擇是，否則選擇否，重新返回第2次測試模式，改變測試點間距，重複 測量，直到測量值所得結果的離散值小於限定值，然後導出測試結果。
圖5為本實用新型的換能器支架的一種實施例。換能器支架由換能器1、 換能器套2、隔聲材料3、換能器蓋4、彈簧5、滑軌6、定位裝置7、測試 板8和刻度標識9組成。
圖6a左側為換能器支架的剖視圖，換能器支架由非金屬材料製作而成， 能有效減輕重量，即使在冬天測試時，也不會有冰涼的感覺，依然具有較好 的手感。兩換能器1置於兩換能器套2內，換能器套2環向內壁與換能器1 之間用環形隔聲材料3配合的方式，有效的防止了換能器1與換能器套2的 聲短路。換能器套2頂部內壁與換能器1頂部之間用彈簧5配合的方式，換 能器蓋4頂住換能器1底部，通過螺紋等方式固定到換能器套2上，使換能 器1與測試表面在不平的情況下依然能保證良好的耦合。兩換能器套2分別 被固定在支架兩端，並分別可沿換能器支架上的滑軌6移動。它能保證換能 器與測試面良好的耦合，且能直接快速、準確測試裂縫。右圖為換能器支架 的背面圖，滑軌6上設有定位裝置7，也可以採用將定位裝置7設置在換能 器套2或支架上等多種方式。
圖6b為換能器支架的俯視圖，支架兩側對稱印有50mm、 100mm、 150mm、 200mm等四個成對的刻度標識9，並在相應刻度標識9位置設有定位裝置7， 當換能器套2移動到相應的刻度標識時，換能器套2通過定位裝置7能自動 固定，使發射和接收換能器間距準確。支架底部中心位置裝有一個標有十字 刻線的有機玻璃測試板8，且中心是一個孔，以保證測試時支架能準確地放 在被測裂縫的某一確定位置上，這樣可以有效地避免人工測距劃線以及手持 換能器時位置放置不準確造成的誤差，大大提高了測量的效率和測量值的精 準度。支架可以根據需要製成不同的長度，比如100mm~ 600mm。在具體實施 中，若縫深在50mm以下，可以採用兩側對稱印有50mm、 lOOnun、 150鵬、200mm 等四個成對刻度標識的支架，支架的總長度在250咖~ 300mm左右，便於操 作和攜帶。 '
使用換能器支架時，先選擇第一個測試點的間距，將兩換能器套2以測試板8的中心孔為中心對稱的置於滑軌刻度標識9上的相應位置，中心孔對 準待測裂縫，將支架滑軌壓緊測試面，使換能器與測試面良好的耦合，進行 第一次測量。進行第二次或第三次測量時，保持支架滑軌不動，對稱的改變 兩換能器套2的位置，從而改變第二、第三或多個測量點的間距，進行測量。 本實用新型的裂縫深度測試儀以及換能器支架也可用於各類非金屬固 體材料裂縫的檢測，不單局限於對混凝土材料裂縫的檢測。
權利要求1.一種裂縫深度測試儀，包括主控系統、發射換能器、接收換能器、電源模塊，其特徵在於所述的主控系統通過高壓發射模塊與發射換能器相連接，所述的高壓發射模塊通過施加高壓脈衝使發射換能器產生聲波信號；接收換能器將接收到的聲波信號通過信號接收調理模塊進行放大、濾波處理，然後由模數轉換模塊轉換為數位訊號傳遞給主控系統；主控系統對接收到的數位訊號進行處理，並直接計算出裂縫深度；所述的主控系統通過人機接口模塊與使用者進行交互。
2. 如權利要求1所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述主控 系統採用的裂縫深度的計算公式如下其中A為裂縫深度值，/為兩換能器的間距，,為聲波傳播時間，v為 被測固體介質中的聲速。
3. 如權利要求1所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的高 壓發射模塊中的高壓激勵電路為單次高壓激勵電路，所述的單次高壓激勵電 路使發射換能器產生的是單次脈衝聲波信號。
4. 如權利要求1所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的信 號接收調理模塊採用固定增益放大器。
5. 如權利要求4所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的信 號接收調理模塊採用放大倍數高於600倍的高增益放大器。
6. 如權利要求5所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的信 號接受調理模塊採用放大倍數為IOOO倍的高增益放大器。
7. 如權利要求1所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的主 控系統由主控CPU模塊、邏輯控制模塊組成；主控CPU模塊分別與邏輯控制 模塊、人機接口模塊、電源管理模塊之間電連接，用於實現各功能模塊之間 的調度；主控CPU模塊通過邏輯控制模塊與高壓發射模塊電連接；模數轉換 模塊通過邏輯控制模塊與主控CPU模塊電連接。
8. 如權利要求1所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的主控系統通過數據通信模塊與外接設備之間進行數據傳輸。
9. 如權利要求1所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於還包括至 少一個換能器支架，至少一對發射換能器和接收換能器分別被固定在支架兩 邊，並分別可沿換能器支架上的滑軌移動。
10. 如權利要求9所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於在所述的 換能器支架上、沿滑軌方向上設有刻度標識。
11. 如權利要求9所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於在所述的 換能器支架上設有一個中心標識。
12. 如權利要求IO所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的換 能器支架上的刻度標識由成對的標識線組成，每對刻度標識線對稱的分布在 中心標識兩側。
13. 如權利要求12所述的一種裂縫深度測試4義，其特徵在於所述的刻 度標識線有四對，每對刻度標識間的距離分別為50mm、 100mm、 150mm、 200mm, 並在相應位置標有標識值。
14. 如權利要求9所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的換 能器支架上設有定位裝置，該定位裝置可將換能器固定在滑軌上。
15. 如權利要求9所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的換 能器支架上設有定位裝置，該定位裝置可將換能器固定在刻度標識處。
16. 如權利要求11所述的一種裂縫深度測試儀，其特徵在於所述的中 心標識為一個標有十字刻線的有機玻璃板，在十字刻線中心設有一個小孔。
專利摘要本實用新型涉及一種裂縫深度測試儀。該裝置包括主控系統通過高壓發射模塊與發射換能器相連接，所述的高壓發射模塊通過施加高壓脈衝使發射換能器產生聲波信號；接收換能器將接收到的聲波信號通過信號接收調理模塊進行放大、濾波處理，然後由模數轉換模塊轉換為數位訊號傳遞給主控系統；主控系統對接收到的數位訊號進行處理，並直接計算出裂縫深度；所述的主控系統通過人機接口模塊與使用者進行交互。該測試儀結構更簡單，操作更簡便，無需培訓即可快速掌握和使用而且精度高，成本低。
文檔編號G01B17/00GK201221940SQ20082010846
公開日2009年4月15日 申請日期2008年6月5日 優先權日2008年6月5日
發明者唐金祥, 孫剛柱, 崔豔秋, 徐松濤, 靜 楊, 濮存亭, 王利廣, 王文秋, 闞月鵬 申請人:北京市市政工程研究院;北京市政建設集團有限責任公司;北京市康科瑞工程檢測技術有限責任公司