一种智能声波扫描检测仪及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能声波扫描检测仪，包括采集装置和主机，采集装置包括换能器、声波发射与采集电路、微控制器、外触发装置、第一无线装置和测距装置，换能器、声波发射与采集电路、微控制器依次连接，外触发装置、第一无线装置分别与微控制器相连，主机包括工控机、测距接收器和第二无线装置，工控机分别与测距接收器、第二无线装置相连。本发明通过测距装置得到采集装置的位移值，当达到采样距离时，微控制器发出采集命令至换能器，换能器在采样位置处自动采集声波数据并将数据上传至工控机，实现在各个采样距离位置处对检测物的强度和缺陷的检测评估，具有成本低、效率高、精度高、稳定性好的优点。本发明还公开了一种智能声波扫描检测方法。
【专利说明】
一种智能声波扫描检测仪及检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及工程物探结构检测技术领域，特别涉及一种无线自动二维非接触式快速声波测试仪及测试方法。
【背景技术】
[0002]超声波测试仪又叫声波测试仪，用于测试在混凝土、岩石、大理石及其它非金属材料中的传播的纵向超声波的传播时间和速度，通过这些数据，能够评估材料及结构的强度及质量。这种方法的原理是利用了材料的超声波波速与其物理特性之间的关系。目前使用的超声波检测仪，激励电源与超声波数据采集系统一体化，由计算机控制参数地设置、数据地采集，操作方式可选用触摸屏操作、功能键操作和鼠标操作，提高测试效率。例如，TH402检测仪就是测量和记录在某些位置自动发射超声波并采集在混凝土中返回来的超声波，通过分析收到的超声波的波形、波速和散射频谱图来判断这个位置的缺陷情况。声波测试仪的应用十分广泛。
[0003]利用声波检测仪检测检测物的结构，首先要确定需要进行检测的位置。现有的声波检测仪在检测的过程中，需要先在检测物的表面进行横竖布线，手动测出这些检测点的具体位置，每间隔相同的距离确定一个检测点，然后在每个检测点处发射和采集声波。先手动测量确定各点位置，然后检测装置再一次性采集这些位置处的声波数据，此方法操作麻烦，特别在检测物表面面积足够大的情况下，需花费大量的时间和精力。
[0004]骆燕燕、郝杰在专利《基于超声波的电连接器接触压力测试方法及测试仪》中没有涉及自动定位的装置，范军在专利《超声波探头测试仪》中也没有涉及自动定位的装置。齐乃明、徐喆垚在专利《平面或曲面内无导轨二维运动物体的位移和姿态的非接触测量方法》中涉及的二维非接触式测量主要采用的是两个光电位置敏感器来得到位移信息，结构复杂，采用的计算也很复杂，并且它也没有将这种测量应用到声波测试仪中。邹奇峰在专利《一种二维位移测试装置》中涉及的平面位移测量得到的数据在数码管中显示，不利于数据的保存，运动的轨迹也不清楚，不直观，也没有被应用到声波测试仪中。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供一种成本低、工作效率高的智能声波扫描检测仪，并提供一种智能声波扫描检测方法。
[0006]本发明解决上述问题的技术方案是:一种智能声波扫描检测仪，包括采集装置和主机，所述采集装置包括换能器、声波发射与采集电路、微控制器、外触发装置、第一无线装置和测距装置，所述换能器、声波发射与采集电路、微控制器依次连接，外触发装置、第一无线装置分别与微控制器相连，所述主机包括工控机、测距接收器和第二无线装置，工控机分别与测距接收器、第二无线装置相连，工控机通过测距接收器接收测距装置发送的距离信号，工控机通过第二无线装置与微控制器实现无线通讯。
[0007]上述高效智能声波扫描检测仪中，所述测距装置包括发光二极管、透镜组件、光学感应器、微处理器和射频模块，发光二极管、透镜组件、光学感应器依次设置，光学感应器的信号输出端与微处理器相连，微处理器与射频模块相连，将信号送入主机。
[0008]上述高效智能声波扫描检测仪中，所述换能器包括一个用于发射声波信号的发射端和一个用于接收来自检测物内部反射回检测物表面的声波信号的接收端。
[0009]上述高效智能声波扫描检测仪中，所述第一无线装置和第二无线装置采用WIFI模块。
[0010]上述高效智能声波扫描检测仪中，所述微控制器为单片机。
[0011 ] —种智能声波扫描检测方法，包括以下步骤:
[0012]步骤一:工控机预先设置好采样距离；
[0013]步骤二:操作者手持采集装置在检测物的表面移动，测距装置实时测量采集装置的二维坐标值，并发送给工控机，工控机对二维坐标值进行处理得到采样距离，并判断采样距离是否达到预设值，若是，则确定此位置为采样位置，进行下一步骤；
[0014]步骤三:操作者停止移动采样装置，待换能器准备就位后，启动外触发装置给微控制器一个信号，微控制器将此信号送入工控机，工控机接收到这个信号后立即通过第二无线装置、第一无线装置将采集声波的命令发送给微控制器；
[0015]步骤四:微控制器发出采集命令至换能器，换能器在采样位置处自动采集声波数据；
[0016]步骤五:微控制器将换能器所采集的声波信号通过第一无线装置、第二无线装置上传至工控机；
[0017]步骤六:工控机实时地读取、显示、分析所采集的声波信号，并将二维距离与采集的信号保存；
[0018]步骤七:循环步骤二至步骤六，通过扫描得到检测物表面各个采样距离位置处的声波数据；
[0019]步骤八:工控机根据采集的声波数据，将分析检测物表面各个采样距离位置处的强度和缺陷。
[0020]本发明的有益效果在于:本发明提供一种智能声波扫描检测仪，通过测距装置，使声波扫描检测仪的采集装置在移动过程中，能够自动跟踪记录其二维坐标，以此来处理并计算得到位移值，在工控机中预先设置好采样距离，当达到采样距离时，工控机会发出系统蜂鸣声给人以提示，听到提示后，采集装置停止移动，待换能器准备就位后，启动外触发装置，给微控制器一个信号，微控制器将此信号送入工控机，工控机接收到这个信号后立即通过第二无线装置、第一无线装置将采集声波的命令发送给微控制器，微控制器发出采集命令至换能器，换能器在采样位置处自动采集声波数据，并实时地将数据上传至工控机，工控机接收、显示、处理、保存所采集到的声波信号，实现在各个采样距离位置处对检测物的强度和缺陷的检测评估，从而实现了测量分析装置和采样装置分离和测量过程的自动化、高效化，具有成本低、效率高、精度高、稳定性好的优点。
【附图说明】
[0021]图1为本发明智能声波扫描检测仪的结构框图。
[0022]图2为图1中的测距装置的结构示意图。
[0023]图3为图1中的无线装置的部分电路示意图。
[0024]图4为本发明声波扫描检测方法的工作流程图。
[0025]图5为本发明声波扫描检测方法中测距的定位算法流程图。
[0026]图6为本发明声波扫描检测方法中测距的上位机流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0028]如图1所示，本发明公开了一种智能声波扫描检测仪，包括采集装置I和主机2，所述采集装置I包括换能器、声波发射与采集电路、微控制器、外触发装置、第一无线装置和测距装置，所述换能器、声波发射与采集电路、微控制器依次连接，外触发装置、第一无线装置分别与微控制器相连，微控制器为单片机;所述主机2包括工控机、测距接收器和第二无线装置，工控机分别与测距接收器、第二无线装置相连，工控机通过测距接收器接收测距装置发送的距离信号，工控机通过第二无线装置与微控制器实现无线通讯。换能器用于根据在工控机中设置好的采样距离处自动采集声波数据，并发送给工控机;换能器包括一个发射端和一个接收端，发射端用于发射声波信号，接收端用于接收来自检测物内部反射回检测物表面的声波信号，并将采集到的声波信号送入微控制器。
[0029]测距装置用于实时测量采集装置I的二维坐标值，并发送给工控机。如图2所示，所述测距装置包括发光二极管、透镜组件、光学感应器、微处理器和射频模块，发光二极管、透镜组件、光学感应器依次设置，光学感应器的信号输出端与微处理器相连，微处理器与射频模块相连。测距装置通过底部的发光二极管将灯光以30度角射向底面，再通过底面的折射透过透镜组件反馈到光学感应器上，光学感应器拍摄出连续的微观表面图像，由光学感应器上的DSP芯片对每张图片的前后对比分析处理，以确定测距装置移动的方向和距离，微处理器将位移信息通过射频模块实时地传递给主机2的测距接收器。测距装置由5v直流供电电源供电，经过电压转换芯片及外围电路得到稳定的3.3V电压。正常供电后，测距装置就开始工作。
[0030]第一无线装置和第二无线装置为E50-TTL-100，采用的是STM32开发板，是一款10mW的无线传输模块，工作在148-173.5MHz频段，使用串口进行数据收发，降低了无线应用模块的门槛。如图3所示，TXD、RXD分别与MCU的RXD、TXD相连。到达采样距离后，采样的命令通过无线串口传输给工控机。无线串口是成对存在的，在工控机上也连接一个相同的E50-TTL-100 型无线串口。
[0031]具体地，M0、M1控制无线串口的四种工作方式。把M0、M1接地，选择O—般模式(串口打开，无线打开，透明传输，接收方必须模式0、1)。把收发双方配置成透传(即发送的数据就是原有数据，不会添加协议头)，并把双方空速、地址、信道设置成一致。由于所用MCU使用的是11.0592MHz的晶振，设置的波特率为115200，因此，为保证通信正常无误码，无线串口双方波特率也设置为115200。把对应的另一个E50-TTL-100型无线串口，连接到USB转UART的接口转换模块后，直接插在工控机的USB接口上，装上驱动，就能实现无线收发。
[0032]声波扫描检测仪通过应用测距装置，在采集装置I移动过程中，能够自动跟踪记录其二维坐标，以此来处理并计算得到位移值，在工控机中预先设置好采样距离，当达到采样距离时，工控机会发出系统蜂鸣声给人以提示，听到提示后，采集装置I停止移动，待换能器准备就位后，启动外触发装置，给微控制器一个信号，微控制器将此信号送入工控机，工控机接收到这个信号后立即通过第二无线装置、第一无线装置将采集声波的命令发送给微控制器，微控制器发出采集命令至换能器，换能器在采样位置处自动采集声波数据，并实时地将数据上传至工控机，工控机接收、显示、处理、保存所采集到的声波信号，实现在各个采样距离位置处对检测物的强度和缺陷的检测评估，从而实现了测量分析装置和采样装置分离和测量过程的自动化、高效化，具有成本低、效率高、精度高、稳定性好的优点。
[0033 ] 一种智能声波扫描检测方法，包括以下步骤:
[0034]步骤一:工控机预先设置好采样距离；
[0035]步骤二:操作者手持采集装置I在检测物的表面移动，测距装置实时测量采集装置I的二维坐标值，并发送给工控机，工控机对二维坐标值进行处理得到采样距离，并判断采样距离是否达到预设值，若是，则确定此位置为采样位置，进行下一步骤；
[0036]步骤三:操作者停止移动采样装置，待换能器准备就位后，启动外触发装置给微控制器一个信号，微控制器将此信号送入工控机，工控机接收到这个信号后立即通过第二无线装置、第一无线装置将采集声波的命令发送给微控制器；
[0037]步骤四:微控制器发出采集命令至换能器，换能器在采样位置处自动采集声波数据；
[0038]步骤五:微控制器将换能器所采集的声波信号通过第一无线装置、第二无线装置上传至工控机；
[0039]步骤六:工控机实时地读取、显示、分析所采集的声波信号，并将二维距离与采集的信号保存；
[0040]步骤七:循环步骤二至步骤六，通过扫描得到检测物表面各个采样距离位置处的声波数据；
[0041]步骤八:工控机根据采集的声波数据，将分析检测物表面各个采样距离位置处的强度和缺陷。
[0042]智能声波扫描检测方法中测距的程序流程图如图4所示。为了能够准确的得到测距装置移动时的位移值，必须知道测距装置的移动方向，确定测距装置在移动的过程中x、y方向上值的增加量或减少量，本发明中只需要通过发光二极管、透镜组件、光学感应器、微处理器和射频模块组成的简单硬件电路就可以实现。上位机程序一旦开始运行，首先判断是否接收来自控制端的复位信号，若是，光电芯片的内部参数就会重新初始化，测距装置未移动，以光电芯片为基准，芯片的水平方向为X轴，芯片的竖直方向为Y轴，程序开始时，最初芯片感光眼的位置设置为原点(0，0)串行外设接口读取位移变化量x = 0，y = 0;总的位移值Sum X = O5Sum Y = O;移动测距装置，光学感应器就会通过图像采集系统获取透镜和照明系统拍摄的微观表面图像，通过感光眼每秒可以拍摄高达几千帧图像，根据图像被拍到的先后时间顺序，存储在Frame_Capture register中，数字信号处理器按顺序读取寄存器中的信息并进行一定的处理，其中通过read_pixel_burst(void)读取图像信息，比较两两相邻的图片之间的差别，确定正、反方向，读取变化的x，y值。若为反方向则减去位移变化量:SumX = Sum Χ-χ ； Sum Y = Sum Y-y，若为正方向则加上位移变化量:Sum X = Sum X+x ； Sum Y =Sum Y+y，然后通过射频模块将Sum X，Sum Y值上传到测距接收器中，最后判断测距装置是否停止，若停止，则控制程序运行结束。光学感应器的芯片引脚NCS—旦被拉低，四线串口就会被激活，将数据传输给微处理器，微处理器根据方向将坐标值变化量进行处理，得到从原点开始到停止位置处的坐标，再通过射频模块将数据传输到工控机上。
[0043]工控机上的测距接收器接收测距装置传输过来的数据，经过C语言编程转换，生成dll文件，被LABVIEW调用，调用来的数据是像素坐标值，所以数据还需要进行一定的处理，在LABVIEW能显示的像素最大值就是工控机的最大像素值，当达到最大像素值时，需要消除工控机的边界来解决这一问题。下面就消除Y边界值的过程做个详细的描述，那么消除X边界就同理Y。首先设置原点处的(Χ0，Υ0)坐标值，然后开始判断是否达到Yi最大值，如果是，那么Yi达到最大值边界的次数就会加一，并初始化Yi坐标值，并利用公式I计算得到由像素值转换成实际移动的位移值Syl，公式I为[An+(B-A)]/A*C，(A为原点像素值，η为达到最大值边界的次数，B为变化的像素值，C为得到的某个实际距离值，该值是控制变量后精确得到的)，同时再判断是否达到Xi最大值，如果是，那么Xi达到最大值边界的次数就会加一，并初始化Xi坐标值，同时利用公式I计算得到由像素值转换成实际移动的位移值Sxl，如果否，再判断Xi值是否在原点与最大值之间，如果是，直接用公式I计算位移值Sxl即可；如果否，需再次判断Xi值是否等于零，如果是，那么Xi达到最小值边界的次数就会加一，并初始化Xi坐标值，并公式2计算实际位移值Sx2，公式2为[An+(A-B)]/A*C;如果否，直接用公式2计算位移值Sx2即可。如果Yi没有达到最大值，判断Yi值是否在原点与最大值之间，如果是，直接用公式I计算位移值SyIS卩可，再同时判断一轮Xi的范围，同上;如果否，判断Yi值是否等于零，如果是，Yi达到最小值边界的次数就会加一，并初始化Yi坐标值，同时利用公式2计算得到实际位移值Sy2，再判断一轮Xi的范围，同上；如果否，直接用公式2计算位移值Sy2即可，同时再判断一轮Xi的范围，同上。由于公式I与公式2的不同，所以整个判断条件都要分开来写，但是LabVIEW编程简单，调试方便，最后在上位机程序的前面板上显示的坐标值都是实际移动的坐标值。若由实际移动的坐标值计算得到的距离达到采集距离时，就会停止移动，执行米集任务。
[0044]移动的过程中采集到的所有坐标都会自动保存，达到采集距离处的所有坐标会被另外分开自动保存起来，这就需要二维数组和条件结构的灵活使用。活动的二维平面轨迹也被实时地显示，活动轨迹是在图表中显示，由于检测的距离是没有界限的，那么图表尺寸也要对应没有界限。其中上位机LABVIEW前面板的波形图表中X、Y标尺的大小不能设置成自动调整，随着采样距离的不断增大，自动调整的尺寸之间间隔会越来越大，结果显示不清楚，达不到想要的效果，通过编程就可以实现尺寸显示的结果呈现有规律的增加或减小。下面就波形图表中Χ、Υ尺寸有规律的增大做个详细的描述，将经过公式1、2计算得到的实际的SxnSy^Xscale.Maximum NXscale.Mini muniNYscale.Maximum NYscale.Minimum值利用条件结构进相比较。若Sx值大于等于Xscale.Maximum为真，将Xscale.Maximum值加上之前最先设置好的最大值重新赋给Xscale.Maximum，Xscale.Minimum值加上之前最先设置好的最大值重新赋给Xscale.Minimum，这个最大值设置好了之后不改变了 ； SSx值大于等于Xs cal e.Max imum为假，Xscal e.Maximum和Xscale.Minimum的值保持不变，在条件结构中再同理判断Sy值与Yscale.Maximum的大小关系，利用条件结构即可。当采集装置I移动到设置的最大尺寸值时，整个前面板上的尺寸同时加上之前设置好的最大值。视距离值的增大方向为向前，当采集装置I在向前移动的过程中需要看一下走过的轨迹或者有向后移动的需要时就必须要尺寸的减小控制，波形图表中x、Y尺寸有规律的减小与有规律的增大编程略有些不同，这里不再详细描述。具体的程序流程图如图5所示。最后的目标是将采集距离处的坐标对应到这个位置处的波形，使之同时在前面板上显示，看起来更直观。
[0045]整个测量操作只需一个人完成，操作简单方便，省时省力。
[0046]本实施例的声波扫描检测方法，可由上述智能声波扫描检测仪执行，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
【主权项】
1.一种智能声波扫描检测仪，其特征在于:包括采集装置和主机，所述采集装置包括换能器、声波发射与采集电路、微控制器、外触发装置、第一无线装置和测距装置，所述换能器、声波发射与采集电路、微控制器依次连接，外触发装置、第一无线装置分别与微控制器相连，所述主机包括工控机、测距接收器和第二无线装置，工控机分别与测距接收器、第二无线装置相连，工控机通过测距接收器接收测距装置发送的距离信号，工控机通过第二无线装置与微控制器实现无线通讯。2.根据权利要求1所述的智能声波扫描检测仪，其特征在于:所述测距装置包括发光二极管、透镜组件、光学感应器、微处理器和射频模块，发光二极管、透镜组件、光学感应器依次设置，光学感应器的信号输出端与微处理器相连，微处理器与射频模块相连，将信号送入主机。3.根据权利要求1所述的智能声波扫描检测仪，其特征在于:所述换能器包括一个用于发射声波信号的发射端和一个用于接收来自检测物内部反射回检测物表面的声波信号的接收端。4.根据权利要求1所述的智能声波扫描检测仪，其特征在于:所述第一无线装置和第二无线装置采用WIFI模块。5.根据权利要求1所述的智能声波扫描检测仪，其特征在于:所述微控制器为单片机。6.—种智能声波扫描检测方法，包括以下步骤: 步骤一:工控机预先设置好采样距离； 步骤二:操作者手持采集装置在检测物的表面移动，测距装置实时测量采集装置的二维坐标值，并发送给工控机，工控机对二维坐标值进行处理得到采样距离，并判断采样距离是否达到预设值，若是，则确定此位置为采样位置，进行下一步骤； 步骤三:操作者停止移动采样装置，待换能器准备就位后，启动外触发装置给微控制器一个信号，微控制器将此信号送入工控机，工控机接收到这个信号后立即通过第二无线装置、第一无线装置将采集声波的命令发送给微控制器； 步骤四:微控制器发出采集命令至换能器，换能器在采样位置处自动采集声波数据； 步骤五:微控制器将换能器所采集的声波信号通过第一无线装置、第二无线装置上传至工控机； 步骤六:工控机实时地读取、显示、分析所采集的声波信号，并将二维距离与采集的信号保存； 步骤七:循环步骤二至步骤六，通过扫描得到检测物表面各个采样距离位置处的声波数据； 步骤八:工控机根据采集的声波数据，将分析检测物表面各个采样距离位置处的强度和缺陷。
【文档编号】G08C17/02GK105911147SQ201610507749
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】龙士国, 蔡朦, 李婷, 张波
【申请人】湘潭大学