隨著微電子技術、計算機技術、嵌入式技術的高速發展及其在工程檢測中的應用，新的設計理念、新的實現方式不斷出現，并突破了傳統工程檢測系統的設計模式。本課題設計的是應用超聲脈沖檢測技術對混凝土、巖石陶瓷等非金屬材料和構件進行無損檢測的智能化儀器，配備功能強大的便攜式微型計算機系統、大屏幕液晶顯示器和鋰電池，它集超聲波發射、同步接收、數字信號高速采集、聲參量自動檢測、數據分析處理、結果實時顯示和數據存儲與輸出功能于一身。文章首先介紹了超聲檢測的相關理論以及現狀，并在此基礎上詳細介紹了硬件系統各模塊的設計和部分軟件模塊的設計流程。接收系統采用程控濾波和程控放大，使得用戶能根據回波信號的強弱和探頭頻率的不同而選擇不同的濾波電路和放大倍數；交直流供電滿足不同的應用場合；采用高分辨率大屏幕液晶顯示器，被測波形直觀形象；觸摸屏輸入，操作方便。各種接口齊全，方便用戶進一步數據處理。通過和其它儀器對比，該系統具有可重配置性好，重量輕等優點，為產品的升級提供了很大的方便。關鍵詞：PC104；超聲檢測；程控；嵌入式系統ABSTRACT With the development of the technologies of micro-electronics, computers, and embedded system , and the application of them in project measuring, the new ideas of design and the new model of realization appear now, which break through the conventional pattern. This topic design is the application supersonic pulse examination technology to the concrete, the rock ceramics and so on the nonmetallic material and the component carries on the lossless examination the intellectualized instrument, provides the function formidable portable microcomputer systematic, the large screen liquid-crystal display and the lithium battery, its collection ultrasonic wave launch, the synchronization accept, digital signal high speed gathering, the sound parameter automatic detection, data analysis processing, finally the real time display and the data storage and the output function in a body.Firstly, this thesis has introduced the interrelated theory of ultrasonic testing and the domestic and foreign research present situation.the thesis also introduced each module of hardware in detail and software design flow chart.The receiving circuit adopts programmable gain amplifier and filter, enables the instrument to realize the automatic filter and the automatic adjusting enlargement factor according to the echo signals different amplitude and frequency; Having AC and DC power supply modes, the system can satisfy different situation; Having adopted the big screen TFT LCD,caused the tested wave displaying intuitively;Having designed the toucher ,which enables the system to have a human-computer interaction function, helps user operate facilely.Having diversified interfaces ,which convenient for father analyse and processing.contrasted with other instruments,the system has low height and good reconfiguration which convenient for upgrade of product.Keywords：The PC104 Ultrasonic detecting Programmable Embedded system目 錄第一章 緒論11.1 引言11.2 超聲波檢測的特點11.3 非金屬超聲檢測儀國內外現狀和發展趨勢21.3.1 關于非金屬超聲檢測儀21.3.2 國內外研究現狀和發展趨勢2第二章 本論文相關理論及技術簡介42.1 PC104的簡介42.2 超聲波檢測的基本原理52.2.1 聲波的傳播規律52.2.2 聲波在混凝土中的傳播特點82.2.3 聲波透射法檢測中的聲波102.2.4 聲波檢測的過程10第三章 系統的硬件設計123.1 總體設計123.2 系統的各模塊設計133.2.1 便攜式微型計算機系統133.2.2 高壓脈沖發射與控制系統153.2.3 程控放大衰減系統203.2.4 同步電路243.2.5 高速數據采集系統253.2.6 電源電路26第四章 系統的軟件設計304.1 Windows CE.net平臺主要開發工具介紹304.2 應用程序開發334.3 軟件設計36第五章 結論與展望48致 謝50參 考 文 獻51 53 第一章 緒論1.1 引言隨著現代化建設步伐的加快，人們生活水平不斷提高，國家對基礎設施的投入也越來越大，高速公路、大型橋梁、高層建筑、水利水電等設施到處大量興建。這些建筑物的質量，無論是對人民的生命財產，還是對國民經濟來說，都是十分重要的，而對建筑物的所有要求中，安全性是第一位的。近年來，災難性的橋梁斷裂，房屋倒塌事故主要也是由于在設計施工中出了問題，加上對成橋的維修保養不力，出現了諸如混凝土內部空洞、離析，鋼筋銹蝕、預應力鋼筋失效、梁體受力部位開裂等病害，加強對這些設施的監控和檢測，成為迫切需要解決的問題，無損檢測是防止這類惡性事件發生的重要手段；另一方面，對舊有建筑物的維修和保養非常困難，并且要耗費大量的資金，無損檢測技術的應用使維修保養大大減少盲目性，從而大大節約這項開支。建筑工程無損檢測技術有助于評估新舊建筑物的穩定性和整體性，能夠用來估計建筑材料和結構的性質和性能，并能對其內部含水量、缺陷和損傷進行測量和定位，還能用來確定建筑材料和結構內部的預應力元件的位置，避免在打洞時發生意外的損傷?？傊ㄖこ虩o損檢測技術能夠以低成本、高效率的方式，起到監督、診斷和測量的作用，對評價和保障建筑物的安全性，保護和保養珍貴的古建筑起到非常重要的作用。從某種意義上來講，無損檢測可以作為衡量一個國家工業和經濟發展的水平，以及科學技術發展水平高低的標志之一3。工業上已經廣泛應用的五大常規無損檢測方法有射線檢測法、超聲檢測法、磁粉檢測法、電磁感應探傷法和浸透探傷法等。超聲波檢測是無損檢測中發展最快、應用最廣泛的無損檢測技術，占有非常重要的地位。超聲檢測法是利用材料本身或內部缺陷的聲學性質對超聲波傳播的影響，非破壞性地探測材料內部和表面的缺陷（如裂紋、氣泡、夾渣等）的大小、形狀和分布狀況及測定材料性質。它提供了評價固體材料的微觀組織及相關力學性能、檢測其微觀和宏觀不連續性的有效通用方法。隨著現代工業的高速發展，對超聲波檢測技術和檢測設備提出了越來越高的要求，超聲波檢測技術在電力、航空航天、石化、軍事、工業制造、醫療等領域被廣泛的采用，用來診斷和判別檢測對象的情況，在經濟和安全上起著至關重要的作用4。1.2 超聲波檢測的特點超聲波實質是以波動的形式在彈性介質中傳播的機械振動，其物理實質是能量的傳遞過程，一般其振動頻率在20KHz以上。超聲波檢測也叫超聲檢測、超聲波探傷，是無損檢測的一種。超聲檢測常用的工作頻率在0.45MHz，較低頻率用于粗晶材料和衰減較大材料的檢測，較高頻率用于細晶材料和高靈敏度檢測。對于某些特殊要求的檢測，工作頻率可達1050MHz。近年來隨著寬頻窄脈沖技術的研究和應用，超聲探頭的工作頻率，有的已經高達100MHz。超聲波檢測法的優點主要有5：1） 超聲波具有良好的方向性超聲波的頻率很高，波長很短，通常所使用的超聲波，波長是毫米的數量級。它具有良好的方向性，頻率越高，方向性越好，可以定向發射，這對判定被檢測材料中的缺陷位置十分重要。2） 超聲波的能量高聲波所能傳送的能量與頻率的平方成正比，而超聲波的頻率很高。因此超聲波的能量遠大于普通聲波的能量。這就保證了超聲波在傳遞中始終保持相當的強度，而不會出現因為衰減而造成的無法判別回波信號的問題。3） 具有良好的幾何特征超聲波的傳遞具有一些幾何光學的特點，在同一介質中是直線傳輸，在介質的界面會發生折射，反射和波形轉換等現象，這對缺陷的精確定位提供了可能。4） 適應性強超聲檢測具有適應性強、檢測靈敏度高、對人體無害、設備輕巧、成本低廉，可即時得到探測結果，適合在實驗室及野外等各種環境下工作，并能對正在運行的裝置和設備實行在線檢查。1.3 非金屬超聲檢測儀國內外現狀和發展趨勢1.3.1 關于非金屬超聲檢測儀非金屬超聲檢測分析儀是應用超聲脈沖檢測技術對混凝土、巖石、陶瓷、石墨、塑料等非金屬材料和構件進行無損檢測的智能化儀器。它主要是通過測取被測介質的超聲脈沖波的聲傳播時間以及超聲脈沖波的首波波幅，同時記錄經被測介質傳播后的波形，并通過一定的數據分析處理來達到分析與推斷被測介質質量（如強度、結構內部缺陷和裂縫、勻質性、損傷層厚度、混凝土基樁完整性）和聲學參數的目的。1.3.2 國內外研究現狀和發展趨勢超聲波探傷優點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進行定位和定量。超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術難度大，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結果不便于保存，超聲波檢測對工作表面要求平滑，要求富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類、適合于厚度較大的零件檢驗，使超聲波探傷也具有其局限性。非金屬超聲脈沖檢測技術在國際上始于二十世紀40年代后期。隨著檢測技術研究的深入和發展，儀器設備的更新和技術水平的提高，這項測試技術在世界各國得到普遍推廣和應用，許多國家及國際學術團體都先后制定了混凝土超聲檢測規程、方法或建議。如美國的ASTM、英國的BSI均已頒布或正準備頒布有關標準，其中以 ASTM所頒布的有關標準最多，這些標準有 硬化混凝土射入阻尼標準檢驗方法(C803-82)、結構混凝土抽樣與檢驗標準方法(C823-83)、硬化混凝土回彈標準法(C805-85)等。世界無損檢測會議每四年舉行一次，亞洲及歐洲等也有無損檢測會議。2000年10月1521日，在意大利羅馬召開了第15屆世界無損檢測會議，2000名代表出席了會議，99家廠商參展，大會共收到來自54個國家的773篇論文，其中土木工程無損檢測的論文有39篇，是歷屆最多的，這說明國外非常重視土木工程的無損檢測工作。我國已申請到第17屆無損檢測會議，今年將在上海召開，這對我國的無損檢測將起到很大的促進作用7。我國從上世紀50年代開展此項技術的研究，60年代開始用于工程檢測，后來在混凝土建設工程、巖體檢測、工程地質、水文地質檢測等方面有廣泛的應用。從工程地上結構到地下結構的檢測，從一般構件檢測到大體積混凝土的檢測，從單一的測強發展到測裂縫、缺陷、損傷層厚度、彈性力學參數等，應用范圍不斷擴大。超聲脈沖檢測技術的廣泛應用，使得人們對超聲儀有了越來越高的要求，即：儀器不僅能夠具有實時動態的波形顯示、聲參量快速準確的自動測量和存儲、檢測數據的自動分析和處理等主要功能，而且應具有體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡單等特點。計算機技術、半導體技術、超大規模集成電路技術、液晶顯示技術、觸摸技術和信息處理技術的發展，也為超聲儀的進一步發展提供了較為成熟的相關技術前提。數字化、智能化、網絡化、微型化成為超聲儀發展的主流方向。第二章 本論文相關理論及技術簡介2.1 PC104的簡介PC/104是一種工業計算機總線標準。 PC/104有兩個版本，8位和16位，分別與PC和PC/AT相對應。PC/104PLUS則與PCI總線相對應。 1） IEEE-996標準的延伸 第一塊PC104產生于1987年，但嚴格意義的規范說明在1992年才公布，從那以后，對PC104感興趣的人越來越多，當時就有125個廠家引進PC104規范生產PC104兼容產品。像原來的PC總線一樣，PC104一直是以一個非法定標準在執行，而不是委員會設計制定的。1992年IEEE開始著手為PC和PC/AT總線制定一個精簡的IEEEP996標準（草稿），PC104作為基本文件被采納，叫做IEEE P996.1兼容PC嵌入式模塊標準。 可見，PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線。我們知道IEEE-P996是PC和PC/AT工業總線規范，IEEE協會將它定義IEEE-P996.1，很明顯PC104實質上就是一種緊湊型的IEEE-P996，其信號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機械規范卻完全不同，是一種優化的、小型、堆棧式結構的嵌入式控制系統。 PC104與普通PC總線控制系統的主要不同是： 1.小尺寸結構：標準模塊的機械尺寸是3.63.8英寸，即9690mm； 2.堆棧式連接：去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝有極好的抗震性； 3.輕松總線驅動：減少元件數量和電源消耗，4mA總線驅動即可使模塊正常工作，每個模塊1-2瓦能耗。 2） 有二個方法使用PC/104模塊： PC/104模塊的擴展和應用是靈活的,有二種基本方法在設計的嵌入系統中使用PC104。 獨立的模塊堆棧：PC/104模塊是自我堆棧式。這方式中，模塊是被用作全兼容的總線底板,但是不需要背板和插槽疊成的。每個模塊留出0.6英寸間距。作為高度集成的元件使用：在這方式下,模塊作為用一個高度集成元件，插入一個定制的母板上，母板上包含有應用接口和總線邏輯，它的自我堆棧方式，可在一個位置上安裝幾個模塊。這種方式允許在系統調試或者測試時，臨時更換模塊，同時有利于我們將來的產品升級或者更換選件。 2.2 超聲波檢測的基本原理2.2.1 聲波的傳播規律在彈性介質內某一點，由于某種原因而引起初始的擾動或振動時，這一擾動或振動將以波的形式在彈性介質內以波的形式傳播，形成彈性波。聲波是彈性波的一種，若視巖土和混凝土介質為彈性體，則聲波在巖土和混凝土介質中的傳播服從彈性波傳播規律。 1 波的分類圖2.1 縱波傳播示意圖根據介質中質點的振動方向與波的傳播方向的差別可將其分為若干種，如縱波、橫波、表面波、蘭姆波、扭轉波等。但根據運動學的疊加原理，任何復雜的波動都可以看成是縱波和橫波的疊加。因此，縱波和橫波是基本的機械波。1） 縱波介質質點的振動方向與波的傳播方向平行的波稱為縱波，又稱為P波?？v波的傳播是依靠介質時疏時密的局部容積發生變化引起壓強的變化而傳播的，因此和介質的體積彈性相關。任何彈性介質都具有體積彈性，所以縱波可以在任何介質中傳播。圖2.1為縱波的傳播示意圖。2） 橫波 圖2.2 橫波傳播示意圖介質質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波，又稱為S波。橫波的傳播是依靠使介質產生剪切變形(局部形狀變化)引起的剪應力變化而傳播的，它和介質的剪切彈性相關。由于液體、氣體形狀變化時，不能產生抗拒形變的剪應力，因此，液體和氣體不能傳播橫波，只有固體才能傳播橫波。圖2.2為橫波的傳播示意圖。2 聲波在兩種介質面上的傳播規律聲波在介質中傳播的過程中，遇到與原介質阻抗不同的障礙物時，在兩種介質面上聲波的傳播規律、聲波能量的分配都將發生變化。這種變化的規律依賴于聲波波長和障礙物尺寸的比率、兩種介質的特性以及聲波的入射角度。如果障礙物尺寸遠大于波長，聲波將在兩種介質的界面處發生反射、折射等現象。如果障礙物尺寸與波長相近，將發生顯著的繞射現象。如果障礙物尺寸小于波長，聲波的大部分能量繞過障礙物，少部分能量向障礙物四周散射。混凝土等非金屬材料是一種多種材料的聚合體，在其內部存在多種聲學界面，聲波在其中的傳播是一個非常復雜的聲學現象，研究聲波在異質界面上的傳播規律對于混凝土等非金屬材料質量的聲波檢測具有重要意義。當兩種介質的界面尺寸遠大于聲波波長時，聲波在介質面上將發生反射、折射和波形轉換。1） 波的反射聲波從一種介質傳播到另外一種介質時，在界面上有一部分能量被界面反射，形成反射波。入射波波線和反射波波線與界面法線的夾角分別為入射角和反射角，入射角的正弦與反射角1的正弦之比，等于波速之比，即： (2.1)當入射波和反射波的波型相同時，V1V1，所以有：=1 (2.2)2） 波的折射聲波的部分能量將透過界面形成折射波,折射波線與界面法線的夾角為折射角。入射角與折射角的正弦比，等于入射波在第一種介質中的波速與折射波在第二種介質中的波速之比，即： （2.3）3） 反射率反射波聲壓與入射波聲壓之比，稱為反射率，即： (2.4)的大小與入射波角度、介質聲阻抗率及第二種介質的厚度有關，當第二介質很厚時， （2.5）式中： 第一種介質阻抗 第二種介質阻抗如果聲波垂直入射，即時，式（2.5）可簡化為： （2.6）如果第二種介質為薄層， （2.7）式中： 聲阻抗之比，即 波長 第二種介質的厚度4） 反射系數發射聲強與入射聲強之比，稱為反射系數，即有 （2.8）若為垂直入射，即，則 （2.9）5） 透過率透過聲壓與入射聲壓之比，稱為透過率，即： （2.10）當第二介質很厚時， （2.11）若為垂直入射，即，則 （2.12）當第二介質為薄層時， （2.13）6） 透過系數透過聲強與入射聲強之比，稱為透射系數，即有 （2.14）垂直入射，即時， （2.15）2.2.2 聲波在混凝土中的傳播特點前述關于聲波原理的論述，大多是以各向同性的均勻彈性介質為基礎的，而實際上絕大部分材料是非均勻介質?；炷翆嶋H上近似于一種砧彈性材料。在混凝土的聲學檢測中，我們研究的對象混凝土實際上是一種集結型復合材料，是多相復合體系，其內部存在著廣泛分布的復雜界面，例如，砂漿與骨料的結合面、各種缺陷所形成的界面。因此，超聲波在混凝土中的傳播狀況要比在均勻介質中的傳播復雜的多。超聲波在混凝土中的傳播狀況有以下幾個方面的特點6： 1） 衰減較大混凝土材料具有粘塑性，當超聲波穿過混凝土時將引起能量衰減，是部分超聲波被轉換成其他能量而損失，即所謂吸收衰減;混凝土中存在廣泛的異質界面，當超聲波到達界面會產生散射現象，從而產生散射衰減，散射功率的大小與超聲波頻率的平方成正比。因此，為了使聲波在混凝土中的傳播距離增大，往往采用比金屬材料探傷中所采用的頻率低得多的超聲頻率，頻率低的波擴散角很大，波束擴散，單位面積上的聲能隨傳播距離的增大而減小，產生擴散衰減。2） 指向性差混凝土中聲波指向性較差的原因主要有兩個方面： 1.使用的聲波頻率較低，波長較長，擴散角較大一般較大，超聲波失去指向性。主波束擴散角與換能器直徑D和波長的關系可近似表示為： （2.16）對常用的換能器探頭，D4cm，當D=1.22，即當采用137KHz超聲波時，角達90，這時由發射換能器進入混凝土內的超聲波實際上是以換能器為中心的球面波，超聲波失去指向性，其聲場占據整個試件空間。 2.混凝土內存在眾多的聲學界面而導致出現許多反射波和折射播波，雖然這些波的聲強比入射波低，但是由于數量眾多，而且彼此相互干涉和疊加，因而造成較大的漫射聲能，也使波的指向性變差。3） 波的傳播路徑復雜波線往往因界面的反射和折射而曲折，因此，當聲波在混凝土中遇到較大缺陷時，并非直線傳播。4） 在混凝土的超聲檢測中一般采用產生縱波的發射超聲換能器，當超聲一種介質入射到另一種介質時，聲波能量在界面上要發生轉化，因為混凝土種成分極為復雜的非均勻性物質，所以即使入射波為單一縱波，也會通過在介質界面上的波形轉換產生橫波。另外一部分聲波會沿著混凝土表面傳播形成表面波，在無限介質中縱波、橫波和表面波的速度關系如下所示： (2.17) (2.18)式中：VR為表面波波速。一般固體，介于00.3左右，1.14，混凝土的在0.20.3左右,=1.631.87,因為VR0.9VS，所以VP（1.82.0）VR。所以在接收通過混凝土的超聲波時，首先接收到的首波為縱波，其后是縱波的余振波，橫波和表面波的疊加。所以經混凝土介質特性調制后，在在混凝土超聲場所及空間內的任何一點，都存在著一次聲波(即入射波)及二次聲波(即反射波、折射波和波形轉換后的橫波)。換能器的接收信號是一次聲波和二次聲波的疊加。所以直接穿越的一次聲波所走的距離較短，首先到達接收換能器，但是由于衰減作用往往波幅較低。二次波經過多次反射所走距離較長，其中橫波波速較慢，它到達的時間要比一次波滯后，但由于相互的疊加，使接收信號變大，而且使波形畸變。聲波在混凝土中的傳播過程是非常復雜的，混凝土內部的缺陷、骨料與水泥砂漿構成聲學界面的數量和空間分布也是隨機的、多樣性的，很難找到合適的力學模型進行模擬。因此，對聲波在混凝土中的傳播機理目前還只是停留在定性的水平上。2.2.3 聲波透射法檢測中的聲波在非金屬材料的無損檢測中使用的聲波是脈沖聲波，它是由聲源間歇發出的一組組聲波，介質中各質點作間歇的脈沖振動10。1） 脈沖聲波的特點1.每次發射的持續時間短，重復間斷發射。2.聲脈沖經頻譜分析后具有眾多的頻譜成分，因此聲脈沖是一種復頻波(多種頻率成分的余弦波疊加而成的聲波)，其主頻就是聲波換能器的標稱頻率。2） 脈沖聲波在介質中的傳播特征脈沖聲波的上述特點決定了它在介質中的傳播比單頻連續波復雜，具有如下特征：1.頻波在介質中的頻散現象造成聲脈沖的畸變。不同頻率的余弦波在介質中傳播時具有不同的傳播速度，一般高頻快，低頻慢，這種現象稱為頻散。頻散現象必然導致聲脈沖在介質中傳播時，與距離的增加而發生畸變。2.波在介質中的頻漂引起聲脈沖的畸變。聲脈沖在介質中傳播時，由于各種頻率成分的衰減不同，頻率高的成分比頻率低的成分衰減大，因此脈沖頻譜將發生變化，主頻將向低頻漂移，造成聲脈沖波形的畸變，這種現象稱為頻漂。聲脈沖主頻的漂移程度，也是介質對聲波衰減作用的一個表征。2.2.4 聲波檢測的過程 聲波檢測技術，是應用頻率在幾百赫的彈性波，對非金屬材料，例如巖體、巖石、混凝土構筑物、木材等進行力學性能及內部結構，不連續結構面、缺陷進行檢測的一門較新興的檢測技術。在機理上它與淺層地震勘探一樣，但由于使用的頻率較高，儀器的計時精度在微秒級，因而有較高的分辨能力。在巖石試件，混凝土試塊測試時使用的頻率可達幾百KHz，測試精度高達0.05s。 聲波檢測是工程物探的手段之一。在解決復雜的工程地質勘察和巖土工程施工質量檢測中，不斷發展歸結起來的檢測過程可用圖2.3的框圖來說明。圖2.3 聲波檢測過程第三章 系統的硬件設計3.1 總體設計 本系統硬件平臺總體框圖如圖3.1所示，其工作原理是程控直流升壓電路在PC104板卡控制下根據需要輸出高壓脈沖信號，通過發射換能器變換成超聲波信號并傳入被測介質；接收換能器接收通過被測介質的聲波信號并轉換為電信號，將信號進行放大、衰減、濾波等處理后送給數據采集電路進行高速采集。數據采集電路將采集得到的數字信號發送給系統進行分析處理，得出被測對象的聲參量和缺陷分析，并將處理得到的數字信號和波形信號動態實時地顯示在液晶顯示器上。此外，儀器內的數據文件可方便地通過RS232接口傳輸至用戶計算機中，可通過配套的Windows平臺下的分析處理軟件進行更詳細的分析處理8。圖3.1 非金屬超聲檢測分析儀的原理框圖主要由高壓脈沖發射系統、程控放大衰減系統、數據采集系統、專用微機系統、電源系統、I/O接口系統六部分組成。1） 高壓脈沖發射系統超聲波的產生是通過對發射換能器施加一定電壓激勵脈沖，使發射換能器的壓電晶體產生振蕩來實現，超聲脈沖波輻射的能量與激勵的脈沖電壓直接相關，脈沖電壓越高，發射的脈沖超聲就越強，如果要產生能量足夠大的超聲波信號，需要對發射換能器加很高電壓的激勵脈沖。本系統根據用戶的需要，在PC104模塊的控制下產生PWM波，控制高壓模塊分別實現500V、1000V、1500V高壓的輸出。2） 程控放大衰減系統采用寬帶、低噪聲的放大器件和低阻抗、低噪聲的繼電器，并配合使用精確的衰減網絡和濾波網絡，構成寬增益、寬頻帶、低噪聲的程控放大系統。通過對輸入信號進行調理，滿足后續采集電路量程的要求。3） 高速數據采集系統采用雙通道、分辨率為12位、采樣速率為20MSPS、3.3V供電電壓的高速AD器件，組成高精度、低功耗的數據采集系統。4） 專用微機系統專用微機系統是整個系統的控制核心，它由基于PC104總線的CPU板卡構成專用微機系統，然后在此平臺上實現WinCE操作系統上的移植，以及應用程序的開發，在操作系統的管理下實現數據的采集、顯示、分析、輸出等功能。5） 電源系統為了解決部分功能電路相互干擾的問題，利用帶隔離的DCDC電源模塊實現各種電壓的輸出，在系統中提供+5V、-5V、+12V、-12V，發射+12V、背光+5V、3.3V電壓。6） IO接口系統采用大規?？删幊踢壿嬯嚵蠪PGA/CPLD，構成I/O接口系統，實現數據采集系統與PC104之間的無縫連接，總線切換、程序控制功能等。 利用五線式電阻觸摸屏實現各種參數的輸入與控制，采用工業級的104寸TFT LCD滿足波形動態實時顯示以及高對比度的要求。為了實現對儀器數據的后續處理、打印以及升級需要，設計了RS232和USB通信接口。其中RS232接口用來實現和上位機通訊，USB用來實現打印、升級，也可與上位機進行通訊。3.2 系統的各模塊設計3.2.1 便攜式微型計算機系統本系統的便攜式微型計算機系統由盛博公司SCM-7020（PC/104 模塊）構成，它是一款 “all-in-one” CPU 模塊，它在板集成了10/100Base-T以太網接口及高性能圖形處理器。采用X86 兼容的64 位第六代處理器，最高運行速度可達300MHz，在板內存支持最大128M 3.3V SDRAM。圖形處理器可支持各種LCD 及TFT 顯示屏，最大4M 顯存、最大支持至1280*1024、1670萬種顏色，同時在板支持PS/2 鍵盤、PS/2鼠標、IDE 接口、Floppy 接口、兩串一并接口、USB、以太網接口以及Watchdog timer。性能特點：l X86兼容64位微處理器，支持MMXTM指令集擴展，速度高達300MHzl SVGA顯示接口支持CRT及TFT最大4M共享顯存，最大分辨率可達1280*1024，1670萬種顏色l 在板內存最大可達128Ml 16KB L1 回寫緩存l 支持PS/2鍵盤及鼠標l 支持軟驅、IDE硬盤l 兩串一并接口l USB1.1接口l 在板10/100BaseT以太網接口l 16位PC/104總線圖3.2給出了板上的接口連接器和配置跳線的位置。表3.1列出板上連接器的用途。圖3.2 SCM-7020 機械尺寸及跳線圖(單位：英寸)表3.1 連接器的用途連接器功能尺寸Key PinPC104AB1PC/104擴展總路線64-PinB10PC104CD1PC/104擴展總路線40-PinC19J1電源4-PinNoneKBMS1多用接口10-PinNoneCOM1串行口110-PinNoneCOM2串行口210-PinNoneLPT1并行口26-PinNoneFDD1Floppy接口26-Pin FFCNoneCRT1CRT 接口10-Pin10PL1保留14-Pin-RJ1ETH/USB 接口10-PinNoneRJ3保留10-Pin-PIDE1IDE 接口44-Pin(2mm)20LCD1平板顯示接口40-Pin(2mm)30J2保留2-Pin-J3保留5-Pin-J4保留2-Pin-3.2.2 高壓脈沖發射與控制系統信號發射部分包括發射電路和發射換能器。發射電路的任務是產生高頻脈沖波，用來激勵探頭產生超聲脈沖。探頭由超聲波換能器組成，負責將電能轉變為機械振動向被測介質發送。本系統采用的是收發分開的探頭，這樣可以減少發射余震信號的影響，即可減小盲區。針對不同的探測要求，探頭可以更換9。1 超聲換能器圖3.3 增壓式換能器換能器，是能量轉換的器件。聲波換能器從廣義上來講，應是把聲能轉換成其它能量，并可互換的器件，聲波換能器是聲波檢測的重要部件。從表3.2可見,不同測試如使用不同圖3.5 平面型換能器圖3.4 朗之萬型換能器型式的換能器,其性能將會影響檢測結果。用壓電換能器發射與接收是混凝土及巖石檢測的主要測試方法。本文主要講述壓電換能器。常見的換能器有以下幾種：l 徑向增壓型(圖3.3)l 朗之萬型(夾心式)（低頻）(圖3.4)l 平面型（高頻）（圖3.5）l 一發雙收型l 橫波型以上各種換能器各自用在不同的場合。衡量壓電型換能器性能的技術指標有很多，現在主要研究的是“頻率特性”、“首次波比”和“指向性”。表3.2 各類換能器比較換能器類型諧振頻范圍(KHz)阻抗范圍（）指向性首次波比耦合方法適應的測試方法夾心式10-50幾至十幾無 1黃油或凡士林表面及平面測試增壓式25-351000左右無 1水鉆孔中跨孔測試圓管式一般為20-401000-2000左右無徑向指向性，長度大時有軸向指向性優質品可接近1水鉆孔中跨孔測試一發雙收30左右無優質品可接近1水鉆孔中單孔測試單片彎曲振動式5-20無 1黃油或凡士林表面及平面測試高頻換能器100-100010左右無優質品1黃油或凡士林巖樣測試橫波換能器40-400無1700V，BVceo1700V。由于超聲探測的對象是極不均勻的，其結構是相當復雜的，其吸收衰減系數可達十多分貝，因而要求有足夠大的發射脈沖功率。發射電路采用非調諧式脈沖發射電路，其發射頻率由超聲換能器本身頻率決定。其電路如圖3.9所示。圖3.9 發射電路 當CPLD的SEND_CON腳輸出一個占空比很小的矩形脈沖，經光電耦合器隔離后到射極跟隨器的進行電流放大加到功率放大器基極，于是功率三極管導通，電容C261開始放電，激勵發射換能器發射超聲波信號。時間常數等于2.2倍R與換能器的靜態電容之積，發射脈沖寬度要小于該值，R281為阻尼電阻，其值越大阻尼越大。功率三極管選用TOSHIBA 公司的2SC5243，其反相擊穿電壓為1700V，滿足發射電壓1500V的要求。由于探測距離不同，所以要求發射電壓可調。 3 程控升壓電路設計根據發射電路可知，如供電越大，其電脈沖功率將越大。為了滿足不同的測試距離，共設計了500V、1000V、1500V三個等級的高壓輸出。從可靠性和抗干擾性出發，高壓的產生采用模塊來實現，該模塊采用天津市恒博高壓電源廠生產的高壓模塊，12V輸入，01500V、10mA輸出，外接電位器或05V控制。高壓控制電路如圖3.10所示。圖3.10 高壓控制電路該模塊的控制信號取自于CPLD，在CPLD內部構造一個控制器，利用三個引腳控制輸出不同電壓的輸出，當引腳電壓為高電平時有效，這由用戶在操作界面中根據需要設置。表3.3為輸出高壓所對應的引腳。表3.3 高壓與引腳對應關系高壓輸出CPLD引腳500VHV5001000VHV10001500VHV15003.2.3 程控放大衰減系統1 限幅電路限幅原理如圖3.11所示。由兩個二極管構成正負12V的輸入限幅電路，當采集到的輸入電壓在正負12V之間時，輸出信號跟隨輸入信號變化。當輸入電壓高于12V時，輸出電壓被限制在12V，或者當輸入電壓低于負12V時，輸出電壓被限制在負12V。3.11 輸入限幅電路為了使輸入信號得到更好的調理，使之滿足AD量程的需要，在探頭和前置放大器之間設計了程控衰減電路。由于繼電器具有導通電阻小等特點，程控衰減器是由繼電器來實現的，當控制信號ATTE_A為高電平時，由R100和R104組成的衰減電路使輸入信號衰減10倍，當其為低電平時不衰減。電路如圖3.12 所圖3.12 輸入限幅和程控衰減電路示2 程控濾波 為了得到更高的信噪比，由前置放大電路輸出信號送入程控濾波電路進行濾波。用有源元件和無源元件(一般是R和C)共同組成的電濾波器，稱為有源濾波器。集成有源濾波器不但從根本上克服了R、L、C無源濾波器在低頻時存在的體積和重量上的嚴重問題，而且成本低、質量可靠及寄生影響小。和無源濾波器相比，它的設計和調整過程較簡便，此外還能提供增益。因受運算放大器帶寬的限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍，根據頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻等四種濾波器。具有理想特性的濾波器是很難實現的，只能用實際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦響應和切比雪夫等波動響應，在不允許