專利名稱：混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于檢測(cè)與電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試 裝置。
背景技術(shù)：
研究火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷鑒定與修復(fù)，對(duì)盡快恢復(fù)建筑物使用功能，減少間接經(jīng)濟(jì)損 失有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)意義。湘潭市無線電廠的SYC—2型、汕頭超聲電 子儀器廠的CTS—25型非金屬超聲檢測(cè)儀代表了我國20世紀(jì)七八十年代非金屬超聲檢 測(cè)儀的發(fā)展水平。這些儀器基本上都是可以顯示波形，并用游標(biāo)手動(dòng)判讀聲時(shí)參量， 一般由數(shù)碼管顯示。少數(shù)便攜式超聲儀，體積少、重量輕(如北京無線電三廠的JC一2 型)，但無波形顯示設(shè)備，只能進(jìn)行聲時(shí)參量的測(cè)量，測(cè)量方法為整形自動(dòng)讀數(shù)，即將 接收信號(hào)整形為方波，微分成尖脈沖后使計(jì)數(shù)器自動(dòng)關(guān)門，這種整形關(guān)門需要一定的 關(guān)門電平，因此要求接收信號(hào)首波有足夠髙的幅度，否則首波不能關(guān)門，而是后續(xù)波 關(guān)門，造成"丟波"；而當(dāng)噪聲電平過大時(shí)又可能造成"誤判"。因此，在長期距離弱 信號(hào)測(cè)量時(shí)，可能出現(xiàn)判讀錯(cuò)誤。以上儀器均為模擬式超聲儀，不具有對(duì)接收信號(hào)數(shù) 字化自動(dòng)采集功能，需人工記錄數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)分析處理。在20世紀(jì)八十 年后期， 一些超聲儀配有微處理器、機(jī)內(nèi)預(yù)置程序，可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作一定的自動(dòng)分 析處理，如北京市計(jì)量科研所的HQY—901、揚(yáng)州廣陵專用超聲設(shè)備廠的HTY—B型。20 世紀(jì)八十年代末至90年代初，非金屬超聲檢測(cè)儀由數(shù)字式向智能式發(fā)展，初期產(chǎn)品一 般采用單片微處理器作為控制和處理單元，具有一定的數(shù)據(jù)處理功能，但由于受數(shù)據(jù) 采集與傳輸速度、存貯容量以及編程語言等方面的限制，無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示波形， 難以承擔(dān)需要大容量處理單元和髙速運(yùn)算能力支持的信息處理工作。近年來，由北京 市政工程研究院研制的NM系列非金屬超聲檢測(cè)分析儀以PC機(jī)或工控機(jī)為核心，開發(fā) 出了具有一定智能化的檢測(cè)分析儀。所有這些超聲波儀器均無一例外都是針對(duì)普通混凝土結(jié)構(gòu)，而沒有考慮火災(zāi)損傷后混凝土結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)參數(shù)和性能發(fā)生了根本的變 化，因此，沒有推出專門的檢測(cè)火災(zāi)損傷后混凝土結(jié)構(gòu)性能的儀器。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的要解決的技術(shù)問題是提供一種混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝 置，本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、放大器的增益可調(diào)。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下
一種混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝置，其特征在于，包括主控制器、用于發(fā) 出超聲波的發(fā)射器、用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路、用于接收超聲波的接收器、放大電 路、用于計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間的計(jì)數(shù)器、AD轉(zhuǎn)換器、用于啟動(dòng)主控制器中斷的555觸 發(fā)器；所述的主控制器通過所述的驅(qū)動(dòng)電路與所述的發(fā)射器連接；所述的接收器與所 述的放大電路的輸入端連接，所述的放大電路的輸出端通過所述的AD轉(zhuǎn)換器接主控制 器的信號(hào)輸入端，所述的放大電路的輸出端通過555觸發(fā)器接主控制器的中斷端口； 所述的計(jì)數(shù)器與主控制器連接。
所述的放大電路由三個(gè)放大器級(jí)聯(lián)而成。其中第二級(jí)放電器為可增益的放大器；其 增益倍數(shù)有主控制器設(shè)定。
所述的主控制器采用51單片機(jī)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與效果
本裝置又稱超聲波智能測(cè)試裝置，具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、界面友好、安裝調(diào) 試簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。
智能化超聲損傷測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)-
1 、適用于火災(zāi)后建筑構(gòu)件安全性能的檢測(cè)
2 、精度100ns以下
3 、顯示方式9位LED顯示
4 、可通過微機(jī)進(jìn)行輸入?yún)?shù)、數(shù)據(jù)處理和顯示打印
5 、具有自檢、出錯(cuò)告警和記錄功能
6 、配備遠(yuǎn)距離傳輸接口，最長距離為1200米7 、電源220VAC， 50Hz
另外，此裝置還具有可靠性好、使用方便、可通過計(jì)算機(jī)處理、成本低、重量輕、 操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。
本裝置的特點(diǎn)還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面
1 、微處理器采用FLASH單片機(jī)(AT89C52);
2、 采用三級(jí)放大電路，第一級(jí)和第三級(jí)采用固定的高增益帶寬積的精密運(yùn)算放大 器，第二級(jí)采用電壓控制增益運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制；
3、 使用555構(gòu)成的單穩(wěn)脈沖觸發(fā)器觸發(fā)，完成計(jì)數(shù)器停止控制；
4、 傳感器驅(qū)動(dòng)電路的高壓是由脈沖變壓器(T1)產(chǎn)生的(參見圖4)，脈沖變壓器 輸出端還有一個(gè)倍壓電路，使驅(qū)動(dòng)電壓更高，大大的增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力，尤其適應(yīng)于高 溫下的混凝土構(gòu)件的測(cè)試。


圖l為本實(shí)用新型的原理框圖2為本實(shí)用新型與上位機(jī)連接進(jìn)行測(cè)試的結(jié)構(gòu)示意圖3為實(shí)施例1的原理框圖4為驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例l:
如圖1和圖3所示， 一種混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝置，其特征在于，包 括主控制器、用于發(fā)出超聲波的發(fā)射器、用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路、用于接收超聲 波的接收器、放大電路、用于計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間的計(jì)數(shù)器、AD轉(zhuǎn)換器、用于啟動(dòng)主 控制器中斷的555觸發(fā)器；所述的主控制器通過所述的驅(qū)動(dòng)電路與所述的發(fā)射器連接； 所述的接收器與所述的放大電路的輸入端連接，所述的放大電路的輸出端通過所述的 AD轉(zhuǎn)換器接主控制器的信號(hào)輸入端，所述的放大電路的輸出端通過555觸發(fā)器接主控 制器的中斷端口；所述的計(jì)數(shù)器與主控制器連接。所述的放大電路由三個(gè)放大器級(jí)聯(lián)而成。其中第二級(jí)放電器為可增益的放大器；其 增益倍數(shù)有主控制器設(shè)定。所述的主控制器采用51單片機(jī)。
本裝置采用脈沖法測(cè)量原理。智能超聲損傷測(cè)試系統(tǒng)包括智能測(cè)試裝置(即本實(shí) 用新型涉及的裝置)、智能轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)，如圖2所示。
超聲智能損傷測(cè)試裝置是該檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分，測(cè)試裝置精度的高低和可靠性 的好壞都在于對(duì)這部分的設(shè)計(jì)和制作，該測(cè)試裝置的主要功能有 1進(jìn)行上電自檢
2 產(chǎn)生換能器發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)
3 檢測(cè)處理接收信號(hào)并識(shí)別第一個(gè)正脈沖信號(hào)
4 進(jìn)行自動(dòng)增益控制
5 計(jì)算聲路的傳播時(shí)間
6 向上位機(jī)回送測(cè)量的傳播時(shí)間及狀態(tài)
7 進(jìn)行周期性系統(tǒng)檢測(cè)
8 斷電檢測(cè)功能
9 控制輸入輸出功能 10錯(cuò)告警功能
本裝置的微處理器采用FLASH單片機(jī)(AT89C52)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的控制功能，包 括傳感器驅(qū)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)/接收轉(zhuǎn)換控制、A/D和D/A控制、傳播時(shí)間測(cè)量、通信控制、 計(jì)數(shù)控制等；采用三級(jí)放大電路，第一級(jí)和第三級(jí)采用固定的髙增益帶寬積的精密運(yùn) 算放大器，第二級(jí)采用電壓控制增益運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制；在三級(jí)放大電 路之間各加入一個(gè)帶通濾波器，去除低頻噪聲，使有用信號(hào)順利通過；dsl2887為時(shí) 鐘電路芯片，其功能是提供系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘，具有計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、接口簡(jiǎn)單、操作方便的特 點(diǎn)。計(jì)數(shù)器MAX032采用20MHZ，對(duì)超聲波傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得出傳播時(shí)間；傳 感器驅(qū)動(dòng)電路的輸入控制信號(hào)通過高速光電隔離器件進(jìn)行隔離，采用具有高速開關(guān)特 性的MOSFET器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制；通過A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)大小的檢測(cè)，信號(hào) 增益的控制，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制；另外，具有RS—485串行接口。
工作過程檢測(cè)前將混凝土表面磨平，并將污物除去，然后將發(fā)射器(換能器B) 和接收器(換能器A)壓緊于互相對(duì)應(yīng)的一對(duì)測(cè)點(diǎn)，設(shè)它們之間的距離為L。通過鍵盤， 開啟系統(tǒng)，單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)超聲波的發(fā)射傳感器(換能器B)產(chǎn)生超聲波脈沖。此時(shí)單片機(jī)同時(shí)發(fā)一個(gè)控制信號(hào)給計(jì)數(shù)器MAX032,開始計(jì)數(shù)。(說明 驅(qū)動(dòng)電路的高壓是由脈沖變壓器(T1)產(chǎn)生的(參見圖4)，脈沖變壓器輸出端還有一個(gè) 倍壓電路，使驅(qū)動(dòng)電壓更高，大大的增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力，尤其適應(yīng)于高溫下的混凝土構(gòu) 件的測(cè)試(因?yàn)楦邷睾蟮臉?gòu)件對(duì)超聲波的衰減很大，這就要求發(fā)射功率大，才能提高 該測(cè)試裝置測(cè)量精度，此種電路能滿足實(shí)際要求))。該超聲波脈沖經(jīng)過混凝土構(gòu)件， 一部分超聲波被吸收，另外一部分穿透混凝土，被接收傳感器(換能器A)接收，并將 其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓波信號(hào)。該電壓波信號(hào)首先進(jìn)入第一級(jí)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn) 入第一級(jí)濾波器消除干擾電壓，再進(jìn)入二級(jí)放大，因第一級(jí)濾波器不能完全消除干擾， 殘余的干擾信號(hào)同時(shí)被二級(jí)放大器放大，因此設(shè)置第二級(jí)濾波器，繼續(xù)消除干擾，最 后進(jìn)入三級(jí)放大，輸出一個(gè)干擾很小的標(biāo)準(zhǔn)電壓波信號(hào)。(說明第一級(jí)和第三級(jí)放大 采用固定增益放大，完成信號(hào)的基準(zhǔn)放大，采用高速精密放大器LM318，其帶寬為 15MHz,放大倍數(shù)100倍時(shí)，能充分滿足要求；第二級(jí)采用電壓控制的可變?cè)鲆孢\(yùn)算 放大器，選用VCA610芯片，增益為-40dB +40dB即-100 +100倍，這樣當(dāng)?shù)谝患?jí)和 第三級(jí)確定后，可以通過調(diào)節(jié)VCA610控制端的電壓來調(diào)節(jié)整個(gè)放大電路的增益，使 輸出信號(hào)達(dá)到要求的幅值。)
當(dāng)傳感器的接收信號(hào)經(jīng)過三級(jí)放大和濾波后，進(jìn)行兩個(gè)過程 一是信號(hào)進(jìn)入采樣/ 保持電路。經(jīng)釆樣/保持后的信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7810芯片。經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)于三級(jí)放大輸出的模擬電壓值。該數(shù)值送到微處理器保 存起來，作為下一次測(cè)量時(shí)的控制電壓參考值。(在每次進(jìn)行測(cè)量之前，單片機(jī)先根據(jù) 上一次A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)得的電壓值(第一次給定一個(gè)初始值)，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器和電壓調(diào) 整器，調(diào)節(jié)第二放大器增益控制端的電壓。實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆婵刂?；二是信號(hào)經(jīng)555觸發(fā) 器(555觸發(fā)器最重要的特點(diǎn)是能夠把變化緩慢的輸入信號(hào)整形成邊沿陡峭的矩形脈 沖。同時(shí)，555觸發(fā)器還可利用其回差電壓來提高電路的抗干擾能力)，向單片機(jī)CPU 發(fā)中斷申請(qǐng)。CPU發(fā)出停止信號(hào)停止計(jì)數(shù)器MAX032計(jì)數(shù)。在中斷服務(wù)程序中讀取 MAX032計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并計(jì)算出聲時(shí)值T (超聲波透過混凝土的時(shí)間)，則通過公
式v=L/T計(jì)算出超聲波傳播速度v。同時(shí)通過公式// =^6^計(jì)算出混凝土的強(qiáng)度值 // ，式中A、 B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；最后通過顯示器顯示出來。
考慮到測(cè)試裝置的功能劃分和可靠性方面的要求，將其設(shè)計(jì)成兩塊PCB板，其中一塊叫控制板，進(jìn)行測(cè)量控制、參數(shù)存儲(chǔ)、通訊控制及傳播時(shí)間計(jì)算等功能，包括信 號(hào)的放大、濾波、A/D、 D/A、電壓比較等功能。另一塊板叫做驅(qū)動(dòng)板，包括傳感器驅(qū) 動(dòng)信號(hào)的隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路。
權(quán)利要求1、一種混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝置，其特征在于，包括主控制器、用于發(fā)出超聲波的發(fā)射器、用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路、用于接收超聲波的接收器、放大電路、用于計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間的計(jì)數(shù)器、AD轉(zhuǎn)換器、用于啟動(dòng)主控制器中斷的555觸發(fā)器；所述的主控制器通過所述的驅(qū)動(dòng)電路與所述的發(fā)射器連接；所述的接收器與所述的放大電路的輸入端連接，所述的放大電路的輸出端通過所述的AD轉(zhuǎn)換器接主控制器的信號(hào)輸入端，所述的放大電路的輸出端通過555觸發(fā)器接主控制器的中斷端口；所述的計(jì)數(shù)器與主控制器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝置，其特征在于，所述 的放大電路由三個(gè)放大器級(jí)聯(lián)而成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種混凝土火災(zāi)損傷特性智能超聲測(cè)試裝置，其特征在于，包括主控制器、用于發(fā)出超聲波的發(fā)射器、用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路、用于接收超聲波的接收器、放大電路、用于計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間的計(jì)數(shù)器、AD轉(zhuǎn)換器、用于啟動(dòng)主控制器中斷的555觸發(fā)器；所述的主控制器通過所述的驅(qū)動(dòng)電路與所述的發(fā)射器連接；所述的接收器與所述的放大電路的輸入端連接，所述的放大電路的輸出端通過所述的AD轉(zhuǎn)換器接主控制器的信號(hào)輸入端，所述的放大電路的輸出端通過555觸發(fā)器接主控制器的中斷端口；所述的計(jì)數(shù)器與主控制器連接。本裝置具有測(cè)量精度高、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N29/07GK201387424SQ20092006417
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者葉自清, 賀超英 申請(qǐng)人:中南林業(yè)科技大學(xué)