樁基鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)設(shè)計_圖文

1、分類號:TB559 密級:公開U D C:單位代碼:10424學位論文樁基鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)設(shè)計蔡芹光申請學位級別:碩士學位專業(yè)名稱:控制理論與控制工程指導教師姓名:曹茂永職稱:教授東科技大山學二零一二年四月論文題目:樁基鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)設(shè)計作者姓名:蔡芹光入學時間:2009年9月專業(yè)名稱:控制理論與控制工程研究方向:檢測理論與技術(shù)指導教師:曹茂永職稱:教授范迪副教授論文提交日期:2012年4月論文答辯日期:2012年6月授予學位日期:DESIGN OF BOREHOLE SEDIMENTS THICKNESS ULTRASONIC DETECTION SYSTEM OF PIL

2、EA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements for the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyCai QinguangSupervisor: Professor Cao MaoyongCollege of Information and Electrical EngineeringApril 2012聲明本人呈交給山東科技大學的這篇碩士學位論文,除了所列參考文獻和世所公認的文獻外,全部是本人在

3、導師指導下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交于其它任何學術(shù)機關(guān)作鑒定。碩士生簽名:日期:AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not be

4、en submitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:山東科技大學碩士學位論文摘要摘要樁基是各種構(gòu)筑物的主要基礎(chǔ)形式之一,起著將結(jié)構(gòu)上部荷載傳遞到較深和較好地層中的作用,對上部構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全扮演著至關(guān)重要的角色,樁底沉渣厚度的檢測通常受測量儀器、施工和地質(zhì)條件等的影響,一般較難控制,由此引發(fā)的工程事故頻見報導。論文采用超聲測距技術(shù)研制一套準確、快速的測量沉渣厚度專用儀器,以提高樁基沉渣厚度測量的準確性和可靠性,確保樁基工程的質(zhì)量與安全。論文論述了超聲波測量鉆孔沉渣厚度的技術(shù)原理、參數(shù)與

5、系統(tǒng)指標間的關(guān)系等,確定了鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)的總體方案,設(shè)計了系統(tǒng)硬件電路,包括超聲波觸發(fā)驅(qū)動電路、自動增益控制電路、回波信號放大濾波電路、信號轉(zhuǎn)換以及信號采集電路等;設(shè)計了主控制器程序流程和井下控制器程序流程;仿真和實際調(diào)試了超聲波的觸發(fā)驅(qū)動發(fā)射電路、回波放大濾波電路、自動增益控制電路等。在實驗室搭建了簡易沉渣厚度超聲測量硬件電路,利用模擬的鉆孔,實驗、分析和討論了觸發(fā)脈沖個數(shù)、發(fā)射電壓、回波接收電路的放大倍數(shù)以及觸發(fā)脈沖信號寬度對沉渣厚度測量的影響。關(guān)鍵字:鉆孔沉渣,超聲檢測,超聲換能器,LPC2148ABSTRACTPile is one of the basis of vario

6、us structures, which plays an important role not only in passing the upper load of structure into the deeper and better stratum, but also in determining the quality and safety of the upper structure. Engineering accidents are reported frequently, because sediments thickness in borehole is difficult

7、to be handled due to greater impacted by measurement equipment, construction and geological conditions. In thesis, a special, accurate and fast detection instrument to detect borehole sediments thickness has been developed by using ultrasonic technology in order to improve the accuracy and reliabili

8、ty of sediments thickness detection and ensure the quality and safety of the pile foundation engineering.The paper discusses the technical principles of detecting borehole sediments thickness by using ultrasonic technology, the relationship between parameters and system indicators etc. Design genera

9、l scheme of sediments thickness ultrasonic detection system and hardware circuit, including ultrasonic trigger and drive circuit, AGC circuit, echo signals amplification and filter circuit, signal conversion and signal acquisition circuit etc. Design the program flow chart of the main controller and

10、 underground controller. The thesis has simulated and actual debugged the trigger and drive circuit, echo signals amplification and filter circuit, AGC circuit by taking advantage of simulation and hardware. Experiments using simple sediments thickness ultrasonic detection hardware circuitry and ana

11、log borehole built in the laboratory, then analyzes and discusses the influence of the number of trigger pulse, emission voltage, magnification of ultrasonic receiver circuit and duty cycle of trigger pulse signal on sediments thickness ultrasonic detection.Keywords: Borehole sediments, Ultrasound d

12、etection, Transducer, LPC2148目錄1 緒論 (11.1 課題的目的和意義 (11.2 沉渣厚度檢測現(xiàn)狀 (21.3 本文的主要工作及內(nèi)容安排 (32 沉渣厚度超聲測量原理 (62.1 超聲與沉渣厚度測量 (62.2 沉渣厚度超聲測量方法 (102.3 渡越時間法沉渣厚度測量原理 (123 超聲換能器參數(shù)確定 (143.1 超聲換能器概述 (143.2 超聲換能器等效電路 (153.3 超聲換能器參數(shù)選擇 (174 系統(tǒng)硬件設(shè)計 (254.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 (254.2 井上電路設(shè)計 (264.3 井下電路設(shè)計 (395 硬件調(diào)試及軟件設(shè)計 (575.1 硬件電路

13、調(diào)試 (575.2 超聲收發(fā)電路的實驗和討論 (645.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 (686 總結(jié)和展望 (71致謝 (72參考文獻 (73攻讀碩士學位期間參與的科研項目和發(fā)表的論文 (77CONTENTS1 Introduction (11.1 Research Purpose and Meaning (11.2 Research Status of Sediments Thickness Detection (21.3 Main Work and Content Arrangement of Research (32 Principle of Sediments Thickness Ultrason

14、ic Detection (62.1 Ultrasound and Sediments Thickness Detection (62.2 Method of Sediments Thickness Ultrasonic Detection (102.3 Principle of Time of Flight Sediments Thickness Detection Method (123 Parameters of Ultrasonic Transducer (143.1 Overview of Ultrasound Transducer (143.2 Equivalent Circuit

15、 of Ultrasound Transducer (153.3 Parameters Selection of Ultrasound Transducer (174 System Hardware Design (254.1 Hardware Design of System (254.2 Hardware Design of Inoue Circuit (264.3 Hardware Design of Underground Circuit (395 Hardware Debug and Software Design (575.1 Hardware Simulation and Deb

16、ug (575.2 Experiments and Discussions of Ultrasound Transmitting and Receiving (645.3 System Software Design (686 Conclusion And Prospects (71Acknowledgements (72References (73Works and Papers (771 緒論1.1 課題的目的和意義樁基是各種構(gòu)筑物的主要基礎(chǔ)形式之一,主要用于將結(jié)構(gòu)上部荷載傳遞到較深、較好的地層中,它對上部構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及安全扮演著至關(guān)重要的角色,直接關(guān)系到國家和人民生命財產(chǎn)的安全,其

17、工程質(zhì)量一直倍受建設(shè)、施工、設(shè)計和監(jiān)理等各部門的關(guān)注1,2。隨著近代科學技術(shù)和國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,各種高層建筑、重型廠房、橋梁、碼頭和具有特殊要求的建筑物如雨后春筍般迅速拔起,樁和樁基的種類形式、施工工藝以及設(shè)備也都有了較大的發(fā)展。由于樁基礎(chǔ)能夠把荷載傳遞給較硬、較密實或者是壓縮性更小的持力層上,且具有承載力高、差異沉降小、施工方便等諸多優(yōu)點,樁基已經(jīng)成為在土質(zhì)基礎(chǔ)不好的地區(qū)修建各種構(gòu)筑物時最廣泛采用的基礎(chǔ)形式,樁基礎(chǔ)在近代土木工程中的作用也顯得越來越突出3。鉆孔灌注樁以其具有的應(yīng)用方便、適應(yīng)性強、造價低等特點在大規(guī)模的城市建設(shè)和各項基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前,在我國,鉆孔灌注

18、樁不僅被普遍用于橋梁建設(shè),而且在公路、鐵路、港口、水利和建筑等許多部門中也發(fā)揮著不可替代的作用。鉆孔灌注樁是否能夠較好地發(fā)揮其作用,樁底沉渣厚度的控制是關(guān)鍵,鉆孔底部的沉渣厚度檢測不準確的話,對受其支撐的建筑、橋梁、道路、港口的安全來說將是一個很大的隱患4-5。為了得到準確的沉渣厚度值,必須采用高精度、高可靠性的檢測方法,否則,將不利于實現(xiàn)對沉渣厚度的有效控制4。另外,我國地域非常廣闊,地質(zhì)條件則由于地區(qū)差異而顯得尤為復雜,樁基工程不僅受到巖土工程條件,基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計,測量儀器,施工與專業(yè)技術(shù)水平等各種相互關(guān)聯(lián)因素的影響外,樁基施工的高度隱蔽性使得樁基的質(zhì)量隱患更難以被發(fā)現(xiàn)2,由此引發(fā)的工程事

19、故頻見報導,如武漢三眼橋的一幢18層樓房,正是由于部分樁基不合格,卻沒有檢測出來,而導致了較大的差異沉降,即將建成的樓房也因此發(fā)生了傾斜,最終被迫炸毀,由此給社會造成了巨大的經(jīng)濟損失和不良影響3。為了確保工程的質(zhì)量和安全,避免給國家和人民的財產(chǎn)帶來巨大損失,施工單位急需一種能夠準確、可靠、方便的沉渣厚度測量儀器。目前沉渣厚度測量的方法和工具雖然有十幾種之多,但這些工具以機械裝置為主,具有精度低、可靠性差等缺點,同時泥漿的長期腐蝕等作用對于這些金屬器件的穩(wěn)定性、可靠性更是一嚴峻考驗5。沉渣厚度直接決定了鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量,而目前尚沒有能夠?qū)崿F(xiàn)對沉渣厚度準確檢測的儀器,基于這一現(xiàn)狀,設(shè)計出一套性

20、能好,精度高的超聲沉渣厚度檢測系統(tǒng)是非常必要的。研制出鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng),可為沉渣厚度的測量提供先進的技術(shù)手段,使沉渣的快速準確測量成為可能,較好地實現(xiàn)對樁底沉渣厚度的控制,有效避免類似樓體傾斜、倒塌等工程事故的發(fā)生。同時,若將其應(yīng)用于高層建筑、重型廠房、橋梁、碼頭和具有特殊要求的建筑物等工程的樁基鉆孔的質(zhì)量檢測中,將在推動沿海城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮重要的作用,將會產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益。1.2 沉渣厚度檢測現(xiàn)狀在我國,樁基檢測技術(shù)作為一門新興的行業(yè),樁基檢測技術(shù)于20世紀80年代末開始發(fā)展起來,聲波透射法是當時最常用的檢測方法6-7。伴隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展,樁基礎(chǔ)也在橋梁、港口碼頭

21、、高層建筑等工程建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用,這也直接推動了樁基檢測方法的不斷發(fā)展,經(jīng)過工程施工單位、質(zhì)量檢測部門、研究院和設(shè)計院等的技術(shù)人員數(shù)十年的努力,已經(jīng)研究和開發(fā)出了十多種沉渣厚度的檢測裝置和檢測方法,如重錘法8-10、電解率法1,5、取芯法11、取樣法12-13、超聲法等。目前沉渣厚度的測量方法主要有重錘法、取芯法、電解率法、超聲法等5,14-15。(1重錘法重錘法測量沉渣厚度的原理是在混凝土澆筑前,用一重約25kg的重錘,其頂端系上測繩,用手吊著緩緩放到孔底,憑借測量者的手感來判斷沉渣的上界面,并記錄此時下放測繩的長度,則所測沉渣的厚度就等于鉆孔的終孔深度與下放測繩的長度之差。重錘法

22、是工程上沉渣厚度測量方法中應(yīng)用最廣泛的一種,利用重錘法測量沉渣厚度1的儀器有:中國建筑科學研究院研制的X-型孔底沉渣厚度測定儀1;廣東汕頭的黃建龍通過改良重錘法設(shè)計的“鉆孔樁孔底沉渣厚度測量工具”5等等。重錘法測量沉渣厚度之所以被施工和監(jiān)理單位廣泛接受是由于其結(jié)構(gòu)簡單而且操作方便,但這種方法的缺點是它需要靠人的感覺來判斷沉渣的上界面,因此,比較容易產(chǎn)生誤差,同時沉渣上界面的位置深度又要通過量取測繩的長度得到,在量取測繩長度的過程中又會由于測繩的松緊及讀數(shù)等因素而產(chǎn)生誤差。顯然,重錘法測量沉渣厚度的主觀性強、精度比較低。(2取芯法取芯法測量沉渣厚度的原理是在成樁達到初始齡期以后,垂直從樁身混凝土

23、中鉆孔取芯,取芯超過樁底一定深度,從而可以根據(jù)取芯判斷樁底沉渣厚度。該方法雖直觀可靠,但屬事后判斷,如果出現(xiàn)沉渣過厚等問題也為時已晚,而且該方法對取芯的垂直度有很高要求5, 16。(3電解率法電解率法測量沉渣厚度的原理是利用介質(zhì)(如水、泥漿和沉渣顆粒等之間電解率的特性差異。在沉渣厚度的測量過程中,根據(jù)介質(zhì)電解率值的變化來得到所測沉渣的厚度。根據(jù)上述原理設(shè)計的測量儀器有北京中國建筑科學研究院地基基礎(chǔ)研究所修朝英研制的X-2型沉渣厚度測定儀1,5。(4超聲法利用機械裝置和超聲波實現(xiàn)對沉渣厚度的測量是河北廊坊市地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所的楊春明等于2004年提出的一種測量方法,該機械裝置上垂直固定有四

24、根導柱探針,穿過四根探針上下分別有兩個水平托盤,上下托盤在同一軸線上,分別固定超聲波發(fā)射和接收換能器,同時,將上托盤固定在探針上,而允許下托盤沿著探針自由滑動。在測量沉渣厚度時,首先根據(jù)超聲測距的方式測量當下托盤接觸沉渣時上下托盤之間的距離,然后再測量探針深入沉渣底部,下托盤被沉渣頂起時上下托盤之間的距離,兩次測量的距離之差即為沉渣厚度5。這種測量方法雖然可以得到上下托盤間的準確距離值,但是若沉渣底部的判斷不準確仍然可能會帶來一定的誤差。綜上可知,20世紀80年代以來,國內(nèi)沉渣厚度測量的技術(shù)在不斷的發(fā)展,但將超聲應(yīng)用于測量沉渣厚度的研究還不多,相關(guān)技術(shù)資料也較少,這可能與超聲波在泥漿中的衰減和

25、吸收很大、工作環(huán)境較為惡劣而相關(guān)設(shè)備的抗干擾能力不強、接收到的回波信號因微弱、時變、信噪比低而不易處理有關(guān),因此,研究超聲波傳播特性,超聲信號處理技術(shù),設(shè)計出高效的超聲收發(fā)、處理電路以及信號處理算法等,研制出鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng),才能為樁基鉆孔沉渣厚度測量提供先進的技術(shù)手段,使沉渣的快速、準確測量成為可能。1.3 本文的主要工作及內(nèi)容安排本課題來源于山東省自然科學基金項目“樁基鉆孔沉渣厚度超聲測量信號處理技術(shù)研究”(編號:ZR2009GM024。本論文研制的樁基鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)以ARM 微控制為核心,在井下控制器的配合下,控制觸發(fā)脈沖信號的產(chǎn)生,經(jīng)觸發(fā)驅(qū)動電路驅(qū)動超聲換能器向鉆孔底

26、部的沉渣發(fā)射超聲波,經(jīng)沉渣上下兩個界面反射回來的兩個超聲波回波信號經(jīng)接收電路、放大濾波電路處理后轉(zhuǎn)換成電流信號遠距離傳送到地面;在地面將電流信號轉(zhuǎn)換成一定幅值范圍的電壓信號再進行A/D采樣;最后ARM將采樣結(jié)果通過USB接口送到上位機,以供后續(xù)進一步的數(shù)據(jù)處理,例如計算沉渣厚度等。論文的主要工作有:在查閱相關(guān)資料,比較鉆孔沉渣厚度各種測量方法的基礎(chǔ)上,確定采用超聲測距原理實現(xiàn)對沉渣厚度的測量,并設(shè)計出具體的方案;分析了超聲換能器的特性和參數(shù),實現(xiàn)了超聲換能器的選型和參數(shù)的確定;設(shè)計了鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng),以32位ARM微控制器LPC2148為主控制器,用于控制超聲波的發(fā)射、信號采集和數(shù)據(jù)傳

27、輸?shù)日麄€測量過程,該系統(tǒng)以AT89C2051為輔助控制器,用于配合主控制器控制超聲波的發(fā)射;設(shè)計了超聲波觸發(fā)驅(qū)動電路、自動增益控制電路、回波信號放大濾波電路、信號轉(zhuǎn)換以及信號采集電路等系統(tǒng)硬件電路;設(shè)計了主控制器程序流程和井下控制器程序流程;仿真和實際調(diào)試了超聲波的觸發(fā)驅(qū)動發(fā)射電路、回波放大濾波電路、自動增益控制電路等。另外,利用搭建的簡易沉渣厚度超聲測量硬件電路與模擬的鉆孔,實驗、分析和討論了觸發(fā)脈沖個數(shù)、發(fā)射電壓、回波接收電路的放大倍數(shù)以及觸發(fā)脈沖信號寬度對超聲波發(fā)射和接收信號的影響。整篇論文分為6章,其內(nèi)容安排如下:第一章主要介紹了樁基鉆孔沉渣厚度測量的背景以及沉渣厚度的主要測量方法,選

28、擇了聲波法用于實現(xiàn)對樁基鉆孔沉渣厚度的測量,最后給出了論文的主要研究內(nèi)容以及全文內(nèi)容的安排。第二章介紹了沉渣、超聲波的概念以及超聲波的傳播特性等,介紹了超聲波測距的特點和超聲檢測技術(shù)和方法的分類,并選擇了超聲波渡越時間法作為沉渣厚度的測量方法,最后介紹了超聲波渡越時間法測量沉渣厚度的原理。第三章先介紹了超聲換能器的概念及分類,以壓電陶瓷振子為例介紹了超聲換能器的阻抗頻率特性和等效電路。根據(jù)工程規(guī)范、設(shè)計系統(tǒng)對沉渣厚度超聲測量的實際技術(shù)指標的要求等,通過計算確定了超聲換能器的主要性能參數(shù)。第四章設(shè)計了樁基鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖,整個系統(tǒng)分成了井上、井下和上位機三個部分。文中主要對

29、井上、井下兩部分進行了設(shè)計,井上部分,以LPC2148主控制器為核心,設(shè)計了主控制器及其外圍電路、電源電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、USB接口電路等;井下部分,以超聲換能器為中心,設(shè)計了井下控制器及其外圍電路、井下電源電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、觸發(fā)驅(qū)動電路、回波信號濾波放大電路、自動增益控制電路以及電壓/電流轉(zhuǎn)換電路等。第五章利用Multisim10.0仿真以及搭建的硬件電路,調(diào)試了超聲波的觸發(fā)驅(qū)動電路,回波信號放大濾波電路、自動增益控制電路等,在實驗室模擬鉆孔中,較好實現(xiàn)了超聲波的發(fā)射和回波信號的接收,并討論了觸發(fā)脈沖個數(shù)、發(fā)射電壓、回波接收電路的放大倍數(shù)以及觸發(fā)脈沖信號寬度對超聲波

30、發(fā)射和接收效果的影響。設(shè)計了主控制器和井下控制器的程序流程。第六章對論文進行了簡要的總結(jié)并對下一步的工作提出了建議和展望。2 沉渣厚度超聲測量原理超聲波測量作為一種非接觸式的檢測方法,它不易受光線、色彩、電磁場等因素的影響,而且對惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力。超聲波檢測通常還具有方便、快速、計算簡單、實時性較好、精度比較高等特點。因此,超聲檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用在距離測量、厚度測量、水聲工程、工業(yè)探傷、車輛自動導航、物體識別等領(lǐng)域17。同時,通過對當前沉渣厚度測量方法的研究和分析,論文采用超聲檢測技術(shù)實現(xiàn)對沉渣厚度的測量。2.1 超聲與沉渣厚度測量所謂的沉渣,是指在鉆孔灌注樁終孔及混凝土灌注前

31、,雖然經(jīng)過反復循環(huán)的清洗,但仍殘落在鉆孔底部的具有一定厚度、性質(zhì)相對較軟的物質(zhì),鉆孔灌注樁所穿越的地質(zhì)構(gòu)成決定了沉渣的組成成分,一般為土粒、沙粒、石粒等5。樁基鉆孔底部的沉渣直接影響到成樁的承載力,由于沉渣過厚而產(chǎn)生“軟墊”效應(yīng),不僅直接導致樁基承載力的不足,而且會造成構(gòu)筑物的過大沉降,由此可見,過厚的沉渣是超深、大直徑的樁基施工中遇到的最大隱患,因此,作為影響工程質(zhì)量的一個重要因素鉆孔沉渣厚度,凸顯出了對其檢測的重要性和迫切性。聲波是一種機械波,振動頻率在20Hz20kHz的范圍內(nèi),可為人耳所感覺的稱作可聞聲波;振動頻率在20Hz以下的無法被人耳感知,但卻能被許多動物感受到的稱為次聲波,比如

32、發(fā)生地震前的次聲波;超聲波是由機械振動產(chǎn)生的,振動頻率大于20kHz的一種特殊的聲波,可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播,主要特點為能量集中、指向性好、介質(zhì)中傳輸衰減小、反射能力強等優(yōu)點17。(1按超聲波的波型分由波動中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向的不同關(guān)系,對應(yīng)著不同的波型,超聲檢測中常用的波型有縱波、橫波、表面波和蘭姆波18-19。縱波的質(zhì)點振動方向與波的傳播方向平行,由介質(zhì)的壓縮彈性引起,亦稱疏密波或壓縮波。在超聲檢測中應(yīng)用最多的是超聲縱波,它是上述四種波型中唯一能夠在固、液、氣三種形態(tài)的物質(zhì)中傳播的波型。橫波的質(zhì)點振動方向與波的傳播方向垂直,由受到交變剪切力作用的介質(zhì)的剪切形變產(chǎn)生,因剪切力

33、不能在氣、液體中傳播,所以橫波僅能在固體中傳播。超聲檢測中用來檢測表面和近表面缺陷的表面波主要是指瑞利波(表面波的一種,對檢測表面裂紋具有很高的靈敏度,它沿界面?zhèn)鞑ザ覂H產(chǎn)生于氣體或者液體介質(zhì)與半無限大固體介質(zhì)的交界面上。表面波也不能在氣、液體中傳播。蘭姆波是一種沿薄板延伸方向傳播的、由傾斜入射到薄板中的聲波所產(chǎn)生的波型19。(2按超聲波的波形分波陣面是指聲源在傳播過程中,某一時刻介質(zhì)中各相同相位振動點所連成的面;而波前則指某一時刻距聲源最遠的各振動點所連成的面;由此可知,任一時刻,波前是指距聲源最遠的波振面,而且僅有一個,但是波振面可以同時有任意多個。三種波振面的形狀,即相互平行的平面、同心

34、球面和同軸圓柱面,分別對應(yīng)平面波、球面波和柱面波三種波動類型。(3按發(fā)射超聲的類型分根據(jù)發(fā)射超聲類型的不同,分別將介質(zhì)中各質(zhì)點振動時間為無窮和很短的波稱為連續(xù)波和脈沖波,其中,脈沖波在超聲檢測中應(yīng)用最多19。(4按頻率分根據(jù)聲波頻率的不同范圍可分為:×超聲波:2104108Hz;高頻超聲:1081010Hz;特高頻超聲:>1010Hz。超聲波是一種機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程,其特征是指向性較好,能量較集中,穿透本能力強,傳播過程能量消耗緩慢,衰減較小,在介質(zhì)中的傳播距離較遠,且反射能力較強20-22。超聲波實現(xiàn)對樁基鉆孔沉渣厚度的測量,正是基于超聲波所具有的上述特性,而且其

35、在傳播過程中遇到不同介質(zhì)的分界面(例如泥漿與沉渣的交界面時,會產(chǎn)生明顯的反射,從而可以通過檢測沉渣上下兩個界面(泥漿與沉渣的上交界面即沉渣上界面和沉渣與其下部持力層原狀土的交界面即沉渣下界面反射的兩個回波信號之間的時間差,間接求出所檢測的沉渣厚度。聲壓與聲強是兩個用來描述超聲場的物理量。超聲場則是指介質(zhì)中存在超聲波的區(qū)域,聲阻抗是與界面上超聲波的行為密切相關(guān)的一個重要參數(shù)19,23。(1聲壓聲壓是指介質(zhì)中某一點在某一時刻有超聲場和無超聲場存在所具有的壓強之差;單位是Pa(帕斯卡,用表示。超聲場中某一點的聲壓是一個變化量,時間和距離不同,聲壓也不同?？梢宰C明,對于無衰減的平面余弦波有: P si

36、n (x P cA t cu c=-= (2.1 式中: 代表介質(zhì)的密度;c 代表介質(zhì)中的聲速;A 代表介質(zhì)中質(zhì)點的位移振幅;代表角頻率;u 代表質(zhì)點振動速度。上式中,代表聲壓的振幅,在實際應(yīng)用中,真正代表超聲波強弱的是聲壓振幅,而不是某時刻對應(yīng)的聲壓大小。因此,聲壓通常指的是聲壓振幅,用cA t p 表示,即19。p cA =(2聲強聲強也稱為聲的能流密度,即單位時間內(nèi)單位面積上沿垂直于聲波傳播方向的平面上所通過的聲能量。對于諧振波而言,其聲強通常用一周期內(nèi)的能流密度平均值來衡量,用符號I 表示:22p I c= (2.2 式中,p 為聲壓幅度。(3聲阻抗在超聲場中,由某點聲壓為p cu =

37、可知,在聲壓p 一定的條件下,可知c 的大小和質(zhì)點的振動速度成反比,故把u c 稱為介質(zhì)的聲阻抗,用大寫字母Z 表示。在研究界面上超聲波的行為時,超聲波通過介質(zhì)間的分界面時的能量分配取決于聲阻抗的大小。(1聲速聲速是超聲波傳播速度的簡稱,超聲波作為一種聲波,其在媒介中的傳播速度和媒介自身的密度、彈性模量以及聲阻抗等特性有關(guān),對用于沉渣厚度測量的超聲縱波而言,其在沉渣介質(zhì)中的傳播速度只決定于沉渣介質(zhì)本身的特性,而不受聲波本身特性的影響19。由此可知,超聲波在成分不同的沉渣中的傳播速度也是不同的,而且即使是在相同的介質(zhì)中,不同的溫度條件下,超聲波的傳播速度也會發(fā)生變化。針對不同的沉積層類型,在常溫

38、條件下(溫度為25,超聲波在相應(yīng)沉積層中對應(yīng)的傳播速度,如表2.1所示5。表2.1 沉積層類型及對應(yīng)的聲速Table 2.1 Sedimentary types and their corresponding speed of ultrasound類型粗砂細沙很細沙泥沙泥沙泥粘土粘泥泥質(zhì)粘土聲速(m/s1836 1753 1697 1668 1664 1580 1546 1520 需要注意的是,超聲波作為一種聲波,沉渣介質(zhì)的溫度變化會影響超聲波的傳播速度,沉渣介質(zhì)的溫度變化會進一步影響到沉渣介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)的變化,這又會導致超聲波的聲速進一步發(fā)生變化。實際測量中,在沉渣介質(zhì)均勻,而且溫度變

39、化范圍很小的情況下,可近似認為超聲波在傳播過程中的聲速是保持不變的。因此,在沉渣厚度的測量過程中可以參考上表中的聲速進行相應(yīng)的計算。(2波長波長是指聲波中兩個相鄰同相位點之間的距離,用表示。波長對于縱波而言是指兩個相鄰密集點(或稀疏點之間的距離,而對于橫波而言是指兩個相鄰波峰(或波谷之間的距離。超聲波在某種介質(zhì)中的傳播速度可以用其頻率與該介質(zhì)中對應(yīng)的波長的乘積來表示,超聲波在泥漿或沉渣中的傳播速度相對于3´810m/s的電磁波則顯得很慢,以細沙為例,超聲波在其中的傳播速度為1753 m/s (25時。在給定的介質(zhì)中,除蘭姆波等特殊情況以外,超聲波的聲速不會跟隨其頻率的改變而變化,故其

40、頻率越高,對應(yīng)的波長就會越短,當檢測沉渣厚度的超聲波的傳播速度較低且波長很短時,便能夠得到較高的厚度分辨率,正是由于這種較高的分辨率特性,才使高精確度的測量成為可能。(3頻率超聲波的信號頻率決定了其在聲線方向上的探測分辨率、探測精度和穿透的深度,當其信號頻率越低時,穿透能力反而越強,不過分辨率和精度則會變差;相反,當信號的頻率越高時,其探測的分辨率和精度則越高,但是其穿透深度又會隨之減小。超聲波的穿透能力在液體、固體中顯得尤為突出,在不透明的固體中能達到幾十米的穿透深度。(4衰減超聲波的傳播速度在同一介質(zhì)中是相同的,在不同介質(zhì)中傳播時會由于介質(zhì)的吸收而使其強度減弱,它在氣體中衰減是最大的,液體

41、中次之,固體中的衰減最小21。另外,超聲波的信號頻率越高,其在介質(zhì)中傳播時的衰減就越厲害,穿透能力也會越弱,傳播的距離也就越短。超聲波在介質(zhì)中傳播的過程中聲束的擴散、聲波的散射以及介質(zhì)的吸收作用是引起超聲波衰減的三個主要方面。聲束擴散引起的信號能量的衰減稱為擴散衰減;傳播介質(zhì)的不均勻性引起的超聲波的散射使得聲能或聲壓的衰減稱為散射衰減;傳播介質(zhì)的粘滯性以及介質(zhì)的熱傳導作用導致的聲能損耗稱為吸收衰減。(5反射作為一種特殊的聲波,超聲波同樣具有反射、折射、干涉、衍射和散射等聲波傳輸?shù)母鞣N基本的物理特性。超聲波在傳播過程中遇到不同的介質(zhì),其反射信號的強弱也不同,由于布、棉花一類的媒介能夠吸收超聲波,

42、因此它們幾乎檢測不到反射回波,而金屬、木材、橡膠、混凝土等則能反射近乎100%的超聲波19,同時,超聲波會在不同介質(zhì)的分界面產(chǎn)生較為明顯的反射、折射,從而形成反射回波,因此,系統(tǒng)設(shè)計中可以很好的利用這一特性,通過檢測回波信號實現(xiàn)對不同參數(shù)的測量。另外,眾所周知,多種波型可以在固體介質(zhì)中傳播,而只有縱波可以在液體和氣體介質(zhì)中傳播。由于在沉渣厚度的測量過程中超聲波首先是在泥漿媒介中傳播,因此,發(fā)射波和反射回來的回波信號只能為縱波,而且入射角等于反射角,滿足幾何光學的反射定律,即超聲縱波的入射聲束、反射聲束(回波信號和入射點的法線在一個平面內(nèi),而且聲束的入射角等于反射角19。2.2 沉渣厚度超聲測量

43、方法相對于其他測距方法,超聲波測距方法有如下特點19,24-26:(1與普通聲波相比較,超聲波的優(yōu)勢在于其定指向性較好、能量比較集中,在傳輸?shù)倪^程中衰減較小,而且其反射能力較強等。(2與光學方法相比較,超聲波的傳播速度較低,因而可用于測量距離較近的目標,且能獲得較高的縱向分辨率;另外,超聲波由于對光照度、色彩、電磁場等不敏感,因此,對惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力。(3超聲換能器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信息處理簡單,因此,易于實現(xiàn)小型化和集成化。目前超聲測量技術(shù)應(yīng)用于測量鉆孔沉渣厚度的研究還很少,不過超聲波測距作為一種有效的非接觸式測距方法,已廣泛用于測量各種距離、物位、厚度等參數(shù)的場合,如金

44、屬探傷、距離測量、厚度測量,并在海洋探查與開發(fā)、無損檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的作用27,超聲檢測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用的相當成熟了,將超聲波用于測量樁基鉆孔沉渣厚度其原理上是超聲測距技術(shù)的進一步推廣,同時,設(shè)計的超聲檢測系統(tǒng)中采用的厚度測量方法也是根據(jù)超聲測距方法中的渡越時間法的原理來實現(xiàn)對沉渣厚度測量的。超聲波測距作為一種比較成熟的技術(shù),有許多可供借鑒的資料,從而為沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供依據(jù)和參考。超聲檢測技術(shù)有多種分類方式19,較常用的如表2.2所示。表2.2 超聲檢測技術(shù)分類Table 2.2 Classification of ultrasonic detection分類方式名稱原

45、理脈沖反射法、穿透法、共振法。顯示方式A型顯示、B型顯示、C型顯示。波形縱波法、橫波法、瑞利波法、蘭姆波法。探頭數(shù)目單探頭法、雙探頭法、多探頭法。耦合方式接觸法、液浸法。入射角度直射聲束法、斜射聲束法。以較常用的單個探頭縱波垂直入射脈沖反射接觸法(A型顯示可以看出,每一種超聲檢測技術(shù)均是由上表中不同方式組合而成的。實際應(yīng)用中,根據(jù)檢測對象、檢測目的等的不同來選擇合適的檢測技術(shù)。本論文選擇的超聲檢測技術(shù)為單探頭縱波垂直入射脈沖反射液浸法。超聲波檢測方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法等多種,相位檢測法檢測精度較高,但是范圍有限;而聲波幅值檢測法又易受到反射波的影響20,28;渡越時間法即

46、時間差測距法,其原理是測量超聲波從發(fā)射點到目的地所用的傳輸時間20-23,29,本論文即采用超聲波渡越時間法實現(xiàn)對沉渣厚度的測量。2.3 渡越時間法沉渣厚度測量原理超聲波渡越時間法測量沉渣厚度的原理如下:超聲換能器探頭由自重垂直浸入泥漿中,間隔一定的時間(進行多次測量垂直向樁底發(fā)射超聲波信號,超聲波在泥漿媒介中傳輸,遇到泥漿與沉渣的上交界面即沉渣上界面時一部分反射回來被超聲換能器(收發(fā)同體的超聲換能器接收;另一部分則進入沉渣中并繼續(xù)傳播,當遇到沉渣與其下部持力層原狀土的交界面即沉渣下界面時再次反射,其中的一部分反射波再次被超聲換能器接收,通過測量超聲換能器前后兩次接收到的回波信號之間的時間差,

47、便可以計算出所測沉渣的厚度。測量原理如圖2.1所示。 圖2.1 沉渣厚度超聲測量原理Fig . 2.1 Principle of sediments thickness ultrasonic measurement 渡越時間法測量沉渣厚度,實際是對超聲波穿透沉渣層所經(jīng)歷的時間(聲波走時或聲時差,即聲波往返于沉渣上下兩個界面時間的測量。假設(shè)超聲波在泥漿或者沉渣介質(zhì)中的傳播速度是一定的(參照表2.1,當超聲波在沉渣中傳播的聲速確定以后,只需要測得超聲波在沉渣上下兩個分界面的兩個首波信號(上界面的第一個回波信號和下界面的第一個回波信號之間的時間差t ,則根據(jù)下式就可以計算出所測沉渣的厚度5,即:v

48、v d 12d =vt (2.3 式中:超聲波在該沉渣中的傳播速度;v 聲波往返于沉渣上下兩界面的時間。t 在沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)工作時,將超聲傳感器放在距沉渣大約有幾十厘米的地方,待換能器穩(wěn)定以后,則開始向沉渣發(fā)射超聲波,超聲波被沉渣的上下界面反射回來,依次被超聲換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過后續(xù)的處理、采樣等電路,將回波信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號傳送至上位機,通過上位機軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理,最后計算出沉渣厚度,上述過程是對沉渣厚度的一次測量。這個測量過程可以反復進行,實現(xiàn)對沉渣厚度的多次測量,可將多次測量結(jié)果的平均值作為沉渣厚度的最終測量結(jié)果。超聲換能器在沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)中擔負著發(fā)射和

49、接收超聲波的任務(wù),是系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,它的參數(shù)直接影響到整個系統(tǒng)的技術(shù)指標,如穿透深度、探測精度和厚度分辨率等。因此,換能器的參數(shù)是否合適,直接影響到整個測量系統(tǒng)的準確性、可靠性及檢測性能等。3.1 超聲換能器概述超聲換能器,也稱為超聲波傳感器或者是超聲波探頭,在超聲波頻率范圍內(nèi)是一種能量轉(zhuǎn)換器件,它可以實現(xiàn)將交變的電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號或者是將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號,是發(fā)射和接收超聲波信號的器件。當其既用于發(fā)射又用于超聲波時,則稱其為收發(fā)兩用型的換能器30-32。超聲換能器種類繁多,有多種不同的分類方式,如按能量轉(zhuǎn)換機理和換能材料(有壓電、磁致伸縮、電容型換能器等、振動模式(有縱向振蕩、剪切振

50、蕩、扭轉(zhuǎn)振蕩換能器等、工作介質(zhì)(有氣介、液體、固體換能器等、工作狀態(tài)(有發(fā)射型、接收型、收發(fā)兩用型超聲換能器等19,32 分類方式。目前,在理論研究和實際應(yīng)用中涉及到最多的是壓電式超聲換能器,因此,在所有的換能器中,壓電式超聲換能器是當前超聲領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種換能器,原因在于:一方面是它結(jié)構(gòu)簡單,易于激勵,壓電陶瓷元件極化以后被用于換能器,則激勵該換能器就不再需要極化電源了,從而使壓電換能器的激勵電路得以簡化,但是其他類型的換能器(如磁致伸縮換能器則需要極化電源而使得激勵電路變得復雜;另一方面是它較易加工和成型,因而能夠在許多不同的場合發(fā)揮其作用。目前,在超聲的研究及應(yīng)用中比較常用的壓電

51、超聲換能器的電介質(zhì)是壓電陶瓷材料,其優(yōu)點有:機電轉(zhuǎn)換效率高(80%左右、改變成分即可得到各種性能的超聲換能器、較易成型、造價低、性能穩(wěn)、易于推廣;但也存在脆性較大、抗張強度較低、大面積元件較難成型以及超薄高頻換能器一般較難加工等缺點19。壓電超聲換能器之所以能夠?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,即實現(xiàn)電聲信號或者聲電信號的轉(zhuǎn)換,是通過石英、壓電陶瓷以及壓電薄膜等具有壓電效應(yīng)的各種電介質(zhì)實現(xiàn)的。壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是壓電材料所具有的兩種特性(統(tǒng)稱為壓電效應(yīng),壓電材料由于受到外力作用而使表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng),而當壓電材料放入電場中,由于電場的作用而發(fā)生的彈性形變現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng);逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)可以

52、分別產(chǎn)生和接收超聲波信號,即當壓電材料的兩側(cè)受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動,即可產(chǎn)生超聲波(為逆壓電效應(yīng),當超聲波傳播過程中遇到壓電材料時,壓電材料受迫振動引起的拉伸和壓縮而在壓電材料表面形成電荷,即產(chǎn)生電信號(為正壓電效應(yīng),該電信號可以作為超聲波的接收信號21,33。以壓電陶瓷振子為例,接入圖 3.1(a所示的電路中以研究換能器頻率與電流、阻抗的關(guān)系,當施加到壓電陶瓷振子上的信號頻率由低到高變化時,壓電陶瓷振子上的電流會跟隨輸入信號頻率的變化而變化,如圖3.1(b所示34。II I mn f(a (b圖3.1 壓電陶瓷振子的電流-頻率之間的關(guān)系圖 Fig . 3.1 The relationsh

53、ip between the current and frequency of the piezoelectric ceramic oscillator 由圖3.1 (b可以看出,壓電陶瓷振子的傳輸電流在輸入信號頻率為m f 和n f 的地方分別出現(xiàn)最大和最小電流。上述情況表明壓電陶瓷振子的等效阻抗也是隨著輸入信號頻率的變化而變化的,如圖3.2所示。| Z mn f圖3.2 壓電陶瓷振子的阻抗特性曲線示意圖Fig . 3.2 Diagram of impedance characteristic of the piezoelectric ceramic oscillator由圖3.2知,輸入信

54、號頻率為m f 和n f 的地方分別出現(xiàn)最大和最小電流,而在壓電陶瓷振子出現(xiàn)最大傳輸電流,即f =m f 時,對應(yīng)的等效阻抗最小;在壓電陶瓷振子出現(xiàn)最小傳輸電流,即f =n f 時,對應(yīng)的等效阻抗最大。因此,通常稱m f 為最小阻抗頻率,而稱n f 為最大阻抗頻率34。當繼續(xù)增大輸入信號的頻率,在圖3.1(b中的曲線后面會繼續(xù)出現(xiàn)一系列的次最大電流值和次最小電流值,對應(yīng)的頻率分別為其他振動模式的諧振頻率,這里就不作討論了,因為通常較多使用的是壓電陶瓷振子的基波振動頻率。在聲學研究領(lǐng)域中常用到電力聲類比的方法來研究超聲換能器的發(fā)射和接收超聲波的特性(即機電特性;所謂類比就是利用物理現(xiàn)象存在的各種

55、不同的普遍規(guī)律和數(shù)學描述上的相似性,通過將較陌生的物理系統(tǒng)等效成一種比較熟知的物理系統(tǒng)加以分析和研究的方法34。研究超聲換能器較為常用的方法是等效電路分析法35-36。由圖3.2知,壓電陶瓷振子的阻抗特性與串并聯(lián)諧振電路的阻抗特性完全相似,因此,壓電陶瓷振子諧振時的機電特性可以用圖3.3的等效電路表示19,37-38。 LC 1L 1 C 1R圖3.3 壓電陶瓷振子等效電路圖Fig . 3.3 Equivalent circuit diagram of piezoelectric ceramic oscillator圖中為壓電陶瓷振子的靜態(tài)電容或者稱為鉗位電容,而0C 1R 、則分別表示其等效

56、電阻、等效電感和等效電容。當不考慮壓電陶瓷振子的機械損耗,即當壓電陶瓷1L 1C振子的等效電阻1R =0時,可得振子的輸入阻抗與頻率的關(guān)系為34, 39:1101021/22(21/21/2fL fC Z fC fL fC 1fC -=- (3.1 由式(3.1以及諧振理論可得,振子的最小阻抗頻率為:m f = (3.2 最大阻抗頻率為:+=1010121C C C C L f n (3.3LC 3.3 超聲換能器參數(shù)選擇系統(tǒng)設(shè)計中采用的超聲換能器為中心頻率100kHz 、帶寬40KHz 、尺寸(這里指直徑60mm 的小功率、圓形壓電陶瓷寬帶超聲換能器,如下圖3.4所示,工作介質(zhì)為泥漿和沉渣,

57、是收發(fā)同體的超聲換能器,即它既用于產(chǎn)生超聲波信號又完成對回波信號的接收。 圖3.4 實驗用的超聲換能器Fig . 3.4 Ultrasonic transducer of system selected該換能器是根據(jù)鉆孔沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)的實際技術(shù)指標要求等通過一定計算而選擇出來的。本文設(shè)計的系統(tǒng)工作在樁基鉆孔中,根據(jù)樁基鉆孔的尺寸以及工程技術(shù)規(guī)范對沉渣厚度測量的要求,應(yīng)該選取尺寸小于10cm 、縱向分辨率約為2cm 、換能器下垂直距離約70cm 處的水平分辨率小于20cm 的換能器。另外,設(shè)計的系統(tǒng)要求沉渣厚度的測量誤差應(yīng)小于0.5cm 。下面根據(jù)這幾方面的要求來確定所選換能器的工作頻率、開角、尺寸和帶寬等主要參數(shù)。(1換能器的工作頻率超聲換能器的工作頻率的選擇是否合理直接決定了其頻率特性和方向特性,以及其發(fā)射功率、效率和靈敏度等重要性能指標的優(yōu)劣。通常,超聲換能器的工作頻率等于其本身的諧振頻率,也決定了整個超聲檢測設(shè)備的工作頻率,此時換能器將獲得最佳的工作狀態(tài)、最大的發(fā)射功率、效率和較高的靈敏度19,21。在沉渣厚度超聲測量系統(tǒng)中,超聲波頻率即為換能器的工作頻