利用虚拟仪器技术组建超声波测试系统

刘志辉，周中贵，曹 煜，杜青林

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

目前，超声波测试在土木工程建设中应用越来越广泛，例如，可用于完整性系数测定及围岩类别划分。岩体完整性系数又称裂隙系数，为岩体与岩石的纵波速度平方之比，通过测定围岩完整性系数，可为围岩类别划分提供依据[1]。在水电工程和基础工程中超声波测试广泛用于灌浆质量检测，可采用灌前灌后声波纵波测试值对比法对灌浆效果进行评价，也可采用灌后声波速度达标法进行评价。现在的基桩完整性检测，也越来越偏向于超声波测试，以准确查找桩基内部缺陷性质及位置。另外，超声波测试在声波回弹综合法测定混凝土强度以及混凝土深、浅裂缝检测中，都是必不可少的测试方法。在笔者实际应用现有的超声波测试仪时，还是会常常遇到一些问题，主要体现在两方面：一是跨孔测试时，距离如果较大，信噪比很低，基本上采集不到有效波形；二是波形的初至判读，由于破碎岩体中波形常常不光滑，因此容易造成首波误判。另外，在浅裂缝平测法中，利用首波相位反转来判断裂缝深度，更是需要首波清晰易读。本文介绍利用美国国家仪器公司(简称NI)先进的虚拟仪器技术，组建高效灵活的超声波测试系统，并在软件编程中引入多次叠加平均法来解决以上两个问题。之所以考虑采用虚拟仪器技术，是因为虚拟仪器技术比较传统仪器而言具有巨大优势，传统仪器的采样窗长(时窗)和采样率等参数受专用仪器内置计算芯片限制，适应面较窄；采用虚拟仪器，则可充分利用通用计算机的高性能，如计算处理速度、超大的内存等。这样，仪器面板可由用户自定义，而且能实现高分辨率、高采样率和多次叠加的数据采集。

2 虚拟仪器用于超声波测试系统的基本思路

超声波测试系统的原理是：同步信号驱动发射换能器，发射超声波脉冲，声波在被测介质中传播后由接收换能器接收。通过测量超声波在介质中传播特性或振动特性，便可计算介质的弹性特征或其它相关特征[2]。

超声波测试系统分发射和接收两部分。发射部分就是通常说的发射机，发射机的基本原理见图1。

图1 发射机电路原理图

其中同步信号可由接收装置提供。单稳的作用是形成占空比可调的矩形脉冲。矩形脉冲经电流放大后加载到脉冲变压器的初级，在脉冲变压器的输出端得到高的脉冲电压，即可驱动发射换能器发射超声波。常用的发射换能器一般由PZT压电陶瓷制成，其谐振频率决定了发射的超声波频率，一般在20～100K之间。通常说的发射换能器的频率是50K，是指发射换能器的主频率为50K。

传统的超声波测试系统的接收部分结构复杂，但基本采用模块化的方式。接收电路部分通常包括微弱信号放大电路模块、信号采集模块(即A/D转换)、信号滤波电路模块等。考虑到有时检测到的回波信号幅值较大，还应在前端加入衰减电路模块。当接收信号电路的后级是数字系统时，还应在末端加入信号比较电路模块。传统超声波测试系统的接收部分和发射部分是独立的，接收部分通过同步信号控制发射部分。同步的作用是实现发射机发射超声波之时，接收机开始采集和记录。

由上可见，超声波测试系统的关键部分在于接收部分。如果采用虚拟仪器来制作接收部分，则可极大地简化超声波测试系统的搭建。其基本思想是：

(1)同步信号的产生：通过LabVIEW软件编程控制虚拟仪器数据采集卡的数字Ⅰ/O输出TTL电平，作为发射机的同步信号输入，控制发射机的发射。

(2)仪器前面板的实现：虚拟仪器数据采集卡和相应的接线盒、计算机平台，以及功能强大的图形化编程语言——LabVIEW,可以实现高带宽、高分辨率、多通道和多次叠加的数据采集。由于采用标准化模块，可以由接线盒快速构建衰减电路；采集硬件可实现数据的采集；其出色的软件集成，既可虚拟出真实仪器的面板，又可对信号进行实时频谱分析、滤波处理、阶次分析等。

3 基于虚拟仪器技术的超声波测试系统组建

硬件方面，基于虚拟仪器技术的超声波测试系统由发射换能器、发射机、接收传感器、前置放大器、接线盒、68针屏蔽线缆、装有PCI6251数据采集卡的计算机组成(见图2)。由于采用了先进的虚拟仪器技术，本系统一个突出的特点是高分辨率、高采样率和良好的扩展性。NI公司的M系列数据采集卡PCI6251的采样精度为16位，最大采样率达1M/s，其68针接线盒可提供16路模拟输入通道、8路模拟输出通道、4个数字I/O，也提供衰减电路模块。

图2 硬件系统结构图

软件系统设计采用NI公司强大的图形化开发环境LabVIEW编程。该软件不仅提供了丰富的功能模块以供调用，还可以把C程序和Matlab程序作为子VI嵌入运行。如果用户对声音和振动有较高的要求，还可以使用NI公司的“Sound and Vibration”工具包，其包含了丰富的分析函数，如频谱分析、滤波、时频信号合并等[3]。

超声波测试系统编程的基本思路见图3。由图3可以看出，系统采用了多线程并行运行技术，整个系统分三个大的线程：文件操作、数字TTL电平输出、模拟信号的采集。各线程通过相应的接口传递数据，达到相对独立而又相互配合完成仪器的触发、数据的采集、文件的写操作等功能。

图3 软件系统流程图

根据该思路编写的具体的程序前面板见图4。图中左边为参数设置，触发电平输出包括输出通道及其高、低时间，采样参数设置包括采样输入通道、采样率、采样点数及触发边缘等；右边为波形显示，相当于传统仪器的示波仪。

4 多次叠加技术的应用

要解决跨孔距离较大的超声波测试，一些必要的处理手段必不可少，多次叠加技术是其中最重要也是最有效的。多次叠加技术原本是地震勘探中广泛使用的方法，有压制干扰波和提高信噪比的作用。现有的一些超声测试仪也引用了叠加技术，但受仪器限制，一般属于单次叠加，所以要想实现几十次到上百次这样的叠加很困难。

多次叠加技术在信号处理范围属于多次叠加平均方法，之所以能消除随机干扰信号，原理如下。设输入信号f(t)是有用信号和随机白噪声的合成, 可表示为：

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

(1)

式中s(t)——振幅恒定周期信号, 功率为S；

n(t)——随机白噪声。

在信号中, 随机白噪声一般都服从高斯分布, 其均值为零,方差为σ2,也称作高斯白噪声。根据高斯白噪声的性质可知此噪声的功率为σ2。即输入信号的信噪比为:

SNRin=S/σ2

(2)

有效信号经m次叠加平均后其值不变, 而噪声叠加平均后变为:

(3)

则输出信噪比变为:

(4)

由以上推导可知， 周期信号经过m次同步叠加后，信噪比提高为原来的m倍。因此，周期性信号或可重复性信号经过多次取样积累后，其信噪比有所提高。积累次数越多， 信噪比改善越好。如果叠加平均次数足够高，就可以从强噪声的背景中提取极其微弱的信号[4]。

基于以上分析，在超声波测试系统软件编程中，引入了多次叠加技术。该技术如果在传统的超声波仪器系统中可以实现，但真要实现是件很麻烦的事，需要较强的电子技术基础。而在LabVIEW中，由于预置有多种模块，因此实现起来比编一个简单的C程序还要方便。通过软件编程，在仪器前面板中有预设叠加次数设定，一般1 024次就能取得较好效果。比较图4中的单次波形(上图)和叠加1 024次后波形(下图)，可以看出波形已经非常清晰, 波的初至也更清晰易读，噪声也很小，信噪比得到了很大的提高， 可以满足普通的测量精度。

利用多次叠加技术，能否解决长距离跨孔测量的信号问题呢，经实践，在跨孔10m的时候，仍能接收到有效清晰的波形信号。破碎岩体中的波形不光滑，容易造成首波误判问题，而经多次应用叠加技术来采集数据，首波非常清晰，能有效避免首波误判问题(见图5)。另外，初至清晰，浅裂缝平测法中很容

图4 超声波测试系统数据采集程序前面板及多次叠加技术的应用效果

图5 初至的判读(时间及相位)

易判断首波相位的正负问题，提高了测试的准确性。

5 结束语

基于虚拟仪器技术的超声波收发系统具有操作灵活、精度高、稳定性好等特点，既满足了对超声波信号采集和分析的要求，又有效地降低了系统开发、维护及后期的升级成本，很有推广应用的价值。目前我院检测室现有仪器的配置，主要有基桩动测仪(低应变)、锚杆(锚索)检测仪、弹模测试仪器等。事实上，这些仪器主要是传感器不同，数据接收的原理都是一致的，所以同样可以采用虚拟仪器组建以上的测试平台，采用对应的传感器，编辑相应的软件程序即可实现。这也印证了NI公司倡导的“软件即仪器”的口号。

参考文献：

[1] 袁易全.近代超声原理及应用[M].南京：南京大学出版社，1996.

[2] 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].第2版.北京：电子工业出版社，2005.

[3] Gary W，Johnson，Richard jennings.武嘉澍，陆劲昆，译.LabVIEW图形编程[M].北京：北京大学出版社，2002.

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