超声收发处理模块及超声检测仪
阅读：177发布：2020-05-08
专利汇可以提供超声收发处理模块及超声检测仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及装配式建筑技术领域，公开了一种超声收发处理模 块 ，包括 中央处理器 ，所述中央处理器连接光耦隔离器件，光耦隔离器件通过驱动单元连接至VDMOS 开关 ，VDMOS开关连接至换能器，形成超声发射部分；换能器连接 限幅 单元后经两级程控放大单元指数放大，形成超声接收部分，所述两级程控放大单元通过中央处理器的D/A 信号 控制。本实用新型还公开了应用超声收发处理模块的超声检测仪。本实用新型优化了检测仪的结构，降低了仪器成本及检测成本，并提高了检测的灵敏度。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是超声收发处理模块及超声检测仪专利的具体信息内容。
1.一种超声收发处理模块，其特征在于：包括中央处理器，所述中央处理器连接光耦隔离器件，光耦隔离器件通过驱动单元连接至VDMOS开关，VDMOS开关连接至换能器，形成超声发射部分；换能器连接限幅单元后经两级程控放大单元指数放大，形成超声接收部分，所述两级程控放大单元通过中央处理器的D/A信号控制。
2.根据权利要求1所述的超声收发处理模块，其特征在于：所述两级程控放大单元包括第一级线性放大单元和第二级固定放大单元。
3.一种超声检测仪，其特征在于：包括超声探头、如权利要求1所述的超声收发处理模块、显示模块和电源模块，所述电源模块为超声检测仪供电，所述超声探头通过高频线连接至超声收发处理模块，所述超声收发处理模块通过超声探头发射超声波并接收回波，将回波处理后，通过显示模块显示。
4.根据权利要求3所述的超声检测仪，其特征在于：所述超声探头包括外壳和外壳内从前至后依次设置的前匹配层、金属垫片、压电晶片和声电模块，金属垫片的前端与前匹配层接合，后端与压电晶片接合，压电晶片通过高频导线与声电模块连接，所述声电模块设置于压电晶片后方，所述声电模块包括集成的声匹配层和电匹配，所述声匹配层为环氧树脂层，所述电匹配为电感元件。
5.根据权利要求4所述的超声检测仪，其特征在于：所述外壳内设有内衬，用于固定声电模块，所述壳体的后端设置高频插座，所述声电模块的输出端连接至高频插座。
6.根据权利要求5所述的超声检测仪，其特征在于：所述前匹配层为耐磨陶瓷片，所述外壳为电磁屏蔽材料，所述外壳密封。
超声收发处理模块及超声检测仪
技术领域
[0001] 本实用新型涉及装配式建筑技术领域，尤其涉及一种超声收发处理模块及超声检测仪。
背景技术
[0002] 装配式建筑是指建筑的部分或全部构件在预制厂生产完成，再运输到施工现场，由安装机械和可靠连接组装起来的建筑物。与现浇结构施工相比，装配式建筑具有施工方便、工程进度快、对周围环境影响小等优点。随着我国建筑行业推进绿色安全施工、节能减排、提高工程质量及促进产业结构调整发展的需要，作为建筑工业化重要形式之一的装配式混凝土建筑已成为我国建筑行业发展的主要方向。
[0003] 装配式混凝土建筑主要的预制构件有叠合板、预制梁、预制柱、预制阳台等，与现浇混凝土建筑不同，其以工业成品的形式进入施工现场，通过一定的方式连接拼装，达到“等同现浇”的设计要求。因此，预制构件的拼装连接是装配式混凝土结构的关键环节，而其中结构竖向连接的质量控制直接关系到整个建筑的质量及安全。结构竖向连接采用套筒灌浆连接，其通过在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋，并灌注高强、微膨胀的水泥基灌浆料来达到设计的抗拉强度。因施工快捷、受力简单、附加应力小、适用范围广、易吸收施工误差等优点，套筒灌浆连接是目前我国装配式混凝土结构的主要施工技术。
[0004] 竖向套筒灌浆连接，根据钢筋的连接方式，可分为半灌浆套筒和全灌浆套筒两大类。半灌浆套筒一般在预制构件端接头采用直螺纹方式连接钢筋，现场装配端采用灌浆方式连接。全灌浆套筒的两端均采用灌浆方式连接钢筋。现行标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB／T 51231—2016及《装配式混凝土结构技术规程》 JGJ 1—2014对于钢筋套筒灌浆连接的质量控制手段是采用制作平行试件进行拉伸试验及监理现场监督的办法，缺乏可行的无损检测方法及技术。由于钢筋套筒灌浆连接构造复杂又属于隐蔽工程，其灌浆质量的无损检测常常受到钢筋、混凝土、套筒、灌浆料、墙体厚度等影响，是目前国内外公认的难题。
[0005] 申请人早些时候申请的专利“一种沿出浆孔道单侧超声法检测套筒灌浆饱满性的方法”（申请号为201811533201.2），公开了一种沿出浆孔道单侧超声法检测套筒灌浆饱满性的方法，该方法的超声检测面为出浆孔道内靠近预制构件表面一侧的灌浆料端面，具有平整的表面且与出浆孔道垂直。在超声检测面上布置超声探头同时激发超声波和接收超声波，超声探头激发超声波后，超声波沿着出浆孔道向预制构件背面传播，当套筒灌浆不饱满时，超声波在出浆孔道内靠近套筒一侧的灌浆料端面发生散射，超声探头接收回波信号，可根据出浆孔道对应的区域范围内是否有明显的回波信号来判断灌浆饱满性。该方法是用专业化的超声研究设备完成的，不仅成本高，而且无法在施工现场操作。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种超声收发处理模块及超声检测仪，优化检测仪的结构，降低仪器成本及检测成本，提高检测的灵敏度。
[0007] 本实用新型采取的技术方案是：
[0008] 一种超声收发处理模块，其特征是，包括中央处理器，所述中央处理器连接光耦隔离器件，光耦隔离器件通过驱动单元连接至VDMOS开关，VDMOS开关连接至换能器，形成超声发射部分；换能器连接限幅单元后经两级程控放大单元指数放大，形成超声接收部分，所述两级程控放大单元通过中央处理器的D/A信号控制。
[0009] 进一步，所述两级程控放大单元包括第一级线性放大单元和第二级固定放大单元。
[0010] 进一步，所述驱动单元通过以下方法实现VDMOS开关的脉冲信号强度：
[0011] （1）设定D/A转换器的预定输出值；
[0012] （2）VDMOS向换能器发射信号；
[0013] （3）增加D/A转换器的输出值；
[0014] （4） 将输出值与预定值比较，当输出值小于预定输出值时，返回步骤（3）；当输出值大于等于预定输出值时，进入步骤（5）；
[0015] （5）减小D/A转换器的输出值；
[0016] （6）判定输出值，当输出值大于0时，返回步骤（5）；当输出值等于0时，返回步骤（2），进入下一发射周期。
[0017] 一种超声检测仪，其特征是，包括超声探头、如权利要求1所述的超声收发处理模块、显示模块和电源模块，所述电源模块为超声检测仪供电，所述超声探头通过高频线连接至超声收发处理模块，所述超声收发处理模块通过超声探头发射超声波并接收回波，将回波处理后，通过显示模块显示。
[0018] 进一步，所述超声探头包括外壳和外壳内从前至后依次设置的前匹配层、金属垫片、压电晶片和声电模块，金属垫片的前端与前匹配层接合，后端与压电晶片接合，压电晶片通过高频导线与声电模块连接，所述声电模块设置于压电晶片后方，所述声电模块包括集成的声匹配层和电匹配，所述声匹配层为环氧树脂层，所述电匹配为电感元件。
[0019] 进一步，所述外壳内设有内衬，用于固定声电模块，所述壳体的后端设置高频插座，所述声电模块的输出端连接至高频插座。
[0020] 进一步，所述前匹配层为耐磨陶瓷片，所述外壳为电磁屏蔽材料，所述外壳密封。
[0021] 本实用新型的有益效果是：
[0023] （2）声匹配层和电匹配一体化集成，在电路板上集成实现，简化加工工艺，降低成本；
[0024] （3）超声探头与检测出浆孔道实现充分耦合，提高检测的可靠性，探头余振量小，减少盲区；
[0025] （4）发射同步的两级放大电路来抑制发射信号的余振来减少盲区，实现指数级放大可能的异常反射回波信号；
[0026] （5）功耗低，成本低，检测灵敏度高，方便施工现场使用；
[0027] （6）结构采用优化设计与检测出浆孔道充分耦合提高检测的可靠性，而且采用提高探头阻尼设计，尽可能减少探头的余振，减少盲区；
[0029] 附图1是本实用新型的超声探头的结构示意图；
[0030] 附图2是本实用新型的超声检测仪的结构示意图；
[0031] 附图3是本实用新型的超声检测方法的流程框图；
[0032] 附图4是超声自发自收两级同步放大装置操作示意图；
[0034] 附图6是灌浆正常套筒上的波形及处理结果图；
[0035] 附图7是灌浆异常套筒上的波形及处理结果图；
[0036] 附图8是灌浆不合格套筒上的波形及处理结果图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本实用新型超声收发处理模块及超声检测仪的具体实施方式作详细说明。
[0038] 参见附图1,超声探头10包括外壳1和外壳1内从前至后依次设置的前匹配层2、金属垫片3、压电晶片4、声匹配层5和电匹配6，金属垫片3的前端与前匹配层2接合，后端与压电晶片4接合，压电晶片4通过高频导线与电匹配6连接，声匹配层5设置于压电晶片4后方，电匹配6为电感元件。声匹配层和电匹配由一体化电路板实现。将声匹配层和电匹配元件安装于电路板上，结构紧凑。
[0039] 外壳1内设有内衬7，用于固定声匹配层5和电匹配6，壳体的后端设置高频插座8，电匹配6的输出端连接至高频插座8。外壳1的后端设置绝缘手持部9。
[0041] 参见附图2,超声收发处理模块，包括中央处理器，所述中央处理器连接光耦隔离器件，光耦隔离器件通过驱动单元连接至VDMOS开关（半导体场效应开关管），VDMOS开关连接至换能器，形成超声发射部分；换能器连接限幅单元后经两级程控放大单元指数放大，形成超声接收部分，所述两级程控放大单元通过中央处理器的D/A信号控制。所述两级程控放大单元包括第一级线性放大单元和第二级固定放大单元。
[0042] 参见附图3,所述驱动单元通过以下方法实现VDMOS开关的脉冲信号强度：
[0043] （1）设定D/A转换器的预定输出值；
[0044] （2）VDMOS向换能器发射信号；
[0045] （3）增加D/A转换器的输出值；
[0046] （4） 将输出值与预定值比较，当输出值小于预定输出值时，返回步骤（3）；当输出值大于等于预定输出值时，进入步骤（5）；
[0047] （5）减小D/A转换器的输出值；
[0048] （6）判定输出值，当输出值大于0时，返回步骤（5）；当输出值等于0时，返回步骤（2），进入下一发射周期。
[0049] 软件流程为，先进行各个外设的初始化，然后发射脉冲，发射脉冲后，输出DAC，并不断增加DAC的输出值，使得DAC的输出值达到设定值，之后开启下一个周期，重新发射脉冲，以此类推。这里的预定输出值通过一个整数自变量进行叠加，与预定值进行比较，当输出值大于预定值时，再进行一次减法修正，实现信号的精准发射。
[0050] 超声检测仪将超声探头上安装超声收发处理模块、显示模块和电源模块，所述电源模块为超声检测仪供电，所述超声探头通过高频线连接至超声收发处理模块，所述超声收发处理模块通过超声探头发射超声波并接收回波，将回波处理后，通过显示模块显示。
[0051] 参见附图4、5,超声检测仪对预制构件套筒灌浆饱满性进行检测的方法步骤如下：
[0052] （1）灌浆完成后，打磨预制构件套筒的出浆孔道，使出浆孔道与孔道端面垂直；
[0053] （2）在孔道端面上通过耦合剂耦合超声探头；
[0054] （3）超声检测仪在超声探头上激发超声波；
[0055] （4）超声波沿着出浆孔道内的浆料向预制构件背面传播，在预制构件背面或在出浆孔道内靠近套筒一侧的灌浆料端面发生反射，产生的超声回波信号被超声检测仪接收并处理。
[0056] （5）将超声回波信号进行回波的平均值和标准差的计算；
[0057] （6）计算回波异常度和区分度指数；
[0058] （7）当异常度小于1时，灌浆合格，结束一次测量信号处理；
[0059] （8）当异常度大于等于1且区分度小于1时，灌浆合格，结束一次测量信号处理；
[0060] （9）当异常度和区分度均大于等于1时，灌浆不合格。
[0061] 在所述步骤（5）中的回波平均值和标准差是通过检测仪的盲区和回波区域确定的,所述步骤（6）中的异常度和区分度分别通过以下公式计算得出：
[0062] 异常度：Dabnm=（Eavg+Estd-Eref）/Eref*100%，
[0063] 区分度：Ddiff=（Eavg-Eref）/Eref*100%，
[0064] 公式中Dabnm为异常度；Ddiff 为区分度；Eavg为回波平均值；Estd为回波标准差；Eref为回波参考值。
[0065] 下面对本实用新型作更加详细地阐述。
[0066] 本实用新型的测试装置是沿出浆孔道检测套筒灌浆饱满性的超声自发自收两级同步放大装置，其由超声探头，屏蔽高频导线，超声发射和超声接受放大及嵌入式中央处理控制单元组成，超声发射部分由光电隔离、驱动、高压模块和VDMOS开关组成，超声接受放大由限幅放大电路，两级运放、两级D/A电路及高速数据采集A/D电路组成，而嵌入式中央处理控制单元来实现超声发射和接受放大及波形数据采集。超声探头与超声波发射VDMOS开关和接受限幅放大电路由屏蔽高频导线连接。该超声自发自收装置可作为施工现场使用的便携式超声检测仪的一部分，其是沿出浆孔道检测装配式混凝土建筑套筒灌浆饱满性方法的一种具体实施手段。
[0067] 本测试装置的具体操作步骤如下:
[0068] 1）由屏蔽高频导线连接超声探头和本装置自发自收电路的超声波发射和接受端；
[0069] 2）通过人工打磨设备处理，使预制构件的出浆孔道端面平整，端面与出浆孔道垂直；
[0070] 3）在打磨好的出浆孔道检测端面面上通过耦合剂耦合所述的超声探头；
[0072] 5）先由嵌入式中央处理单元发射一个电平脉冲到光电隔离电路去激发探头产生超声；
[0073] 6）然后由光电隔离电路通过驱动电路来触发VDMOS开关，使其快速打开和关闭，形成一个快速通断脉冲；
[0074] 7）VDMOS开关时，其连接高压模块的高压作用在压电超声探头上去产生超声脉冲；
[0075] 8）超声探头激发超声波后，超声波沿着出浆孔道向预制构件背面传播，当套筒灌浆饱满时，在超声波的传播路径范围内无空腔区，超声波在预制构件背面发生反射，当套筒灌浆不饱满时，在超声波的传播路径范围内有空腔区，超声波在出浆孔道内靠近套筒一侧的灌浆料端面发生散射；所产生的超声回波信号被超声限幅放大电路接受；
[0076] 9）然后通过与发射同步的两级放大电路来抑制发射信号的余振来减少盲区，同时放大可能的异常反射回波信号。
[0077] 10）其两级放大的增益由中央处理单元控制D/A的输出实现的，其放大倍数及线性斜率由中央处理单元通过编程实现。
[0078] 11）最后由嵌入式中央处理控制高速数据采集电路采集到超声的波形数据按图4信号处理流程，通过编程进行信号处理，判断被检套筒灌浆是否异常。
[0079] 12）若信号处理发现灌浆异常，自动保存波形数据及相关测点信息，同时可实时由嵌入式中央处理模块上传至云端供查询和复核。
[0080] 本测试装置的信号处理方法及流程如下:
[0081] 1）高速A/D转换后得到超声波形数据，进行滤波和取包络；
[0082] 2）确定自发自收装置的盲区L0，盲区内的区域无法检测，确定回波区域为{L0 L}，L为出浆孔道临界长度。在回波区域内计算回波的平均值Eavg，标准差Estd；
[0083] 3）由灌浆正常套筒超声波形计算其回波的平均值Eavg0及标准差Estd0作为参考；
[0084] 4）由公式（1）计算回波的异常度指标 Dabnm
[0085] Dabnm=（Estd）/Estd0*100% （1）
[0086] 由公式（2）计算回波的区分度指标Ddiff
[0087] Ddiff=（Eavg）/（Eavg0+Estd0）*100% （2）
[0088] 5）若异常度指标Dabm大于等于1，则亮黄灯，若Dabm小于1则亮绿灯，返回下一个测点测量；
[0089] 6）若区分度指标Ddiff大于等于1，则亮红灯，若Ddiff小于1则保存异常点数据，返回下一个测点测量。
[0090] 下面通过两个具体实施例对本实用新型进行说明。
[0091] 本实例以内径14毫米的出浆孔道为例，出浆孔道内灌浆料的端面（超声检测面）距预制构件表面6毫米，简述超声探头的设计、自发自收电路的设计、同步放大编程及作为检测装置的操作使用，其他类型的出浆孔道可根据其不同的大小尺寸进行类似的探头结构设计及相应检测装置的设计、编程和操作使用，比如可尝试干耦合探头的结构设计及相应自发自收电路的设计、编程。
[0092] 1) 设计并制作自发自收装置的超声探头，探头工作频率为500kHz，外形尺寸为直径12毫米，前端长20毫米，手持端直径16毫米，长10毫米；前匹配为厚0.2毫米直径为10毫米的耐磨陶瓷，提高探头的使用寿命，金属垫片为直径10毫米厚0.05毫米铜片； 压电晶片为PZT5的压电陶瓷，直径10毫米，厚3.5毫米，中心频率在500kHz由专业厂家根据检测参数要求生产提供；后匹配中的声匹配为直径为10毫米长为10毫米的陶瓷斜块， 内衬由钨粉与环氧按5:1调配而成，电匹配电感取2.2uH。
[0093] 2)设计并制作超声自发自收装置的印刷线路板。超声发射部分由光电隔离、驱动、高压模块和VDMOS开关组成，其中光电隔离采用工作电压5V，响应时间优于1微秒的光电隔离器，驱动采用一对PNP和NPN（9014和9015）三极管实现快速的VDMOS导通，高压模块为5V到50V的升压电路，VDMOS为耐压600V、导通电流2A、导通电阻5欧的场效应管。超声接受放大由限幅放大电路，两级运放、两级D/A电路及高速数据采集A/D电路组成，其中限幅放大采用
1N4148快恢复二极管，其满足超声的自发自收功能同时又能保护低压接受放大元件免受电脉冲的冲击破坏，放大器为LF356低噪声运放，两级放大采用AD603可变增益运放，两级D/A为单片低功耗ARM芯片STM32F429嵌入式中央处理模块集成的D/A电路，A/D为单电源采样频率达10MHz的十二位模数转换模块AD9220。
1N4148快恢复二极管，其满足超声的自发自收功能同时又能保护低压接受放大元件免受电脉冲的冲击破坏，放大器为LF356低噪声运放，两级放大采用AD603可变增益运放，两级D/A为单片低功耗ARM芯片STM32F429嵌入式中央处理模块集成的D/A电路，A/D为单电源采样频率达10MHz的十二位模数转换模块AD9220。
[0094] 嵌入式中央处理模块采用STM32单片低功耗ARM芯片，其还可外接无线通信模块可实时上传现场数据；最后需设计显示屏的接口，显示屏采用7寸电容触摸屏；最后印刷电路板尺寸稍大于显示屏，便于固定显示屏，同时来满足便携式一体化的外壳设计。
[0095] 3）按图3的超声自发自收两级同步放大控制流程图设计中央处理器的软件，其中超声发射的脉冲宽度为2微秒，同步放大的周期设计为1ms，线性增益的波形为三角形，上升段为0-40dB增益线性增加，下降段为0-40dB增益线性减少。
[0096] 4)设计并制作便携式一体化的外壳，检测仪外壳采用防尘防湿防摔设计，同时采用轻质电磁屏蔽材料来减少仪器重量，提高便携性；
[0097] 5) 按图4超声自发自收两级同步放大装置操作示意图编制相应的检测系统软件，其中的信号处理编程按图5的超声自发自收两级同步放大装置信号处理流程图；然后按图4系统测量操作示意图进行操作
[0098] 6）首先在已知灌浆正常的孔道上获取自发自收波形如图6，探头的盲区长度L0取40mm，孔道的临界长度L为160mm，取{40 160}区间的信号包络计算其平均值Eavg0为0.080和标准差Estd0为0.020，其异常度为1，区分度为0.7，相应显示为绿色背景的结果。
[0099] 7）然后在一个未知灌浆质量的孔道上获取自发自收波形如图7，探头的盲区长度L0取40mm，孔道的临界长度L为160mm，取{40 160}区间的信号包络计算其平均值Eavg为0.093和标准差Estd为0.048，其异常度为2.4，区分度为0.9，其可判断为灌浆异常，相应显示为黄色背景的结果，需进一步的检测。
[0100] 8）最后在一个未知灌浆质量的孔道上获取自发自收波形如图8，探头的盲区长度L0取40mm，孔道的临界长度L为160mm，取{40 160}区间的信号包络计算其平均值Eavg为0.130和标准差Estd为0.089，其异常度为4.4，区分度为1.2，灌浆不合格，相应显示为红色背景的结果。
[0101] 9）异常和不合格波形数据保存，供进一步审核和处理。
[0102] 本测试装置的具体操作步骤如下:
[0103] 1）由屏蔽高频导线连接超声探头和本装置自发自收电路的超声波发射和接受端；
[0104] 2）通过人工打磨设备处理，使预制构件的出浆孔道端面平整，端面与孔道垂直；
[0105] 3）在打磨好的出浆孔道检测端面面上通过耦合剂耦合所述的超声探头；
[0106] 4）由其组成的便携式检测装置，采用发射电压、放大增益及采样频率等默认设置开机，进行超声反射回波的设计采集；
[0107] 5）先由嵌入式中央处理单元发射一个电平脉冲到光电隔离电路去激发探头产生超声；
[0108] 6）然后由光电隔离电路通过驱动电路来触发VDMOS开关，使其快速打开和关闭，形成一个快速通断脉冲；
[0109] 7）VDMOS开关时，其连接高压模块的高压作用在压电超声探头上去产生超声脉冲；
[0110] 8）超声探头激发超声波后，超声波沿着出浆孔道向预制构件背面传播，当套筒灌浆饱满时，在超声波的传播路径范围内无空腔区，超声波在预制构件背面发生反射，当套筒灌浆不饱满时，在超声波的传播路径范围内有空腔区，超声波在出浆孔道内靠近套筒一侧的灌浆料端面发生散射；所产生的超声回波信号被超声限幅放大电路接受；
[0111] 9）然后通过与发射同步的两级放大电路来抑制发射信号的余振来减少盲区，同时放大可能的异常反射回波信号。
[0112] 10）其两级放大的增益由中央处理单元控制D/A的输出实现的，其放大倍数及线性斜率由中央处理单元通过编程实现。
[0113] 11）最后由嵌入式中央处理控制高速数据采集电路采集到超声的波形数据按图4信号处理流程，通过编程进行信号处理，判断被检套筒灌浆是否异常。
[0114] 12）若信号处理发现灌浆异常，自动保存波形数据及相关测点信息，同时可实时由嵌入式中央处理模块上传至云端供查询和复核。
[0115] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
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