高速公路路面的多超聲波傳感器檢測研究

彭雙光 劉志華 陳倩茹

摘要：超聲波無損檢測方法及信號處理為高速公路路面的檢測研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。根據(jù)高速公路的路面結(jié)構(gòu)，建立起多傳感器測試模型，把多傳感器合成孔徑聚焦技術(shù)應(yīng)用在高速公路水泥路面的超聲波檢測中。文章分析了在不同路面情況下，接收端各傳感器接收到的頻域信號特點(diǎn)，并驗(yàn)證Multi-SAFT在缺陷處聚焦的可行性。

關(guān)鍵詞：超聲波;高速公路路面;多傳感器;合成孔徑聚焦技術(shù)

1引言

高速公路在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中占有重要地位，近幾十年高速公路在世界各國得到迅速發(fā)展，它不但是交通現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是國家現(xiàn)代化的標(biāo)志。隨著高速公路重心逐步向中、西部地區(qū)推移，東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)就要加強(qiáng)路面維護(hù)，從而使養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。

超聲波在非金屬材料的無損檢測和頻譜分析方法在材料的缺陷檢測、組織結(jié)構(gòu)表征、材料性能評價(jià)等方面得到了推廣應(yīng)用[2]，本文將超聲波應(yīng)用在高速公路路面的檢測中，并根據(jù)多傳感器檢測模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和實(shí)驗(yàn)。

2高速公路水泥路面模型分析

2.1高速公路路面的結(jié)構(gòu)模型

通常按照各個(gè)層面功能的不同，公路路面結(jié)構(gòu)一般由面層、基層和路基層三層組成[3]。根據(jù)材質(zhì)和公路等級，各層結(jié)構(gòu)厚度會有所不同。本文的檢測對象為水泥混凝土路面，這是一種剛性大、荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)且穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)[4]。面層厚度一般為20cm，基層為20-40cm，而路基的厚度變化范圍是比較大的，最小厚度為15cm。

2.2多傳感器模型

系統(tǒng)采用型號為50K-P28F非金屬式低頻直傳感器，頻率為50KHz，壓電陶瓷晶片尺寸為Φ28mm。高速公路檢測中通常借助小車來安放檢測裝置。系統(tǒng)中采用多傳感器檢測模型，用8對收發(fā)分置的傳感器對，發(fā)射端均平行于接收端陣列，且發(fā)射和接收各陣列中兩相鄰傳感器間距相等。

結(jié)合小車的行駛速度和方向，最終可轉(zhuǎn)換到收發(fā)分置型一發(fā)多收式模型。收發(fā)陣列呈最近距離排列，兩陣列間距設(shè)為固定值45mm，接收陣列中各傳感器間距設(shè)為48mm，16個(gè)傳感器均固定在車身底面。傳感器放置平面圖如圖1所示。T1，T2……為發(fā)射傳感器，R1，R2……為接收傳感器。

設(shè)定小車的速度為，超聲波在路面中的傳播速度約為。兩者速度相差10倍以上，可認(rèn)為小車在超聲波檢測過程中相對靜止。小車前進(jìn)的方向?yàn)橛山邮斩说桨l(fā)射端的方向，從而當(dāng)發(fā)射端T1，T2……中的任一傳感器發(fā)射信號時(shí)，接收端傳感器R1，R2……同時(shí)接收回波信號。此檢測模型采用切換電路進(jìn)行發(fā)射傳感器間的切換，來實(shí)現(xiàn)傳感器收發(fā)分置式一發(fā)多收的超聲檢測方式。第一次由傳感器T1發(fā)射，接收端R1，R2……全陣列接收;第二次由傳感器T2發(fā)射，接收端R1，R2……全陣列接收;依此類推。

3多傳感器SAFT檢測技術(shù)

合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）實(shí)際上就是利用各種點(diǎn)源超聲傳感器來合成大孔徑超聲傳感器[5]。多傳感器合成孔徑聚焦技術(shù)（Multi-SAFT）[6]利用的是收發(fā)分置式檢測模型，在同一聲源處，采用單一信號激勵(lì)發(fā)射傳感器，把各接收傳感器接收到的回波信號采集存入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行缺陷處的信號疊加[7]。接收傳感器基本能將缺陷回波信號接收，使缺陷回波有用信號丟失較少。依次改變發(fā)射傳感器的位置，根據(jù)各發(fā)射端到達(dá)缺陷點(diǎn)的位置，計(jì)算出聲程和時(shí)延，最后把不同時(shí)間依次發(fā)射的信號進(jìn)行虛擬延時(shí)發(fā)射來定點(diǎn)聚焦[8]。通過計(jì)算機(jī)把數(shù)值信號進(jìn)行非實(shí)時(shí)聚焦，能集中能量到探測區(qū)，使得接收到的被測點(diǎn)散射信號達(dá)到最大限度。

缺陷處的合成孔徑聚焦圖如圖2所示，聲源點(diǎn)固定不變時(shí)，A、B、C……分別為接收傳感器的測試點(diǎn)。依次移動(dòng)接收傳感器到移動(dòng)的直線距離相當(dāng)于實(shí)際需要的陣列傳感器的長度。

4檢測系統(tǒng)的測試結(jié)果分析

4.1現(xiàn)場測試環(huán)境及模型

實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)采用的是雙探頭傳感器進(jìn)行發(fā)射和接收，通過波形發(fā)生器發(fā)射脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路，存儲每組實(shí)驗(yàn)測得的信號數(shù)據(jù)和回波波形。水泥路面檢測的具體情況如圖3所示。第一組為發(fā)射接收傳感器均在路面無損狀況下的測試;第二組為發(fā)射傳感器在裂縫上，傳感器陣列均平行于第一組陣列的測試;第三組為發(fā)射傳感器位于裂縫一邊，接收傳感器均位于裂縫的另一邊的測試。

4.2測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場采集到的回波信號，進(jìn)行兩種不同方法的比較。第一種，在同一組測試情況下，比較不同位置接收到的回波信號，并分析頻譜圖中一些特征參數(shù)隨距離變化的規(guī)律。第二種，在固定測距的情況下，通過頻譜分析和信號處理方法比較不同路面狀況的特點(diǎn)[9]，隨后對其同一發(fā)射信號不同接收端的信號進(jìn)行疊加，分析無損和有缺陷情況下回波信號的規(guī)律。

三組測試情況下，接收陣列接收到的回波信號經(jīng)FFT變換得到的頻譜圖如圖4所示：

圖4中a）得出在路面無損狀況下，隨著收發(fā)傳感器間距的增大，接收信號幅值明顯變小。當(dāng)收發(fā)間距為4cm時(shí)，路面反射回的三次回波分界線很明顯;當(dāng)收發(fā)間距約為20cm時(shí)，信號的三次回波也可以分辨出;當(dāng)收發(fā)間距大于28cm時(shí)，接收到的回波信號波形、幅值變化都不大，頻移變化范圍也相應(yīng)減小。

圖4中b）得出發(fā)射傳感器置于裂縫上時(shí)，波形變化沒有無損狀況時(shí)明顯，路面反射回的三次回波分界線不明顯。隨著收發(fā)間距的增大，回波信號有一定的頻移，頻移范圍逐漸減小，越來越不明顯;信號幅值變化也很小，不明顯，接收到的信號幅值均小于60mV。

圖4中c）得出收發(fā)傳感器置于裂縫兩邊時(shí)，裂縫上的2號傳感器接收到的三次回波明顯，頻譜圖回波信號幅值相對較大，頻移也較明顯。接收端在4、5、6、7、8號位置時(shí)，回波信號的各次回波無明顯分界線，較難分辨;且隨著收發(fā)間距的增大，頻移變得不明顯，頻移范圍逐漸減小。

上述各頻譜圖中幅值出現(xiàn)了一個(gè)極大值，其對應(yīng)的是基波。根據(jù)基波幅值大小、聲壓衰減等來比較三種路面狀況的強(qiáng)度和材料密度[10]。同一測距條件下的結(jié)果分析如下：雙傳感器均在表面無損路面的信號幅值大，聲壓衰減小，強(qiáng)度大，材料密度大。收發(fā)傳感器分置于裂縫兩端信號幅值小，聲壓衰減大，強(qiáng)度小，材料密度小。發(fā)射傳感器置于裂縫上信號幅值中，聲壓衰減中，強(qiáng)度中，材料密度中。

將檢測到的回波信號進(jìn)行疊加并比較三種路面狀況下接收端聚焦的情況，比較疊加后的頻譜圖，如圖5所示。

a）圖為收發(fā)雙傳感器均在路面無損狀況下，所有接收傳感器接收到的信號疊加時(shí)，信號幅值最大值為100mV左右，頻率范圍很寬，聲束擴(kuò)散性大。b）圖和c）圖中，當(dāng)合成后的大孔徑傳感器位于裂縫上時(shí)，疊加后信號的主頻處幅值都接近300mV，比a）圖中的大很多。從而證明了利用Multi-SAFT在缺陷處聚焦的可行性，當(dāng)掃描到缺陷時(shí)，接收到的回波疊加信號比無缺陷點(diǎn)時(shí)的信號明顯增強(qiáng)。

5總結(jié)

通過建立多傳感器測試模型，分別在幾種不同路面狀況下，對同一聲源不同間距條件下接收到的回波信號及頻譜變化規(guī)律進(jìn)行分析。對比分析了間距相同條件下不同路面狀況時(shí)的頻譜圖，并對其強(qiáng)度、材料密度進(jìn)行比較。從而證明了Multi-SAFT在高速公路路面缺陷處聚焦的可行性。

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