基于超聲波的地下管網探傷研究

匡鹿婷　張青林

摘 要：隨著科技發展，城市建設也成為了人們關注的焦點。地下管網縱橫交錯， 但管網資料嚴重不足， 檔案管理方式跟不上發展節奏， 嚴重阻礙了城市發展、建設與管理工作。因此，城市有關部門越來越重視地下管網的探測研究， 先進的管網探測技術和高素質的專業管線探測隊伍及相關探測設備必不可少。該項目研究的超聲波探測是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。由于超聲波探測技術與傳統的原位測試方法相比，具有裝置輕便簡潔、測量快速經濟、測量精度高、易于控制測量等優點，因此可以在很多探測領域內顯示優勢。

關鍵詞：管道探測；超聲波檢測；無損檢測；回波信號

1 超聲波基本特性

1.1 良好的反射性

超聲波在不同介質傳播的過程中，遇到不同介質的表面時，就會在介質的表面發生反射。 正如光的反射定律一樣，超聲波也滿足波的反射定律，即波的入射角等于波的反射角。 超聲波的這一反射特性為測距提供了理論依據。

1.2 較強的方向性

超聲波一經發射，就會沿著一個方向傳播，有較強的方向性。并且這種特性與超聲波的頻率有關，也就是說超聲波頻率越高，其指向特性也就會越強。

1.3 具有較高的能量

高能量保證了超聲波能夠穿透不透明的物體，并且可以傳播很遠的距離。同時，在傳播過程中 ，它的能量幾乎不會減少，這就可以收到較強的回波信號。

2 系統的原理與結構

2.1 系統流程算法設計

因為超聲波傳播的波形在不同材料表面反射情況和在穿透介質中有不同傳播能量的特點，因此在利用超聲波探測管道和其缺陷時超聲波的反射波形和能量都會有變化【4】。脈沖反射法的檢測原理是：超聲波在波導中傳播時，波導的邊界會對超聲波的傳播產生影響，利用這一特性，可以通過觀察超聲波的回波信號推斷波導的形態，當地下管網有缺陷時，缺陷的位置及其大致的大小可以反饋給使用者。因此可以利用儀器激發超聲波，將超聲波傳入管道中，觀察其回波信號，完成對管道損傷的檢測。 在超聲波儀器接收器上利用計算機或顯示器等，繪制圖形。結合圖形分析回波型號。由前所述，超聲波對于不同介質來說脈沖傳播時間及能量反射有差異，因此根據回波信號可以大致判斷缺陷的存在及位置，根據回波的幅度確定缺陷的大小 【5】。探測的流程圖如圖1所示：

2.2 超聲波發射電路

文章此次選用 74LS04 芯片進行信號放大發射電路如圖 2 所示【6】

2.3 超聲波接收電路

本文使用的四集成電路 CX20106A 芯片電路。 CX20106A 芯片電路的抗干擾能力，靈敏度也符合設計的要求，電路如圖 3【7】所示：

2.4 管道所在深度的計算

通過使用超聲波在水泥或瀝青路層中傳播的速度以及在土壤層中傳播的速度乘以單片機的計量時間就可以得出地下管道所在位置的具體深度。

H=V1t1+V2t2 （3）

式中H為管道所在位置的具體深度；V1為超聲波在介質I中的速率，t1為超聲波在介質I中的傳播時間；V2為超聲波在介質II中的速率，t2為超聲波在介質II中的傳播時間。

2.5 管道傷口的確認

通過對實時回聲信號的檢測。在確認管道存在以及管道壁的上、下深度后，通過超聲波在不同介質中傳播速率不一致的原理，尤其是在固體和液體材質中傳播速率的顯著差異，可以通過對回聲信息的顯著差異進行鑒別。在管道寬度范圍內且在管道所在深度范圍內如有回聲信號的顯著不同則可判定管道有裂紋等傷口。通過使用COMSOL Multiphysics等物理場仿真軟件，確認了超聲波在地下管網位置確定以及探傷中的可行性。

2.6 與嵌入式結合應用

現有超聲波測距傳感器如HC-SR系列體積小、測量精度較好，測量數據比較準確，筆者嘗試利用它與單片機、ARM等嵌入式處理器和LED、LCD屏幕相結合實現一套完整的地下管網檢測及探傷實驗裝置。這套微型化裝置不僅可以用于模擬實驗，還可以用于實際應用。它的優點是價格低廉、攜帶方便、便于在大型儀器難以深入的區域實現探測，功能也比較健全；缺點則更為明顯，受探頭直徑影響，它的可探測寬度范圍極小，只能達到分米量級，如果探測區域內全部在傷口范圍則會失去作用探傷作用，如果管道寬度寬于探測區域則難以區分管道與斷層。因此這套微型化裝置用來探測比探頭粗的管網是不可用的，因此不夠實用。

本文嘗試對類似的微型化裝置提供幾個在實踐中的改進方法：一是使用兩個微型超聲波測距傳感器同時從中心向兩邊進行“掃雷式”檢測，可以通過所測斷層距離變化判定管網邊界；二是通過超聲波在接近純凈物的介質中傳播速度恒定的特點，如果探測中得到的速率接近其在水、天然氣等純凈物中的傳播速率，也可得出此地埋有管道的結論，并得出管道的大致深度位置，以便進一步進行探驗。

4 研究意義及總結

本文初步討論了地下管網探測的各種方法及優缺點和超聲波的特性傳播原理，從中可以發現超聲波在地下探測中的優勢，即超聲波檢測方法沒有損害、沒有污染、受外界噪聲影響小、用集成電路容易實現等特點，方便簡單。基于超聲波的距離檢測是一個常用方法，尤其是地下有各種各樣的介質時，利用此原理，可以制作出很多不同的傳感器。總體來講，由于超聲波不受管道材質限制，也較為安全簡便，在地下測距中擁有無可替代的優點，具有十分重要的意義。

本文還提出了一套管道深度探測及探傷的算法流程以及一套與嵌入式芯片結合的微縮勘探設備，并對該類小型設備的應用技巧和擴展進行了探討。

參考文獻

[1] 陳偉清.城市地下管網探測方法及應用[J] 地礦測繪，2000（2）：P33—P34

[2] 宋子強.超聲檢測技術研究與工程實現[D] 哈爾濱：哈爾濱工業大學.2008.

[3] 華海月.基于能量最低原理的超聲波束合成研究[D].安徽：安徽大學2012.

[4] 吳廣明.超聲技術在選煤廠振動篩大梁故障診斷中的應用山西大同大學學報（自然科學版）2015-06-12

[5] 劉軼 許曉東， 基于超聲與低頻渦流技術的振動篩大梁裂紋檢測方法研究【J】， 煤礦機械2015（2）

[6] Song YW， Udpa SS. A new morphological algorithm for fusing ultrasonic and eddy current images，IEEE Symp Ultrason 1996：649-52

[7] Simone G， Morabito FC， NDT image fusion using eddy current and ultrasonic data， Int JComput Math Electr Electron Eng 2001；20（3）：857-868（12）