李 婷，龍士國(guó)，徐 涵，林國(guó)漢，孫 健，胡佳鑫

（1.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105）

0 引言

橋梁在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用.預(yù)應(yīng)力橋梁具有抗裂能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、抗剪能力強(qiáng)和抗疲勞性能好等特點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中應(yīng)用廣泛［1］.在預(yù)應(yīng)力管道注漿的過(guò)程中，由于注漿材料不合格、工人操作不當(dāng)、注漿過(guò)程隱蔽，管道內(nèi)常常出現(xiàn)空洞或積水現(xiàn)象，這將導(dǎo)致鋼絞線銹蝕，預(yù)應(yīng)力提前失效，給橋梁留下極大的安全隱患［2］.聲波檢測(cè)法是一種常用且有效的無(wú)損檢測(cè)方法［3］，其中，基于聲波透射法是一種快速評(píng)價(jià)管道整體注漿質(zhì)量的定性方法，根據(jù)聲波在管道內(nèi)傳播的聲時(shí)、聲速、波幅以及波形的衰減狀況等參數(shù)來(lái)判斷注漿的整體狀況.研究表明，預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)的錨固體固結(jié)波速介于鋼絞線與錨固灌漿劑的波速之間，當(dāng)固結(jié)波速越靠近鋼絞線波速時(shí)說(shuō)明固結(jié)質(zhì)量越不好，反之，說(shuō)明固結(jié)質(zhì)量越好［1-3］.

聲波檢測(cè)儀是實(shí)現(xiàn)橋梁質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的聲波檢測(cè)儀由主機(jī)、發(fā)射端和接收端組成，其中，發(fā)射端和接收端分別連接在主機(jī)的兩個(gè)端口.當(dāng)被測(cè)管道跨徑較大時(shí)，只能通過(guò)延長(zhǎng)發(fā)射端或接收端的線纜長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行檢測(cè).由于線纜的纏繞，加之復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境，使傳統(tǒng)儀器有了極大的局限性，不僅耗費(fèi)人力，也使得檢測(cè)效率低.

無(wú)線傳輸技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的技術(shù)，尤其在大型土木工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用［4］.本文為解決儀器檢測(cè)效率低的問(wèn)題，基于無(wú)線傳輸技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套便攜、高效的聲波檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了聲波信號(hào)發(fā)射端與接收端在空間上的分離，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，同步性高，在預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中既實(shí)用又高效.

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文在聲波檢測(cè)和無(wú)線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)分為兩部分：發(fā)射端和采集端，如圖1所示.發(fā)射端主要由聲波發(fā)射電路、微控制器、無(wú)線模塊和電源模塊組成，采集端主要由信號(hào)采集電路、微控制器、無(wú)線模塊、電源模塊和帶有LabVIEW軟件的工控主機(jī)組成.微處理器選用的是ST公司的STM32F103芯片，該芯片是基于高性能的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核而設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的低功耗特性，其12位的AD采集頻率最高可達(dá)1 MHz，采用DMA通道將使數(shù)據(jù)傳輸更快，滿足聲波數(shù)據(jù)快速響應(yīng)的要求.

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

無(wú)線傳輸芯片選用了由Nordic半導(dǎo)體公司出品的nRF24L01芯片，它工作在2.4-2.5 GHz的ISM頻段，空中最高傳輸速率2 Mbps，滿足儀器對(duì)實(shí)時(shí)性的要求.nRF24L01采用SPI接口與MCU間進(jìn)行通信，6個(gè)引腳IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE分別對(duì)應(yīng)微控制器STM32F103的PA0、PA6、PA7、PA5、PA4和PA1這6個(gè)IO口，實(shí)現(xiàn)工作模式配置和狀態(tài)控制.

信號(hào)采集電路是將微弱的、信噪比低的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大、衰減、濾波、相加等處理，使幅值轉(zhuǎn)變到AD采樣的范圍.AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的高速USB通道傳輸?shù)街鳈C(jī)，并實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面.LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的發(fā)送、波形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)的保存與讀取、信號(hào)處理等功能.

2 同步采集設(shè)計(jì)

在聲波透射法中，準(zhǔn)確的聲時(shí)測(cè)量是判斷注漿質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，因而，對(duì)于聲波的發(fā)射與接收不在一個(gè)硬件系統(tǒng)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)，如何達(dá)到發(fā)射與接收的同步是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題.

本文設(shè)計(jì)的同步采集方案是利用nRF24L01在增強(qiáng)型ShockBurstTM模式下的雙向鏈接協(xié)議.該協(xié)議為：發(fā)送方要求接收方在接收到數(shù)據(jù)后返回應(yīng)答信號(hào)，以便發(fā)送方檢測(cè)有無(wú)數(shù)據(jù)丟失，若數(shù)據(jù)丟失，則重新發(fā)送數(shù)據(jù).

具體來(lái)說(shuō)，如圖2所示，初始化程序中，分別使用采集端和發(fā)射端的ACK和IRQ功能.采集端作為發(fā)送方，向發(fā)射端發(fā)送同步采集命令，發(fā)射端經(jīng)過(guò)地址匹配、CRC檢驗(yàn)正確后，會(huì)將IRQ線置低，同時(shí)會(huì)向發(fā)送方地址發(fā)送ACK確認(rèn)信號(hào)，此時(shí)，發(fā)送方IRQ線也置低.雙方分別在IRQ中斷時(shí)臨時(shí)開(kāi)啟發(fā)射激勵(lì)信號(hào)和AD采集功能.若某次接收到的數(shù)據(jù)不正確，雙方的IRQ線均不會(huì)置低，因而不會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和AD采集.該方法將采集端和發(fā)射端的同步誤差降為固定的ACK信號(hào)的空中傳輸時(shí)間，再通過(guò)軟件進(jìn)行一定的補(bǔ)償，使得誤差保持在微秒級(jí).

圖2 同步采集流程圖

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

交互界面是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，本系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是一款強(qiáng)大的集采集、控制、數(shù)據(jù)顯示與分析于一體的軟件.本文程序巧妙地利用while循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)、狀態(tài)機(jī)等結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，使應(yīng)用程序具有儀器連接、設(shè)置參數(shù)、單次采集、波形顯示、頻譜顯示、保存等功能.

軟件的狀態(tài)機(jī)流程圖如圖3所示，程序一開(kāi)始進(jìn)入初始狀態(tài)——等待觸發(fā)事件，即等待用戶進(jìn)行操作，當(dāng)用戶選擇參數(shù)設(shè)置事件，設(shè)置成功后程序自動(dòng)回到等待觸發(fā)事件；同理，當(dāng)用戶選擇單次采集事件，觸發(fā)采集完成后，程序?qū)?huì)跟隨數(shù)據(jù)流入時(shí)、頻譜波形顯示，然后自動(dòng)保存波形，最后仍然回到等待觸發(fā)事件；而用戶如果選擇的是采集保存事件，則采集完后會(huì)跳到保存，再回到初始狀態(tài).這種結(jié)構(gòu)使得程序思路清晰.圖4是軟件利用VISA搜索USB設(shè)備的程序框圖，VISA是LabVIEW編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O API，所設(shè)計(jì)的USB為“USB測(cè)試和測(cè)量”類(lèi)設(shè)備，其VID和PID分別為0x0547、0x1002，使用設(shè)備的第一個(gè)可用的USBTMC接口，編號(hào)為0，搜索成功后即可進(jìn)行之后的操作.圖5為采集信號(hào)的程序框圖，根據(jù)一定的通信協(xié)議，將“命令符”通過(guò)“VISA Write.vi”寫(xiě)入所搜索到的USB設(shè)備，再通過(guò)“VISA Read.vi”讀取采集到的數(shù)據(jù)，最后將字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，顯示在波形圖中.

圖3 軟件狀態(tài)機(jī)流程圖

圖4 搜索USB程序框圖

圖5 采集信號(hào)程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6為本文研制的系統(tǒng)實(shí)物圖，包括聲波發(fā)射裝置和聲波接收裝置，并經(jīng)過(guò)了多次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性.

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

本文實(shí)驗(yàn)共分為三組，分別驗(yàn)證儀器的采集性能、傳輸距離以及對(duì)預(yù)應(yīng)力管道全長(zhǎng)波速法的檢測(cè)效果.

4.1 采集性能測(cè)試

將無(wú)線儀器的接收端連接于信號(hào)發(fā)生器，分別采集幅值為20 mV、頻率為10 kHz及50 kHz的正弦信號(hào)，硬件初始放大100倍，之后衰減2倍.采集的信號(hào)及頻譜如圖7、圖8所示.由圖可看出，僅通過(guò)硬件濾波，采集的10 kHz及50 kHz正弦信號(hào)信噪比高，所得頻率準(zhǔn)確，符合聲波采集的需求.

圖7 頻率為10 kHz的正弦信號(hào)

圖8 頻率為50 kHz的正弦信號(hào)

4.2 距離測(cè)試

為檢驗(yàn)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸性能，本文將無(wú)線系統(tǒng)置于不同的測(cè)試條件及距離下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試地點(diǎn)為馬路，無(wú)線天線為全向天線且均垂直于地面放置.實(shí)驗(yàn)中根據(jù)發(fā)射端聲波發(fā)射裝置的聲響及接收端返回的信息可以判斷無(wú)線裝置是否通信正常.測(cè)試根據(jù)測(cè)試條件分為四組，分別是：增益為2.5 dbi的天線且裝置放于地面，增益2.5 dbi且天線遠(yuǎn)離地面1 m，增益為3 dbi的天線且裝置放于地面以及增益3 dbi且天線遠(yuǎn)離地面1 m，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增益越高的天線傳輸?shù)迷竭h(yuǎn)，且無(wú)線裝置遠(yuǎn)離地面一定距離的情況下，信號(hào)質(zhì)量更好.

4.3 全長(zhǎng)波速法測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)在預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用效果，使用湖南省交通科學(xué)院的一個(gè)管道模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［5］.模型的預(yù)應(yīng)力管道長(zhǎng)20 m，注漿情況良好.實(shí)驗(yàn)中使用全長(zhǎng)波速法進(jìn)行檢測(cè)，將發(fā)射裝置的發(fā)射傳感器置于預(yù)應(yīng)力管道的一端，接收裝置的聲波探頭置于管道另一端，通過(guò)主機(jī)的人機(jī)交互界面進(jìn)行采集控制.

圖9為對(duì)管道連續(xù)采集五次的波形數(shù)據(jù)，由圖可見(jiàn)，波形重復(fù)性好.管道注漿情況良好的波形圖，首波聲時(shí)約在5 ms處，計(jì)算所得波速為4000 m/s，波形的振幅較低，符合理論上鋼筋與水泥漿的固結(jié)良好時(shí)的波速范圍.

圖9 時(shí)域波形圖

將本文模型的結(jié)果與文獻(xiàn)6所述的有線聲波儀的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比可知，本文所介紹的無(wú)線智能檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線聲波儀在預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中具有相同的性能，但無(wú)線智能檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中不必像有線儀器一樣使用長(zhǎng)的線纜連接，體現(xiàn)出極大的便攜性、實(shí)用性和高效性.

5 結(jié)論

本文為解決橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿檢測(cè)儀檢測(cè)效率低的問(wèn)題，從聲波檢測(cè)方法出發(fā)，基于無(wú)線傳輸技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套便攜、高效的無(wú)線聲波檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)射端與接收端在空間上的分離.實(shí)驗(yàn)顯示，該套系統(tǒng)軟件操作方便、采集信號(hào)準(zhǔn)確、傳播距離遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快、同步性高，在預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中顯示出實(shí)用性強(qiáng)和檢測(cè)效率高的優(yōu)勢(shì).