利用虛擬儀器技術組建超聲波測試系統

劉志輝，周中貴，曹 煜，杜青林

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

目前，超聲波測試在土木工程建設中應用越來越廣泛，例如，可用于完整性系數測定及圍巖類別劃分。巖體完整性系數又稱裂隙系數，為巖體與巖石的縱波速度平方之比，通過測定圍巖完整性系數，可為圍巖類別劃分提供依據[1]。在水電工程和基礎工程中超聲波測試廣泛用于灌漿質量檢測，可采用灌前灌后聲波縱波測試值對比法對灌漿效果進行評價，也可采用灌后聲波速度達標法進行評價。現在的基樁完整性檢測，也越來越偏向于超聲波測試，以準確查找樁基內部缺陷性質及位置。另外，超聲波測試在聲波回彈綜合法測定混凝土強度以及混凝土深、淺裂縫檢測中，都是必不可少的測試方法。在筆者實際應用現有的超聲波測試儀時，還是會常常遇到一些問題，主要體現在兩方面：一是跨孔測試時，距離如果較大，信噪比很低，基本上采集不到有效波形；二是波形的初至判讀，由于破碎巖體中波形常常不光滑，因此容易造成首波誤判。另外，在淺裂縫平測法中，利用首波相位反轉來判斷裂縫深度，更是需要首波清晰易讀。本文介紹利用美國國家儀器公司(簡稱NI)先進的虛擬儀器技術，組建高效靈活的超聲波測試系統，并在軟件編程中引入多次疊加平均法來解決以上兩個問題。之所以考慮采用虛擬儀器技術，是因為虛擬儀器技術比較傳統儀器而言具有巨大優勢，傳統儀器的采樣窗長(時窗)和采樣率等參數受專用儀器內置計算芯片限制，適應面較窄；采用虛擬儀器，則可充分利用通用計算機的高性能，如計算處理速度、超大的內存等。這樣，儀器面板可由用戶自定義，而且能實現高分辨率、高采樣率和多次疊加的數據采集。

2 虛擬儀器用于超聲波測試系統的基本思路

超聲波測試系統的原理是：同步信號驅動發射換能器，發射超聲波脈沖，聲波在被測介質中傳播后由接收換能器接收。通過測量超聲波在介質中傳播特性或振動特性，便可計算介質的彈性特征或其它相關特征[2]。

超聲波測試系統分發射和接收兩部分。發射部分就是通常說的發射機，發射機的基本原理見圖1。

圖1 發射機電路原理圖

其中同步信號可由接收裝置提供。單穩的作用是形成占空比可調的矩形脈沖。矩形脈沖經電流放大后加載到脈沖變壓器的初級，在脈沖變壓器的輸出端得到高的脈沖電壓，即可驅動發射換能器發射超聲波。常用的發射換能器一般由PZT壓電陶瓷制成，其諧振頻率決定了發射的超聲波頻率，一般在20～100K之間。通常說的發射換能器的頻率是50K，是指發射換能器的主頻率為50K。

傳統的超聲波測試系統的接收部分結構復雜，但基本采用模塊化的方式。接收電路部分通常包括微弱信號放大電路模塊、信號采集模塊(即A/D轉換)、信號濾波電路模塊等。考慮到有時檢測到的回波信號幅值較大，還應在前端加入衰減電路模塊。當接收信號電路的后級是數字系統時，還應在末端加入信號比較電路模塊。傳統超聲波測試系統的接收部分和發射部分是獨立的，接收部分通過同步信號控制發射部分。同步的作用是實現發射機發射超聲波之時，接收機開始采集和記錄。

由上可見，超聲波測試系統的關鍵部分在于接收部分。如果采用虛擬儀器來制作接收部分，則可極大地簡化超聲波測試系統的搭建。其基本思想是：

(1)同步信號的產生：通過LabVIEW軟件編程控制虛擬儀器數據采集卡的數字Ⅰ/O輸出TTL電平，作為發射機的同步信號輸入，控制發射機的發射。

(2)儀器前面板的實現：虛擬儀器數據采集卡和相應的接線盒、計算機平臺，以及功能強大的圖形化編程語言——LabVIEW,可以實現高帶寬、高分辨率、多通道和多次疊加的數據采集。由于采用標準化模塊，可以由接線盒快速構建衰減電路；采集硬件可實現數據的采集；其出色的軟件集成，既可虛擬出真實儀器的面板，又可對信號進行實時頻譜分析、濾波處理、階次分析等。

3 基于虛擬儀器技術的超聲波測試系統組建

硬件方面，基于虛擬儀器技術的超聲波測試系統由發射換能器、發射機、接收傳感器、前置放大器、接線盒、68針屏蔽線纜、裝有PCI6251數據采集卡的計算機組成(見圖2)。由于采用了先進的虛擬儀器技術，本系統一個突出的特點是高分辨率、高采樣率和良好的擴展性。NI公司的M系列數據采集卡PCI6251的采樣精度為16位，最大采樣率達1M/s，其68針接線盒可提供16路模擬輸入通道、8路模擬輸出通道、4個數字I/O，也提供衰減電路模塊。

圖2 硬件系統結構圖

軟件系統設計采用NI公司強大的圖形化開發環境LabVIEW編程。該軟件不僅提供了豐富的功能模塊以供調用，還可以把C程序和Matlab程序作為子VI嵌入運行。如果用戶對聲音和振動有較高的要求，還可以使用NI公司的“Sound and Vibration”工具包，其包含了豐富的分析函數，如頻譜分析、濾波、時頻信號合并等[3]。

超聲波測試系統編程的基本思路見圖3。由圖3可以看出，系統采用了多線程并行運行技術，整個系統分三個大的線程：文件操作、數字TTL電平輸出、模擬信號的采集。各線程通過相應的接口傳遞數據，達到相對獨立而又相互配合完成儀器的觸發、數據的采集、文件的寫操作等功能。

圖3 軟件系統流程圖

根據該思路編寫的具體的程序前面板見圖4。圖中左邊為參數設置，觸發電平輸出包括輸出通道及其高、低時間，采樣參數設置包括采樣輸入通道、采樣率、采樣點數及觸發邊緣等；右邊為波形顯示，相當于傳統儀器的示波儀。

4 多次疊加技術的應用

要解決跨孔距離較大的超聲波測試，一些必要的處理手段必不可少，多次疊加技術是其中最重要也是最有效的。多次疊加技術原本是地震勘探中廣泛使用的方法，有壓制干擾波和提高信噪比的作用。現有的一些超聲測試儀也引用了疊加技術，但受儀器限制，一般屬于單次疊加，所以要想實現幾十次到上百次這樣的疊加很困難。

多次疊加技術在信號處理范圍屬于多次疊加平均方法，之所以能消除隨機干擾信號，原理如下。設輸入信號f(t)是有用信號和隨機白噪聲的合成, 可表示為：

f(t)=s(t)+n(t)

(1)

式中s(t)——振幅恒定周期信號, 功率為S；

n(t)——隨機白噪聲。

在信號中, 隨機白噪聲一般都服從高斯分布, 其均值為零,方差為σ2,也稱作高斯白噪聲。根據高斯白噪聲的性質可知此噪聲的功率為σ2。即輸入信號的信噪比為:

SNRin=S/σ2

(2)

有效信號經m次疊加平均后其值不變, 而噪聲疊加平均后變為:

(3)

則輸出信噪比變為:

(4)

由以上推導可知， 周期信號經過m次同步疊加后，信噪比提高為原來的m倍。因此，周期性信號或可重復性信號經過多次取樣積累后，其信噪比有所提高。積累次數越多， 信噪比改善越好。如果疊加平均次數足夠高，就可以從強噪聲的背景中提取極其微弱的信號[4]。

基于以上分析，在超聲波測試系統軟件編程中，引入了多次疊加技術。該技術如果在傳統的超聲波儀器系統中可以實現，但真要實現是件很麻煩的事，需要較強的電子技術基礎。而在LabVIEW中，由于預置有多種模塊，因此實現起來比編一個簡單的C程序還要方便。通過軟件編程，在儀器前面板中有預設疊加次數設定，一般1 024次就能取得較好效果。比較圖4中的單次波形(上圖)和疊加1 024次后波形(下圖)，可以看出波形已經非常清晰, 波的初至也更清晰易讀，噪聲也很小，信噪比得到了很大的提高， 可以滿足普通的測量精度。

利用多次疊加技術，能否解決長距離跨孔測量的信號問題呢，經實踐，在跨孔10m的時候，仍能接收到有效清晰的波形信號。破碎巖體中的波形不光滑，容易造成首波誤判問題，而經多次應用疊加技術來采集數據，首波非常清晰，能有效避免首波誤判問題(見圖5)。另外，初至清晰，淺裂縫平測法中很容

圖4 超聲波測試系統數據采集程序前面板及多次疊加技術的應用效果

圖5 初至的判讀(時間及相位)

易判斷首波相位的正負問題，提高了測試的準確性。

5 結束語

基于虛擬儀器技術的超聲波收發系統具有操作靈活、精度高、穩定性好等特點，既滿足了對超聲波信號采集和分析的要求，又有效地降低了系統開發、維護及后期的升級成本，很有推廣應用的價值。目前我院檢測室現有儀器的配置，主要有基樁動測儀(低應變)、錨桿(錨索)檢測儀、彈模測試儀器等。事實上，這些儀器主要是傳感器不同，數據接收的原理都是一致的，所以同樣可以采用虛擬儀器組建以上的測試平臺，采用對應的傳感器，編輯相應的軟件程序即可實現。這也印證了NI公司倡導的“軟件即儀器”的口號。

參考文獻：

[1] 袁易全.近代超聲原理及應用[M].南京：南京大學出版社，1996.

[2] 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設計與應用[M].第2版.北京：電子工業出版社，2005.

[3] Gary W，Johnson，Richard jennings.武嘉澍，陸勁昆，譯.LabVIEW圖形編程[M].北京：北京大學出版社，2002.

[4] 馮兵.工程及水文物探教程[M].西安：陜西人民教育出版社，2003.