專利名稱:公路無損檢測儀的制作方法
本實用新型涉及一種檢測儀，特別涉及一種對公路，尤其是對高等級公路、高速公路在無損情形下就公路路基進行檢測的儀器。
在本實用新型作出之前，對已經造好的公路進行質量檢測，其方法不理想，效果也不好。通常，公路在建造過程中，對其質量控制主要是加強監理，但監理不能代替質量檢測部門進行的質量鑒定。一旦公路全部建成，除外觀、平整度等可以檢測外，要想對公路表面以下進行檢測顯然就很困難了。采取鉆孔取芯雖然較簡單、價廉，但一來鉆孔是不連續的，無法檢測整個公路的質量，二來在行車道等部位又不能鉆孔，而行車道卻是公路最關鍵的部位。這樣的檢測效果就可想而知了，況且對混凝土路面取芯本身就很困難。對公路進行放射性中子源檢測效果是相當不錯，但對公路及公路兩側方圓相當大的區域有嚴重的放射性污染，而且對放射源保管的巨大費用也難以使用戶承擔，因此也難以推廣使用。
公路表面以下的質量是否達標是公路建設的百年大計，但由于各種因素的存在和影響，公路包括高等級公路和高速公路的質量問題仍然時常發生，極易造成各種人員傷亡和物質財產損失。所以，公路質量檢測是萬萬不可缺少的。
本實用新型的目的就在于克服上述缺陷，設計一種簡單、方便又無污染且檢測準確性高的檢測儀器。
本實用新型的技術方案其主要技術特征在于換能器發射裝置由發射器、發射控制電路、高壓發生電路構成，高壓發生電路輸出至發射控制電路，發射控制電路輸出至發射器。
其主要技術特征在于換能器接收裝置由接收器、前置放大器、可控增益放大電路、首波到時檢測電路、幅度檢測電路、信號緩沖電路、A/D電路、微處理器構成，接收器輸出接前置放大器，前置放大器輸出接可控增益放大電路，可控增益放大電路輸出分別接幅度檢測電路、首波到時電路，幅度檢測電路輸出接信號緩沖電路，信號緩沖電路輸出接A/D電路，A/D電路與微處理器互動連接，首波到時電路輸出接微處理器，微處理器控制連接可控增益放大電路。
本實用新型的優點和效果在于結構簡單、使用方便，無污染，對公路路面無損傷，而檢測的準確性很高，能將公路表面以下的實際部分完全檢測出來，自動與設計圖紙和要求進行對比，從而判斷是否合格。
附圖
圖1-本實用新型換能器發射裝置電子線路原理示意圖。
圖2-本實用新型換能器接收裝置電子線路原理示意圖。
圖3-使用本實用新型進行檢測的原理示意圖。
圖4-公路瀝青層體積模型示意圖。
圖5-在公路橫截面上發射、接收示意圖圖6-接收器接收聲波圖形、時間示意圖。
圖7-高壓發生電路3圖。
圖8-前置放大器6圖。
圖9-開關電路7圖。
圖10-可控增益放大電路8圖。
圖11-幅度檢測電路9圖。
圖12-首波到時檢測電路13圖。
圖13-信號緩沖電路10圖。
圖14-A/D電路11圖。
圖15-微處理器12的圖(一)。
圖16-微處理器12的圖(二)。
實施例聲波檢測技術在理論上以及實踐中都已經證明特定波長的聲波能夠穿透一定厚度的路面表層并按一定的波長反射回來。由于穿透的路面到路基各層的介質密度不同，反射回來的時間也不同，因此通過聲波信號檢拾器的收集，再送入計算機進行處理就可以得到路面的完整信息。而公路的質量與公路表面以下各層的配方、壓實程度、含水飽和度等指標有關，而這些參數中最客觀的指標就是介質密度。在進行檢測前，將公路設計要求、經實驗獲得的路面質量數據和計算機數據之間建立標準的對應關系，并以此作為路面質量的檢測標準，每段公路可以有各自的介質密度對應標準。然后，將通過聲波發射、反射得到的數據與存入計算機中的數據進行對比，就可以進行準確的檢測。由于這些數據都保留在計算機中，公路使用以后的定期檢測數據仍可以由計算機自動地與以前的數據進行對比，從而發現路面質量的變化和實際損壞程度，以便及時予以維修。
本實用新型就是根據這一原理而設計的。
如圖1所示換能器發射裝置由發射器1、發射控制電路2、高壓發生電路3構成，電源電路4向高壓發生電路3提供電源，高壓發生電路3輸出至發射控制電路2，發射控制電路2輸出至發射器1。電源電路4由車載發電機交流電轉變為+15、-15、+5直流電供給電子線路；高壓發生電路3由220VAC通過升壓電路3-1升至650VAC，再經整流電路3-2成700VDC至π型濾波電路3-3，再至儲能元件電路3-4，儲能元件電路3-4由并聯電容組成，容值為8MF，穩壓電路3-5由IC、電阻及電感組成，將儲能元件電路3-4的輸出450VDC穩定，如圖7所示；發射控制電路2由可控硅及相關電阻組成，當可控硅的門極有脈沖時，使可控硅導通，高壓通過可控硅對發射器1進行激勵；發射器1由壓電陶瓷換能器和高壓變壓器組成，而高壓變壓器的變壓比為1∶10，次級產生4500V高壓，激發壓電陶瓷換能器，壓電陶瓷換能器為多片聚能式結構。
如圖2所示換能器接收裝置主要由接收器5(本例中設兩個接收器5)、前置放大器6、開關電路7、可控增益放大電路8、幅度檢測電路9、信號緩沖電路10、A/D電路11、微處理器12構成，接收器5輸出至前置放大器6，前置放大器6輸出至開關電路7，開關電路7輸出至可控增益放大電路8，可控增益放大電路8輸出至幅度檢測電路9，幅度檢測電路9輸出至信號緩沖電路10，信號緩沖電路10輸出至A/D電路11，A/D電路11與微處理器12互動連接，微處理器12輸出連接可控增益放大電路8；輔助電路有首波到時電路13、存儲器14、同步電路15、里程計數器16、電腦操作平臺17、監視器18、打印機19等，可控增益放大電路8一路輸出至首波到時電路13，首波到時電路13輸出至微處理器12，存儲器14、電腦操作平臺17互動連接，電腦操作平臺17分別連接監視器18、打印機19，里程計數器16分別連接至微處理器12、電腦操作平臺17，微處理器12一路連接至同步電路15，同步電路15輸出連接至開關電路7。
接收器5由換能器和耦合變壓器組成，換能器為雙片迭代結構，中心頻率為15KHZ；前置放大器6由運算放大器OP471及其外圍元件電阻、電容等組成，放大倍數48，中心濾波頻率15KHZ，A1的通帶頻率為大于13KHZ，A2的通帶頻率為小于18KHZ，形成15KHZ的濾波器，如圖8所示；開關電路7由譯碼器組成，U3為微處理器12控制，通過A0、A1的數值，分別選通二個接收器5中的一個，即R1或R2，選通的信號則是由U3的OUT輸出，如圖9所示；可控增益放大電路8主要由A5、A6組成，A5放大器放大倍數由外接電阻排決定，U6由微處理器12輸出端A0、A1、A2控制其OUT端分別與IN端連接，形成不同的放大倍數，A6的放大倍數36，由于A0、A1、A2的000、001、......111，共有八種組合，因而有八個不同增益，如圖10所示；幅度檢測電路9主要由A9、A10及儲能元件組成，聲波信號從可控增益放大電路8輸出至幅度檢測電路9的A9，A9為單位增益，A9輸出經過D5給電容C23充電，充電電量大小代表幅度大小，此電壓經過A10輸出，U8為微處理器12控制的電路，當M1、M2分別為00時，U8的D1端與S1、S2斷開，C23充電，當信號被A/D轉換完后，微處理器12使M1、M2為10時，U8的D1與S1接通，C23通過U8放電，為下一個信號作準備，如圖11所示；首波到時檢測電路13將可控增益放大電路8送來的信號由其A16及外圍電路進行相位變化，使輸入聲波的相位延遲90度，使其首波過零點，A17為比較器，其PIN3為門檻電壓，其大小由微處理器12控制的信號C0、C1、C2、C3控制，U5為可編程計數器，U9為數據寄存器，當聲波發射同步SSYNC觸發發射電路時，計數器U5開始計數，接收器5接收到信號，當信號首波幅度大于門檻電壓時，A17輸出高電平，使計數器U5停止計數，計數時間代表從發射到接收到信號聲波的這段時間，即為聲波傳播時間。在微處理器12的控制下，其時間值則由U9送至微處理器12處理，如圖12所示；信號緩沖電路10，如圖13所示；A/D電路11由其中的U7完成聲波信號的模數轉換，控制信號RD、CS、BUSY是由微處理器12控制的，當信號到達U7后，微處理器12發出CS信號，A/D開始轉換，BUSY信號變高，此信號給微處理器12，轉換完成后，BUSY位變低，微處理器12發出RD信號，數據通過D0至D7到數據寄存器U4，由數據寄存器U4輸出到微處理器12，如圖14所示；微處理器12主要由U10為信號采集的控制主體，D0至D7為數據線，A0至A15為地址線，U11為D觸發器，完成電平轉換，即數據線與地址線的切換，而U12為EPROM，為微處理器12的控制程序，控制發射和數據采集，U13為RAM存儲器，實際有二片RAM(為方便只畫了一片)，U14為數據方向切換，由聲波數據包括幅度數據及時間數據經U14的A0-A7端輸入，由U14的B0-B7輸出至RAM中，微處理器12提供高速A/D、幅度檢測、首波到時檢測、發射啟動等電路的控制信號，如圖15、圖16所示。
工作時如圖1所示，電源電路4向高壓發生電路3提供電源，高壓發生電路3產生高壓，輸出至信號轉換電路2形成高壓脈沖信號，通過發射器1發射出15KHZ聲波。
如圖3所示，聲波發射出去后，遇到公路表面下的瀝青層、二灰碎石層、二灰層、填土層等，由于介質密度的不同，就有不同的聲波傳播時間和聲波能衰減，反射到設置于公路上的換能器接收裝置。
如圖2所示，換能器接收裝置的兩個接收器5接收到反射回的聲波信號，兩個接收器5設置在公路兩端或兩側，換能器發射裝置放在公路中間；發射器1以一定的頻率和功率發射聲波，該聲波是用來檢測公路路基第一層的，即瀝青層，由一個接收器5接收瀝青層的體積模型如圖3所示，瀝青層其實就是瀝青混合料，是一種具有空間網絡結構的多相分散體系，主要由骨料、瀝青和空氣組成，其中Ba為視體積，BC為真體積，γa＝(Pe+Pg)/Ba為視容重，γc＝(Pe+Pg)/Bc為真容重，Bv為空氣體積，Be為瀝青體積，Bg為骨料體積，Bce為空氣與瀝青體積之和Pe為瀝青重量 Pg為骨料重量孔隙比 e＝(Bce/Bg)空隙率 n＝(Bce/Ba)*100％飽和度 S＝(Be/Bce)*100％壓實度 k＝(γa/γc)*100％聲波經過瀝青路面傳播，由于瀝青路面的空隙率、孔隙比及壓實程度不同，導致聲波的傳播時間和聲波能的衰減不盡相同，實驗證明，聲波傳播速度與公路骨料及其填充物符合時間平均值方程，即聲波在單位體積二相體內的傳播可分為兩部分，一部分是骨料部分，其體積為(1-n)，其聲速為Vg，另一部分是充滿瀝青的孔隙，用空隙率n表示，其聲速為Ve，聲波在這一路面中的傳播時間為這兩個組成部分的傳播時間之和，即1/V＝n/Ve+(1-n)/Vg用聲波傳播時間形式可寫為Δt＝nΔte+(1-n)ΔtgΔt即為聲波傳播平均時間Δte空隙傳播時間，可由實驗室測定，Δtg骨料傳播時間，可由實驗室測定，用時間平均值方程可以確定瀝青層的空隙率n=Δt-ΔtgΔt-Δte]]>而在實際情況下，巖石空隙中也含有瀝青和空氣，根據體積模型可以得出Δt＝n〔seΔte+(1-se)Δtv〕+(1-n)Δtgn=Δt-ΔtgSeΔte+(1-Se)Δtv-Δtg]]>SE為含瀝青飽和度Δtg、Δte和Δtv可由實驗室測定。該接收器5(稱R1)測得傳播誤差時間，如圖6所示ΔtR1＝T2-T1其中，T2實際測得瀝青層傳播時間，T1為實驗測定的設計要求的傳播時間。二者相同或接近，表示實際的公路瀝青層介質密度與設計要求的相同或接近，這個誤差越小，表明質量越接近設計要求。這個計算是通過將實際測得的傳播時間與事先已存儲在微處理器12中設計要求的傳播時間對比而實現的。
發射、接收的信號為正弦波列，將此正弦波列送至前置放大器6進行濾波、放大，然后進入開關電路7，開關電路7控制兩個接收器5中的一個信號進入可控增益放大電路8，開關電路7受到由微處理器12發出的通過同步電路15的同步信號的控制，可控增益放大電路8受到微處理器12的控制，其對信號進行放大的放大倍數由微處理器12根據信號的強弱進行選擇，本例中有8種增益，即1.00、1.41、2.00、2.82、4.00、5.66、8.00、11.31等，使得信號標準化，以便下一步精確地進行A/D轉換；信號經可控增益放大電路8后分為二路，一路送至幅度檢測電路9進行峰值檢測，幅度檢測電路9主要由充電電容及其他元件組成，聲波峰值對充電電容充電，充電電壓的大小代表幅度的大小，此電壓至信號緩沖電路1O經過處理后至A/D轉換電路11，A/D轉換電路11的A/D轉換速度為1.6us一個采樣點，為8位數據，轉換后的數據送微處理器12存儲，另一路送到聲波到時檢測電路13，聲波到時檢測電路13由計數器和其他元件組成，從聲波發射瞬間開始計數，直到接收器5接收到首波時計數才停止，則計數時間代表聲波傳播時間，進入微處理器12進行存儲；微處理器12將收集到的聲波數據包括傳播時間和幅度送入電腦操作平臺17，根據WINDOWS操作平臺和處理軟件包完成聲波數據的計算，轉換為工程值，如空隙度、壓實度、厚度等顯示并通過打印機19打印；對接收的聲波信號通過電腦操作平臺17進行還原并將聲波波形顯示，通過監視器18對上述數據、圖像顯示進行監視。
如圖5所示，發射器1隨后以另一頻率和功率發射聲波(便于區別第一波的15KHZ)，由另一個接收器5(R2)(在公路另一側)接收，間歇時間以納秒計算，重復上述同樣的步驟，對第二層進行檢測，然后進行對比。以此類推，對第三層、第四層等進行檢測、對比。
本實用新型中所有電子線路的輸入、輸出及功能、作用的解釋與說明，使得易于清楚地理解。
由于設置了里程計數器16，因此可將換能器發射裝置和接收裝置放置在機動車上，進行連續的檢測。
采用本實用新型進行檢測，其檢測數據點點連續，因此可以以面的方式進行連片成像，且可以對關鍵部位進行反復檢測。
本實用新型適用于公路包括高等級公路、高速公路，也適用于橋梁，江河大堤、大壩等。
本實用新型的原理也可以適用于相同檢測的情形。
權利要求
1.公路無損檢測儀，其特征在于換能器發射裝置由發射器、發射控制電路、高壓發生電路構成，高壓發生電路輸出至發射控制電路，發射控制電路輸出至發射器。
2.公路無損檢測儀，其特征在于換能器接收裝置由接收器、前置放大器、可控增益放大電路、首波到時檢測電路、幅度檢測電路、信號緩沖電路、A/D電路、微處理器構成，接收器輸出接前置放大器，前置放大器輸出接可控增益放大電路，可控增益放大電路輸出分別接幅度檢測電路、首波到時電路，幅度檢測電路輸出接信號緩沖電路，信號緩沖電路輸出接A/D電路，A/D電路與微處理器互動連接，首波到時電路輸出接微處理器，微處理器控制連接可控增益放大電路。
3.根據權利要求
2所述的公路無損檢測儀，其特征在于換能接收裝置的微處理器分別與存儲器、電腦操作平臺互動連接。
4.根據權利要求
2所述的公路無損檢測儀，其特征在于換能器接收裝置的接收器有二個以上，輸出均接前置放大器，前置放大器輸出接開關電路，開關電路輸出接可控增益放大電路，微處理器輸出至同步電路，同步電路輸出接開關電路。
5.根據權利要求
2、3、4所述的公路無損檢測儀，其特征在于換能器接收裝置的微處理器接入里程計數器電路輸出，里程計數器輸出接電腦操作平臺。
專利摘要
本實用新型涉及一種無損檢測公路路基的檢測儀器。本實用新型采用聲波發射到路各層及反射回來的時間等參數,通過發射聲波,然后接收聲波,進行前置放大、可控增益放大、幅度檢測、信號緩沖、A/D轉換到微處理器控制可控增益放大,首波到時檢測經微處理器處理,測算發射到反射的時間差,以此將事先存入計算機中的公路設計指標進行對比,測得介質密度與設計要求的差異,從而發現施工質量。本實用新型結構簡單、操作方便,檢測效果好,對公路無損壞、無污染。
文檔編號GKCN2491839SQ01238283
公開日2002年5月15日 申請日期2001年6月14日
發明者劉書民, 張寧, 高長勇 申請人:劉書民, 張寧, 高長勇導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan