基于B超的防水材料厚度检测系统设计

蔡小龙，龚力， 何　涛

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068;2 湖北工业大学现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

基于B超的防水材料厚度检测系统设计

蔡小龙1，2，龚力1，2， 何涛1，2

(1 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068;2 湖北工业大学现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

[摘要]为了提高施工现场柔性防水材料厚度检测的自动化程度，减少人力成本，设计的基于B超成像原理的柔性防水材料超声波测厚系统包括单通道双晶探头、B超附属采集卡等硬件部分，以及图像处理分析、基于MFC人机交互界面等软件部分。从B超检测系统的原理、组成和测试结果入手，分析论述该系统的测量过程,实现了柔性防水材料厚度的高精度快速测量。测试结果表明，柔性防水材料厚度B超检测系统能进行100%厚度测量，且同时满足生产效率和检测精度的要求。

[关键词]柔性防水材料； 超声波； 无损检测

防水层厚度测量是防水材料生产过程中的重要检验工序，最薄防水层厚度的测量结果直接决定产品的使用等级。传统测厚方法一般采用割开法，这种方法不但测量结果不是很精确，而且破坏了防水层的完整性。超声波B扫描图像中每个像素点的颜色或灰度反映了被检回波信号的大小与深度，把超声波对防水层厚度的测量信号作为成像检测信号，即可得到防水层厚度分布图像。与防水层割开测厚技术相比，超声波B扫描成像技术有着信号采集速度快、软件运行速度高、数据检测量大以及系统抗干扰能力强等优点。为此，本文提出用超声波B扫描成像方法对防水层厚度进行100%检验。

1系统总体设计

整个系统(图1)分成硬件和软件两大部分，功能上可具体分为信号采集模块、图像处理模块和显示输出模块等3个主要部分。

1.1信号采集模块设计

本模块包含对探头、耦合剂、超声波数据采集卡等硬件方面的选择。由探头经耦合剂发射和接收超声波信号，信号在通过超声波数据采集卡的采集和处理后成为超声波信息，而信息则存储在超声波数据采集卡的存储器里，以供图像处理模块使用。

图 1　系统结构图

1.1.1探头的选择探头的类型有很多种，且性能各不相同，所以需要针对检测对象，从频率、晶片尺寸和角度等方面合理地选择探头。

超声波频率与距离分辨率密切相关，使用的超声波频率越大，超声波的衰减越厉害，通过超声波进行观测的厚度随之减少，这就限制了超声波的使用。在探头的日常试验中，发现当其频率在1～10 MHz之间时，对应的距离分辨率范围是0.3～3 mm。

晶片尺寸较小的探头，在近场范围内声束较窄，有助于物体上下异质界面深度的定位，适用于较小物体厚度的测厚。这是因为晶片尺寸小时，发射能量小，扫描空间小，近场长度短，能测量的最小厚度值大。由于是物体上下异质界面深度的定位，声束入射角度需垂直于物体表面。

根据以上分析，本系统选用最高频率达10 MHz，兼具高增益、窄脉冲、低阻抗以及良好穿透能力的线阵式超声波宽频带探头。

1.1.2耦合剂的选择实现声波能量由超声波探头有效地传向物体的过程被称为耦合。从声波传递和实用的角度来讲，检测所用耦合剂需得满足下面要求：

1)其声阻抗最好与被测物体的相接近，这有助于更多的超声波进入物体内部；

2)其浸润性充足且易附着待测物体的表面，可消除因物体表面粗糙而在探头与物体表面之间形成的空气薄膜层；

3)不得对人体有害以及对物体有腐蚀性；

4)容易清洗,来源方便,价格低廉。

值得一提的是，在防水工程中，做完一道平面防水层施工后会有专人进行现场蓄水试验，最浅蓄水深度不小于25 mm，蓄水试验时间不小于24 h。这些因素为防水层厚度B超检测提供了天然的耦合环境，同时相比选用其他耦合剂，节省了清除耦合剂的步骤，有效避免了耦合介质的残留对材料质量造成负面影响。综上所述，本系统宜选用水做耦合剂。

1.1.3超声波数据采集卡的选择就本系统来看，考虑从以下几方面进行超声波数据采集卡的选择：

1)提供完善的便于进行图像处理[2]系统开发的软件包；

2)具备所需的检测频率和所需的分辨率 ；

3)最大发射功率满足声波能穿透待测物体；

4)最低脉冲重复频率与防水层的厚度设计值相协调；

5)接收放大器的最大增益能使最小能测厚度有足够的反射波高。

根据以上原则，在本系统中选择数字B超附属采集卡。该卡除了可以完成本文内容所需要的回声信息采集工作以外，还可做一些改善图像质量方面的工作，其电路框图如图2所示。

图 2　数字B超附属采集卡电路框图

数字B超附属采集卡可以利用计算机资源构成一种基于USB[3]总线的微机线阵B超检测系统， 即虚拟 B 超检测系统。 虚拟仪器是被嵌入在高性能计算机体系内部的，这样的设计思想符合检测仪器发展的主客观需要。如图3所示，本文所用的虚拟 B 超检测系统为实验室专门定制的工业级 BS-1000 型超声盒(内含数字B超附属采集卡)加PC机，配带最高频率可达10 MHz的探头，可做超声谐波成像。所用的PC机配置为：CPU，Intel(R) CORE(TM) i3-3110M @2.4GHz；处理器内存，2G。

图 3　 虚拟B超检测系统实物图

1.2图像处理模块设计

图像处理模块分为图像前置处理部分和图像后处理部分(图4)。在图像前置处理部分，收集信号采集模块所提供本系统需要的全部信息，并进行图像重建工作，生成含有防水层厚度参数信息的B超图像。在图像后处理部分，先通过对B超图像进行一系列的图像处理，提取防水层轮廓，再依据获得的轮廓位置信息计算出防水层厚度值，最后传送给显示输出模块。

图 4　图像处理模块原理结构图

为了提高成像质量，本文采用超声谐波成像(Harmonic Imagin, HI)。所谓HI是指利用回声(反射或散射)中的二次谐波所携带的信息重建声像图。不同于以往的线性检测的基波成像，HI是非线性检测[5]。HI使采样信号在谐波范围内成像，可以消除重建后的图像中大部分的伪像，因而图像质量明显得以提高。同时，通过HI还可以改善聚集特性，进一步地消除伪像[7]，减少测后阴影(图5)。

图 5　防水层的两种B超成像对比

1.3显示输出模块设计

此模块具有显示方面的功能，即通过友好的人机交互界面能够完整地显示本系统所有功能，还能够实时获取图像处理模块处理好的防水层轮廓位置信息和厚度值。由于图像测量以像素为单位，但最终的厚度值应该是实际数值，以mm为单位，故需先计算出要测量的部分中包含的像素值，然后乘上一个比例系数k来计算物体的实际长度。比例系数k的精度十分重要，对检测结果的精度有着直接的影响。总的来说，标定比例系数的方案一是要放大已知图像，增加比例系数的准确度，二是得多次测量，求取多次测量结果的平均值，最后把这个平均值作为比例系数的最终值。具体标定方法这里不详细赘述。

另一方面该模块又具有输出方面的功能，即可以把所测得的防水层厚度值和含有防水层厚度分布情况信息的B超图像一同生成报表自动传输到Word中进行打印输出。

综上所述，柔性防水层厚度 B 超测量系统的现场检测示意图如图6所示。

图 6　系统现场检测示意图

2柔性防水层测厚原理

在测试条件较好的理想情况下，超声波测厚可采用柔性防水层上下异质界面反射回波的时间间隔测量法。柔性防水材料B超检测仪的超声波传感器在检测单元的采样点上来回水平移动，由于防水材料自身与其内部杂质的材料非均匀性以及声阻抗差异，导致在异质界面上超声波会发生散射，而后沿着复杂路径在介质中传播，在此过程中由于产生热能而损失热量，也就是所谓的信号衰减，表现在B超图像上会出现缺失的地方；再者，B超图像显示防水层上下异质界面不均匀性的反射系数变化范围会很大，导致在B超图像上产生光点的亮度变化范围也很大，以致反射条纹亮度分布不均匀。不过，这些弊端都可以通过后期图像处理加以避免。

3软件设计

成像测厚软件在Windows 7操作系统下工作，采用VC++编程语言编制的超声波测厚和成像软件[4]与用MFC[6]编制的人机交互界面。启动柔性防水层厚度B超测量系统，进入到操作界面(图7)。

图 7　系统界面

根据系统界面右侧的提示步骤按顺序进行处理：第一步，启动超声波盒，根据ROI(线框)内的采集情况，寻找满足检测条件的图像并冻结；第二步，滤波去噪，缺省方法为 SRAD 去噪，保留边缘细节的同时去除掉斑点噪声；第三步，聚类分割(基于 FCM 聚类的图像分割)，提取主要边缘中强度最大的成份作为防水层轮廓；第四步，结果细化(细化聚类之后的结果)，便于后续的轮廓提取工作；第五步，轮廓提取(进行 RHT 和曲线拟合)， 提取更为准确的边缘；最后一步，计算厚度值。

4测试结果及分析

防水层厚度在实际中是不均匀的，检测人员根据《建筑防水工程现场检测技术》[1]中柔性防水材料厚度检测要求，通过检测防水单元中心及四边中点共5组实验的均值作为该测量单元最终厚度的测量结果。

表1 实验数据

表1给出了手动测量结果和自动测量结果的对比。计算两种厚度测量方法的算数平均值，自动测量最终结果为2.371 22 mm，手动测量最终结果为2.37 mm，保留小数点后两位时数值相等，加上5组各自的实验数据，各自测量误差均小于1.5%，符合检测要求。

5结束语

本文描述了基于B超扫描成像技术的超声波柔性防水材料测厚系统设计，并对该测厚系统加以调试。调试结果表明，所设计的基于B超的柔性防水材料测厚系统采用超声脉冲回波法，具有携带方便、仪器体积小等优点，对各种柔性防水材料厚度可进行高速测量，并通过人机交互界面精确显示出材料厚度值。经多次实验，该仪器完全满足防水材料施工现场快速测量和检验的生产需求。

[参考文献]

[1]中华人民共和国住房城乡建设部.建筑防水工程现场检测技术规范：JGJ/T 299-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]周健,钱进.B超成像的计算机实时成像研究[J].声学技术，2003,22(3):195-198.

[3]刘明强.基于USB 的超声波成像系统的研究与设计[D].东南大学,2005.

[4]梁文家,关可,谭永锋.基于VC++的超声波混泥土厚度检测软件的设计与实现 [J].现代电子技术， 2012(11):129-132.

[5]林其忠,余建国,王威琪.超声波图像斑点噪声限制的非线性各向异性扩散[J].复旦学报(自然科学版)，2008(1):70-74.

[6]侯俊杰.深入浅出 MFC[M].武汉：华中科技大学出版社,2001.

[7]Wang Z， Bovik A C， Sheikh H E，et al. Image quality assessment：from Error visibility to structural similarity [J].IEEE Trans. Image processing,2004,13(4):600-612.

[责任编校： 张众]

Design of Thickness Measurement System of Waterproof Material Based on B-ultrasound

CAI Xiaolong1, GONG Li2, HE Tao3

(1SchoolofMechanicalEngin.，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China;2HubeiKeyLabofModernManufactureQualityEngin.，Wuhan430068，China)

Abstract：In order to reduce labor costs and improve the automation degree of the thickness of flexible waterproof material in construction site,this paper has designed a kind of thickness measurement system based on ultrosonic imaging principle.The system includes hardwares of single channel double crystal probe and the affiliated acquisition card, and softwares of image processing analysis man-machine interface based on MFC. It also discusses the measurement process of system from the principle, composition and test results of the ultrasonic detection system,realising the high precision and fast measurement of the thickness of flexible waterproof material. Test results show that the thickness of the flexible waterproof material thickness ultrasonic detection system can be measured by 100% .

Keywords：soft waterproof material;ultrasound;undestructive testing Map classification number

[收稿日期]2015-11-20

[基金项目]广东省大亚湾区2011年科技计划项目即续签项目(20110121)

[作者简介]蔡小龙(1989-)， 男，湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为超声波检测技术

[文章编号]1003-4684(2016)02-0023-04

[中图分类号]TU761.1, TP274

[文献标识码]：A