專利名稱：一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)和工程檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是涉及一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
彈性波層析成像技術(shù)又稱為彈性波CT技術(shù)，可分為聲波CT和地震波CT。該技術(shù)是利用彈性波在正常材料和缺陷(如蜂窩、不密實(shí)、離析或架空等)中傳播速度(主要指縱波速度)的差異，通過(guò)走時(shí)數(shù)據(jù)的拾取和計(jì)算機(jī)反演成像技術(shù)來(lái)重建介質(zhì)的速度分布圖像，進(jìn)而直觀地再現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)。隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，彈性波層析成像技術(shù)也在不斷成熟和完善，作為一門(mén)新穎的檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)波速測(cè)定相比，具有較高的分辨率，更有利全面細(xì)致的對(duì)被測(cè)物進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，為波速成像開(kāi)拓了新的路徑，在混凝土厚度及內(nèi)部缺陷檢測(cè)、油氣輸送管道泄漏、錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)，木材彈性模量及缺陷檢測(cè)以及巖溶勘查、采空區(qū)探測(cè)等工程物探中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并取得了顯著的效果。該技術(shù)使用不同數(shù)量的激振器與檢振器，同一時(shí)刻單個(gè)激振器激發(fā)，所有檢振器接受，形成一發(fā)多收的扇形透射，經(jīng)過(guò)不同位置的激振器激發(fā)，所有檢振器接受，將在被測(cè)區(qū)域形成致密的射線交叉網(wǎng)絡(luò)。按照激發(fā)與接收時(shí)間互換原理，每條射線彈性波旅行時(shí)間將被唯一確定，射線通過(guò)異常體時(shí)，將產(chǎn)生時(shí)間旅行差，當(dāng)多條致密交叉射線通過(guò)異常體時(shí)，就會(huì)對(duì)異常體的空間位置進(jìn)行唯一確定，然后再根據(jù)射線的疏密程度及成像精度的要求，在施測(cè)范圍內(nèi)劃分若干規(guī)則的成像單元，實(shí)現(xiàn)透視空間離散化，可認(rèn)為每個(gè)成像單元的介質(zhì)是均勻的，波速是單一的，通過(guò)對(duì)諸多成像單元波速的數(shù)學(xué)物理反演計(jì)算，可獲得異常體波速的展布形態(tài)。傳統(tǒng)的激振裝置一般是用手錘或力棒敲擊作為振源，但是這種方法力度不好把握，頻率也往往達(dá)不到要求。還有一種液壓式激振器，其價(jià)格較貴，體積較大。另外是壓電式激振器，壓電式激振器中的壓電材料存在應(yīng)變小、能量低的問(wèn)題。超磁致伸縮材料由于具有應(yīng)變大、能量高、機(jī)電耦合系數(shù)大、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)，是制作激振器的理想材料，如中國(guó)專利號(hào)為201020155081. X和03118251. 8等都涉及基于超磁致伸縮材料的激振裝置。檢振裝置按能量轉(zhuǎn)換分為加速度型和速度型，其中加速度型檢振器分為電磁感應(yīng)式渦流加速度檢振器和慣性式加速度傳感器響應(yīng)原理的加速度檢振器。其中電磁感應(yīng)式渦流加速度檢振器由于結(jié)構(gòu)受彈性元件和質(zhì)量塊尺寸、質(zhì)量等因素的限制，使工作頻率范圍受限，無(wú)法消除諧波失真，傳感器靈敏度難以提高。另一類是采用慣性式加速度傳感器響應(yīng)原理的加速度檢振器，由于具有線性度好、重復(fù)性好、體積小、易于封裝、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢(shì)正在逐步代替電磁式檢振器。該類加速度檢振器按原理分為電容式微機(jī)械加速度檢振器，如中國(guó)專利03216512. 9，ADI公司MEMS加速度計(jì)等、光電及光纖式加速檢振器如中國(guó)專利03100433. 4，中國(guó)專利03200396. X等、壓電式加速度檢振器，如西安石油大學(xué)研制的YD2000，中國(guó)專利93232320. 0等，由于電容式微機(jī)械加速度檢振器具有零頻率、高靈敏度、高測(cè)量精度、穩(wěn)定性好、溫度漂移小，功耗極低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。目前，用于彈性波層析成像的激振器、檢振器為兩部分設(shè)備，由兩部分設(shè)備分別完成彈性波的發(fā)射以及接收?，F(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺點(diǎn)如下(1)在彈性波CT檢測(cè)時(shí)，需要多個(gè)激振器、檢振器才能將被測(cè)材料的整個(gè)速度場(chǎng)進(jìn)行層析成像，因此利用傳統(tǒng)分離式的激振、檢振裝置進(jìn)行彈性波CT檢測(cè)時(shí)，必然存在檢測(cè)設(shè)備數(shù)量多、檢測(cè)成本高的問(wèn)題。因此，在進(jìn)行彈性波層析成像檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)材料上將布設(shè)多個(gè)激振器和多個(gè)檢振器，這樣造成檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儀器設(shè)備較多，不便于攜帶，并且檢測(cè)成本高、布設(shè)安裝難度大等問(wèn)題。(2)在現(xiàn)有的彈性波CT檢測(cè)中，激振/檢振器的控制部分獨(dú)立于激振、檢振器， 整個(gè)檢測(cè)過(guò)程采用以計(jì)算機(jī)作為控制核心的有線控制方式，在檢測(cè)中，需要利用電纜將計(jì)算機(jī)與控制裝置、多個(gè)激振器、多個(gè)檢振器連接，因此，存在安裝復(fù)雜、電纜布設(shè)成本高的問(wèn)題。(3)目前彈性波CT檢測(cè)，采用單個(gè)激振器瞬時(shí)激振，所有檢振器同時(shí)檢振的方法， 雖然這種檢測(cè)方式簡(jiǎn)單、易行，但由于激振產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波頻率、幅度、相位等信息未知， 再經(jīng)存在缺陷的材料中傳播時(shí)，出現(xiàn)波的折射、反射、衍射等現(xiàn)象，造成檢振器檢測(cè)的彈性波信號(hào)在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)難度較大。(4)在彈性波CT檢測(cè)時(shí)，檢振器接收到的彈性波是經(jīng)被測(cè)材料衰減后的激振信號(hào)，彈性波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)是一定的，因此，當(dāng)檢振器的檢測(cè)分辨率越高時(shí)(能夠檢測(cè)的最小振動(dòng)量越小)，激振信號(hào)所需的激振強(qiáng)度就越小，對(duì)被測(cè)材料的損傷就越小，功耗就越低，由此可見(jiàn)，怎樣提高檢振器的分辨率對(duì)彈性波CT檢測(cè)是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和問(wèn)題，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，將激振裝置和檢振裝置集成為一體，使激振器和檢振器的控制系統(tǒng)一體化，能夠便于攜帶，同時(shí)提高檢測(cè)工作效率和降低檢測(cè)成本的基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明技術(shù)方案是一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)，由激振與檢振器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成；激振與檢振器結(jié)構(gòu)包括偏置線圈1、激勵(lì)線圈2、線圈骨架3、頂座4、電源開(kāi)關(guān)5、 電源模塊6、外設(shè)接口 7、激振檢振系統(tǒng)控制電路板8、外殼9、超磁致伸縮棒10、固定彈簧 11、上頂桿12、下頂桿13、預(yù)壓彈簧14、加速度檢振模塊15、端蓋16、過(guò)線孔17及下頂桿預(yù)設(shè)的加速度檢振模塊的安裝凹槽18 ；所述線圈骨架、頂座用螺釘與外殼連接，線圈骨架繞有偏置線圈與激勵(lì)線圈，超磁致伸縮棒裝在線圈骨架中心孔中，并由上頂桿上端的定位槽定位；在所述上頂桿與下頂桿之間安裝有加速度檢振模塊，上頂桿與下頂桿并通過(guò)螺釘連接在一起；所述端蓋連接外殼，在下頂桿與端蓋之間頂安裝預(yù)壓彈簧，上頂桿與線圈骨架之間安裝固定彈簧；在所述頂座與外殼之間安裝有激振與檢振系統(tǒng)控制電路板與電源，激振與檢振系統(tǒng)控制電路板的信號(hào)線通過(guò)線圈骨架和上頂桿的過(guò)線孔與加速度檢振模塊、偏置線圈及激勵(lì)線圈相連；在所述激振檢振系統(tǒng)控制電路板上設(shè)有與外部設(shè)備或總線相連的外設(shè)接口 ；所述電源開(kāi)關(guān)安裝在外殼上。在所述加速度檢振模塊15上設(shè)置三個(gè)互成120°固定螺孔22，以及在下頂桿13的加速度檢振模塊的安裝凹槽18內(nèi)相應(yīng)也設(shè)置三個(gè)互成120°固定螺孔23，加速度檢振模塊15由通過(guò)螺釘裝在安裝凹槽18內(nèi)；在加速度檢振模塊背面的中心位置裝加速度傳感器 24,并且加速度傳感器M與下頂桿直接接觸。所述激振與檢振器控制系統(tǒng)包括激振檢振控制電路和外部的電腦34兩部分；該激振檢振控制電路包括加速度傳感器對(duì)、適配放大器25、抗混疊濾波器沈、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27、微處理器單元31、記憶單元觀、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器32、功率放大器33、激勵(lì)線圈2、電源模塊6、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊四及無(wú)線通信模塊30;所述微處理器單元經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、功率放大器與激勵(lì)線圈相接，并將微處理器單元的輸出控制信號(hào)經(jīng)功率放大后給激勵(lì)線圈； 所述微處理器單元經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、適配放大器及抗混疊濾波器與加速度傳感器相接； 并由加速度傳感器采集到檢測(cè)信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波器、適配放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入微處理器單元；所述微處理器單元還連接記憶單元、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊及無(wú)線通信模塊；所述電源模塊為加速度傳感器、適配放大器、抗混疊濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器單元、記憶單元、無(wú)線傳輸模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、功率放大器提供電源，以及為偏置線圈提供電源；所述外設(shè)接口 7是現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊的外設(shè)接口，外設(shè)接口與電腦等控制設(shè)備掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線上。所述無(wú)線通信模塊由激振檢振控制電路的無(wú)線通信模塊和電腦的無(wú)線通信模塊組成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，其突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)是(1)激振/檢振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成，這樣可以大大減少檢測(cè)設(shè)備的數(shù)量、降低檢測(cè)成本，同時(shí)與現(xiàn)有分離的激振、檢振器技術(shù)相比，在靈活性和便攜性上具有較大的突破；(2)激振、檢振控制系統(tǒng)與激振、檢振結(jié)構(gòu)一體化、利用無(wú)線、有線兩種方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令的通信，當(dāng)進(jìn)行大功率激振時(shí)，采用有線方式連接，利用現(xiàn)場(chǎng)總線供電，同時(shí)完成與計(jì)算機(jī)的通信。當(dāng)進(jìn)行正常小功率激振、檢振時(shí)，采用無(wú)線方式通信，這樣在檢測(cè)過(guò)程中就大大減小了電纜布設(shè)費(fèi)用、降低了安裝的復(fù)雜度。與傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)相比，可以顯著提高檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。(3)本發(fā)明可控振源的激振器，即激振產(chǎn)生的彈性波信號(hào)的頻率、方式、相位等信息已知，因此，在處理檢振器拾取的彈性波信號(hào)時(shí)，這些信息就為彈性波信號(hào)處理提供了可靠的參考標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了信號(hào)處理的難度，提高了檢測(cè)精度。(4)加速度傳感器布局于檢振電路下層板的中心位置，同時(shí)加速度模塊安裝在下頂桿的上部，這樣能夠最大程度地減小彈性波到達(dá)加速度傳感器前在介質(zhì)中的衰減，避免在激振時(shí)對(duì)加速度模塊的損傷。加速度模塊除了直接接收來(lái)自下頂桿傳輸來(lái)的彈性波外， 還要接收下頂桿傳播到安裝孔后，從安裝孔傳播過(guò)來(lái)的彈性應(yīng)力波。為了減小這部分彈性波信號(hào)對(duì)直接接收的彈性波的干擾，設(shè)計(jì)加速度檢振模塊為三等邊的剛性安裝方式(即三個(gè)安裝孔互成120° )，從矢量分解的角度能夠?qū)⑷齻€(gè)安裝孔上傳遞過(guò)來(lái)的三路彈性波信號(hào)相互抵消。這種布局、安裝方式能夠提高檢振部分的檢測(cè)分辨率、檢測(cè)精度，降低激振部分的功耗。


圖1為本發(fā)明基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中加速度檢振模塊在激振器架構(gòu)上的安裝示意圖。圖3為本發(fā)明中加速度檢振模塊平面示意圖。圖4為本發(fā)明的激振與檢振控制系統(tǒng)原理框圖。圖5為本發(fā)明的控制系統(tǒng)軟件流程圖。圖中偏置線圈1、激勵(lì)線圈2、線圈骨架3、頂座4、電源開(kāi)關(guān)5、電源模塊6、外設(shè)接口 7、激振檢振系統(tǒng)控制電路板8、外殼9、超磁致伸縮棒10、固定彈簧11、上頂桿12、下頂桿 13、預(yù)壓彈簧14、加速度檢振模塊15、端蓋16、過(guò)線孔17、下頂桿預(yù)設(shè)的加速度檢振模塊的安裝凹槽18、上下頂桿的安裝螺釘19、上下頂桿的安裝螺孔20、加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺釘21、加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺孔22、下頂桿與加速度檢振模塊固定螺孔23、加速度傳感器M。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)由激振與檢振器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩分組成。其中1、激振與檢振器結(jié)構(gòu)圖1所示，激振與檢振器的結(jié)構(gòu)。它包括偏置線圈1、激勵(lì)線圈2、線圈骨架3、頂座4、電源開(kāi)關(guān)5、電源模塊6、外設(shè)接口 7、激振檢振系統(tǒng)控制電路板8、外殼9、超磁致伸縮棒10、固定彈簧11、上頂桿12、下頂桿13、預(yù)壓彈簧14、加速度檢振模塊15、端蓋16、過(guò)線孔17、下頂桿預(yù)設(shè)的加速度檢振模塊的安裝凹槽18、上下頂桿的緊固螺釘19、上下頂桿的安裝螺孔20、加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺釘21、加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺孔22、下頂桿與加速度檢振模塊固定螺孔23、加速度傳感器M。所述線圈骨架3、頂座4用螺釘與外殼9連接，線圈骨架3繞有偏置線圈1與激勵(lì)線圈2，超磁致伸縮棒10裝在線圈骨架3中心孔中，并由上頂桿12上端的定位槽定位；在所述上頂桿12與下頂桿13之間安裝有加速度檢振模塊15，上頂桿12與下頂桿13并通過(guò)上下頂桿的緊固螺釘19及上下頂桿的安裝螺孔20連接在一起；所述端蓋16用螺紋連接外殼9，在下頂桿13與端蓋16之間頂安裝預(yù)壓彈簧14， 上頂桿12與線圈骨架3之間安裝固定彈簧11 ；在所述頂座4與外殼9之間安裝有激振檢振系統(tǒng)控制電路板8與電源模塊6，激振檢振系統(tǒng)控制電路板8的信號(hào)線通過(guò)線圈骨架3和上頂桿12的過(guò)線孔17與加速度檢振模塊15、激勵(lì)線圈2相連；電源模塊6的電源線同樣通過(guò)線圈骨架3和上頂桿12的過(guò)線孔 17與偏置線圈1相連，并直接為偏置線圈1供直流電。所述的外設(shè)接口 7 (可采用航空插頭)與外部控制設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)總線相連，若外設(shè)接口與電腦控制設(shè)備直接連接時(shí)，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)的可控激振、檢振；若外設(shè)接口與電腦控制設(shè)備、多個(gè)本發(fā)明裝置連接在同一條現(xiàn)場(chǎng)總線相連上，可實(shí)現(xiàn)彈性波CT多節(jié)點(diǎn)有線檢測(cè)。所述電源開(kāi)關(guān)5安裝在外殼9上。偏置線圈1、激勵(lì)線圈2分別為超磁致伸縮棒提供偏置磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)。用直流線圈產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，用激勵(lì)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)線圈中流過(guò)的電流即可方便地調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的大小。超磁致伸縮棒在方向相反的磁場(chǎng)作用下，應(yīng)變方向不會(huì)改變，因此若僅加一個(gè)交變磁場(chǎng)，超磁致伸縮棒的機(jī)械運(yùn)動(dòng)頻率將為交變磁場(chǎng)的兩倍，這種現(xiàn)象稱為“倍頻”效應(yīng)。為了使超磁致伸縮棒機(jī)械運(yùn)動(dòng)的頻率等于交變磁場(chǎng)的頻率，避免“倍頻”現(xiàn)象，就必須再加一個(gè)稱為偏置磁場(chǎng)的直流磁場(chǎng)。激勵(lì)線圈2使超磁致伸縮棒產(chǎn)生激振動(dòng)作，其原理是磁致伸縮效應(yīng)(焦耳效應(yīng))， 磁致伸縮效應(yīng)指當(dāng)磁性體的磁化狀態(tài)改變時(shí)，其長(zhǎng)度或體積會(huì)發(fā)生微小的變化，超磁致伸縮棒10通過(guò)偏置線圈1提供恒定的磁場(chǎng)，當(dāng)外加激勵(lì)線圈2電流變化時(shí)，超磁致伸縮棒所處磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，超磁致伸縮棒10會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而產(chǎn)生激振的動(dòng)作。圖2所示，加速度檢振模塊15通過(guò)加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺釘21、加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺孔22裝于下頂桿上設(shè)置的加速度檢振模塊的安裝凹槽18 內(nèi)，同時(shí)上頂桿12、加速度檢振模塊15、下頂桿13通過(guò)上下頂桿的緊固螺釘19及上下頂桿的安裝螺孔20連接在一起。圖3所示，在加速度檢振模塊15上設(shè)置三個(gè)互成120°固定螺孔22，以及在下頂桿13的加速度檢振模塊的安裝凹槽18內(nèi)相應(yīng)也設(shè)置三個(gè)互成120°固定螺孔23，加速度檢振模塊15由通過(guò)三個(gè)加速度檢振模塊與下頂桿的固定螺釘21裝在安裝凹槽18內(nèi)。加速度傳感器M設(shè)置在加速度檢振模塊15背面的中心位置，并且與下頂桿直接接觸。加速度傳感器M優(yōu)先采用的是MEMS (光刻、腐蝕、刻蝕)加工工藝制造的加速度傳感器。2、激振與檢振控制系統(tǒng)圖4所示，本發(fā)明的激振與檢振控制系統(tǒng)原理框圖。該激振與檢振器控制系統(tǒng)包括激振檢振控制電路和外部的電腦；34兩部分。該激振檢振一體化控制電路包括加速度傳感器M、適配放大器(如程控放大器、 儀用放大器、PGA) 25、抗混疊濾波器沈、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D converter) 27、微處理器單元 (如MCU) 31、記憶單元(如FLASH、EEPROM等)觀、無(wú)線傳輸模塊30、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(D/A converter) 32、功率放大器(如音頻放大器)33、激勵(lì)線圈2、電源模塊6、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊 29及無(wú)線通信模塊30。所述激振檢振控制電路的各個(gè)部件中，加速度傳感器M、適配放大器25、抗混疊濾波器沈、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27布設(shè)在加速度檢振模塊15上，其余部件除激勵(lì)線圈和電源模塊外，布設(shè)在激振檢振系統(tǒng)控制電路板8上，這種布設(shè)方式不唯一，可按照加速度檢振模塊 15、激振檢振系統(tǒng)控制電路板8的大小，進(jìn)行靈活布設(shè)。所述微處理器單元31經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器32、功率放大器33與激勵(lì)線圈2相接，并將微處理器單元31的輸出控制信號(hào)經(jīng)功率放大后給激勵(lì)線圈2 ；電源模塊6與偏置線圈1 相連并直接為偏置線圈1供直流電。所述微處理器單元31經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27、適配放大器25及抗混疊濾波器沈與加速度傳感器M相接；并由加速度傳感器M采集到檢測(cè)信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波器、適配放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入微處理器單元31 ；所述微處理器單元31還連接記憶單元觀、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊四及無(wú)線通信模塊 30。所述的現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊擬采用CAN總線，所述無(wú)線通信模塊30由激振檢振控制電路的無(wú)線通信模塊和電腦34的無(wú)線通信模塊組成。電源模塊6為加速度傳感器M、適配放大器25、抗混疊濾波器沈、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 27、微處理器單元31、記憶單元觀、無(wú)線通信模塊30、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器32及功率放大器33
7提供電源。電源模塊6擬采用亞硫酸氯鋁電池供電，當(dāng)彈性波CT成像過(guò)程采用無(wú)線方式傳輸指令和數(shù)據(jù)時(shí)，電源模塊6為激振檢振一體化控制電路及偏置線圈1直接提供電源，如需大功率激振(如混凝土、橋墩缺陷檢測(cè))，電源模塊6無(wú)法提供大電流，需要采用有線方式，利用現(xiàn)場(chǎng)總線供電，同時(shí)完成與電腦的通信。加速度傳感器M為慣性傳感器，其原理主要是感測(cè)被測(cè)物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下X(左右)、Y(前后)、z(上下)軸方向所產(chǎn)生的加速度值，并以模擬電壓表示各方向感測(cè)到的加速度大小。該加速度傳感器對(duì)可以選用電容式、壓阻式或壓電式原理的微機(jī)電結(jié)構(gòu)(MEMS) 加速度傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。正因?yàn)榧铀俣葌鞲衅骺梢詸z測(cè)物體的各項(xiàng)物理量，包括位移、 速度和加速度。因此在彈性波CT檢測(cè)中，可以利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性波的檢振。所述的加速度傳感器對(duì)軸數(shù)沒(méi)有要求，當(dāng)采用單軸加速度傳感器時(shí)可以實(shí)現(xiàn)單維檢振；當(dāng)采用三軸加速度傳感器時(shí)可以實(shí)現(xiàn)三維全向檢振。彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離的變化要變化，安裝在材料表面的加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，在不同的位置上拾取的加速度大小是不同的。為了提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27采樣精度， 需要通過(guò)適配放大器25將不同的加速度值盡量達(dá)到滿量程的一半以上。同時(shí)考慮到外界存在高頻噪聲，為了防止高頻信號(hào)使模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27在采集時(shí)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，需要抗混疊濾波器26進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27，用于將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。本發(fā)明的實(shí)施為了保證微型化，擬采用ADI公司的數(shù)字輸出的MEMS加速度計(jì) ADXL345和ADIS16223分別實(shí)現(xiàn)小量程和大量程的三維全向檢振功能。所述的數(shù)字輸出的 MEMS加速度計(jì)，它已經(jīng)集成了三軸加速度傳感器、程控放大器、濾波器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化器等， 這些也就是加速度檢振模塊15的基本構(gòu)成。記憶單元28與微處理器單元31連接，為了減小微處理器單元31的運(yùn)算量，檢測(cè)系統(tǒng)采用后處理方式，即先將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到記憶單元28，當(dāng)設(shè)定的采集時(shí)間結(jié)束后，將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦系統(tǒng)34，在電腦系統(tǒng)34上實(shí)現(xiàn)速度場(chǎng)的層析成像。微處理器單元31是激振檢振一體化控制系統(tǒng)33的控制核心部件，它與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27、記憶單元觀、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊四、無(wú)線通信模塊30、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器32、及抗混疊濾波器26控制、適配放大器25和功率放大器33的控制接口連接。它用于實(shí)現(xiàn)激振、 檢振、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)配置的功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊四、無(wú)線通信模塊30實(shí)現(xiàn)微處理器單元31與電腦34的有線、 無(wú)線兩種通信。微處理器單元31為現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊四、無(wú)線通信模塊30開(kāi)辟現(xiàn)場(chǎng)總線緩存RAM、無(wú)線傳輸緩存RAM，電腦34發(fā)送的命令自動(dòng)存儲(chǔ)到相應(yīng)傳輸方式下的緩存RAM中， 微處理器單元31通過(guò)讀取緩存RAM，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在彈性波CT檢測(cè)中，為了解決瞬時(shí)激振時(shí)振源信息未知的問(wèn)題，同時(shí)滿足不同場(chǎng)合下(混凝土、木材、采空區(qū)等)激振的要求，超磁致伸縮棒10需要產(chǎn)生激振方式、頻率、幅度、時(shí)間可控制的彈性波信號(hào)。為此，用戶通過(guò)電腦34將需要的激振方式(如正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、脈沖指數(shù)調(diào)制的正弦信號(hào)等)、頻率、幅度和時(shí)間等參數(shù)發(fā)送給微處理器單元31，微處理器單元31通過(guò)讀取緩存RAM，向數(shù)模轉(zhuǎn)換器32端口輸出相應(yīng)頻率、方式的流信號(hào)，通過(guò)功率放大器33將輸出電流的幅度放大到參數(shù)配置的要求，經(jīng)激勵(lì)線圈2使超磁致伸縮棒10產(chǎn)生相應(yīng)的激振動(dòng)作。3、控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示，控制系統(tǒng)軟件流程圖。該激振與檢振器控制系統(tǒng)的整個(gè)檢測(cè)過(guò)程默認(rèn)是無(wú)線方式傳輸，如果掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線上，自動(dòng)選擇為有線方式。有線方式傳輸過(guò)程與無(wú)線方式相似。系統(tǒng)加電后，配置芯片中的配置文件自動(dòng)加載到微處理單元31中。加載完畢后， 微處理單元31開(kāi)始判斷片內(nèi)無(wú)線傳輸緩存RAM的empty信號(hào)端是否使能，當(dāng)empty信號(hào)端為高電平時(shí)，說(shuō)明緩存RAM為空，電腦控制系統(tǒng)34沒(méi)有發(fā)送指令，微處理單元31繼續(xù)判斷 empty信號(hào)端，當(dāng)empty信號(hào)端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，說(shuō)明緩存RAM出現(xiàn)了數(shù)據(jù)，電腦34已經(jīng)發(fā)送指令，微處理單元31開(kāi)始讀取緩存RAM的內(nèi)容。無(wú)線傳輸模塊發(fā)送的指令包括模式選擇和配置參數(shù)兩方面。模式選擇包括激振模式和檢振模式；配置參數(shù)包括激振模式下信號(hào)發(fā)生方式(正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、脈沖指數(shù)調(diào)制的正弦信號(hào))、功率放大倍數(shù)、定時(shí)激振時(shí)間，檢振模式下程控放大倍數(shù)、 抗混疊截止頻率、定時(shí)檢振時(shí)間。微處理單元31通過(guò)讀取無(wú)線傳輸緩存RAM，執(zhí)行相應(yīng)的指令。當(dāng)判斷為激振模式后，微處理單元31進(jìn)一步根據(jù)無(wú)線傳輸發(fā)送的配置參數(shù)，對(duì)定時(shí)器、DDS、功率放大器進(jìn)行初始化。定時(shí)器為微處理單元31內(nèi)部生成的模塊，用于設(shè)定激振器的激振時(shí)間，DDS是直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文縮寫(xiě)，為微處理單元31內(nèi)部生成的模塊，可以生成正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、脈沖指數(shù)調(diào)制的正弦信號(hào)等各種方式的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)軟件設(shè)置，完成定時(shí)器定時(shí)時(shí)間、DDS信號(hào)發(fā)生方式、功率放大器33放大倍數(shù)的設(shè)置。設(shè)置成功后，定時(shí)器、DDS、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器32、功率放大器33、超磁致伸縮棒的激勵(lì)線圈2同時(shí)啟動(dòng)，進(jìn)行激振器的激振，同時(shí)微處理器單元31實(shí)時(shí)判斷定時(shí)器的定時(shí)是否結(jié)束，當(dāng)判斷定時(shí)未結(jié)束時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行激振操作，當(dāng)判斷定時(shí)結(jié)束后，激振動(dòng)作停止， 并清除無(wú)線傳輸緩存RAM的內(nèi)容，返回到無(wú)線傳輸緩存RAM的empty信號(hào)端的判斷狀態(tài)。當(dāng)微處理單元31判斷為檢振模式后，微處理單元31進(jìn)一步根據(jù)無(wú)線傳輸發(fā)送的配置參數(shù)，對(duì)定時(shí)器、適配放大器25放大倍數(shù)、抗混疊濾波器沈截止頻率進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)設(shè)置成功后，加速度傳感器對(duì)、適配放大器25、抗混疊濾波器沈、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27同時(shí)啟動(dòng)， 開(kāi)始對(duì)加速度傳感器拾取的彈性波進(jìn)行采集。為了減小數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量以及向電腦34的數(shù)據(jù)傳輸量，在微處理器內(nèi)部設(shè)定閾值，當(dāng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27采集到得數(shù)據(jù)值大于設(shè)定閾值時(shí)，定時(shí)器定時(shí)功能以及記憶單元觀開(kāi)始啟動(dòng)，進(jìn)行彈性波的采集、存儲(chǔ)。同時(shí)微處理器單元31實(shí)時(shí)判斷定時(shí)器的定時(shí)是否結(jié)束，當(dāng)判斷定時(shí)未結(jié)束時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行檢振操作，當(dāng)判斷定時(shí)結(jié)束后，檢振動(dòng)作停止，并清除無(wú)線傳輸緩存RAM的內(nèi)容，返回到無(wú)線傳輸緩存RAM的 empty信號(hào)端的判斷狀態(tài)。
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權(quán)利要求
1.一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)，由激振與檢振器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩分組成；激振與檢振器結(jié)構(gòu)包括偏置線圈(1)、激勵(lì)線圈O)、線圈骨架(3)、頂座G)、電源開(kāi)關(guān)(5)、電源模塊(6)、外設(shè)接口 (7)、激振檢振系統(tǒng)控制電路板(8)、外殼(9)、超磁致伸縮棒(10)、固定彈簧(11)、上頂桿(12)、下頂桿(13)、預(yù)壓彈簧(14)、加速度檢振模塊(15)、 端蓋(16)、過(guò)線孔(17)及下頂桿預(yù)設(shè)的加速度檢振模塊的安裝凹槽(18)；所述線圈骨架、 頂座用螺釘與外殼連接，線圈骨架繞有偏置線圈與激勵(lì)線圈，超磁致伸縮棒裝在線圈骨架中心孔中，并由上頂桿上端的定位槽定位；在所述上頂桿與下頂桿之間安裝有加速度檢振模塊，上頂桿與下頂桿并通過(guò)螺釘連接在一起；所述端蓋連接外殼，在下頂桿與端蓋之間頂安裝預(yù)壓彈簧，上頂桿與線圈骨架之間安裝固定彈簧；在所述頂座與外殼之間安裝有激振與檢振系統(tǒng)控制電路板與電源，激振與檢振系統(tǒng)控制電路板的信號(hào)線通過(guò)線圈骨架和上頂桿的過(guò)線孔與加速度檢振模塊、偏置線圈及激勵(lì)線圈相連；所述電源模塊的電源線同樣通過(guò)線圈骨架和上頂桿的過(guò)線孔與偏置線圈相連，并直接為偏置線圈供直流電；在所述激振與檢振系統(tǒng)控制電路板上設(shè)有與外部設(shè)備或總線相連的外設(shè)接口 ；所述電源開(kāi)關(guān)安裝在外殼上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)，其特征是在所述加速度檢振模塊(1 上設(shè)置三個(gè)互成120°固定螺孔(22)，以及在下頂桿(1 的加速度檢振模塊的安裝凹槽(18)內(nèi)相應(yīng)也設(shè)置三個(gè)互成120°固定螺孔(23)，加速度檢振模塊(1 由通過(guò)螺釘裝在安裝凹槽內(nèi)；在加速度檢振模塊背面的中心位置裝加速度傳感器 (24)，并且加速度傳感器與下頂桿直接接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)，其特征是所述激振與檢振器控制系統(tǒng)包括激振檢振控制電路和外部的電腦(34)兩部分；該激振檢振控制電路包括加速度傳感器(M)、適配放大器(25)、抗混疊濾波器( )、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (27)、微處理器單元(31)、記憶單元( )、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(32)、功率放大器(33)、激勵(lì)線圈O)、電源模塊(6)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊09)及無(wú)線通信模塊(30)；所述微處理器單元經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、功率放大器與激勵(lì)線圈相接，并將微處理器單元的輸出控制信號(hào)經(jīng)功率放大后給激勵(lì)線圈；所述微處理器單元經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、適配放大器及抗混疊濾波器與加速度傳感器相接；并由加速度傳感器采集到檢測(cè)信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波器、適配放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入微處理器單元；所述微處理器單元還連接記憶單元、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊；電源模塊為加速度傳感器、適配放大器、抗混疊濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器單元、記憶單元、無(wú)線通信模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器及功率放大器提供電源，并直接為偏置線圈提供電源；所述外設(shè)接口(7)是現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊的外設(shè)接口，外設(shè)接口與電腦等控制設(shè)備掛接在同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)，其特征是所述激振與檢振器控制系統(tǒng)還包括無(wú)線通信模塊(30)，所述無(wú)線通信模塊由激振檢振控制電路的無(wú)線通信模塊和電腦的無(wú)線通信模塊組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于磁-加速度的激振檢振一體化系統(tǒng)，由激振與檢振器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩分組成；主要有偏置線圈、激勵(lì)線圈、線圈骨架；頂座、電源開(kāi)關(guān)、電源模塊、外設(shè)接口、激振與檢振控制系統(tǒng)的控制模塊、固定彈簧、激振模塊、上頂桿、下頂桿、預(yù)壓彈簧、加速度檢振模塊及端蓋；在加速度檢振模塊背面的中心位置設(shè)置加速度傳感器，并與下頂桿直接接觸，控制模塊通過(guò)線圈骨架和上頂桿的過(guò)線孔將信號(hào)線與加速度傳感器、激勵(lì)線圈相連；外設(shè)接口與電腦等控制設(shè)備掛接在同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的通信。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，將激振裝置和檢振裝置集成為一體，使激振器和檢振器的控制系統(tǒng)一體化，能夠便于攜帶，提高了檢測(cè)工作效率。
文檔編號(hào)G01N29/12GK102426196SQ20111025441
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者姚金杰, 張丕狀, 李劍, 蘇新彥, 邢磊, 韓焱 申請(qǐng)人:中北大學(xué)