一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵及其制作方法与流程

本发明涉及混凝土大坝探测领域，具体涉及一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵及其制作方法。

背景技术：

随着我国经济建设事业的蓬勃发展，大型混凝土结构的基础设施在水利大坝工程、海港码头、核电站等大型工程中已经得到了广泛的应用，大型混凝土结构在施工及使用过程中，由于受其自身及外界各种因素的影响，常常会产生一些缺陷，从而对结构物的承载能力和耐久性造成严重影响。而这些大型混凝土结构工程的质量直接关系到国家和人民财产的安全，因此，对其开展安全、稳定性评估与预测，以及健康监测诊断具有十分重要的意义。

混凝土大坝就是典型的大体积混凝土结构，由于它主要在静水和流动水作用的条件下工作，因此也被称为水工混凝土结构或大体积混凝土结构。采用无损检测技术对大体积混凝土结构进行质量检测和健康诊断，这对于制定并选择合理的加固处理方案，对于混凝土结构开展安全、稳定性评估以及病害隐患治理研究具有重要意义。

声波检测大体积混凝土结构是一种较为经济、简便、有效的无损检测方法。声波无损检测技术基本原理是用人工的方法在被测材料或结构中激发出一定频率的弹性波，然后以各种不同的频率在材料或结构内部传播，由于声波在其中传播(即透射)时会有较强的反射、散射、吸收和波形畸变等一系列声学现象。对不同的物质性态，其声学现象具有不同的特点。混凝土实际上是一种集结型复合材料，是多相复合体系。混凝土内部的缺陷、骨料与水泥砂浆构成声学界面的数量和空间分布是随机的、多样性的，因此，声波在混凝土中的传播状况要比在均匀介质中的传播复杂的多。声信号作为混凝土内部特性信息的载体，可以将混凝土内部的材料性质、缺陷、结构等信息传递到所要提取的接收信号中，由此可以作为混凝土质量的判断依据。尤其是通过声波层析成像技术，选用适当的数学模型和重建成像技术，可以反演出混凝土内部未知的某物理量,并生成二维、三维图像直观地反映混凝土内部的质量，对缺陷进行定性、定量分析，达到提高可靠检测的目的。特别是对于大坝的隐患检测， 层析成像检测能快速无损地探测大坝内部较深部位的隐患，例如大坝混凝土老化区、坝体渗漏、坝址地质构造及断裂带等进行检查，因此，近年来大坝层析成像技术研究工作越来越受到重视。

声波层析成像实质上是从低维流形上叠加的信息来分辨和提取点上的信息，易于直接迅速地测定混凝土的强度、内部缺陷的位置与大小，还可以判断遭受破坏的程度等。具有成本低、速度快、适用范围广、系统结构简单、安全性好等特点，这是用破损验方法难以办到的。此外由于声波波速参数和混凝土强度直接相关，与现行混凝土质量验收规程结合紧密，因此，对于水工混凝土结构的大坝安全检测具有重要的研究价值。

水听器是层析成像信号的接收装置。声波检测混凝土时需要解决的是接收经过混凝土传播后的声波，同时为了度量声波的各种声学参数，还需要将声能量转化为比较容易测的电学量，而实现将声能向电能转换的装置就是水听器。作为声波检测的重要部件的水听器，能否正确拾取波形最主要的问题取决于幅频特性和首次波比，这直接关系到数据质量、工作效率和采集成本。在大坝混凝土长测距的探测工作中，需要采用电火花、电雷管等发射源，在层析成像中如果使用单个水听器只在一个接收点进行信号接收，然后再多次移动位置来接收其他信号，则既费时也很不经济，为了减少振源激发次数，进而提高施工效率和节约成本，理想的方法是能在一次激发中，采用可以同时接收到不同深度的多个测试点的声波信号的水听器线阵。但是，现有的水听器线阵存在的技术问题是长距离传输后的接收信号的灵敏度不够高，影响层析成像的成像效果和分辨率，进而影响到大坝检测的精度。因此，具有多通道、首次幅度高、起跳清晰特性的高灵敏度的水听器线阵是大坝混凝土声成像的关键，是实现高精度地测定大坝混凝土内部情况的前提所在。此外，现有水听器线阵还存在全串联模式所带来可靠性低的技术问题，水听器线阵采用的串联形式，经过包封后是一个整体，如果使用过程中出现信号断点时，需要整套线阵所有的单元一一断开，进行逐一排查后，再替换有问题的单元，才能重新包封成整体，任何一个小问题的出现，都必须重新再来一遍，非常得费时费力；因此在其制作过程中，线阵中任何一处单元出现问题后进行维修时，问题单元的确定以及线阵的重新修复都过于繁琐；特别是在野外作业的现场，一旦出现问题，水听器线阵无法在作业现场进行修复，这就导致了野外作业的测试工作中断，带来人力和成本费用的巨大支出。另外一方面，由于是串连形式，每个阵元的连线都是唯一性，相互之间不具有替代性， 这就导致了阵元难以提前备份，出现问题的阵元，需要临时排查确定后才能制作，导致时间周期加长，因而导致工作效率非常地低下。因此，提高水听器线阵的可靠性和维修的便捷性是水听器线阵应用于混凝土大坝声成像亟待解决的应用难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有的水听器线阵存在着灵敏度不足、可靠性低、维修困难的技术问题，本发明提供了一种高灵敏度的用于混凝土大坝探测的水听器线阵，该水听器线阵采用模块化的方式来组装成线阵，且具有接收信号的灵敏度高、测量效率高、使用便捷性好的优点，非常适合于混凝土大坝的声层析成像的测量。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵，包括：若干个水听器单元、多芯电缆和连接器；所述的多芯电缆内设若干根芯线，每一个水听器单元的信号输入端和信号输出端均连接一根多芯电缆，并选择不同的芯线作为各水听器单元信号传输的独立路径；每一根多芯电缆在远离与其连接的水听器单元的一端均设有航空插头插座；所述航空插头插座一端设有的各针芯与多芯电缆内的各芯线对应焊接在一起，该航空插头插座另一端通过连接器连接与其相邻的另一个航空插头插座，使得各水听器单元的信号输入端与其相邻的另一个水听器单元的信号输出端对接。上述水听器线阵由模块化的水听器单元组成，水听器单元之间通过航空插头插座与连接器能够很方便地进行串连接。能够快速地组成线阵，以及方便地拆卸进行检修。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的水听器单元包括：压电元件和外壳；所述的压电元件采用陶瓷材料制成的压电圆管，该压电元件密封于外壳内；所述外壳的两端均设有一通孔，用于将多芯电缆穿入外壳后与压电圆管实现电连接。上述水听器单元采用高压电常数的压电材料作为灵敏元件，可以选择压电陶瓷材料或压电单晶材料。要求挑选一致性高的压电元件，可控制电容和压电性能d33的离散度在±3％。此外，为提高耐静水压性，压电元件尽量采用厚壁的压电圆管，以满足大深度测量下所面临的高静压力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的水听器单元还包括：前置放大器和设置有多通道的柔性电路板；所述水听器单元的数量不多于30个；当水听器线阵包含不多于12个水听器单元时，所述的多芯电缆为16芯电缆，所述柔性电路板中的第1至16通道分别与16芯电缆第1至16芯线的一端逐一对应连接，所述16芯电缆第1 至15芯线的另一端分别与航空插头插座的第1至15针芯逐一对应连接，该16芯电缆第16芯线另一端与其所在的水听器单元编号相同的针芯连接，所述压电圆管的内、外壁分别对应引出正、负信号输出线，并将其与前置放大器的正、负信号输入端一一对应连接，所述前置放大器的负信号输出端和正信号输出端分别与柔性电路板的第13和16通道相连，该前置放大器的电源正端和电源负端分别与柔性电路板的第14和15通道相连。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的外壳包括：两块金属端盖、金属柱和聚氨酯橡胶；所述的金属柱套设于压电圆管内；所述的两块金属端盖分别设置于金属柱的顶部和底部，并通过螺纹紧固后压紧压电圆管；每一块金属端盖的中心均设有供多芯电缆穿入金属柱内的孔；所述的前置放大器和柔性电路板设置于金属柱内；所述的聚氨酯橡胶用于密封整个水听器单元。在电学上采用内置在金属柱内部的柔性电路板连接，并通过电缆内的芯线连接上航空插头插座，最终实现小巧、内置的信号放大和输出功能。水听器单元两端的电缆线，可以人为地调节与相应的插针连线，对应为相应的水听器单元的信号输出。因此，可以作为标准化的模块单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述金属端盖的边缘设有泡沫塑料，所述的泡沫塑料挤压于金属端盖与压电圆管之间。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的前置放大器采用贴膜式低噪声、高输入阻抗的场效应管，低噪声范围为小于20nv/√hz；高输入阻抗的范围为10⁵ω-10⁷ω。

基于上述用于混凝土大坝探测的水听器线阵，本发明还提供该水听器线阵的制作方法，该方法包括：

步骤1)挑选径向谐振频率fr满足21khz±3％、电容满足6.20nf±3％、压电性能d33满足650pc/n±3％的压电圆管后，利用丙酮清洗干净，并选择贴膜式低噪声、高输入阻抗的场效应管作为前置放大器；

步骤2)将两块金属端盖的中心分别穿入16芯电缆，并利用聚氨酯橡胶将该16芯电缆硫化固定在金属端盖上；

步骤3)将柔性电路板中的第1至16通道分别与16芯电缆第1至16芯线的一端逐一对应连接，所述16芯电缆第1至15芯线的另一端分别与航空插头插座的第1至15针芯逐一对应连接，该16芯电缆第16芯线另一端与其所在的水听器单元编号相同的针芯连接，所述压电圆管的内、外壁分别对应引出正、负信号输出线，并将 其与前置放大器的正、负信号输入端一一对应连接，所述前置放大器的负信号输出端和正信号输出端分别与柔性电路板的第13和16通道相连，该前置放大器的电源正端和电源负端分别与柔性电路板的第14和15通道相连；

步骤4)将前置放大器和柔性电路板放置在金属柱的内部，通过设有泡沫塑料的两块金属端盖与金属柱外壁上的螺纹紧固后压紧压电圆管，然后放入相应的密封灌注模具中，使用聚氨酯橡胶硫化灌注压电圆管与金属端盖的外表面，形成水听器单元的外壳；

步骤5)将航空插头插座的末端通过连接器连接与其相邻的另一个航空插头插座，并将连接器上设置的压紧螺母拧好，使得各水听器单元的信号输入端与其相邻的另一个水听器单元的信号输出端对接。

本发明的一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵及其制作方法优点在于：

(1)本发明的水听器线阵灵敏度高，大大提高了层析成像的分辨率，进而提高超声层析成像计算的实用化程度；

(2)本发明的水听器线阵中各水听器单元结构设计紧凑，一方面是由于内部引线采用柔性电路板，另外一方面是由于采用场效应管制作的内置前放，从而在节省空间的同时还大大提高了应用的可靠性；

(3)本发明的水听器线阵采用了防水的连接插件，进行模块间的连接，实现了制作的模块化装配，非常地便捷高效，此外，还可以方便地调节阵列中的单元数目，获取到更多有效的数据；

(4)本发明的水听器线阵由于采用模块化的结构设计，使其装配和检修的周期大大缩短，排除问题方便，同时更换单元容易，因此，能够在工作现场中实时进行问题查找并进行及时的维修。

附图说明

图1为本发明实施例中的水听器线阵的连接示意图。

图2为本发明实施例中的水听器单元的结构示意图。

图3为利用本发明的水听器线阵在水池中测试的示意图。

附图标记

1、压电圆管2、泡沫塑料

3、金属柱4、金属端盖

5、多芯电缆6、前置放大器

7、柔性电路板8、聚氨酯橡胶

9、航空插头插座10、水听器单元

11、连接器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵及其制作方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种用于混凝土大坝探测的水听器线阵，包括：若干个水听器单元10、多芯电缆5和连接器11；所述的多芯电缆5内设若干根芯线，每一个水听器单元10的信号输入端和信号输出端均连接一根多芯电缆5，并选择不同的芯线作为各水听器单元10信号传输的独立路径；每一根多芯电缆5在远离与其连接的水听器单元10的一端均设有航空插头插座9；所述航空插头插座9一端设有的各针芯与多芯电缆5内的各芯线对应焊接在一起，该航空插头插座9另一端通过连接器11连接与其相邻的另一个航空插头插座9，使得各水听器单元10的信号输入端与其相邻的另一个水听器单元10的信号输出端对接。

基于上述结构的水听器线阵，本实施例中的水听器单元包括：压电元件、外壳、前置放大器和设置有多通道的柔性电路板；如图2所示，所述的压电元件采用陶瓷材料制成的压电圆管1，该压电元件密封于外壳内(未图示)；所述外壳的两端均设有一通孔，用于将多芯电缆5穿入外壳后与压电圆管1实现电连接。

所述的水听器单元10最多可设置30个，而当所述水听器单元10的数量不多于12个时，所述的多芯电缆5为16芯电缆，所述柔性电路板7中的第1至16通道分别与16芯电缆第1至16芯线的一端逐一对应连接，所述16芯电缆第1至15芯线的另一端分别与航空插头插座9的第1至15针芯逐一对应连接，该16芯电缆第16芯线另一端与其所在的水听器单元10编号相同的针芯连接，所述压电圆管1的内、外壁分别对应引出正、负信号输出线，并将其与前置放大器6的正、负信号输入端一一对应连接，所述前置放大器6的负信号输出端和正信号输出端分别与柔性电路板7的第13和16通道相连，该前置放大器6的电源正端和电源负端分别与柔性电路板7的第14和15通道相连。

如图2所示，所述的外壳包括：两块金属端盖4、金属柱3和聚氨酯橡胶8；所述的金属柱3套设于压电圆管1内；所述的两块金属端盖4分别设置于金属柱3的 顶部和底部，并通过螺纹紧固后压紧压电圆管1；每一块金属端盖4的中心均设有供多芯电缆5穿入金属柱3内的孔；所述的前置放大器6和柔性电路板7设置于金属柱3内；所述的聚氨酯橡胶8用于密封整个水听器单元10。所述金属端盖4的边缘设有泡沫塑料2，所述的泡沫塑料2挤压于金属端盖4与压电圆管1之间。

当利用上述结构的水听器线阵应用于井径大小为60mm的混凝土大坝进行层析成像时，相邻水听器单元之间位置固定为2m的水听器线阵要满足一次性同时收集12个点的信号，在500hz的低频发射声源发射信号测试的情况下，各水听器单元的接收灵敏度要高达165±3db；下面对满足上述要求的水听器线阵的设计及其制作方法进行阐述。

上述水听器线阵由12个水听器单元采用串联方式组成，全长为100米，水听器单元之间的距离为2米。各水听器单元均由pzt-5h压电陶瓷材料制作的接收型压电圆管作为灵敏元件，确定压电圆管的尺寸为φ40×φ33×30mm，采用上、下进出线缆分别作为信号输入端和信号输出端。为了进一步提高接收声波灵敏度，在水听器单元的内部布放了尺寸为10×5×2mm的20db前置放大器。水听器单元的最终尺寸为φ45×90mm。前置放大器要满足低噪声和高输入阻抗的要求，可以采用具有高输入阻抗的场效应管放大器，其10hz-10000hz低频段的放大倍数为20db，因此，水听器单元上、下出线的两端有电缆插头(航空插头插座)，长度为1.4m，通过水密性的连接插头(连接器)，长度为30mm，实现水听器单元之间的相互连接，并实现水听器单元之间的距离控制为2m，最终组装成整体总长为100米的水听器线阵，满足层析成像的信号采集系统的需要。

参考图1-3所示，根据上述设计要求的水听器线阵进行制作的具体步骤为：

步骤1)将准备好的压电圆管进行检测，标明其正负极，先进行谐振频率、阻抗以及电容、压电性能d33的一致性挑选，其中径向谐振频率fr需满足21khz±3％，电容满足6.20nf±3％，压电性能d33满足650pc/n±3％，然后利用丙酮将挑选出的压电圆管进行清洗干净后备用；

选择由贴膜式低噪声、高输入阻抗的场效应管制作单电源的前置放大器(比如2sk225场效应管)，直流供电电源大小可为12v，使用前必须进行一致性的挑选，原则是10hz-100khz的频率范围内，放大倍数必须满足20db±0.2db，自噪声小于20nv/√hz，高输入阻抗的范围为10⁵ω-10⁷ω，并将挑选出的前置放大器用热缩管封装后一端为红黑的进信号线，一端为出信号线和电源供电线。

步骤2)将两块金属端盖4的中心分别穿上由16芯外径为8mm的聚氨酯外皮包覆的电缆，并利用聚氨酯橡胶硫化固定16芯电缆在金属端盖4上。

步骤3)将柔性电路板7的两端均分别与16芯电缆相互连接，具体的连接方式是：16通道的柔性电路板中的第1通道到第12通道分别与16芯电缆的第1芯线与第12芯线逐一对应进行连接，作为水听器线阵的第1单元到第12单元的输出信号正端；柔性电路板的第13通道连接16芯电缆的第13芯线，作为水听器线阵的输出信号负端；柔性电路板的第14通道连接16芯电缆的第14芯线，作为各水听器单元中的前置放大器的共用电源正端；柔性电路板的第15通道连接16芯电缆的第15芯线，作为水听器单元中的前置放大器的共用电源负端；每一路水听器单元10中的压电圆管1的内外壁，分别对应引出正负二个信号输出线，将其与前置放大器6的正负信号输入端一一对应进行连接，前置放大器6的负信号输出端与柔性电路板7的第13通道相连，前置放大器6的正信号输出端与具有16通道柔性电路板中的第16路通道相连。前置放大器6的电源正端与柔性电路板7的第14通道相连，前置放大器6的电源负端与柔性电路板7的第15通道相连；

除第一个水听器单元只有输出端外，其余的11个水听器单元之间可以进行互换的连接，连接时水听器单元的电缆输出端和输入端，先分别与带有15个针芯的采用ip68标准的航空插头插座相连，其中16芯电缆的第1至第15芯线分别与第1至第15针芯一一对应焊接相连，至于16芯电缆中的第16芯线与其所在的水听器单元10编号相同的针芯相连。例如第1个水听器单元的电缆中的第16芯线与第1针芯相连，第2个水听器单元电缆中的第16芯线与第2针芯相连，以此类推。另外，航空插头插座可以自行制作也可以由专业插头厂家订做、焊接和印刷线路板15芯针芯，并进行高密度安装，采用坚固的外壳设计以适用于恶劣的室外环境，外壳可采用不锈钢加工，插针插卡可采用铜合金加工，表面镀金；绝缘体采用耐高温、具有良好绝缘性能的工程注塑成型；防水密封圈可采用耐高温的硅橡胶成型。

步骤4)将前置放大器6和柔性电路板7放置在金属柱3的内部；通过两块加有泡沫塑料2的金属端盖4与金属柱3外壁上的螺纹拧紧压住压电圆管1后，放入相应的密封灌注模具中，使用具有透声性能的聚氨酯橡胶硫化灌注好外面的保护层，形成水听器单元10的外壳，即可完成水听器单元的制作。

步骤5)然后将航空插头插座9的末端通过连接器11连接与其相邻的另一个航空插头插座9，可通过带有15芯孔的防水连接器相对插接，并将该连接起上设置的 压紧螺母拧好；使得各水听器单元10的信号输入端与其相邻的另一个水听器单元10的信号输出端对接，依次将第1到第12个水听器单元之间逐一的相互连接上，最后在第12个水听器单元的输出端可以连接所需长度的电缆线，使得整个水听器线阵的总长度为100m即可。

为了真实反映水听器线阵在实用频率段下接收声信号的敏感程度，采用对比法对低频段500hz下的接收灵敏度进行了测试，如图3所示，在测试时，由低频发射器以500hz低频发射信号，在1.5m距离远的地方布放水听器线阵，然后控制每个水听器单元对准低频发射器一次；记录下每个水听器单元的接收信号幅值vi；然后在同一位置用标准接收水听器cs-3b(其500hz的灵敏度为-214.3db)测试其接收信号有效值为v0。最后计算出每一水听器单元的接收电压灵敏度mo＝201g(vi/vo)-211.3(db)，表1为两套水听器线阵中各水听器单元的接收电压灵敏度测试结果；由表1可知，一套水听器线阵中各水听器单元的灵敏度一致性较好，整体起伏在3db范围内，二套水听器线阵的一致性也较好，接收电压灵敏度高达165±3db。

表1

根据上述测试结果可知，本发明制作的水听器线阵首次幅度高、起跳清晰，非常有利于工作现场实地获得了高质量的清晰层析图像，能够直接迅速地测定混凝土的强度、内部缺陷的位置与大小，还能够判断出遭受破坏的程度等数据，对于采用声波层析技术进行水工混凝土结构的大坝安全检测具有很好的研究价值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。