基于超聲波的地下管網(wǎng)探傷研究

匡鹿婷　張青林

摘 要：隨著科技發(fā)展，城市建設(shè)也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。地下管網(wǎng)縱橫交錯(cuò)， 但管網(wǎng)資料嚴(yán)重不足， 檔案管理方式跟不上發(fā)展節(jié)奏， 嚴(yán)重阻礙了城市發(fā)展、建設(shè)與管理工作。因此，城市有關(guān)部門越來越重視地下管網(wǎng)的探測(cè)研究， 先進(jìn)的管網(wǎng)探測(cè)技術(shù)和高素質(zhì)的專業(yè)管線探測(cè)隊(duì)伍及相關(guān)探測(cè)設(shè)備必不可少。該項(xiàng)目研究的超聲波探測(cè)是利用材料及其缺陷的聲學(xué)性能差異對(duì)超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化來檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)方法。由于超聲波探測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的原位測(cè)試方法相比，具有裝置輕便簡潔、測(cè)量快速經(jīng)濟(jì)、測(cè)量精度高、易于控制測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因此可以在很多探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)顯示優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：管道探測(cè)；超聲波檢測(cè)；無損檢測(cè)；回波信號(hào)

1 超聲波基本特性

1.1 良好的反射性

超聲波在不同介質(zhì)傳播的過程中，遇到不同介質(zhì)的表面時(shí)，就會(huì)在介質(zhì)的表面發(fā)生反射。 正如光的反射定律一樣，超聲波也滿足波的反射定律，即波的入射角等于波的反射角。 超聲波的這一反射特性為測(cè)距提供了理論依據(jù)。

1.2 較強(qiáng)的方向性

超聲波一經(jīng)發(fā)射，就會(huì)沿著一個(gè)方向傳播，有較強(qiáng)的方向性。并且這種特性與超聲波的頻率有關(guān)，也就是說超聲波頻率越高，其指向特性也就會(huì)越強(qiáng)。

1.3 具有較高的能量

高能量保證了超聲波能夠穿透不透明的物體，并且可以傳播很遠(yuǎn)的距離。同時(shí)，在傳播過程中 ，它的能量幾乎不會(huì)減少，這就可以收到較強(qiáng)的回波信號(hào)。

2 系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)流程算法設(shè)計(jì)

因?yàn)槌暡▊鞑サ牟ㄐ卧诓煌牧媳砻娣瓷淝闆r和在穿透介質(zhì)中有不同傳播能量的特點(diǎn)，因此在利用超聲波探測(cè)管道和其缺陷時(shí)超聲波的反射波形和能量都會(huì)有變化【4】。脈沖反射法的檢測(cè)原理是：超聲波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，波導(dǎo)的邊界會(huì)對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生影響，利用這一特性，可以通過觀察超聲波的回波信號(hào)推斷波導(dǎo)的形態(tài)，當(dāng)?shù)叵鹿芫W(wǎng)有缺陷時(shí)，缺陷的位置及其大致的大小可以反饋給使用者。因此可以利用儀器激發(fā)超聲波，將超聲波傳入管道中，觀察其回波信號(hào)，完成對(duì)管道損傷的檢測(cè)。 在超聲波儀器接收器上利用計(jì)算機(jī)或顯示器等，繪制圖形。結(jié)合圖形分析回波型號(hào)。由前所述，超聲波對(duì)于不同介質(zhì)來說脈沖傳播時(shí)間及能量反射有差異，因此根據(jù)回波信號(hào)可以大致判斷缺陷的存在及位置，根據(jù)回波的幅度確定缺陷的大小 【5】。探測(cè)的流程圖如圖1所示：

2.2 超聲波發(fā)射電路

文章此次選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號(hào)放大發(fā)射電路如圖 2 所示【6】

2.3 超聲波接收電路

本文使用的四集成電路 CX20106A 芯片電路。 CX20106A 芯片電路的抗干擾能力，靈敏度也符合設(shè)計(jì)的要求，電路如圖 3【7】所示：

2.4 管道所在深度的計(jì)算

通過使用超聲波在水泥或?yàn)r青路層中傳播的速度以及在土壤層中傳播的速度乘以單片機(jī)的計(jì)量時(shí)間就可以得出地下管道所在位置的具體深度。

H=V1t1+V2t2 （3）

式中H為管道所在位置的具體深度；V1為超聲波在介質(zhì)I中的速率，t1為超聲波在介質(zhì)I中的傳播時(shí)間；V2為超聲波在介質(zhì)II中的速率，t2為超聲波在介質(zhì)II中的傳播時(shí)間。

2.5 管道傷口的確認(rèn)

通過對(duì)實(shí)時(shí)回聲信號(hào)的檢測(cè)。在確認(rèn)管道存在以及管道壁的上、下深度后，通過超聲波在不同介質(zhì)中傳播速率不一致的原理，尤其是在固體和液體材質(zhì)中傳播速率的顯著差異，可以通過對(duì)回聲信息的顯著差異進(jìn)行鑒別。在管道寬度范圍內(nèi)且在管道所在深度范圍內(nèi)如有回聲信號(hào)的顯著不同則可判定管道有裂紋等傷口。通過使用COMSOL Multiphysics等物理場仿真軟件，確認(rèn)了超聲波在地下管網(wǎng)位置確定以及探傷中的可行性。

2.6 與嵌入式結(jié)合應(yīng)用

現(xiàn)有超聲波測(cè)距傳感器如HC-SR系列體積小、測(cè)量精度較好，測(cè)量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，筆者嘗試?yán)盟c單片機(jī)、ARM等嵌入式處理器和LED、LCD屏幕相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一套完整的地下管網(wǎng)檢測(cè)及探傷實(shí)驗(yàn)裝置。這套微型化裝置不僅可以用于模擬實(shí)驗(yàn)，還可以用于實(shí)際應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、攜帶方便、便于在大型儀器難以深入的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)探測(cè)，功能也比較健全；缺點(diǎn)則更為明顯，受探頭直徑影響，它的可探測(cè)寬度范圍極小，只能達(dá)到分米量級(jí)，如果探測(cè)區(qū)域內(nèi)全部在傷口范圍則會(huì)失去作用探傷作用，如果管道寬度寬于探測(cè)區(qū)域則難以區(qū)分管道與斷層。因此這套微型化裝置用來探測(cè)比探頭粗的管網(wǎng)是不可用的，因此不夠?qū)嵱谩?/p>

本文嘗試對(duì)類似的微型化裝置提供幾個(gè)在實(shí)踐中的改進(jìn)方法：一是使用兩個(gè)微型超聲波測(cè)距傳感器同時(shí)從中心向兩邊進(jìn)行“掃雷式”檢測(cè)，可以通過所測(cè)斷層距離變化判定管網(wǎng)邊界；二是通過超聲波在接近純凈物的介質(zhì)中傳播速度恒定的特點(diǎn)，如果探測(cè)中得到的速率接近其在水、天然氣等純凈物中的傳播速率，也可得出此地埋有管道的結(jié)論，并得出管道的大致深度位置，以便進(jìn)一步進(jìn)行探驗(yàn)。

4 研究意義及總結(jié)

本文初步討論了地下管網(wǎng)探測(cè)的各種方法及優(yōu)缺點(diǎn)和超聲波的特性傳播原理，從中可以發(fā)現(xiàn)超聲波在地下探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，即超聲波檢測(cè)方法沒有損害、沒有污染、受外界噪聲影響小、用集成電路容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，方便簡單。基于超聲波的距離檢測(cè)是一個(gè)常用方法，尤其是地下有各種各樣的介質(zhì)時(shí)，利用此原理，可以制作出很多不同的傳感器?？傮w來講，由于超聲波不受管道材質(zhì)限制，也較為安全簡便，在地下測(cè)距中擁有無可替代的優(yōu)點(diǎn)，具有十分重要的意義。

本文還提出了一套管道深度探測(cè)及探傷的算法流程以及一套與嵌入式芯片結(jié)合的微縮勘探設(shè)備，并對(duì)該類小型設(shè)備的應(yīng)用技巧和擴(kuò)展進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳偉清.城市地下管網(wǎng)探測(cè)方法及應(yīng)用[J] 地礦測(cè)繪，2000（2）：P33—P34

[2] 宋子強(qiáng).超聲檢測(cè)技術(shù)研究與工程實(shí)現(xiàn)[D] 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2008.

[3] 華海月.基于能量最低原理的超聲波束合成研究[D].安徽：安徽大學(xué)2012.

[4] 吳廣明.超聲技術(shù)在選煤廠振動(dòng)篩大梁故障診斷中的應(yīng)用山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2015-06-12

[5] 劉軼 許曉東， 基于超聲與低頻渦流技術(shù)的振動(dòng)篩大梁裂紋檢測(cè)方法研究【J】， 煤礦機(jī)械2015（2）

[6] Song YW， Udpa SS. A new morphological algorithm for fusing ultrasonic and eddy current images，IEEE Symp Ultrason 1996：649-52

[7] Simone G， Morabito FC， NDT image fusion using eddy current and ultrasonic data， Int JComput Math Electr Electron Eng 2001；20（3）：857-868（12）