多跨孔超声波循测系统 - 多跨孔超声波自动循测系统

　　项目背景

　　在高层建筑、桥梁、码头、厂房的建设中，由于基桩具有施工简便、噪音小、承载力高、桩径大、适应各类地质条件等优点，使得基桩的应用越来越广泛，成为各种地基类型中最多的形式之一。

　　据有关资料统计，自20世纪90年代以来我国每年的用桩量超过500万根，而且绝大部分为混凝土基桩，其中沿海地区和长江中下游软土 地区占70%-80%。在现代大型土木工程建设项目中，用于基桩工程的费用通常达到总造价的四分之一至三分之一。由此可见，保证基桩的质量以满足工程建设 需要，对工程质量和工程费用而言，都是十分重要的。

　　近年来，由于基桩质量问题而直接影响建筑物正常使用的事例很多，据有关资料报道，国外有害缺陷的损桩占15%-20%，在国内则是 20%左右。基桩的施工有高度的隐蔽性，影响基桩工程的因素很多，所以基桩的施工质量有很多的不确定性因素，为此，加强基桩施工过程中的质量管理和施工后 的质量检测，提高基桩质量检测工作的质量和检测评定结果的可靠性，对确保整个基桩工程的质量和安全有重要意义。超声波检测简介

　　·超声波的产生和接收装置主要是超声波换能器，通过深入基桩预制的埋管传递超声波来达到检测的目的。

　　·发射换能器和接收换能器分别置于两根埋管中，超声脉冲穿过两管道之间的混凝土。超声波从发射换能器到接收换能器所扫过的范围为有效测试面积。

　　发展情况

　　·国内外现有的声波检测仪调查：

　　·瑞士PROCEQ 公司生产的TICO混凝土检测仪只能用单色屏显示2个传感器之间的距离和超声波传播时间以及脉冲速率等参数，无法显示采集到的波形，而且只有1个发射通道和1个接收通道，系统存储容量小，仅能存储250组数据。

　　·英国生产的pundit系列混凝土超声波测试仪用单色屏显示波速、声时和弹性模量3个参数，无法显示采集到的波形，而且只有一个发射通道和一个接收通道。

　　·国内某些公司生产的非金属超声波检测仪的有的采样间隔最大只有6.4us;放大器带宽只有500KHz，最多只有单个发射和两个接收通道，存储波形的存储器容量最大只有256MB，且USB接口不支持即插即用，数据转移和存储不方便。设备概述

　　·本设备可用于工业混凝土基桩的缺陷检测，可完成数据采集、数据处理、数据存储等功能，每个功能模块无缝结合，实现检测作业的自动化和集成化。

　　·数据采集：通过超声波换能器阵列发送和接收超声波，再经过硬件电路实现放大、滤波和数字化等转化，形成可供操作的数字信号。

　　·数据处理：对数字信号进行分析和处理，然后将这些数据以图形方式显示在彩屏上面，使缺陷一目了然。算法自动进行首波判断所示是在显示屏上显示波形数据。

　　·数据存储：为了工程存档和进一步处理的需要，需要将数据保存下来，本系统提供的大容量存储器保证了这一点。

　　·本设备功能强大，在充分考虑了工地特点的情况下，自动化程度高、使用方便、抗干扰能力强且小巧灵活，充分体现了“科技服务人类”的宗旨，是工地用户的好帮手。技术创新

　　一、 创新点

　　· 一次基桩检测开销巨大，而且操作复杂，加大了工人劳动强度，还影响了工程进度，为此本课题提出了以下的设想来解决这些缺点：

　　·采用编码盘对高度进行记录，实现高度自动判读，在硬件基础上实现自动检测;

　　·采用多通道并行采集方式，实现一次检测所有剖面，避免重复劳动，同时提高数据精确度。

　　·综合以上的设想，本课题提出了多通道技术来达到高速、高效、高精度的工业检测要求。

　　二、实现过程

　　·多通道技术的基本思想是使用多个收发一体换能器，加上高性能硬件和其他外部设备，实现一次性自动检测完所有的剖面。

　　多通道技术的示意图如图 所示。

　　·其实现过程如下：

　　·所有的超声波换能器到达一个可测的高度。

　　·换能器Ⅰ处于发射状态，换能器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均处于接收状态。换能器Ⅰ发射超声波，换能器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接收超声波信号后送入采集板进行处理，如图 所示。

　　经过第二次采集延时，换能器Ⅲ切换到发射状态，换能器Ⅱ切换到接收状态。换能器Ⅲ发射超声波，其余换能器接收超声波，如图 所示。

　　经过一次层间延时，系统判断是否到达下一个采样高度，如果到达则进行下一次采样，如果没有到达，则继续等待。

　　整个过程中，在高速硬件电路和高度自动判读的支持下，系统完成了一次性自动检测多个剖面，一方面避免了重复劳动所带来的时间浪费，另一方面保证了缺陷高度的一致性，提高了检测的精度。

　　技术方案

　　实现上述过程需要注意如下事项：

　　·适当处理采集过程中得到的大量数据，不致发生丢失

　　·自动判断高度

　　·不会由于检测时间过长导致误差太大

　　·不会发生漏采某个点(简称漏点)的情况

　　·这些问题的解决得益于多种技术方案的支持：

　　高速硬件支持

　　·硬件电路包括采样电路、CPLD控制电路和主控电路

　　·硬件电路保证了采样的高速进行，采样一个面的时间最少可以缩短到20ms(4埋管基桩)，使得采样点均能够处于误差范围内，并且可以从硬件上面保证不会发生漏点。

　　编码盘

　　·编码盘是一种脉冲计数编码器。

　　·通过绳索在滚轮上面滑动带动滚轮，从而驱动编码盘对高度进行脉冲计数，系统通过读取脉冲计数得到当前的高度信息，实现高度自动判读。应用前景

　　本课题创造性地在基桩检测领域提出多通道技术，并在本设备上实现了这一技术。一次性自动检测六个剖面的大胆想法和巧妙的实现方法彻底打破了传统的检测方 式，这一改革性的创举不仅解放了检测开发人员的开发思路，更重要的是为基桩检测行业注入了新鲜的血液，使得基桩检测更加方便、快捷、精确。多跨孔超声波循测系统 - 设备介绍

　　功能设计要求

　　·搭建一个通用超声波数据采集与处理平台：该平台应具有良好的可扩展性，使之能广泛应用于超声检测领域，并能够以此系统为实验平台进行各种超声波数据采集与处理实验。

　　·实现多通道采集技术：一次实现六个剖面的数据采集。

　　·采用流水线工作模式：提高采集效率，保证在采样过程中不会出现漏采现象。

　　·数据处理：对于波形数据进行管理，并计算波形到达时间和首波时间。

　　·数据显示：直观的将桩的数据显示在显示屏上面，便于直观了解基桩整体和局部的质量。

　　·精确记录高度：精确记录每个高度点，为缺陷定位提供高度基础。

　　·数据存储：对波形数据进行存储、转移，便于工程存档和后续处理。系统框架

　　·主控模块：主控模块采用ARM9系列为处理器作为硬件主控模块，并在此基础上植入嵌入式操作系统WinCE，为其它的模块提供控制和接口。

　　·数据采集模块：数据采集模块的高精度仪表运放、高速A/D芯片和双口RAM由CPLD和主控模块控制完成。完成了数据由模拟信号转化为数字信号并缓存入双口RAM供应用软件调用的功能。

　　·高度记录模块：由CPLD记录编码盘的脉冲计数实现高度记录。高度记录模块为自动监测提供了基础。

　　·人机交互模块：人机交互模块在WinCE操作系统的支持下，通过触摸屏和应用程序界面实现数据显示、参数设置等功能，符合工地使用情况。

　　·数据处理模块：数据处理模块将采集到的数据进行建链，并计算声速、首波波幅等信息完成对数据处理，为判断缺陷提供了基础。

　　·数据存储模块：有序地存储数据，为基桩工程存档和后续处理提供基础。

　　要完成以上的系统功能，需要在软件、硬件和驱动中给予相应的支持，三者需要相互协作才能完成这些复杂的功能，它们之间的分工如下：

　　·硬件层：从驱动中读取相应设置参数，并根据设置的采样高度间距和自动记录的高度实时采集数据;

　　·驱动层：从硬件读取采集到的数据后经过基本的处理，传递给应用程序;从应用程序读取用户的设置信息传递给硬件层;

　　·软件层：记录用户的设置信息，传递给驱动;从驱动层中读取采集到的数据，实时显示数据的波形形式和波列形式

　　硬件电路

　　·本系统主要由系统主控单元、CPLD控制单元和数据采集单元组成。

　　·系统主控单元：主控单元具有数据通信接口和外围设备接口，能够实现数据向操作系统及其他外设的传递;主控单元还负责控制CPLD和数据采集单元，使得整个系统能够有条不紊的进行。

　　·CPLD控制单元：CPLD控制单元集成了大部分底层硬件的时序、控制信号等，减轻了CPU的负担。CPLD可进行独立设计，模块化程度高。

　　·数据采集单元：数据采集单元完成了数据的采集、放大、滤波、数字化的功能，并将数据缓存在双口RAM中。

　　驱动层

　　·考虑整个系统的复杂程度和用户需求，本系统通过WinCE将硬件和软件结合起来。

　　·驱动层(此处仅指采集单元驱动程序)也是在WinCE平台上开发的，使得操作系统能够识别设备,并为应用程序提供服务。驱动框架如图 所示

　　·设置参数部分主要负责硬件各项参数设置，读取采集数据模块主要负责数据采集工作，读取高度值部分负责从硬件读取高度。中断服务程序主要负责相应硬件的数据读取请求的响应。

　　软件实现

　　·应用软件在WinCE操作系统的基础上进行编写，在Microsoft®Embedded Visual C++集成开发环境下开发而成。

　　·整个应用程序分为五大功能模块，如图 所示，这五模块分别是：

　　·主控模块：响应用户的各种消息事件，控制程序的主体流程。

　　·交互设置模块：设置各种硬件、软件所需要的参数，使得用户可以根据设置定制需要的工作方式。

　　·数据保存模块：完成数据的保存，便于数据的后期处理和存档。

　　·数据处理模块：完成对采集到的数据进行建链、高度判断等功能。

　　·波形绘制模块：实现对采集数据的绘制和首波判断等功能，使用户能够直接了解基桩的质量。技术性能

　　[1]采样间隔：0.1us～200us

　　·[2] AD转换器：12bit

　　·[3]触发电路：预留外部触发接口，预留同步接口

　　·[4]采样长度：0.5K～1K

　　·[5]发射电路：发射电压500/1000V可选，发射脉宽0.1us～100us可选，同步信号输出，TTL电平负脉冲

　　·[6]软件功能：测点波形曲线、整桩波列图、剖面深度曲线联动显示

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

　　·[8]供电模式：内置锂电池≥5小时技术指标

　　·[1]放大增益82dB

　　·[2]频带宽度300Hz～500kHz

　　·[3]幅值测量准确度(或线性误差)±3.5%

　　·[4]时间测量准确度≤0.1%

　　·[5]系统接收灵敏度≤30uv

　　·[6]噪声电平≤35uv

　　·[7]通道间串扰小于≤1/5000

　　·[8]模拟可调滤波器：低通：2KHz 、10KHz 、50KHz 、500KHz共4档 高通：10Hz、100Hz、5KHz、20KH共4档

　　·[9]连续工作时间不小于6小时主要技术特点

　　(一)三或四通道自发自收，大大提高检测效率

　　·一发一收的声波仪 需要六次提升完成测试

　　·一发双收的声波仪 需要三次提升完成测试

　　·RSM-SY7(F) 四通道仅需要一次

　　·RSM-SY7(T) 三通道仅需要一次

　　(二)全自动深度记数，减小深度误差，提高测试精度，深度记录最小值可达5cm

　　(三)RSM-SY7采用先进的嵌入式工控机技术，全金属外壳，噪声水平低，结构牢固、运行稳定，低功耗，低故障率。

　　(四)超大彩色液晶(13.1寸)显示，全触摸屏操作，采集软件界面直观、简单易学。

　　(五)四通道可以任意组合使用，每通道可以独立设置增益、延迟等参数。

　　(六)波形波列同步显示，处理效率高，直观反映桩身质量。

　　(七)采用WINDOWS平台，U盘数据传输，操作方便。

　　(八)内置高容量锂电池，满足野外长时间操作。

　　(九)探头稍有改进，成本增加很小。(耗材成本增加不大)

　　增加了电压保护，仪器探头可以随意切换，不需要人为放电

　　(十)配备功能强大，界面友好的分析软件，采用先进的自判算法，大大提高分析速度。