基于嵌入式非金属超声无损检测系统研究

　　1前言

　　超声波在介质中传播时, 遇到不同介质的界面就将产生反射、折射、绕射和衰减等现象。超声检测技术就是利用超声波在介质中的传播特性(声速、衰减、反射、声阻抗等) 来实现对非声学量(如缺陷、厚度、密度、强度、硬度、流量、液位等) 的测定。非金属超声检测仪主要用于混凝土的无损检测, 也可用于木材、塑料、橡胶、石墨、碳素纤维、陶瓷等材料的物理性能测量。目前, 非金属超声检测仪主要为晶体管、集成电路混合式模拟仪器, 采用 CRT 示波管作为显示器, 具有简单实用、直观、超声波形实时性好等特点, 但体积大且笨重, 功耗高, 无法实现各种检测工艺的选择调用, 也没有自动测读、存储、打印、传输等数字化处理功能, 因而不适应当今用户的实际检测应用和数据库管理需求。可以预期,具有体积小、耗能低、应用灵活、功能强大、可靠性强等诸多优点的嵌入式主控技术的应用将引 起非金属超声检测仪向超小型手持化发展。

　　本文首先讨论了超声检测的原理, 并分析了超声技术在混凝土检测的机理和应用方法,采用 ARM9 嵌入式芯片做为主控制芯片,配合高精度数据采集系统、LCD 液晶显示模块等设计的非金属超声检测分析仪。该仪器集超声波发射、同步接收、声参量自动检测、数据分析处理、结果实时显示、数据存储与输出等功能于一身, 具有体积小,功耗低等优点,十分具有应用前景。

　　2超声波检测的基本原理

　　在弹性介质内某一点, 由于某种原因而引起初始扰动或振动时,这一扰动或振动将以波的形式在弹性介质内传播,形成弹性波。声波是弹性波的一种,若视岩土和混凝土介质为弹性体,则 声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。根据声波的传播规律, 由弹性力学可知, 经由静力平衡方程、几何方程和物理方程,可以得出其运动方程。当不计体积时,该方程表示为:

　　比较(2.3)、(2.4)式,可看出 VP>VS,即纵波波速大于横波波速,因此纵波又称为初至波,横波又称为次波。由波速的表达式还可以看出,当弹性介质的性质和种类不同、弹性常数和 密度不相同时,弹性波在介质中传播的速度也不同。在实际测量中,由于横波的发生和接收都比较困难,多以测纵波为主,故本文主要考察的是纵波。

　　2.1 声波在两种介质面上的传播规律

　　声波在介质中传播的过程中, 遇到与原介质阻抗不同的障碍物时,在两种介质面上声波的传播规律、声波能量的分配都将发生变化。这种变化的规律依赖于声波波长和障碍物尺寸的比率、两种介 质的特性以及声波的入射角度。如果障碍物尺寸与波长相近,将发生显著的绕射现象。如果障碍物尺寸小于波长,声波的大部分能量绕过障碍物,少部分能量向障碍 物四周散射。当两种介质的界面尺寸远大于声波波长时, 声波在介质面上将发生反射、折射和波形转换。