高速公路路面的多超声波传感器检测研究

彭双光 刘志华 陈倩茹

摘要：超声波无损检测方法及信号处理为高速公路路面的检测研究提供了必要的理论基础。根据高速公路的路面结构，建立起多传感器测试模型，把多传感器合成孔径聚焦技术应用在高速公路水泥路面的超声波检测中。文章分析了在不同路面情况下，接收端各传感器接收到的频域信号特点，并验证Multi-SAFT在缺陷处聚焦的可行性。

关键词：超声波;高速公路路面;多传感器;合成孔径聚焦技术

1引言

高速公路在国民经济和人民生活中占有重要地位，近几十年高速公路在世界各国得到迅速发展，它不但是交通现代化的重要标志，也是国家现代化的标志。随着高速公路重心逐步向中、西部地区推移，东南沿海经济发达地区就要加强路面维护，从而使养护维修技术成为人们关注的热点[1]。

超声波在非金属材料的无损检测和频谱分析方法在材料的缺陷检测、组织结构表征、材料性能评价等方面得到了推广应用[2]，本文将超声波应用在高速公路路面的检测中，并根据多传感器检测模型进行数据提取和实验。

2高速公路水泥路面模型分析

2.1高速公路路面的结构模型

通常按照各个层面功能的不同，公路路面结构一般由面层、基层和路基层三层组成[3]。根据材质和公路等级，各层结构厚度会有所不同。本文的检测对象为水泥混凝土路面，这是一种刚性大、荷载扩散能力强且稳定性好的结构[4]。面层厚度一般为20cm，基层为20-40cm，而路基的厚度变化范围是比较大的，最小厚度为15cm。

2.2多传感器模型

系统采用型号为50K-P28F非金属式低频直传感器，频率为50KHz，压电陶瓷晶片尺寸为Φ28mm。高速公路检测中通常借助小车来安放检测装置。系统中采用多传感器检测模型，用8对收发分置的传感器对，发射端均平行于接收端阵列，且发射和接收各阵列中两相邻传感器间距相等。

结合小车的行驶速度和方向，最终可转换到收发分置型一发多收式模型。收发阵列呈最近距离排列，两阵列间距设为固定值45mm，接收阵列中各传感器间距设为48mm，16个传感器均固定在车身底面。传感器放置平面图如图1所示。T1，T2……为发射传感器，R1，R2……為接收传感器。

设定小车的速度为，超声波在路面中的传播速度约为。两者速度相差10倍以上，可认为小车在超声波检测过程中相对静止。小车前进的方向为由接收端到发射端的方向，从而当发射端T1，T2……中的任一传感器发射信号时，接收端传感器R1，R2……同时接收回波信号。此检测模型采用切换电路进行发射传感器间的切换，来实现传感器收发分置式一发多收的超声检测方式。第一次由传感器T1发射，接收端R1，R2……全阵列接收;第二次由传感器T2发射，接收端R1，R2……全阵列接收;依此类推。

3多传感器SAFT检测技术

合成孔径聚焦技术（SAFT）实际上就是利用各种点源超声传感器来合成大孔径超声传感器[5]。多传感器合成孔径聚焦技术（Multi-SAFT）[6]利用的是收发分置式检测模型，在同一声源处，采用单一信号激励发射传感器，把各接收传感器接收到的回波信号采集存入计算机，进行缺陷处的信号叠加[7]。接收传感器基本能将缺陷回波信号接收，使缺陷回波有用信号丢失较少。依次改变发射传感器的位置，根据各发射端到达缺陷点的位置，计算出声程和时延，最后把不同时间依次发射的信号进行虚拟延时发射来定点聚焦[8]。通过计算机把数值信号进行非实时聚焦，能集中能量到探测区，使得接收到的被测点散射信号达到最大限度。

缺陷处的合成孔径聚焦图如图2所示，声源点固定不变时，A、B、C……分别为接收传感器的测试点。依次移动接收传感器到移动的直线距离相当于实际需要的阵列传感器的长度。

4检测系统的测试结果分析

4.1现场测试环境及模型

实验测试系统采用的是双探头传感器进行发射和接收，通过波形发生器发射脉冲驱动发射电路，存储每组实验测得的信号数据和回波波形。水泥路面检测的具体情况如图3所示。第一组为发射接收传感器均在路面无损状况下的测试;第二组为发射传感器在裂缝上，传感器阵列均平行于第一组阵列的测试;第三组为发射传感器位于裂缝一边，接收传感器均位于裂缝的另一边的测试。

4.2测试数据分析

根据现场采集到的回波信号，进行两种不同方法的比较。第一种，在同一组测试情况下，比较不同位置接收到的回波信号，并分析频谱图中一些特征参数随距离变化的规律。第二种，在固定测距的情况下，通过频谱分析和信号处理方法比较不同路面状况的特点[9]，随后对其同一发射信号不同接收端的信号进行叠加，分析无损和有缺陷情况下回波信号的规律。

三组测试情况下，接收阵列接收到的回波信号经FFT变换得到的频谱图如图4所示：

图4中a）得出在路面无损状况下，随着收发传感器间距的增大，接收信号幅值明显变小。当收发间距为4cm时，路面反射回的三次回波分界线很明显;当收发间距约为20cm时，信号的三次回波也可以分辨出;当收发间距大于28cm时，接收到的回波信号波形、幅值变化都不大，频移变化范围也相应减小。

图4中b）得出发射传感器置于裂缝上时，波形变化没有无损状况时明显，路面反射回的三次回波分界线不明显。随着收发间距的增大，回波信号有一定的频移，频移范围逐渐减小，越来越不明显;信号幅值变化也很小，不明显，接收到的信号幅值均小于60mV。

图4中c）得出收发传感器置于裂缝两边时，裂缝上的2号传感器接收到的三次回波明显，频谱图回波信号幅值相对较大，频移也较明显。接收端在4、5、6、7、8号位置时，回波信号的各次回波无明显分界线，较难分辨;且随着收发间距的增大，频移变得不明显，频移范围逐渐减小。

上述各频谱图中幅值出现了一个极大值，其对应的是基波。根据基波幅值大小、声压衰减等来比较三种路面状况的强度和材料密度[10]。同一测距条件下的结果分析如下：双传感器均在表面无损路面的信号幅值大，声压衰减小，强度大，材料密度大。收发传感器分置于裂缝两端信号幅值小，声压衰减大，强度小，材料密度小。发射传感器置于裂缝上信号幅值中，声压衰减中，强度中，材料密度中。

将检测到的回波信号进行叠加并比较三种路面状况下接收端聚焦的情况，比较叠加后的频谱图，如图5所示。

a）图为收发双传感器均在路面无损状况下，所有接收传感器接收到的信号叠加时，信号幅值最大值为100mV左右，频率范围很宽，声束扩散性大。b）图和c）图中，当合成后的大孔径传感器位于裂缝上时，叠加后信号的主频处幅值都接近300mV，比a）图中的大很多。从而证明了利用Multi-SAFT在缺陷处聚焦的可行性，当扫描到缺陷时，接收到的回波叠加信号比无缺陷点时的信号明显增强。

5总结

通过建立多传感器测试模型，分别在几种不同路面状况下，对同一声源不同间距条件下接收到的回波信号及频谱变化规律进行分析。对比分析了间距相同条件下不同路面状况时的频谱图，并对其强度、材料密度进行比较。从而证明了Multi-SAFT在高速公路路面缺陷处聚焦的可行性。

参考文献

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[2]李志強.基于超声波技术的混凝土无损检测[J].计量检测，2010，（3）：72-75.

[3]刘栋.探地雷达在公路工程检测中的应用研究[D].东北大学硕士学位论文，2008，6.

[4]尹梓安.弹性波反射技术在路面质量无损检测中的应用研究[D].国防科学技术大学硕士学位论文，2004.

[5]张俊哲.超声成像检测技术评述[J].无损探伤，1994，2（1）：1-5.

[6]王邓志，罗宏建，杜大明等.多传感器数字超声成像方法研究[J].应用声学，2009，9，28（5）：384-388.

[7]李秋锋.混凝土结构内部异常超声成像技术研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2008，6.

[8]M. Lorenz，L.F. van der Wal and A.J. Berkhout.Improved imaging with Multi-SAFT[J]. Ultrasonic symposium，1990，12： 1123-1128.

[9]Abid Ali Shah，Yuri Ribakov，Non-destructive measurements of crack assessment and defect detection in concrete structures[J]. Materials and Design，2007，22（5）：1-9.

[10]彭双光，吴新开.超声波在混凝土预制板检测中的应用[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2010，（3）：82-85.