基于嵌入式非金属超声无损检测系统研究
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2.4 超声检测的判断标准
超声脉冲法对混凝土结构检测时，通过利用超声的声时、波幅、频率以及波形等参数综合对混凝土的浅裂缝、深裂缝、不密实区和空洞、混凝土结构结合面质量、表面损伤层以及混凝土内部匀质性等缺陷进行检测和判定[5，6，7]。
1.声速变化：当超声波在传播路径上遇到缺陷时，若该缺陷是空洞，则其中必充填空气或水汽。由于混凝土与空气的特性阻抗相差悬殊，界面的声能反射系数近于1,因此超声波难于通过混凝土/空气界面.但由于低频超声波漫射的特点，声波又将沿缺陷边缘而传播，这样，因为绕射传播的路径比直线传播的路径长，所测得的声时也就比正常的混凝土长。在计算测点声速时，我们总是以换能器间的距离t作为传播距离，结果在缺陷处的计算声速(视声速)就减小。
2.接收波振幅的变化：由于缺陷对声波的反射或吸收比正常混凝土大，所以当超声波通过缺陷后，衰减比正常混凝土大，即接收波的振幅将减小。因此，和声时(速)一样，根据接收波首波振幅的异常变化也可以发现缺陷的存在。
3.接收波主频率的变化：对接收波信号的频谱分析证明，不同质量的混凝土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减不同，因此，当超声波通过不同质量的混凝土后，接收波的频谱(即各频率分量的幅度)也不同.质量差或有内部缺陷、裂缝的混凝土，其接收波中高频分量相对减少而低频分量相对增大，接收波的主频率值下降，从而反映出缺陷和裂缝的存在。
4.接收波波形的变化：当超声波通过混凝土内部缺陷时，由于混凝土的连续性己被破坏，使声波的传播路径复杂化，直达波，绕射波等各类波相继到达接收换能器.它们各有不同的频率和相位。这些波的叠加有时会造成波形的畸变。
3 基于ARM9 嵌入式系统的非金属超声检测分析仪的研制[8,9,10]
3.1 基于ARM 的检测系统设计
本系统选用的三星S3C2510A处理器中内嵌ARM940T核[8]。本设计主要考虑到这款芯片具有高达166 MHz的主频且内含以太网控制器(MAC),同时具有6个32位可编程计数器, 2路异步串行通信接口。
数据采集与处理芯片选用的Spartan-3是Xilinx公司的新一代FPGA产品, 是一款90nm工艺FPGA, 采用1.2V内核, 在超高速数据采集和信号处理方面有着明显的优势。该FPGA 时钟频率高, 内部时延小,硬件资源丰富, 全部控制逻辑均可由硬件资源完成, 而且速度快, 效率高, 组成形式灵活, 并可集成外围控制、译码和接口电路。此外, 它还带有先进的数字时钟管理器(DCM), 可为高性能电路设计提供更大的灵活性和更强的控制能力。本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/151950.htm
图1 主控制电路系统框图
3.2 软件设计
系统选用软件系统模块化，且克服了前后台软件设计的弊端，提高了系统的实时性和稳定性。整个程序从结构上分为几大模块：实时探伤系统，仪器参数设计，数据库管理系统，网络通信系统，报表打印模块。实时探伤系统根据设定的超声检测技术规程, 以每秒60帧的速度实时显示回波信号, 同时对闸门内的波形进行检验, 若超标则进行报警提示。软件启动后, 首先执行首波声时、频率、灵敏度等指标的自动测读。为了便于比较, 还应具有峰值记忆、波形比较显示等功能。仪器参数设置向硬件系统设定与检测相关的参数。如声速、探测范围、脉冲移位、探头零点、检波方式等。同时检验参数的有效性并给出提示。
4 实验分析
经调试使用，该仪器达到了下列性能指标：声时测读范围：0～50mS，声时测读精度：± 0.1 uS，幅度测读范围：0～78 dB，幅度分辨率:0.024‰，频率范围:10Hz～250KHz，可探测距离>10m，程序采样周期：0.1～10uS，发射电压：250V、500V、1000V、1500V可选，接收灵敏度≤30 μV，最大采样长度32K，工作时间：8小时（锂电池）。下面给出对混凝土灌注桩(Ⅲ类桩)进行无损检测，声测管的管距980mm，测试剖面，测试间距为0.05m,整个剖面分析结果如下：
声速最大值：5.131 (km/s)；声速最小值：3.904(km/s)；声速平均值: 4.588 (km/s)；声速标准差: 0.156 （km/s)；声速异常值判定值: 4.128 (km/s)；幅度最大值: 108.9 (dB)；幅度最小值: 88.8 (dB)；幅度平均值: 97.8(dB)；幅度标准差：3.3(dB)；幅度异常值判定值: 91.8 (dB)。
图2 25.65m 处波形
结合25.65m 处波形，如图2 所示，声时明显增大，首波幅度衰减严重，波形明显异常。因此可初步推定在此桩的AB 剖面的25.45m-25.7m 处可能有缺陷。这与所测试试件为Ⅲ类桩的事实相符合。
5 结论
本文介绍了超声波用于非金属无损检测的基本原理，基于ARM9处理器作为核心处理器，并设计了一台数字式非金属超声波分析仪，并进行了混凝土无损检测的实验。试验结果表明：该仪器可准确快速地检测出被测件的缺陷，与传统的仪器相比，提高了系统得稳定性和可靠性，且具有体积小、重量轻和价格便宜和软硬件升级方便的优点，具有很好的应用价值。
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