基于B超的防水材料厚度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡小龍，龔力， 何　濤

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068;2 湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

基于B超的防水材料厚度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡小龍1，2，龔力1，2， 何濤1，2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068;2 湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

[摘要]為了提高施工現(xiàn)場(chǎng)柔性防水材料厚度檢測(cè)的自動(dòng)化程度，減少人力成本，設(shè)計(jì)的基于B超成像原理的柔性防水材料超聲波測(cè)厚系統(tǒng)包括單通道雙晶探頭、B超附屬采集卡等硬件部分，以及圖像處理分析、基于MFC人機(jī)交互界面等軟件部分。從B超檢測(cè)系統(tǒng)的原理、組成和測(cè)試結(jié)果入手，分析論述該系統(tǒng)的測(cè)量過程,實(shí)現(xiàn)了柔性防水材料厚度的高精度快速測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，柔性防水材料厚度B超檢測(cè)系統(tǒng)能進(jìn)行100%厚度測(cè)量，且同時(shí)滿足生產(chǎn)效率和檢測(cè)精度的要求。

[關(guān)鍵詞]柔性防水材料； 超聲波； 無損檢測(cè)

防水層厚度測(cè)量是防水材料生產(chǎn)過程中的重要檢驗(yàn)工序，最薄防水層厚度的測(cè)量結(jié)果直接決定產(chǎn)品的使用等級(jí)。傳統(tǒng)測(cè)厚方法一般采用割開法，這種方法不但測(cè)量結(jié)果不是很精確，而且破壞了防水層的完整性。超聲波B掃描圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的顏色或灰度反映了被檢回波信號(hào)的大小與深度，把超聲波對(duì)防水層厚度的測(cè)量信號(hào)作為成像檢測(cè)信號(hào)，即可得到防水層厚度分布圖像。與防水層割開測(cè)厚技術(shù)相比，超聲波B掃描成像技術(shù)有著信號(hào)采集速度快、軟件運(yùn)行速度高、數(shù)據(jù)檢測(cè)量大以及系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為此，本文提出用超聲波B掃描成像方法對(duì)防水層厚度進(jìn)行100%檢驗(yàn)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)(圖1)分成硬件和軟件兩大部分，功能上可具體分為信號(hào)采集模塊、圖像處理模塊和顯示輸出模塊等3個(gè)主要部分。

1.1信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

本模塊包含對(duì)探頭、耦合劑、超聲波數(shù)據(jù)采集卡等硬件方面的選擇。由探頭經(jīng)耦合劑發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，信號(hào)在通過超聲波數(shù)據(jù)采集卡的采集和處理后成為超聲波信息，而信息則存儲(chǔ)在超聲波數(shù)據(jù)采集卡的存儲(chǔ)器里，以供圖像處理模塊使用。

圖 1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1.1探頭的選擇探頭的類型有很多種，且性能各不相同，所以需要針對(duì)檢測(cè)對(duì)象，從頻率、晶片尺寸和角度等方面合理地選擇探頭。

超聲波頻率與距離分辨率密切相關(guān)，使用的超聲波頻率越大，超聲波的衰減越厲害，通過超聲波進(jìn)行觀測(cè)的厚度隨之減少，這就限制了超聲波的使用。在探頭的日常試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其頻率在1～10 MHz之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的距離分辨率范圍是0.3～3 mm。

晶片尺寸較小的探頭，在近場(chǎng)范圍內(nèi)聲束較窄，有助于物體上下異質(zhì)界面深度的定位，適用于較小物體厚度的測(cè)厚。這是因?yàn)榫叽缧r(shí)，發(fā)射能量小，掃描空間小，近場(chǎng)長(zhǎng)度短，能測(cè)量的最小厚度值大。由于是物體上下異質(zhì)界面深度的定位，聲束入射角度需垂直于物體表面。

根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)選用最高頻率達(dá)10 MHz，兼具高增益、窄脈沖、低阻抗以及良好穿透能力的線陣式超聲波寬頻帶探頭。

1.1.2耦合劑的選擇實(shí)現(xiàn)聲波能量由超聲波探頭有效地傳向物體的過程被稱為耦合。從聲波傳遞和實(shí)用的角度來講，檢測(cè)所用耦合劑需得滿足下面要求：

1)其聲阻抗最好與被測(cè)物體的相接近，這有助于更多的超聲波進(jìn)入物體內(nèi)部；

2)其浸潤(rùn)性充足且易附著待測(cè)物體的表面，可消除因物體表面粗糙而在探頭與物體表面之間形成的空氣薄膜層；

3)不得對(duì)人體有害以及對(duì)物體有腐蝕性；

4)容易清洗,來源方便,價(jià)格低廉。

值得一提的是，在防水工程中，做完一道平面防水層施工后會(huì)有專人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)蓄水試驗(yàn)，最淺蓄水深度不小于25 mm，蓄水試驗(yàn)時(shí)間不小于24 h。這些因素為防水層厚度B超檢測(cè)提供了天然的耦合環(huán)境，同時(shí)相比選用其他耦合劑，節(jié)省了清除耦合劑的步驟，有效避免了耦合介質(zhì)的殘留對(duì)材料質(zhì)量造成負(fù)面影響。綜上所述，本系統(tǒng)宜選用水做耦合劑。

1.1.3超聲波數(shù)據(jù)采集卡的選擇就本系統(tǒng)來看，考慮從以下幾方面進(jìn)行超聲波數(shù)據(jù)采集卡的選擇：

1)提供完善的便于進(jìn)行圖像處理[2]系統(tǒng)開發(fā)的軟件包；

2)具備所需的檢測(cè)頻率和所需的分辨率 ；

3)最大發(fā)射功率滿足聲波能穿透待測(cè)物體；

4)最低脈沖重復(fù)頻率與防水層的厚度設(shè)計(jì)值相協(xié)調(diào)；

5)接收放大器的最大增益能使最小能測(cè)厚度有足夠的反射波高。

根據(jù)以上原則，在本系統(tǒng)中選擇數(shù)字B超附屬采集卡。該卡除了可以完成本文內(nèi)容所需要的回聲信息采集工作以外，還可做一些改善圖像質(zhì)量方面的工作，其電路框圖如圖2所示。

圖 2　數(shù)字B超附屬采集卡電路框圖

數(shù)字B超附屬采集卡可以利用計(jì)算機(jī)資源構(gòu)成一種基于USB[3]總線的微機(jī)線陣B超檢測(cè)系統(tǒng)， 即虛擬 B 超檢測(cè)系統(tǒng)。 虛擬儀器是被嵌入在高性能計(jì)算機(jī)體系內(nèi)部的，這樣的設(shè)計(jì)思想符合檢測(cè)儀器發(fā)展的主客觀需要。如圖3所示，本文所用的虛擬 B 超檢測(cè)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室專門定制的工業(yè)級(jí) BS-1000 型超聲盒(內(nèi)含數(shù)字B超附屬采集卡)加PC機(jī)，配帶最高頻率可達(dá)10 MHz的探頭，可做超聲諧波成像。所用的PC機(jī)配置為：CPU，Intel(R) CORE(TM) i3-3110M @2.4GHz；處理器內(nèi)存，2G。

圖 3　 虛擬B超檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2圖像處理模塊設(shè)計(jì)

圖像處理模塊分為圖像前置處理部分和圖像后處理部分(圖4)。在圖像前置處理部分，收集信號(hào)采集模塊所提供本系統(tǒng)需要的全部信息，并進(jìn)行圖像重建工作，生成含有防水層厚度參數(shù)信息的B超圖像。在圖像后處理部分，先通過對(duì)B超圖像進(jìn)行一系列的圖像處理，提取防水層輪廓，再依據(jù)獲得的輪廓位置信息計(jì)算出防水層厚度值，最后傳送給顯示輸出模塊。

圖 4　圖像處理模塊原理結(jié)構(gòu)圖

為了提高成像質(zhì)量，本文采用超聲諧波成像(Harmonic Imagin, HI)。所謂HI是指利用回聲(反射或散射)中的二次諧波所攜帶的信息重建聲像圖。不同于以往的線性檢測(cè)的基波成像，HI是非線性檢測(cè)[5]。HI使采樣信號(hào)在諧波范圍內(nèi)成像，可以消除重建后的圖像中大部分的偽像，因而圖像質(zhì)量明顯得以提高。同時(shí)，通過HI還可以改善聚集特性，進(jìn)一步地消除偽像[7]，減少測(cè)后陰影(圖5)。

圖 5　防水層的兩種B超成像對(duì)比

1.3顯示輸出模塊設(shè)計(jì)

此模塊具有顯示方面的功能，即通過友好的人機(jī)交互界面能夠完整地顯示本系統(tǒng)所有功能，還能夠?qū)崟r(shí)獲取圖像處理模塊處理好的防水層輪廓位置信息和厚度值。由于圖像測(cè)量以像素為單位，但最終的厚度值應(yīng)該是實(shí)際數(shù)值，以mm為單位，故需先計(jì)算出要測(cè)量的部分中包含的像素值，然后乘上一個(gè)比例系數(shù)k來計(jì)算物體的實(shí)際長(zhǎng)度。比例系數(shù)k的精度十分重要，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精度有著直接的影響?？偟膩碚f，標(biāo)定比例系數(shù)的方案一是要放大已知圖像，增加比例系數(shù)的準(zhǔn)確度，二是得多次測(cè)量，求取多次測(cè)量結(jié)果的平均值，最后把這個(gè)平均值作為比例系數(shù)的最終值。具體標(biāo)定方法這里不詳細(xì)贅述。

另一方面該模塊又具有輸出方面的功能，即可以把所測(cè)得的防水層厚度值和含有防水層厚度分布情況信息的B超圖像一同生成報(bào)表自動(dòng)傳輸?shù)絎ord中進(jìn)行打印輸出。

綜上所述，柔性防水層厚度 B 超測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖如圖6所示。

圖 6　系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

2柔性防水層測(cè)厚原理

在測(cè)試條件較好的理想情況下，超聲波測(cè)厚可采用柔性防水層上下異質(zhì)界面反射回波的時(shí)間間隔測(cè)量法。柔性防水材料B超檢測(cè)儀的超聲波傳感器在檢測(cè)單元的采樣點(diǎn)上來回水平移動(dòng)，由于防水材料自身與其內(nèi)部雜質(zhì)的材料非均勻性以及聲阻抗差異，導(dǎo)致在異質(zhì)界面上超聲波會(huì)發(fā)生散射，而后沿著復(fù)雜路徑在介質(zhì)中傳播，在此過程中由于產(chǎn)生熱能而損失熱量，也就是所謂的信號(hào)衰減，表現(xiàn)在B超圖像上會(huì)出現(xiàn)缺失的地方；再者，B超圖像顯示防水層上下異質(zhì)界面不均勻性的反射系數(shù)變化范圍會(huì)很大，導(dǎo)致在B超圖像上產(chǎn)生光點(diǎn)的亮度變化范圍也很大，以致反射條紋亮度分布不均勻。不過，這些弊端都可以通過后期圖像處理加以避免。

3軟件設(shè)計(jì)

成像測(cè)厚軟件在Windows 7操作系統(tǒng)下工作，采用VC++編程語言編制的超聲波測(cè)厚和成像軟件[4]與用MFC[6]編制的人機(jī)交互界面。啟動(dòng)柔性防水層厚度B超測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)入到操作界面(圖7)。

圖 7　系統(tǒng)界面

根據(jù)系統(tǒng)界面右側(cè)的提示步驟按順序進(jìn)行處理：第一步，啟動(dòng)超聲波盒，根據(jù)ROI(線框)內(nèi)的采集情況，尋找滿足檢測(cè)條件的圖像并凍結(jié)；第二步，濾波去噪，缺省方法為 SRAD 去噪，保留邊緣細(xì)節(jié)的同時(shí)去除掉斑點(diǎn)噪聲；第三步，聚類分割(基于 FCM 聚類的圖像分割)，提取主要邊緣中強(qiáng)度最大的成份作為防水層輪廓；第四步，結(jié)果細(xì)化(細(xì)化聚類之后的結(jié)果)，便于后續(xù)的輪廓提取工作；第五步，輪廓提取(進(jìn)行 RHT 和曲線擬合)， 提取更為準(zhǔn)確的邊緣；最后一步，計(jì)算厚度值。

4測(cè)試結(jié)果及分析

防水層厚度在實(shí)際中是不均勻的，檢測(cè)人員根據(jù)《建筑防水工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)》[1]中柔性防水材料厚度檢測(cè)要求，通過檢測(cè)防水單元中心及四邊中點(diǎn)共5組實(shí)驗(yàn)的均值作為該測(cè)量單元最終厚度的測(cè)量結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1給出了手動(dòng)測(cè)量結(jié)果和自動(dòng)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比。計(jì)算兩種厚度測(cè)量方法的算數(shù)平均值，自動(dòng)測(cè)量最終結(jié)果為2.371 22 mm，手動(dòng)測(cè)量最終結(jié)果為2.37 mm，保留小數(shù)點(diǎn)后兩位時(shí)數(shù)值相等，加上5組各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各自測(cè)量誤差均小于1.5%，符合檢測(cè)要求。

5結(jié)束語

本文描述了基于B超掃描成像技術(shù)的超聲波柔性防水材料測(cè)厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)該測(cè)厚系統(tǒng)加以調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于B超的柔性防水材料測(cè)厚系統(tǒng)采用超聲脈沖回波法，具有攜帶方便、儀器體積小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各種柔性防水材料厚度可進(jìn)行高速測(cè)量，并通過人機(jī)交互界面精確顯示出材料厚度值。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，該儀器完全滿足防水材料施工現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量和檢驗(yàn)的生產(chǎn)需求。

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編校： 張眾]

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

[基金項(xiàng)目]廣東省大亞灣區(qū)2011年科技計(jì)劃項(xiàng)目即續(xù)簽項(xiàng)目(20110121)

[作者簡(jiǎn)介]蔡小龍(1989-)， 男，湖北荊州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槌暡z測(cè)技術(shù)

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)02-0023-04

[中圖分類號(hào)]TU761.1, TP274

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A