一種用於混凝土大壩探測的水聽器線陣及其製作方法與流程

2023-12-10 14:06:52

本發明涉及混凝土大壩探測領域，具體涉及一種用於混凝土大壩探測的水聽器線陣及其製作方法。

背景技術：

隨著我國經濟建設事業的蓬勃發展，大型混凝土結構的基礎設施在水利大壩工程、海港碼頭、核電站等大型工程中已經得到了廣泛的應用，大型混凝土結構在施工及使用過程中，由於受其自身及外界各種因素的影響，常常會產生一些缺陷，從而對結構物的承載能力和耐久性造成嚴重影響。而這些大型混凝土結構工程的質量直接關係到國家和人民財產的安全，因此，對其開展安全、穩定性評估與預測，以及健康監測診斷具有十分重要的意義。

混凝土大壩就是典型的大體積混凝土結構，由於它主要在靜水和流動水作用的條件下工作，因此也被稱為水工混凝土結構或大體積混凝土結構。採用無損檢測技術對大體積混凝土結構進行質量檢測和健康診斷，這對於制定並選擇合理的加固處理方案，對於混凝土結構開展安全、穩定性評估以及病害隱患治理研究具有重要意義。

聲波檢測大體積混凝土結構是一種較為經濟、簡便、有效的無損檢測方法。聲波無損檢測技術基本原理是用人工的方法在被測材料或結構中激發出一定頻率的彈性波，然後以各種不同的頻率在材料或結構內部傳播，由於聲波在其中傳播(即透射)時會有較強的反射、散射、吸收和波形畸變等一系列聲學現象。對不同的物質性態，其聲學現象具有不同的特點。混凝土實際上是一種集結型複合材料，是多相複合體系。混凝土內部的缺陷、骨料與水泥砂漿構成聲學界面的數量和空間分布是隨機的、多樣性的，因此，聲波在混凝土中的傳播狀況要比在均勻介質中的傳播複雜的多。聲信號作為混凝土內部特性信息的載體，可以將混凝土內部的材料性質、缺陷、結構等信息傳遞到所要提取的接收信號中，由此可以作為混凝土質量的判斷依據。尤其是通過聲波層析成像技術，選用適當的數學模型和重建成像技術，可以反演出混凝土內部未知的某物理量,並生成二維、三維圖像直觀地反映混凝土內部的質量，對缺陷進行定性、定量分析，達到提高可靠檢測的目的。特別是對於大壩的隱患檢測， 層析成像檢測能快速無損地探測大壩內部較深部位的隱患，例如大壩混凝土老化區、壩體滲漏、壩址地質構造及斷裂帶等進行檢查，因此，近年來大壩層析成像技術研究工作越來越受到重視。

聲波層析成像實質上是從低維流形上疊加的信息來分辨和提取點上的信息，易於直接迅速地測定混凝土的強度、內部缺陷的位置與大小，還可以判斷遭受破壞的程度等。具有成本低、速度快、適用範圍廣、系統結構簡單、安全性好等特點，這是用破損驗方法難以辦到的。此外由於聲波波速參數和混凝土強度直接相關，與現行混凝土質量驗收規程結合緊密，因此，對於水工混凝土結構的大壩安全檢測具有重要的研究價值。

水聽器是層析成像信號的接收裝置。聲波檢測混凝土時需要解決的是接收經過混凝土傳播後的聲波，同時為了度量聲波的各種聲學參數，還需要將聲能量轉化為比較容易測的電學量，而實現將聲能向電能轉換的裝置就是水聽器。作為聲波檢測的重要部件的水聽器，能否正確拾取波形最主要的問題取決於幅頻特性和首次波比，這直接關係到數據質量、工作效率和採集成本。在大壩混凝土長測距的探測工作中，需要採用電火花、電雷管等發射源，在層析成像中如果使用單個水聽器只在一個接收點進行信號接收，然後再多次移動位置來接收其他信號，則既費時也很不經濟，為了減少振源激發次數，進而提高施工效率和節約成本，理想的方法是能在一次激發中，採用可以同時接收到不同深度的多個測試點的聲波信號的水聽器線陣。但是，現有的水聽器線陣存在的技術問題是長距離傳輸後的接收信號的靈敏度不夠高，影響層析成像的成像效果和解析度，進而影響到大壩檢測的精度。因此，具有多通道、首次幅度高、起跳清晰特性的高靈敏度的水聽器線陣是大壩混凝土聲成像的關鍵，是實現高精度地測定大壩混凝土內部情況的前提所在。此外，現有水聽器線陣還存在全串聯模式所帶來可靠性低的技術問題，水聽器線陣採用的串聯形式，經過包封后是一個整體，如果使用過程中出現信號斷點時，需要整套線陣所有的單元一一斷開，進行逐一排查後，再替換有問題的單元，才能重新包封成整體，任何一個小問題的出現，都必須重新再來一遍，非常得費時費力；因此在其製作過程中，線陣中任何一處單元出現問題後進行維修時，問題單元的確定以及線陣的重新修復都過於繁瑣；特別是在野外作業的現場，一旦出現問題，水聽器線陣無法在作業現場進行修復，這就導致了野外作業的測試工作中斷，帶來人力和成本費用的巨大支出。另外一方面，由於是串連形式，每個陣元的連線都是唯一性，相互之間不具有替代性， 這就導致了陣元難以提前備份，出現問題的陣元，需要臨時排查確定後才能製作，導致時間周期加長，因而導致工作效率非常地低下。因此，提高水聽器線陣的可靠性和維修的便捷性是水聽器線陣應用於混凝土大壩聲成像亟待解決的應用難題。

技術實現要素：

本發明的目的在於，為解決現有的水聽器線陣存在著靈敏度不足、可靠性低、維修困難的技術問題，本發明提供了一種高靈敏度的用於混凝土大壩探測的水聽器線陣，該水聽器線陣採用模塊化的方式來組裝成線陣，且具有接收信號的靈敏度高、測量效率高、使用便捷性好的優點，非常適合於混凝土大壩的聲層析成像的測量。

為實現上述目的，本發明提供的一種用於混凝土大壩探測的水聽器線陣，包括：若干個水聽器單元、多芯電纜和連接器；所述的多芯電纜內設若干根芯線，每一個水聽器單元的信號輸入端和信號輸出端均連接一根多芯電纜，並選擇不同的芯線作為各水聽器單元信號傳輸的獨立路徑；每一根多芯電纜在遠離與其連接的水聽器單元的一端均設有航空插頭插座；所述航空插頭插座一端設有的各針芯與多芯電纜內的各芯線對應焊接在一起，該航空插頭插座另一端通過連接器連接與其相鄰的另一個航空插頭插座，使得各水聽器單元的信號輸入端與其相鄰的另一個水聽器單元的信號輸出端對接。上述水聽器線陣由模塊化的水聽器單元組成，水聽器單元之間通過航空插頭插座與連接器能夠很方便地進行串連接。能夠快速地組成線陣，以及方便地拆卸進行檢修。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的水聽器單元包括：壓電元件和外殼；所述的壓電元件採用陶瓷材料製成的壓電圓管，該壓電元件密封於外殼內；所述外殼的兩端均設有一通孔，用於將多芯電纜穿入外殼後與壓電圓管實現電連接。上述水聽器單元採用高壓電常數的壓電材料作為靈敏元件，可以選擇壓電陶瓷材料或壓電單晶材料。要求挑選一致性高的壓電元件，可控制電容和壓電性能d33的離散度在±3％。此外，為提高耐靜水壓性，壓電元件儘量採用厚壁的壓電圓管，以滿足大深度測量下所面臨的高靜壓力。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的水聽器單元還包括：前置放大器和設置有多通道的柔性電路板；所述水聽器單元的數量不多於30個；當水聽器線陣包含不多於12個水聽器單元時，所述的多芯電纜為16芯電纜，所述柔性電路板中的第1至16通道分別與16芯電纜第1至16芯線的一端逐一對應連接，所述16芯電纜第1 至15芯線的另一端分別與航空插頭插座的第1至15針芯逐一對應連接，該16芯電纜第16芯線另一端與其所在的水聽器單元編號相同的針芯連接，所述壓電圓管的內、外壁分別對應引出正、負信號輸出線，並將其與前置放大器的正、負信號輸入端一一對應連接，所述前置放大器的負信號輸出端和正信號輸出端分別與柔性電路板的第13和16通道相連，該前置放大器的電源正端和電源負端分別與柔性電路板的第14和15通道相連。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的外殼包括：兩塊金屬端蓋、金屬柱和聚氨酯橡膠；所述的金屬柱套設於壓電圓管內；所述的兩塊金屬端蓋分別設置於金屬柱的頂部和底部，並通過螺紋緊固後壓緊壓電圓管；每一塊金屬端蓋的中心均設有供多芯電纜穿入金屬柱內的孔；所述的前置放大器和柔性電路板設置於金屬柱內；所述的聚氨酯橡膠用於密封整個水聽器單元。在電學上採用內置在金屬柱內部的柔性電路板連接，並通過電纜內的芯線連接上航空插頭插座，最終實現小巧、內置的信號放大和輸出功能。水聽器單元兩端的電纜線，可以人為地調節與相應的插針連線，對應為相應的水聽器單元的信號輸出。因此，可以作為標準化的模塊單元。

作為上述技術方案的進一步改進，所述金屬端蓋的邊緣設有泡沫塑料，所述的泡沫塑料擠壓於金屬端蓋與壓電圓管之間。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的前置放大器採用貼膜式低噪聲、高輸入阻抗的場效應管，低噪聲範圍為小於20nv/√hz；高輸入阻抗的範圍為105ω-107ω。

基於上述用於混凝土大壩探測的水聽器線陣，本發明還提供該水聽器線陣的製作方法，該方法包括：

步驟1)挑選徑向諧振頻率fr滿足21khz±3％、電容滿足6.20nf±3％、壓電性能d33滿足650pc/n±3％的壓電圓管後，利用丙酮清洗乾淨，並選擇貼膜式低噪聲、高輸入阻抗的場效應管作為前置放大器；

步驟2)將兩塊金屬端蓋的中心分別穿入16芯電纜，並利用聚氨酯橡膠將該16芯電纜硫化固定在金屬端蓋上；

步驟3)將柔性電路板中的第1至16通道分別與16芯電纜第1至16芯線的一端逐一對應連接，所述16芯電纜第1至15芯線的另一端分別與航空插頭插座的第1至15針芯逐一對應連接，該16芯電纜第16芯線另一端與其所在的水聽器單元編號相同的針芯連接，所述壓電圓管的內、外壁分別對應引出正、負信號輸出線，並將 其與前置放大器的正、負信號輸入端一一對應連接，所述前置放大器的負信號輸出端和正信號輸出端分別與柔性電路板的第13和16通道相連，該前置放大器的電源正端和電源負端分別與柔性電路板的第14和15通道相連；

步驟4)將前置放大器和柔性電路板放置在金屬柱的內部，通過設有泡沫塑料的兩塊金屬端蓋與金屬柱外壁上的螺紋緊固後壓緊壓電圓管，然後放入相應的密封灌注模具中，使用聚氨酯橡膠硫化灌注壓電圓管與金屬端蓋的外表面，形成水聽器單元的外殼；

步驟5)將航空插頭插座的末端通過連接器連接與其相鄰的另一個航空插頭插座，並將連接器上設置的壓緊螺母擰好，使得各水聽器單元的信號輸入端與其相鄰的另一個水聽器單元的信號輸出端對接。

本發明的一種用於混凝土大壩探測的水聽器線陣及其製作方法優點在於：

(1)本發明的水聽器線陣靈敏度高，大大提高了層析成像的解析度，進而提高超聲層析成像計算的實用化程度；

(2)本發明的水聽器線陣中各水聽器單元結構設計緊湊，一方面是由於內部引線採用柔性電路板，另外一方面是由於採用場效應管制作的內置前放，從而在節省空間的同時還大大提高了應用的可靠性；

(3)本發明的水聽器線陣採用了防水的連接插件，進行模塊間的連接，實現了製作的模塊化裝配，非常地便捷高效，此外，還可以方便地調節陣列中的單元數目，獲取到更多有效的數據；

(4)本發明的水聽器線陣由於採用模塊化的結構設計，使其裝配和檢修的周期大大縮短，排除問題方便，同時更換單元容易，因此，能夠在工作現場中實時進行問題查找並進行及時的維修。

附圖說明

圖1為本發明實施例中的水聽器線陣的連接示意圖。

圖2為本發明實施例中的水聽器單元的結構示意圖。

圖3為利用本發明的水聽器線陣在水池中測試的示意圖。

附圖標記

1、壓電圓管2、泡沫塑料

3、金屬柱4、金屬端蓋

5、多芯電纜6、前置放大器

7、柔性電路板8、聚氨酯橡膠

9、航空插頭插座10、水聽器單元

11、連接器

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明所述的一種用於混凝土大壩探測的水聽器線陣及其製作方法進行詳細說明。

如圖1所示，本發明提供的一種用於混凝土大壩探測的水聽器線陣，包括：若干個水聽器單元10、多芯電纜5和連接器11；所述的多芯電纜5內設若干根芯線，每一個水聽器單元10的信號輸入端和信號輸出端均連接一根多芯電纜5，並選擇不同的芯線作為各水聽器單元10信號傳輸的獨立路徑；每一根多芯電纜5在遠離與其連接的水聽器單元10的一端均設有航空插頭插座9；所述航空插頭插座9一端設有的各針芯與多芯電纜5內的各芯線對應焊接在一起，該航空插頭插座9另一端通過連接器11連接與其相鄰的另一個航空插頭插座9，使得各水聽器單元10的信號輸入端與其相鄰的另一個水聽器單元10的信號輸出端對接。

基於上述結構的水聽器線陣，本實施例中的水聽器單元包括：壓電元件、外殼、前置放大器和設置有多通道的柔性電路板；如圖2所示，所述的壓電元件採用陶瓷材料製成的壓電圓管1，該壓電元件密封於外殼內(未圖示)；所述外殼的兩端均設有一通孔，用於將多芯電纜5穿入外殼後與壓電圓管1實現電連接。

所述的水聽器單元10最多可設置30個，而當所述水聽器單元10的數量不多於12個時，所述的多芯電纜5為16芯電纜，所述柔性電路板7中的第1至16通道分別與16芯電纜第1至16芯線的一端逐一對應連接，所述16芯電纜第1至15芯線的另一端分別與航空插頭插座9的第1至15針芯逐一對應連接，該16芯電纜第16芯線另一端與其所在的水聽器單元10編號相同的針芯連接，所述壓電圓管1的內、外壁分別對應引出正、負信號輸出線，並將其與前置放大器6的正、負信號輸入端一一對應連接，所述前置放大器6的負信號輸出端和正信號輸出端分別與柔性電路板7的第13和16通道相連，該前置放大器6的電源正端和電源負端分別與柔性電路板7的第14和15通道相連。

如圖2所示，所述的外殼包括：兩塊金屬端蓋4、金屬柱3和聚氨酯橡膠8；所述的金屬柱3套設於壓電圓管1內；所述的兩塊金屬端蓋4分別設置於金屬柱3的 頂部和底部，並通過螺紋緊固後壓緊壓電圓管1；每一塊金屬端蓋4的中心均設有供多芯電纜5穿入金屬柱3內的孔；所述的前置放大器6和柔性電路板7設置於金屬柱3內；所述的聚氨酯橡膠8用於密封整個水聽器單元10。所述金屬端蓋4的邊緣設有泡沫塑料2，所述的泡沫塑料2擠壓於金屬端蓋4與壓電圓管1之間。

當利用上述結構的水聽器線陣應用於井徑大小為60mm的混凝土大壩進行層析成像時，相鄰水聽器單元之間位置固定為2m的水聽器線陣要滿足一次性同時收集12個點的信號，在500hz的低頻發射聲源發射信號測試的情況下，各水聽器單元的接收靈敏度要高達165±3db；下面對滿足上述要求的水聽器線陣的設計及其製作方法進行闡述。

上述水聽器線陣由12個水聽器單元採用串聯方式組成，全長為100米，水聽器單元之間的距離為2米。各水聽器單元均由pzt-5h壓電陶瓷材料製作的接收型壓電圓管作為靈敏元件，確定壓電圓管的尺寸為φ40×φ33×30mm，採用上、下進出線纜分別作為信號輸入端和信號輸出端。為了進一步提高接收聲波靈敏度，在水聽器單元的內部布放了尺寸為10×5×2mm的20db前置放大器。水聽器單元的最終尺寸為φ45×90mm。前置放大器要滿足低噪聲和高輸入阻抗的要求，可以採用具有高輸入阻抗的場效應管放大器，其10hz-10000hz低頻段的放大倍數為20db，因此，水聽器單元上、下出線的兩端有電纜插頭(航空插頭插座)，長度為1.4m，通過水密性的連接插頭(連接器)，長度為30mm，實現水聽器單元之間的相互連接，並實現水聽器單元之間的距離控制為2m，最終組裝成整體總長為100米的水聽器線陣，滿足層析成像的信號採集系統的需要。

參考圖1-3所示，根據上述設計要求的水聽器線陣進行製作的具體步驟為：

步驟1)將準備好的壓電圓管進行檢測，標明其正負極，先進行諧振頻率、阻抗以及電容、壓電性能d33的一致性挑選，其中徑向諧振頻率fr需滿足21khz±3％，電容滿足6.20nf±3％，壓電性能d33滿足650pc/n±3％，然後利用丙酮將挑選出的壓電圓管進行清洗乾淨後備用；

選擇由貼膜式低噪聲、高輸入阻抗的場效應管制作單電源的前置放大器(比如2sk225場效應管)，直流供電電源大小可為12v，使用前必須進行一致性的挑選，原則是10hz-100khz的頻率範圍內，放大倍數必須滿足20db±0.2db，自噪聲小於20nv/√hz，高輸入阻抗的範圍為105ω-107ω，並將挑選出的前置放大器用熱縮管封裝後一端為紅黑的進信號線，一端為出信號線和電源供電線。

步驟2)將兩塊金屬端蓋4的中心分別穿上由16芯外徑為8mm的聚氨酯外皮包覆的電纜，並利用聚氨酯橡膠硫化固定16芯電纜在金屬端蓋4上。

步驟3)將柔性電路板7的兩端均分別與16芯電纜相互連接，具體的連接方式是：16通道的柔性電路板中的第1通道到第12通道分別與16芯電纜的第1芯線與第12芯線逐一對應進行連接，作為水聽器線陣的第1單元到第12單元的輸出信號正端；柔性電路板的第13通道連接16芯電纜的第13芯線，作為水聽器線陣的輸出信號負端；柔性電路板的第14通道連接16芯電纜的第14芯線，作為各水聽器單元中的前置放大器的共用電源正端；柔性電路板的第15通道連接16芯電纜的第15芯線，作為水聽器單元中的前置放大器的共用電源負端；每一路水聽器單元10中的壓電圓管1的內外壁，分別對應引出正負二個信號輸出線，將其與前置放大器6的正負信號輸入端一一對應進行連接，前置放大器6的負信號輸出端與柔性電路板7的第13通道相連，前置放大器6的正信號輸出端與具有16通道柔性電路板中的第16路通道相連。前置放大器6的電源正端與柔性電路板7的第14通道相連，前置放大器6的電源負端與柔性電路板7的第15通道相連；

除第一個水聽器單元只有輸出端外，其餘的11個水聽器單元之間可以進行互換的連接，連接時水聽器單元的電纜輸出端和輸入端，先分別與帶有15個針芯的採用ip68標準的航空插頭插座相連，其中16芯電纜的第1至第15芯線分別與第1至第15針芯一一對應焊接相連，至於16芯電纜中的第16芯線與其所在的水聽器單元10編號相同的針芯相連。例如第1個水聽器單元的電纜中的第16芯線與第1針芯相連，第2個水聽器單元電纜中的第16芯線與第2針芯相連，以此類推。另外，航空插頭插座可以自行製作也可以由專業插頭廠家訂做、焊接和印刷線路板15芯針芯，並進行高密度安裝，採用堅固的外殼設計以適用於惡劣的室外環境，外殼可採用不鏽鋼加工，插針插卡可採用銅合金加工，表面鍍金；絕緣體採用耐高溫、具有良好絕緣性能的工程注塑成型；防水密封圈可採用耐高溫的矽橡膠成型。

步驟4)將前置放大器6和柔性電路板7放置在金屬柱3的內部；通過兩塊加有泡沫塑料2的金屬端蓋4與金屬柱3外壁上的螺紋擰緊壓住壓電圓管1後，放入相應的密封灌注模具中，使用具有透聲性能的聚氨酯橡膠硫化灌注好外面的保護層，形成水聽器單元10的外殼，即可完成水聽器單元的製作。

步驟5)然後將航空插頭插座9的末端通過連接器11連接與其相鄰的另一個航空插頭插座9，可通過帶有15芯孔的防水連接器相對插接，並將該連接起上設置的 壓緊螺母擰好；使得各水聽器單元10的信號輸入端與其相鄰的另一個水聽器單元10的信號輸出端對接，依次將第1到第12個水聽器單元之間逐一的相互連接上，最後在第12個水聽器單元的輸出端可以連接所需長度的電纜線，使得整個水聽器線陣的總長度為100m即可。

為了真實反映水聽器線陣在實用頻率段下接收聲信號的敏感程度，採用對比法對低頻段500hz下的接收靈敏度進行了測試，如圖3所示，在測試時，由低頻發射器以500hz低頻發射信號，在1.5m距離遠的地方布放水聽器線陣，然後控制每個水聽器單元對準低頻發射器一次；記錄下每個水聽器單元的接收信號幅值vi；然後在同一位置用標準接收水聽器cs-3b(其500hz的靈敏度為-214.3db)測試其接收信號有效值為v0。最後計算出每一水聽器單元的接收電壓靈敏度mo＝201g(vi/vo)-211.3(db)，表1為兩套水聽器線陣中各水聽器單元的接收電壓靈敏度測試結果；由表1可知，一套水聽器線陣中各水聽器單元的靈敏度一致性較好，整體起伏在3db範圍內，二套水聽器線陣的一致性也較好，接收電壓靈敏度高達165±3db。

表1

根據上述測試結果可知，本發明製作的水聽器線陣首次幅度高、起跳清晰，非常有利於工作現場實地獲得了高質量的清晰層析圖像，能夠直接迅速地測定混凝土的強度、內部缺陷的位置與大小，還能夠判斷出遭受破壞的程度等數據，對於採用聲波層析技術進行水工混凝土結構的大壩安全檢測具有很好的研究價值。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。