专利名称：一种裂缝深度测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种裂缝深度测试仪，尤其涉及一种利用声波衍射法来 测量固体介质中裂缝深度的装置。
生产生活中常常会利用声波衍射法来对固体表面的裂缝深度进行测量， 尤其可以用于建筑工程中广泛存在的混凝土裂缝深度的检测。
目前检测混凝土非贯穿性裂缝的深度，主要采用声波衍射法，具体测试
方法有以下两种
第一种是"衍射声时计算法"。该方法被英国标准BS-4408和中国工程 建设标准化协会标准《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:2000， 以下简称《测缺少见程》)所采用，具体测量步骤为
1. 在没有裂缝处的混凝土表面，多点测量发射换能器与接收换能器的间 距与传播声时，用线性回归法得到声时一测距线性关系的回归系数，即混凝 土的声速v
2. 将发射与接收换能器分别置于以裂缝为对称的两側，在两换能器之间
的间距^取100mm、 150mm、 200ran、 250ram、......时，分别读取声时值、裂
缝深度计算式为
式中化一第z'点计算的裂缝深度值(ran)
A —第^点两换能器之间的间距(mm) C一第/点声波传播时间(戸)
W —不同间距测点裂缝深度平均值 "一测点数
1确定裂缝深度将各间距测点对应的间距值〖与平均缝深^相比较， 凡间距纟小于^或大于3气，应剔除该组数据，取余下的4的平均值作为裂
背景技术缝深度。
第二种是"首波相位反转法"。该方法也被《测缺规程》所采用，该方 法的具体测试步骤、裂缝深度计算公式与"衍射声时计算法"相同，但对不
同间距裂缝深度值的取舍方法不同。具体测量步骤为在不同间距测点的测 试中，观察首波相位的变化。当在某个间距测点发现首波反相时，用该间距 测点及两个相邻间距测点的裂缝深度测量值的平均值作为裂缝深度值。
但是上述方法存在误差大，耗时长，技术要求高以及繁杂的数据剔除步 骤等缺陷。针对上述缺陷可以釆用一种更为简便，测试精度更高的方法。
将声波绕劈(wedge)产生衍射(diffraction)的衍射场近似公式，应用 于衍射法检测混凝土裂缝深度，进一步考虑了声波的衰减、换能器的指向性 以及脉冲波的复频特性，推导出适用于裂缝测试的声波衍射场数学近似表达 式
式中，Q为指向性因子 A为衰减因子
S是对组成复频波的单频衍射波的求和 对其求模("to")即为衍射场的振幅
同时根据裂缝深度计算公式物理条件的要求，在确定合适的换能器间距 即合适的衍射角时，显然衍射场的范围越小越好，即衍射角越小越好。然后， 从衍射声场表达式分析出最合适的衍射角，使之既能保证足够的振幅，又能 获得尽量小的衍射角度。
在上述声衍射场数学理论支持的情况下，经过大量的试验和研究，这种 测量固体介质中裂缝深度的方法具体包括以下步骤
1. 在无缝区将发射换能器与接收换能器固定于某一间距/,测量传播声 时"计算混凝土声速v-〃h其中^为50mm~ 300mm，通常取200mm。
2. 选择第一测点，将发射与接收换能器分别置于以裂缝为对称的两侧， 发射与接收换能器的间距为、读取声时值、并由下式计算裂缝深度、
炉一炉o)
cos — + l
V
(—)2-1，其中，A的范围为30wTM^/, S500mw。3.选择第二测点，将发射与接收换能器的间距置为/2， /2的范围为 0.1/^ S/2 Sl0/i,或者30wm^/2 S500w附，通常当/z， S50w附时，/2为^的0. 6 ~ 8倍、 或者30wm S /2 S 200附w ; 当/ 、 > 时，/2为^的 0. 1 ~ 5倍、或者
50wW^/2S400;w 。其余条件与第一测点测量的情况相同，读取声时值/2;采
用与上述相同公式计算第二测点裂缝深度值^;
4. 计算4与^的平均值"5A+W, ^为裂缝深度。
5. 在上述步骤4中，还可以继续计算离散A-h-^，若该离散值小于某一
限定值^，则以^为裂缝深度；否则，再增加一个测点，直到该测点的深度 值与之前其他任何一个测点深度值的离散值小于限定值~ ，则以此离散值所
属的两个测点深度值的平均值作为裂缝深度。
目前按照《测缺规程》进行声波衍射法检测裂缝深度，现场测试工作繁 瑣，需要画出测点位置，测量测距，测试中需要判读记录声时，观察波形变 化等，而且使用的测试仪器是通用的超声仪，价格高，对测试人员还需要进 行超声波基础知识、测试仪器使用方法以及数据处理方法的培训。
与本实用新型相关的中国实用新型专利"混凝土裂缝测试仪，，(专利号 ZL200420016797. 6，以下筒称对比专利)，该专利利用了与"首波相位反转 法"相类似的方法，采用多个发射和接收换能器依次发射和接收多个声波信 号，在多个声波信号中找到首波反相的测点位置，利用测点的相位变化计算 测定出被测裂缝的深度。
该测试仪内部结构复杂，同时需要多个发射和接收换能器，仪器成本高。 而且在测试过程中需要观察首波相位的变化，由于在测试中，何时能够出现 首波反相的测点是无法预知的，因此使现场测试工作变得十分繁瑣，同时对 测试人员的测试经验也要求更高。另外，大量试验表明，在首波刚刚出现反 相时，首波幅度会明显减小，这时会直接影响声时的测试精度，如不仔细观 察，甚至可能丢波， 一旦丢波，会使测试精度明显下降。
发明内容
为了解决上述测试仪器的操作复杂，误差大，操作技术要求高和仪器成 本高等缺陷，需要寻找一种结构更简单，操作更简便，无需培训即可快速掌 握和使用且精度高，成本低的设备。本实用新型根据上述以声衍射场数学理论为基础提出的测量固体介质 中裂缝深度的方法，提出了一种裂缝深度测试仪，包括主控系统、发射换
能器、接收换能器、电源模块；所述的主控系统通过高压发射模块与发射 换能器相连接，所述的高压发射模块通过施加高压脉沖使发射换能器产生 声波信号；接收换能器将接收到的声波信号通过信号接收调理模块进行放 大、滤波处理，然后由;f莫数转换模块转换为数字信号传递给主控系统；主 控系统对接收到的数字信号进行处理并直接计算出裂缝深度；所述的主控 系统通过人机接口模块与使用者进行交互。
具有上述结构的裂缝深度测试仪，可以直接得到测量结果，即在现场 通过该仪器就可以直接得到缝深值。而不必像《测缺规程》中规定的那样， 需要使用通用超声仪进行测量，并需人工现场判读和记录测试参量(即需要 人工现场观察测点的相位变化，发现首波反相的测点位置)，也不需要后期 人工计算或调用分析软件进行数据处理。本实用新型中的裂缝深度测试仪与 通用超声仪相比，结构更为筒单，设备成本明显降低。与对比专利相比，上 述结构的裂缝深度测试仪其结构更筒单，可以只采用 一对发射和接收换能 器，并且可以直接得到缝深值，设备成本明显降低，操作更为简便。使用本 实用新型的裂缝深度测试仪，测试人员不需要了解超声波基础知识、也不需 要经过复杂的测试仪器使用方法以及数据处理方法的培训，即可快速的掌握 和使用该设备。
进一步，所述主控系统采用的裂缝深度的计算公式如下
其中A为裂缝深度值，/为两换能器的间距，/为声波传播时间，v为 被测固体介质中的声速。
进一步，所述的高压发射模块中的高压激励电路为单次高压激励电路， 所述的单次高压激励电路使发射换能器产生的是单次脉冲声波信号。
进一步，所迷的信号接收调理模块采用固定增益放大器。
进一步，所述的信号接收调理模块采用放大倍数高于600倍的高增益放 大器。
进一步，所述的信号接受调理模块采用放大倍数为IOOO倍的高增益放大器。进一步，所述的主控系统由主控CPU模块、逻辑控制模块组成；主控CPU 模块分别与逻辑控制模块、人机接口模块、电源管理模块之间电连接，用于 实现各功能模块之间的调度；主控CPU模块通过逻辑控制模块与高压发射模 块电连接；模数转换模块通过逻辑控制模块与主控CPU模块电连接。
进一步，所述的主控系统通过数据通信模块与外接设备之间进行数据传输。
进一步，所述的一种裂缝深度测试仪，还包括至少一个换能器支架，至 少一对发射换能器和接收换能器分别被固定在支架两边，并分别可沿换能器 支架上的滑轨移动。
进一步，在所述的换能器支架上、沿滑轨方向上设有刻度标识。
进一步，在所述的换能器支架上设有一个中心标识。
进一步，所述的换能器支架上的刻度标识由成对的标识线组成，每对刻 度标识线对称的分布在中心标识两侧。
进一步，所述的刻度标识线有四对，每对刻度标识间的距离分别为50mm、 100mm、 150薩、200mm,并在相应位置标有标识值。
进一步，所述的换能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固 定在滑轨上。
进一步，所述的换能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固 定在刻度标识处。
进一步，所述的中心标识为一个标有十字刻线的有机玻璃板，在十字刻 线中心设有一个小孔。
图1为本实用新型的裂缝测试仪原理示意图 图2为本实用新型的裂缝测试仪结构示意图。 图3a为本实用新型的单次高压激励电路示意图。 图3b为单次脉沖信号波形。 图4为本实用新型的固定大增益放大电路示意图。 图5为本实用新型的裂缝深度测试仪操作流程图。 图6a为本实用新型的换能器支架示意图。 图6b为本实用新型的换能器支架示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能进一步了解本实用新型的特征及技术内容，请 参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，附图仅提供参考与说明，并非 用来限制本实用新型。
以下结合附图，对本实用新型的实施方式进行描述。
图1为本实用新型的裂缝测试仪原理示意图。该测试系统由裂缝深度测
试仪主机l，发射换能器2和接收换能器3组成。主控系统l通过高压发射 模块的高压激励电路施加高压脉沖于发射换能器2,产生单次脉冲的声波信 号，进入混凝土，经裂缝末端绕射，被接收换能器3所接收，接收的信号经 测试仪信号接收调理模块的固定增益放大系统，进行放大、滤波处理后，由 模数(A/D)转换模块转换为数字信号。测试仪主机还包含同步控制元件， 以实现高压激励电路的输出与A/D转换模块的接收信号实现同步。主控系统 对接收的数字信号进行采集、判读，获取声波走时"根据预先设定的混凝 土声速值v以及换能器支架确定的换能器间距/，由以下公式计算并显示裂缝 深度
所述发射换能器2和接收换能器3可以采用50kHz的平面换能器。因为 采用的声波信号为单次脉沖信号，并将可调增益放大系统改变为固定增益放 大系统，大大减少了测试仪中的同步控制部件和增益放大元件，简化了操作 步骤，降低了技术难度，减少了仪器成本。
图2为本实用新型的裂缝测试仪结构示意图。主机由主控CPU模块、逻 辑控制模块、高压发射模块、信号接收调理模块、模数(A/D)转换模块、 人机接口模块、数据通信模块和电源管理模块组成。
主控CPU模块是测试系统的核心模块，内嵌智能分析软件，实现各功能 模块之间的调度，由C语言和汇编语言混合编程，主要有裂缝测试、数据查 看、数据清除和数据传输四个程序模块。裂缝测试程序模块对采集回来的信 号进行分析处理，得出表征被测裂缝的声速及其裂缝的深度，并进行存储。 数据查看程序模块实现对已存测试数据的回放并分页进行浏览。数据清除程 序模块实现数据存储空间的清空，为测试数据提供足够的存储空间。数据传输程序功能实现测试系统的数据上传至计算机的功能，以实现长期的数据备 份。
逻辑控制模块是实现主控CPU模块调度功能的重要载体。通过逻辑控制 模块，主控CPU模块将高压激励信号加载到发射换能器，同时又将接收信号 A/D转换后的数字信号传至CPU以供进一步的分析处理。在本测试系统中， 逻辑控制模块用CPLD (可编程逻辑器件)实现。
高压发射模块主要实现从低电压到高电压的转换，对发射换能器产生高 压激励。信号接收调理模块主要实现对来自接收换能器的信号进行放大、滤 波等处理。模数(A/D)转换模块主要实现模拟信号到数字信号的转换。人 机接口模块主要指LCD (液晶显示屏)和键盘等与使用者直接交互的功能模 块。数据通信模块是实现测试系统所存数据向PC机传输的硬件载体，所述 的主控系统通过数据通信模块与外接设备之间进行数据传输，在具体实施方 式中，可以有USB和RS232两种通信方式。电源管理模块由电源、DC-DC电 源转换等部分组成。实现从原始电源到主机各功能模块所需电压的转换和分 配，原始电源可以是锂离子可充电电池、镍氲可充电电池或普通干电池等。
图3a为本实用新型的单次高压激励电路示意图。在本实施方式中，单 次高压激励电路由容值为0. 47jiF的隔直通交电容C2,开关三极管Ql BU806， 容值为0. 47^iF的储能电容C1组成，通过一个倍压整流电路实现从低电压到 高电压(500V以上)的转换，单次激励脉沖经隔直通交电容C2到开关三极 管Ql的基极B，控制高压由开关三极管Ql的集电极C到发射极E,使储能 电容C1放电，对发射换能器产生单次高压激励脉冲信号，其波形如图3b所 示。图4为本实用新型的固定大增益放大电路示意图。固定大增益放大电路 由放大器OP37,比例电阻R21和R22,滤波电路电阻R23和C20组成。发射 换能器产生的声波信号由接收换能器经阻值为lkQ的电阻R23,容值为 0. 022pF的电容C20组成的滤波电路，滤掉不需要的信号，再经放大器OP37, 阻值为lkQ的比例电阻R21和阻值为1MQ的比例电阻R22使输入信号放大 一千倍，使微弱信号能被模拟/数字转换器采集识别。
图4为本实用新型的裂缝深度测试仪操作流程图。打开测试仪后，对变 量定义及初始化，对显示屏清屏，然后进入声速测试，测试完成后进入裂缝 测试模式，选择否，则返回声速测试模式，若选择是，则进行第一次测试，第一次测试后，进入下一步测试，选择否，则返回第一次测试，若选择是， 则进行第二次测试，完成后查看测试结果是否满意，若离散值小于限定值，
则选择是，否则选择否，重新返回第2次测试模式，改变测试点间距，重复 测量，直到测量值所得结果的离散值小于限定值，然后导出测试结果。
图5为本实用新型的换能器支架的一种实施例。换能器支架由换能器1、 换能器套2、隔声材料3、换能器盖4、弹簧5、滑轨6、定位装置7、测试 板8和刻度标识9组成。
图6a左侧为换能器支架的剖视图，换能器支架由非金属材料制作而成， 能有效减轻重量，即使在冬天测试时，也不会有冰凉的感觉，依然具有较好 的手感。两换能器1置于两换能器套2内，换能器套2环向内壁与换能器1 之间用环形隔声材料3配合的方式，有效的防止了换能器1与换能器套2的 声短路。换能器套2顶部内壁与换能器1顶部之间用弹簧5配合的方式，换 能器盖4顶住换能器1底部，通过螺紋等方式固定到换能器套2上，使换能 器1与测试表面在不平的情况下依然能保证良好的耦合。两换能器套2分别 被固定在支架两端，并分别可沿换能器支架上的滑轨6移动。它能保证换能 器与测试面良好的耦合，且能直接快速、准确测试裂缝。右图为换能器支架 的背面图，滑轨6上设有定位装置7，也可以采用将定位装置7设置在换能 器套2或支架上等多种方式。
图6b为换能器支架的俯视图，支架两侧对称印有50mm、 100mm、 150mm、 200mm等四个成对的刻度标识9，并在相应刻度标识9位置设有定位装置7， 当换能器套2移动到相应的刻度标识时，换能器套2通过定位装置7能自动 固定，使发射和接收换能器间距准确。支架底部中心位置装有一个标有十字 刻线的有机玻璃测试板8，且中心是一个孔，以保证测试时支架能准确地放 在被测裂缝的某一确定位置上，这样可以有效地避免人工测距划线以及手持 换能器时位置放置不准确造成的误差，大大提高了测量的效率和测量值的精 准度。支架可以根据需要制成不同的长度，比如100mm~ 600mm。在具体实施 中，若缝深在50mm以下，可以采用两侧对称印有50mm、 lOOnun、 150鹏、200mm 等四个成对刻度标识的支架，支架的总长度在250咖~ 300mm左右，便于操 作和携带。 '
使用换能器支架时，先选择第一个测试点的间距，将两换能器套2以测试板8的中心孔为中心对称的置于滑轨刻度标识9上的相应位置，中心孔对 准待测裂缝，将支架滑轨压紧测试面，使换能器与测试面良好的耦合，进行 第一次测量。进行第二次或第三次测量时，保持支架滑轨不动，对称的改变 两换能器套2的位置，从而改变第二、第三或多个测量点的间距，进行测量。 本实用新型的裂缝深度测试仪以及换能器支架也可用于各类非金属固 体材料裂缝的检测，不单局限于对混凝土材料裂缝的检测。
权利要求1.一种裂缝深度测试仪，包括主控系统、发射换能器、接收换能器、电源模块，其特征在于所述的主控系统通过高压发射模块与发射换能器相连接，所述的高压发射模块通过施加高压脉冲使发射换能器产生声波信号；接收换能器将接收到的声波信号通过信号接收调理模块进行放大、滤波处理，然后由模数转换模块转换为数字信号传递给主控系统；主控系统对接收到的数字信号进行处理，并直接计算出裂缝深度；所述的主控系统通过人机接口模块与使用者进行交互。
2. 如权利要求1所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述主控 系统采用的裂缝深度的计算公式如下其中A为裂缝深度值，/为两换能器的间距，,为声波传播时间，v为 被测固体介质中的声速。
3. 如权利要求1所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的高 压发射模块中的高压激励电路为单次高压激励电路，所述的单次高压激励电 路使发射换能器产生的是单次脉冲声波信号。
4. 如权利要求1所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的信 号接收调理模块采用固定增益放大器。
5. 如权利要求4所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的信 号接收调理模块采用放大倍数高于600倍的高增益放大器。
6. 如权利要求5所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的信 号接受调理模块采用放大倍数为IOOO倍的高增益放大器。
7. 如权利要求1所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的主 控系统由主控CPU模块、逻辑控制模块组成；主控CPU模块分别与逻辑控制 模块、人机接口模块、电源管理模块之间电连接，用于实现各功能模块之间 的调度；主控CPU模块通过逻辑控制模块与高压发射模块电连接；模数转换 模块通过逻辑控制模块与主控CPU模块电连接。
8. 如权利要求1所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的主控系统通过数据通信模块与外接设备之间进行数据传输。
9. 如权利要求1所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于还包括至 少一个换能器支架，至少一对发射换能器和接收换能器分别被固定在支架两 边，并分别可沿换能器支架上的滑轨移动。
10. 如权利要求9所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于在所述的 换能器支架上、沿滑轨方向上设有刻度标识。
11. 如权利要求9所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于在所述的 换能器支架上设有一个中心标识。
12. 如权利要求IO所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的换 能器支架上的刻度标识由成对的标识线组成，每对刻度标识线对称的分布在 中心标识两侧。
13. 如权利要求12所述的一种裂缝深度测试4义，其特征在于所述的刻 度标识线有四对，每对刻度标识间的距离分别为50mm、 100mm、 150mm、 200mm, 并在相应位置标有标识值。
14. 如权利要求9所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的换 能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固定在滑轨上。
15. 如权利要求9所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的换 能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固定在刻度标识处。
16. 如权利要求11所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的中 心标识为一个标有十字刻线的有机玻璃板，在十字刻线中心设有一个小孔。
专利摘要本实用新型涉及一种裂缝深度测试仪。该装置包括主控系统通过高压发射模块与发射换能器相连接，所述的高压发射模块通过施加高压脉冲使发射换能器产生声波信号；接收换能器将接收到的声波信号通过信号接收调理模块进行放大、滤波处理，然后由模数转换模块转换为数字信号传递给主控系统；主控系统对接收到的数字信号进行处理，并直接计算出裂缝深度；所述的主控系统通过人机接口模块与使用者进行交互。该测试仪结构更简单，操作更简便，无需培训即可快速掌握和使用而且精度高，成本低。
文档编号G01B17/00GK201221940SQ20082010846
公开日2009年4月15日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者唐金祥, 孙刚柱, 崔艳秋, 徐松涛, 静 杨, 濮存亭, 王利广, 王文秋, 阚月鹏 申请人:北京市市政工程研究院;北京市政建设集团有限责任公司;北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司