1 系统组成 水泥混凝土路面厚度超声检测系统主要有硬件
部分和检测软件两部分组成。其中硬件部分包括电 源部分、换能器部分、同步震荡部分、同步接收部分、 A / D 采集部分、计算机控制部分。如图 1 所示。
收稿日期: 2005- 05- 23
适性的角度建立新的路面不平度分级标准。要想从 行车舒适性的角度建立路面不平度的分级标准, 应 综合考虑路面不平度、车辆、车速、人体等各个影响 因素, 因此, 还应进行进一步的研究工作。
目前我国对水泥混凝土路面强度、厚度的检测 广泛采用钻孔取芯的方式, 这种传统的破损检测方
法费工、费时、成本高、抽样率低, 而且取样后还要修 补路面, 对路面的各项质量指标都有所影响, 这与优 质高效修建公路的要求是不相适应的。虽然超声波 无损检测技术早已应用于混凝土桥梁的 质量检测 中, 然而, 在水泥混凝土路面检测中, 由于只能运用 超声反射法, 信号中表面波、横波、反射波叠加在一 起, 无法准确确定反射声时, 因此, 水泥混凝土路面 厚度超声检测一直是一个国际难题。本文从宽带环 能器入手, 结合先进的数字处理方法, 给出了有效的 超声反射信号的初至识别方法, 提高了水泥混凝土 路面厚度的测量精度。
式中: V 为超声波在被测混凝土中的传播速度;
L 为发射换能器和接受换能器之间的距离, 根据反
射波到达时间 t, 即可求得道路厚度。
图 4 理想反射法测量信号
2005 年 第 8 期 琚晓辉等: 水泥混凝土路面厚度超声检测系统
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宽频带换能器的概念很早就被人们提出来, 它 主要指换能器在较宽的频率范围内, 具有较平的幅 度响应及线性相位响应, 便于传送窄脉冲信号, 因而 有着较高的时域分辨率。主要用于解决现有换能器 余震长, 难于辨识反射波初至的问题。
水耦合法能够有效 地压制面波对反射波的影 响, 同时, 由于波在水和水泥混凝土中的传播速度差 异大, 反射波到水中时, 近垂直入射到换能器上, 使 换能器接收到比较强的垂直分量, 横波的干扰受到 压制, 大大加强了测试效果。
但是要真正做到水耦合发射, 必须将换能器悬 空, 同时由于水中声速较慢, 还要保证每次换能器的
( 2) 运用频谱分析的方法, 对原始信号进行滤波。 ( 3) 其次, 采用等间隔多次接受, 由于相邻 2 次 接受位置相近, 接收的两道信号, 波形有 一定相似 性, 且同一震相起跳拐点的到时值相近, 而随机干扰 形成的拐点则一般不会同时出现, 可予以排除。通过 互相关的方法, 可以确定反射拐点。 ( 4) 小波分析使我们能够将一个信号分解成对 时域( 空间) 和尺度的贡献, 在这种意义下小波分析 又可称为多分辨力分析, 我们在此运用小波分析的 方法, 确定反射波和面波叠加的起始位置。最后通过 综合分析, 得到反射波的起始位置。
3 试验结果 我们在实验室依据现场设计的配比, 通过调整砂率
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和水灰比, 共设计了 5 种厚度, 检测结果如表 1 所示。
表 1 试验室混凝土试件厚度检测结果
试件 编号
1 2 3 4 5
实际厚度 cm
15 20 25 30 40
声速 m/ s
4 240 4 150 4 310 4 180 4 320
反射声时 s
73. 32 98. 20. 119. 03 148. 33 190. 04
检测厚度 cm
15. 12 19. 96 25. 22 30. 58 40. 6
相对误差 %
0. 8 - 0. 2
图 6 水耦合方法示意
高度不变, 因此, 我们设计了特定的固定架, 保证了 水耦合方法的实施。 2. 3 声时测定方法研究
水泥混凝土路面强度和厚度的检测, 关键在于 准确识别反射波。经过反复实验和研究, 我们采用 了下列多种识别反射波的有效方法。
( 1) 首先, 路面的设计厚度一般是预先可估计的 ( 在一定范围内) , 由于路面直达波速容易测出, 若用 其代替路面层反射波速度, 则可根据反射波的运动 学特征, 用正演的方法, 求出路面层反射 波理论到 时。然后在波形图上反射波理论到时附近的一段范 围内, 寻找真正的反射波起跳点, 寻找范围可大大缩 小。例如, 在试验中, 已知混凝土试件厚度 26. 5 cm , 测出直达纵波速度为 4 300 m / s , 将其视为反射纵 波速度, 在发射、接收距离为 40 cm 时, 可求出反射 纵波的理论到时为 154 s ; 假定路面厚度误差为 ±10 cm , 则可求得相应的反射纵波理论到时分别 为 121 s 和 194 s。这样, 就可将寻找反射波的范 围限定在 121 s 到 194 s 之间。
在测量过程中如果高压脉冲信号宽度太窄, 电 压较低, 通过换能器将得不到稳定的超声脉冲, 如果 信号太宽, 或电压太高, 将使超声信号余震很长, 影 响使用精度。实际应用时应根据不同的情况选用不 同的激发电压和脉宽。
为了得到稳定的信号, 还要求发射电路具有较 高的重复性和精度。设计中我们应用了自行设计制 作的升压电路以获得稳定的脉宽和高压电平。
由于 超声 信号 在空气 中的 传播 速度 只有 346 m / s, 在水泥混凝土中传播速 度为 4 000 m / s, 相差 10 倍, 因此, 必须解决好换能器和水泥混凝土 路面的耦合问题, 否则严重影响厚度的检测结果。反 射波到时的准确拾取一直是测厚测试分析中的难点 问题。通常采用的耦合剂有黄油和凡士林。但黄油 和凡士林耦合法并不能增加反射信号的信噪比。在 本次研究中采用了水耦合法, 原理图如图 6 所示。
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路组成。接受电路基本由放大电路、滤波电路、采样 电路、保持电路、A/ D 转换电路和接口电路组成。
图 1 超声检测系统工作原理
在超声波检测过程中, 超声换能器发射控制电 路主要是产生一个标准宽度的高压脉冲, 使换能器 产生超声波, 高压脉冲的幅值和宽度直接决定了超 声信号的能量和宽度。
由于不同配合比的水泥混凝土特性差别很大, 接受换能器收到的信号幅值也差别很大, 因此, 采集 电路的放大倍数必须设置成可调。
滤波电路也是接受电路的重要组成部分, 合理 地设计滤波电路特性可显著提高信号的信噪比。
A/ D 转换电路是采集电路的核心, 也是和计算 机的接口电路, 它的采样频率和采样位数直接决定 了数据处理的频率和精度。我们在此选用了 10 M 、 10 位的高速 A/ D 转换器件。
接受电路是信号处理的最前端, 信号的频响宽 度、信噪比、分辨率都由它决定。选择合适的接受器 是采集电路最关键的一步。频响范围太大, 势必增加 成本, 或以损失其他方面做代价; 频响范围太小, 将 引起信号畸变, 严重影响信号的判读。为了和发射换 能器的频率响应范围一致, 我们采用了配对换能器, 每个换能器不但可作为发射器, 也可作为接受器, 性 能基本一致。
公路 2005 年 8 月 第 8 期 HIGHW AY A ug . 2005 N o . 8 文章编号: 0451- 0712( 2005) 08- 0125- 04 中图分类号: T P 274. 53: U 416. 216 文献标识码: B
水泥混凝土路面厚度超声检测系统
琚晓辉1, 马荣贵2, 孙建民1
( 1. 河南许昌市公路管理局 许昌市 461000; 2. 长安大学信息工程学院 西安市 710064)
摘 要: 研 究了水泥混凝土路面 厚度和强 度超声检测 中的信号 处理方法, 设计了 宽带换能器, 提出 了水耦合 法和声时综合处理法, 现场检测实验证明, 该系统可明 显提高检测效率, 厚度测量精度优于 5% , 强度测量精度优于 7% 。
0. 9 1. 2 1. 5
我们又在河南省许昌市 S237 省道上, 共选择测 试了 10 个断面进行检测并和钻孔取芯法对比。试验
结果如表 2 所示。
4 结论 由实验室试验可知, 多功能水泥混凝土路面检
测系统检测厚度的误差最大不超过 3% , 由 S237 水 泥混凝土路面超声检测结果可以看出, 水泥混凝土 路面检测系统测厚最大误差不大于 4% , 检测一个 测点, 通常需要 3 min 时间, 同取芯法相比, 测试效 率提高了很多。同时, 由于取芯法破坏路面, 修补不 好, 容易造成坏板, 测点之间要间隔一定距离等, 超 声无损厚度检测必将代替取芯法。
图 2 反射法测量原理
图 3 透射法测量原量
理想的反射法测量信号如图 4 所示, 在图 4 中 直达波由于距离短最先到达, 间隔一定时间后, 反射 纵波达到, 反射纵波的到达时间即为我们要求的反 射时间 t , 依据公式( 1) , 就可求得路面的厚度。
H=
1 2
( V 1 t) 2 - L 2
( 1)
参考文献:
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[ 2] 潘立 . 基 于人椅系统三向振动的汽车平顺性建模 及仿 真[ D] . 浙江工业大学硕士学位论文, 2004.
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为了提高灵敏度, 改善宽带特性, 我们通过计算 机模拟得到最佳匹配参数, 并在设计时依次进行修 正, 经过压制余震设计的超声换能器对零信号波形 如图 5 所示。
图 5 宽带换能器对零信号波形
由图 5 可以看出, 新型的宽带换能器基本上只 有一个主波, 余波也只有一个, 这是目前国内传感器 难以达到的, 基本解决了常用换能器余震长的难题。 为混凝土厚度检测奠定了基础。 2. 2 水耦合方法的研究