基于數字濾波的混凝土檢測傳感器補償

摘要：超聲波檢測是一項利用聲波回彈的檢測技術，其結果受到相應幅度的影響。主要是因為諧振帶來的振鈴效應，從而影響了其準確的程度。因此采用科學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字濾波的補償方式，并分析和闡述了其應用的方法。

關鍵詞：數字濾波；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，因其在建筑中的應用最為廣泛所以混凝土的質量就成為了質量控制和檢驗的重點對象。從結構看，混凝土是一種非均勻的介質，內部結構復雜隨機性明顯，而聲波理論的研究范疇往往針對的是均勻的介質，因此超聲波在混凝土中的傳播具有衰減大、指向性差、波形復雜等特征，給超聲波檢測帶來了較大的困難，尤其復雜的波形讓識別有效波十分困難。利用科學的方式對混凝土的質量進行檢測始終是技術人員研究的方向。目前超聲波作為無損檢測的技術手段應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常會造成反射信號監測失真，對于反射信號的提取和失敗造成干擾而降低分辨效果，從而影響檢測結果。因此在研究中技術人員發現利用數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，以此獲得較為準確的檢測信號，并獲得了成功。

2 數字補償濾波原理

數字補償的基本原理就是設定一個非理想的響應特征存在的系統，這里的數字補償濾波就成為了一個傳感器系統的辨識和濾波的問題，其核心思想就是系統輸入和輸出作為井基礎參數，利用數學方式求出系統的離散轉移函數模型，進而求出逆向系統，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，設定一個線性移動不變的系統的動態特征可以利用常系數差分方程來進行描述，利用對各種常系數的取值和變換就可獲得應系統的轉移函數，并利用數學方式中系統辨識算法來獲得前面所設定的非理想測量系統，然后就可以獲得逆向系統相關的參數。此時因為線性系統都可以利用一個最小相位系統和一個全通系統的級聯而建立一個最小相位系統模型。因此只有讓分線性測量系統為最小相位，就可以保證獲得相應的準確而穩定的因果系統。最后將系統級聯在探測系統中，既可以獲得一個相互對應的輸入和輸出信號，因為建立的系統是可逆的，因此第一個系統濾波后就通過第二個系統消除了第一個系統的濾波效果，使得信號可以得到矯正和補償，實際上就相當于沒有經過系統而發生改變。

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構性噪聲并增加測量的深度，但是應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用較少。

針對此種問題，試驗對超聲波傳感器進行了系統建模和補償。先將一組輸入和輸出信號當做是系統辨識的數據，其信號從一個傳感器到另一傳感器的發送和接收過程中，即信號在介質中傳播后信號不僅僅會受到傳感器的影響，還會因為介質差異而不同，這樣建立起來的模型是不能準確的反應傳感器系統的相應特征的。因此試驗選擇水為介質材料，主要是其均勻、各項同性的特征適合為超聲波研究創造穩定的介質環境，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本身，使得建模的相對獨立的研究傳感器系統的準確性。

試驗中將激勵信號設定在一個高斯函數調制的余弦波，其信號的主頻、高斯波的脈沖系數，波形發射周期中波包的位置參數等作為其激勵信號的基本參數。選用實際波形和頻譜，檢測系統組成由信號產生和發射部分、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過介質而改變。

在得到傳感器輸入和輸出的信息后，應先對輸入信號的的波形進行調制，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制，這樣就可以調整而消除水對信號的衰弱影響。然后參照系統辨識算法對傳感器進行建模，獲得轉移函數的比值，對應的測量值就可利用圖表描述出來，試驗中發現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并將其加入到探測系統中，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，階數的選擇十分重要，過小或者過大都會導致模型估計的誤差增加，甚至是系統不穩定，就是去了建模的意義。

試驗中經過比較選擇用5階評估方式，這樣既可以滿足系統建模的要求，也可控制誤差在接收范圍內。在系統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一些誤差，因此會產生雜波的情況，但是進一步研究表明雜波對測試不會產生較大的負面影響。

4 型實驗驗證

完成補償模擬后，就可以將補償系統應用到實際的檢測中，以檢驗系統的可靠性，在實際測量中利用一個標準的混凝土試塊。長寬高分別為：500mm、300mm、200mm；利用對測法沿著長度方向對試塊進行超聲波掃描，并計算出平均的聲速。因為多數的混凝土結構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。

按照規范的單面法測量，利用甘油將發射傳感器耦合固定在測試結構的表面，然后先將接收傳感器設置在距離發射器50mm的位置，兩個傳感器德爾中心距離是根據其外徑而定，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采集記錄，著過程需要保證接收傳感器與測試結構耦合良好。然后將采集到的波形通過補償濾波系統進行處理，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 結語

利用數字濾波的傳感器補償措施是利用了數學方式來降低傳感器系統對信號的諧振效應，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生的誤差。 參考文獻

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