专利名称:公路无损检测仪的制作方法
本实用新型涉及一种检测仪，特别涉及一种对公路，尤其是对高等级公路、高速公路在无损情形下就公路路基进行检测的仪器。
在本实用新型作出之前，对已经造好的公路进行质量检测，其方法不理想，效果也不好。通常，公路在建造过程中，对其质量控制主要是加强监理，但监理不能代替质量检测部门进行的质量鉴定。一旦公路全部建成，除外观、平整度等可以检测外，要想对公路表面以下进行检测显然就很困难了。采取钻孔取芯虽然较简单、价廉，但一来钻孔是不连续的，无法检测整个公路的质量，二来在行车道等部位又不能钻孔，而行车道却是公路最关键的部位。这样的检测效果就可想而知了，况且对混凝土路面取芯本身就很困难。对公路进行放射性中子源检测效果是相当不错，但对公路及公路两侧方圆相当大的区域有严重的放射性污染，而且对放射源保管的巨大费用也难以使用户承担，因此也难以推广使用。
公路表面以下的质量是否达标是公路建设的百年大计，但由于各种因素的存在和影响，公路包括高等级公路和高速公路的质量问题仍然时常发生，极易造成各种人员伤亡和物质财产损失。所以，公路质量检测是万万不可缺少的。
本实用新型的目的就在于克服上述缺陷，设计一种简单、方便又无污染且检测准确性高的检测仪器。
本实用新型的技术方案其主要技术特征在于换能器发射装置由发射器、发射控制电路、高压发生电路构成，高压发生电路输出至发射控制电路，发射控制电路输出至发射器。
其主要技术特征在于换能器接收装置由接收器、前置放大器、可控增益放大电路、首波到时检测电路、幅度检测电路、信号缓冲电路、A/D电路、微处理器构成，接收器输出接前置放大器，前置放大器输出接可控增益放大电路，可控增益放大电路输出分别接幅度检测电路、首波到时电路，幅度检测电路输出接信号缓冲电路，信号缓冲电路输出接A/D电路，A/D电路与微处理器互动连接，首波到时电路输出接微处理器，微处理器控制连接可控增益放大电路。
本实用新型的优点和效果在于结构简单、使用方便，无污染，对公路路面无损伤，而检测的准确性很高，能将公路表面以下的实际部分完全检测出来，自动与设计图纸和要求进行对比，从而判断是否合格。
附图
图1-本实用新型换能器发射装置电子线路原理示意图。
图2-本实用新型换能器接收装置电子线路原理示意图。
图3-使用本实用新型进行检测的原理示意图。
图4-公路沥青层体积模型示意图。
图5-在公路横截面上发射、接收示意图图6-接收器接收声波图形、时间示意图。
图7-高压发生电路3图。
图8-前置放大器6图。
图9-开关电路7图。
图10-可控增益放大电路8图。
图11-幅度检测电路9图。
图12-首波到时检测电路13图。
图13-信号缓冲电路10图。
图14-A/D电路11图。
图15-微处理器12的图(一)。
图16-微处理器12的图(二)。
实施例声波检测技术在理论上以及实践中都已经证明特定波长的声波能够穿透一定厚度的路面表层并按一定的波长反射回来。由于穿透的路面到路基各层的介质密度不同，反射回来的时间也不同，因此通过声波信号检拾器的收集，再送入计算机进行处理就可以得到路面的完整信息。而公路的质量与公路表面以下各层的配方、压实程度、含水饱和度等指标有关，而这些参数中最客观的指标就是介质密度。在进行检测前，将公路设计要求、经实验获得的路面质量数据和计算机数据之间建立标准的对应关系，并以此作为路面质量的检测标准，每段公路可以有各自的介质密度对应标准。然后，将通过声波发射、反射得到的数据与存入计算机中的数据进行对比，就可以进行准确的检测。由于这些数据都保留在计算机中，公路使用以后的定期检测数据仍可以由计算机自动地与以前的数据进行对比，从而发现路面质量的变化和实际损坏程度，以便及时予以维修。
本实用新型就是根据这一原理而设计的。
如图1所示换能器发射装置由发射器1、发射控制电路2、高压发生电路3构成，电源电路4向高压发生电路3提供电源，高压发生电路3输出至发射控制电路2，发射控制电路2输出至发射器1。电源电路4由车载发电机交流电转变为+15、-15、+5直流电供给电子线路；高压发生电路3由220VAC通过升压电路3-1升至650VAC，再经整流电路3-2成700VDC至π型滤波电路3-3，再至储能元件电路3-4，储能元件电路3-4由并联电容组成，容值为8MF，稳压电路3-5由IC、电阻及电感组成，将储能元件电路3-4的输出450VDC稳定，如图7所示；发射控制电路2由可控硅及相关电阻组成，当可控硅的门极有脉冲时，使可控硅导通，高压通过可控硅对发射器1进行激励；发射器1由压电陶瓷换能器和高压变压器组成，而高压变压器的变压比为1∶10，次级产生4500V高压，激发压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器为多片聚能式结构。
如图2所示换能器接收装置主要由接收器5(本例中设两个接收器5)、前置放大器6、开关电路7、可控增益放大电路8、幅度检测电路9、信号缓冲电路10、A/D电路11、微处理器12构成，接收器5输出至前置放大器6，前置放大器6输出至开关电路7，开关电路7输出至可控增益放大电路8，可控增益放大电路8输出至幅度检测电路9，幅度检测电路9输出至信号缓冲电路10，信号缓冲电路10输出至A/D电路11，A/D电路11与微处理器12互动连接，微处理器12输出连接可控增益放大电路8；辅助电路有首波到时电路13、存储器14、同步电路15、里程计数器16、电脑操作平台17、监视器18、打印机19等，可控增益放大电路8一路输出至首波到时电路13，首波到时电路13输出至微处理器12，存储器14、电脑操作平台17互动连接，电脑操作平台17分别连接监视器18、打印机19，里程计数器16分别连接至微处理器12、电脑操作平台17，微处理器12一路连接至同步电路15，同步电路15输出连接至开关电路7。
接收器5由换能器和耦合变压器组成，换能器为双片迭代结构，中心频率为15KHZ；前置放大器6由运算放大器OP471及其外围元件电阻、电容等组成，放大倍数48，中心滤波频率15KHZ，A1的通带频率为大于13KHZ，A2的通带频率为小于18KHZ，形成15KHZ的滤波器，如图8所示；开关电路7由译码器组成，U3为微处理器12控制，通过A0、A1的数值，分别选通二个接收器5中的一个，即R1或R2，选通的信号则是由U3的OUT输出，如图9所示；可控增益放大电路8主要由A5、A6组成，A5放大器放大倍数由外接电阻排决定，U6由微处理器12输出端A0、A1、A2控制其OUT端分别与IN端连接，形成不同的放大倍数，A6的放大倍数36，由于A0、A1、A2的000、001、......111，共有八种组合，因而有八个不同增益，如图10所示；幅度检测电路9主要由A9、A10及储能元件组成，声波信号从可控增益放大电路8输出至幅度检测电路9的A9，A9为单位增益，A9输出经过D5给电容C23充电，充电电量大小代表幅度大小，此电压经过A10输出，U8为微处理器12控制的电路，当M1、M2分别为00时，U8的D1端与S1、S2断开，C23充电，当信号被A/D转换完后，微处理器12使M1、M2为10时，U8的D1与S1接通，C23通过U8放电，为下一个信号作准备，如图11所示；首波到时检测电路13将可控增益放大电路8送来的信号由其A16及外围电路进行相位变化，使输入声波的相位延迟90度，使其首波过零点，A17为比较器，其PIN3为门槛电压，其大小由微处理器12控制的信号C0、C1、C2、C3控制，U5为可编程计数器，U9为数据寄存器，当声波发射同步SSYNC触发发射电路时，计数器U5开始计数，接收器5接收到信号，当信号首波幅度大于门槛电压时，A17输出高电平，使计数器U5停止计数，计数时间代表从发射到接收到信号声波的这段时间，即为声波传播时间。在微处理器12的控制下，其时间值则由U9送至微处理器12处理，如图12所示；信号缓冲电路10，如图13所示；A/D电路11由其中的U7完成声波信号的模数转换，控制信号RD、CS、BUSY是由微处理器12控制的，当信号到达U7后，微处理器12发出CS信号，A/D开始转换，BUSY信号变高，此信号给微处理器12，转换完成后，BUSY位变低，微处理器12发出RD信号，数据通过D0至D7到数据寄存器U4，由数据寄存器U4输出到微处理器12，如图14所示；微处理器12主要由U10为信号采集的控制主体，D0至D7为数据线，A0至A15为地址线，U11为D触发器，完成电平转换，即数据线与地址线的切换，而U12为EPROM，为微处理器12的控制程序，控制发射和数据采集，U13为RAM存储器，实际有二片RAM(为方便只画了一片)，U14为数据方向切换，由声波数据包括幅度数据及时间数据经U14的A0-A7端输入，由U14的B0-B7输出至RAM中，微处理器12提供高速A/D、幅度检测、首波到时检测、发射启动等电路的控制信号，如图15、图16所示。
工作时如图1所示，电源电路4向高压发生电路3提供电源，高压发生电路3产生高压，输出至信号转换电路2形成高压脉冲信号，通过发射器1发射出15KHZ声波。
如图3所示，声波发射出去后，遇到公路表面下的沥青层、二灰碎石层、二灰层、填土层等，由于介质密度的不同，就有不同的声波传播时间和声波能衰减，反射到设置于公路上的换能器接收装置。
如图2所示，换能器接收装置的两个接收器5接收到反射回的声波信号，两个接收器5设置在公路两端或两侧，换能器发射装置放在公路中间；发射器1以一定的频率和功率发射声波，该声波是用来检测公路路基第一层的，即沥青层，由一个接收器5接收沥青层的体积模型如图3所示，沥青层其实就是沥青混合料，是一种具有空间网络结构的多相分散体系，主要由骨料、沥青和空气组成，其中Ba为视体积，BC为真体积，γa＝(Pe+Pg)/Ba为视容重，γc＝(Pe+Pg)/Bc为真容重，Bv为空气体积，Be为沥青体积，Bg为骨料体积，Bce为空气与沥青体积之和Pe为沥青重量 Pg为骨料重量孔隙比 e＝(Bce/Bg)空隙率 n＝(Bce/Ba)*100％饱和度 S＝(Be/Bce)*100％压实度 k＝(γa/γc)*100％声波经过沥青路面传播，由于沥青路面的空隙率、孔隙比及压实程度不同，导致声波的传播时间和声波能的衰减不尽相同，实验证明，声波传播速度与公路骨料及其填充物符合时间平均值方程，即声波在单位体积二相体内的传播可分为两部分，一部分是骨料部分，其体积为(1-n)，其声速为Vg，另一部分是充满沥青的孔隙，用空隙率n表示，其声速为Ve，声波在这一路面中的传播时间为这两个组成部分的传播时间之和，即1/V＝n/Ve+(1-n)/Vg用声波传播时间形式可写为Δt＝nΔte+(1-n)ΔtgΔt即为声波传播平均时间Δte空隙传播时间，可由实验室测定，Δtg骨料传播时间，可由实验室测定，用时间平均值方程可以确定沥青层的空隙率n=Δt-ΔtgΔt-Δte]]>而在实际情况下，岩石空隙中也含有沥青和空气，根据体积模型可以得出Δt＝n〔seΔte+(1-se)Δtv〕+(1-n)Δtgn=Δt-ΔtgSeΔte+(1-Se)Δtv-Δtg]]>SE为含沥青饱和度Δtg、Δte和Δtv可由实验室测定。该接收器5(称R1)测得传播误差时间，如图6所示ΔtR1＝T2-T1其中，T2实际测得沥青层传播时间，T1为实验测定的设计要求的传播时间。二者相同或接近，表示实际的公路沥青层介质密度与设计要求的相同或接近，这个误差越小，表明质量越接近设计要求。这个计算是通过将实际测得的传播时间与事先已存储在微处理器12中设计要求的传播时间对比而实现的。
发射、接收的信号为正弦波列，将此正弦波列送至前置放大器6进行滤波、放大，然后进入开关电路7，开关电路7控制两个接收器5中的一个信号进入可控增益放大电路8，开关电路7受到由微处理器12发出的通过同步电路15的同步信号的控制，可控增益放大电路8受到微处理器12的控制，其对信号进行放大的放大倍数由微处理器12根据信号的强弱进行选择，本例中有8种增益，即1.00、1.41、2.00、2.82、4.00、5.66、8.00、11.31等，使得信号标准化，以便下一步精确地进行A/D转换；信号经可控增益放大电路8后分为二路，一路送至幅度检测电路9进行峰值检测，幅度检测电路9主要由充电电容及其他元件组成，声波峰值对充电电容充电，充电电压的大小代表幅度的大小，此电压至信号缓冲电路1O经过处理后至A/D转换电路11，A/D转换电路11的A/D转换速度为1.6us一个采样点，为8位数据，转换后的数据送微处理器12存储，另一路送到声波到时检测电路13，声波到时检测电路13由计数器和其他元件组成，从声波发射瞬间开始计数，直到接收器5接收到首波时计数才停止，则计数时间代表声波传播时间，进入微处理器12进行存储；微处理器12将收集到的声波数据包括传播时间和幅度送入电脑操作平台17，根据WINDOWS操作平台和处理软件包完成声波数据的计算，转换为工程值，如空隙度、压实度、厚度等显示并通过打印机19打印；对接收的声波信号通过电脑操作平台17进行还原并将声波波形显示，通过监视器18对上述数据、图像显示进行监视。
如图5所示，发射器1随后以另一频率和功率发射声波(便于区别第一波的15KHZ)，由另一个接收器5(R2)(在公路另一侧)接收，间歇时间以纳秒计算，重复上述同样的步骤，对第二层进行检测，然后进行对比。以此类推，对第三层、第四层等进行检测、对比。
本实用新型中所有电子线路的输入、输出及功能、作用的解释与说明，使得易于清楚地理解。
由于设置了里程计数器16，因此可将换能器发射装置和接收装置放置在机动车上，进行连续的检测。
采用本实用新型进行检测，其检测数据点点连续，因此可以以面的方式进行连片成像，且可以对关键部位进行反复检测。
本实用新型适用于公路包括高等级公路、高速公路，也适用于桥梁，江河大堤、大坝等。
本实用新型的原理也可以适用于相同检测的情形。
权利要求
1.公路无损检测仪，其特征在于换能器发射装置由发射器、发射控制电路、高压发生电路构成，高压发生电路输出至发射控制电路，发射控制电路输出至发射器。
2.公路无损检测仪，其特征在于换能器接收装置由接收器、前置放大器、可控增益放大电路、首波到时检测电路、幅度检测电路、信号缓冲电路、A/D电路、微处理器构成，接收器输出接前置放大器，前置放大器输出接可控增益放大电路，可控增益放大电路输出分别接幅度检测电路、首波到时电路，幅度检测电路输出接信号缓冲电路，信号缓冲电路输出接A/D电路，A/D电路与微处理器互动连接，首波到时电路输出接微处理器，微处理器控制连接可控增益放大电路。
3.根据权利要求
2所述的公路无损检测仪，其特征在于换能接收装置的微处理器分别与存储器、电脑操作平台互动连接。
4.根据权利要求
2所述的公路无损检测仪，其特征在于换能器接收装置的接收器有二个以上，输出均接前置放大器，前置放大器输出接开关电路，开关电路输出接可控增益放大电路，微处理器输出至同步电路，同步电路输出接开关电路。
5.根据权利要求
2、3、4所述的公路无损检测仪，其特征在于换能器接收装置的微处理器接入里程计数器电路输出，里程计数器输出接电脑操作平台。
专利摘要
本实用新型涉及一种无损检测公路路基的检测仪器。本实用新型采用声波发射到路各层及反射回来的时间等参数,通过发射声波,然后接收声波,进行前置放大、可控增益放大、幅度检测、信号缓冲、A/D转换到微处理器控制可控增益放大,首波到时检测经微处理器处理,测算发射到反射的时间差,以此将事先存入计算机中的公路设计指标进行对比,测得介质密度与设计要求的差异,从而发现施工质量。本实用新型结构简单、操作方便,检测效果好,对公路无损坏、无污染。
文档编号GKCN2491839SQ01238283
公开日2002年5月15日 申请日期2001年6月14日
发明者刘书民, 张宁, 高长勇 申请人:刘书民, 张宁, 高长勇导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan