摘要：超聲波檢測是一項利用聲波回彈的檢測技術(shù)，其結(jié)果受到相應(yīng)幅度的影響。主要是因為諧振帶來的振鈴效應(yīng)，從而影響了其準(zhǔn)確的程度。因此采用科學(xué)的方式對進行補償就成為了研究的重點，本文提出的是一種數(shù)字濾波的補償方式，并分析和闡述了其應(yīng)用的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波；混凝土檢測；傳感器補償方法 1 前言

混凝土材料是最為普遍的建筑材料，因其在建筑中的應(yīng)用最為廣泛所以混凝土的質(zhì)量就成為了質(zhì)量控制和檢驗的重點對象。從結(jié)構(gòu)看，混凝土是一種非均勻的介質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜隨機性明顯，而聲波理論的研究范疇往往針對的是均勻的介質(zhì)，因此超聲波在混凝土中的傳播具有衰減大、指向性差、波形復(fù)雜等特征，給超聲波檢測帶來了較大的困難，尤其復(fù)雜的波形讓識別有效波十分困難。利用科學(xué)的方式對混凝土的質(zhì)量進行檢測始終是技術(shù)人員研究的方向。目前超聲波作為無損檢測的技術(shù)手段應(yīng)用于混凝土的檢測中，在操作過程中為了獲得較好的信號回應(yīng)提高信噪比，通常利用傳感器的諧波頻率作為探測的主要頻段。但是在利用諧振頻率時往往會帶來一種負面影響，尤其是余振的干擾經(jīng)常會造成反射信號監(jiān)測失真，對于反射信號的提取和失敗造成干擾而降低分辨效果，從而影響檢測結(jié)果。因此在研究中技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)利用數(shù)字濾波的方式可以有效的對超聲波傳感器的頻響特征進行補償，以此獲得較為準(zhǔn)確的檢測信號，并獲得了成功。

2 數(shù)字補償濾波原理

數(shù)字補償?shù)幕驹砭褪窃O(shè)定一個非理想的響應(yīng)特征存在的系統(tǒng)，這里的數(shù)字補償濾波就成為了一個傳感器系統(tǒng)的辨識和濾波的問題，其核心思想就是系統(tǒng)輸入和輸出作為井基礎(chǔ)參數(shù)，利用數(shù)學(xué)方式求出系統(tǒng)的離散轉(zhuǎn)移函數(shù)模型，進而求出逆向系統(tǒng)，以此對探測過程中得到的信號進行濾波，就完成了對傳感器的補償。

在分析和計算中，設(shè)定一個線性移動不變的系統(tǒng)的動態(tài)特征可以利用常系數(shù)差分方程來進行描述，利用對各種常系數(shù)的取值和變換就可獲得應(yīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，并利用數(shù)學(xué)方式中系統(tǒng)辨識算法來獲得前面所設(shè)定的非理想測量系統(tǒng)，然后就可以獲得逆向系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)。此時因為線性系統(tǒng)都可以利用一個最小相位系統(tǒng)和一個全通系統(tǒng)的級聯(lián)而建立一個最小相位系統(tǒng)模型。因此只有讓分線性測量系統(tǒng)為最小相位，就可以保證獲得相應(yīng)的準(zhǔn)確而穩(wěn)定的因果系統(tǒng)。最后將系統(tǒng)級聯(lián)在探測系統(tǒng)中，既可以獲得一個相互對應(yīng)的輸入和輸出信號，因為建立的系統(tǒng)是可逆的，因此第一個系統(tǒng)濾波后就通過第二個系統(tǒng)消除了第一個系統(tǒng)的濾波效果，使得信號可以得到矯正和補償，實際上就相當(dāng)于沒有經(jīng)過系統(tǒng)而發(fā)生改變。

3 補償模型建立 在驗證理論時，試驗的對象是50kHz的商用超聲波傳感器，利用上述的理論建立一個模型對其進行評估。50kHz是一個非常低的無損檢測用頻率，因為其波長較大，在實際的檢測中這個頻率可以相對減少結(jié)構(gòu)性噪聲并增加測量的深度，但是應(yīng)用中往往在諧振工作頻率下反射信號都會被淹沒在傳感器的余振中而無法識別，所以在混凝土檢測中應(yīng)用較少。

針對此種問題，試驗對超聲波傳感器進行了系統(tǒng)建模和補償。先將一組輸入和輸出信號當(dāng)做是系統(tǒng)辨識的數(shù)據(jù)，其信號從一個傳感器到另一傳感器的發(fā)送和接收過程中，即信號在介質(zhì)中傳播后信號不僅僅會受到傳感器的影響，還會因為介質(zhì)差異而不同，這樣建立起來的模型是不能準(zhǔn)確的反應(yīng)傳感器系統(tǒng)的相應(yīng)特征的。因此試驗選擇水為介質(zhì)材料，主要是其均勻、各項同性的特征適合為超聲波研究創(chuàng)造穩(wěn)定的介質(zhì)環(huán)境，便于分析。在水中超聲波只有幅度上的衰弱，此種衰減對建模的影響可以在建模的時候通過輸入信號的幅度來彌補，這樣信號中的不良效果就完全來自與傳感器系統(tǒng)本身，使得建模的相對獨立的研究傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

試驗中將激勵信號設(shè)定在一個高斯函數(shù)調(diào)制的余弦波，其信號的主頻、高斯波的脈沖系數(shù)，波形發(fā)射周期中波包的位置參數(shù)等作為其激勵信號的基本參數(shù)。選用實際波形和頻譜，檢測系統(tǒng)組成由信號產(chǎn)生和發(fā)射部分、傳感器、信號接收及顯示部分組成。采集信號的時候選用的是深度固定的水容器，防止反射波包的相互干擾，方便反射波包的獲取。在信號采用中，第一個波包就是一次地面反射的波包，將其與激勵信號相比較可以開出波包經(jīng)過介質(zhì)而改變。

在得到傳感器輸入和輸出的信息后，應(yīng)先對輸入信號的的波形進行調(diào)制，即將輸入信號按照輸入信號的第一個波峰比值進行幅度調(diào)制，這樣就可以調(diào)整而消除水對信號的衰弱影響。然后參照系統(tǒng)辨識算法對傳感器進行建模，獲得轉(zhuǎn)移函數(shù)的比值，對應(yīng)的測量值就可利用圖表描述出來，試驗中發(fā)現(xiàn)50kHz附近沒有平坦的通道帶，這就是引起測量失真的主要因素。這樣既可獲得逆向系統(tǒng)并將其加入到探測系統(tǒng)中，完成補償濾波。這個過程可以利用軟件工具完成，但是在模型計算的時候，階數(shù)的選擇十分重要，過小或者過大都會導(dǎo)致模型估計的誤差增加，甚至是系統(tǒng)不穩(wěn)定，就是去了建模的意義。

試驗中經(jīng)過比較選擇用5階評估方式，這樣既可以滿足系統(tǒng)建模的要求，也可控制誤差在接收范圍內(nèi)。在系統(tǒng)中增加了補償信號后，測試表明補償信號和原始信號之間十分接近，這就可以認為其主體部分補償成功。因此在模型計算中還會出現(xiàn)一些誤差，因此會產(chǎn)生雜波的情況，但是進一步研究表明雜波對測試不會產(chǎn)生較大的負面影響。

4 型實驗驗證

完成補償模擬后，就可以將補償系統(tǒng)應(yīng)用到實際的檢測中，以檢驗系統(tǒng)的可靠性，在實際測量中利用一個標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試塊。長寬高分別為：500mm、300mm、200mm；利用對測法沿著長度方向?qū)υ噳K進行超聲波掃描，并計算出平均的聲速。因為多數(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)其測量的面都為一個，所以模擬實際采用的是單面法測量，試驗中采用單面法測出試塊的厚度和超聲波速度。

按照規(guī)范的單面法測量，利用甘油將發(fā)射傳感器耦合固定在測試結(jié)構(gòu)的表面，然后先將接收傳感器設(shè)置在距離發(fā)射器50mm的位置，兩個傳感器德爾中心距離是根據(jù)其外徑而定，然后按照步長20mm來移動接收端，進行不同位置的6次檢測，每個位置的波形都應(yīng)采集記錄，著過程需要保證接收傳感器與測試結(jié)構(gòu)耦合良好。然后將采集到的波形通過補償濾波系統(tǒng)進行處理，并與原信號進行對比，這樣就可以看出混疊在表面直達波的余振中的反射波。在深入分析時選取了一組信號進行比較，將平測法與對測聲速相比較，精度可以滿足實際測量的需求。因此此種補償方法是可以在實際中獲得較好的效果的。

5 結(jié)語

利用數(shù)字濾波的傳感器補償措施是利用了數(shù)學(xué)方式來降低傳感器系統(tǒng)對信號的諧振效應(yīng)，提高距離分辨能力。通過前面的分析和試驗，并在實際的測量中利用此種方法進行測試都獲得了較好的效果。使用補償濾波器后，反射信號的解析和分離效率得到了提高，最終的測了誤差很小，因此可以認為此種方式可以彌補低頻超聲波在混凝土測量中產(chǎn)生的誤差。 參考文獻

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