一种裂缝深度测试方法及装置的制作方法

专利名称：：一种裂缝深度测试方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及声波检测
技术领域：
，尤其涉及一种利用声波衍射法来测量固体介质中裂缝深度的方法及装置。生产生活中常常会利用声波衍射法来对固体表面的裂缝深度进行测量，尤其可以用于建筑工程中广泛存在的混凝土裂缝深度的检测。裂缝是混凝土工程中最常见的一种缺陷，建筑工程中的钢筋混凝土及砌体结构的破坏往往都与裂缝的发展有关，裂缝的存在会降低工程结构的承载能力，影响到结构的抗渗性能，导致水分及有害物质渗入，诱发钢筋锈蚀，从而对安全性产生影响。目前检测混凝土非贯穿性裂缝的深度，主要采用声波衍射法，如图l所示，具体测试方法有以下两种第一种是"衍射声时计算法"。该方法被英国标准BS-4408和中国工程建设标准化协会标准《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21:2000,以下简称《测缺规程》)所采用，具体测量步骤为1.在没有裂缝处的混凝土表面，多点测量发射换能器与接收换能器的间距与传播声时，用线性回归法得到声时一测距线性关系的回归系数，即混凝土的声速v2.将发射与接收换能器分别置于以裂缝为对称的两侧，在两换能器之间的间距Z'取100mm、150mm、200mm、250mm、......时，分别读取声时值、如图2所示，裂缝深度计算式为
背景技术：
：式中^一第z'点计算的裂缝深度值(mm)(一第Z点两换能器之间的间距(mm)6一第/点声波传播时间(戸)—不同间距测点裂缝深度平均值测点数3.确定裂缝深度将各间距测点对应的间距值A与平均缝深^相比较，凡间距(小于^或大于3^,应剔除该组数据，取余下的^的平均值作为裂缝深度。第二种是"首波相位反转法"。该方法也被《测缺规程》所采用，该方法的具体测试步骤、裂缝深度计算公式与"衍射声时计算法"相同，但对不同间距裂缝深度值的取舍方法不同。具体测量步骤为在不同间距测点的测试中，观察首波相位的变化。当在某个间距测点发现首波反相时，用该间距测点及两个相邻间距测点的裂缝深度测量值的平均值作为裂缝深度值。如图3a中所示，Tl、R1和T2、R2分别为两个相邻的发射与接收测点。在T1-R1的波形图中，首波的相位向上，见图3b。在T2-R2的波形图中，首波的相位变为向下，见图3c,则T2-R2即为出现首波反相的测点。此外，采用衍射法检测裂缝深度计算公式，要求满足一定的物理条件，即衍射声波应直线绕过裂缝末端传播，不会因为裂缝邻近的钢筋或混凝土内部的缺陷引起声线偏离，还应保证传播路径范围内声速的一致性。与本发明相关的中国实用新型专利"混凝土裂缝测试仪，，(专利号ZL200420016797.6，以下简称对比专利)，该专利采用多个发射和接收换能器依次发射和接收多个声波信号，利用测点的相位变化直接计算测定出被测裂缝的深度。其采用与《测缺规程》中的"首波相位反转法"相类似的方法，即在多个声波信号中找到首波反相的测点位置，并以该测点前后两个测点的平均间距的2倍作为裂缝深度。《测缺规程》中所推荐使用的测试方法、以及与《测缺规程》类似的方法中，存在着如下的问题和缺陷(1)在衍射声时计算法中，由于物理条件的变化以及各种测试误差的影响，不同间距测点的缝深计算值存在差异，对其中错误数据的取舍是一个难于判定和处理的问题。《测缺规程》所使用的衍射声时计算法依据测点间距^与平均缝深^的比值/,/^进行数据的取舍，规定比值(A^应为1~3，超出此范围的数据则被剔除。因此，当缝深较浅时可采用的测试间距范围很小，难于布置测点。例如，当平均缝深^-20mm,换能器间距W又允许为20mm60mm;平均缝深^-30mm,间距(仅允许为30mm~90mm。此外，在未知缝深以前，若按《测缺规程》建议的间距IOO腿、150mm、200mm、250mm、......进行测试后，则可能大部分、甚至全部测试数据由于间距^与平均缝深^的比值大于3而被剔除；而另一方面，当缝深较深时，按《测缺规程》建议的间距进行测试，很多测试数据又会由于间距纟与平均缝深气的比值小于l而被剔除，例如，当平均缝深W-300mm，间距(允许为300mm900mm，则300mm以下的间距数据都将被剔除。以上情况带来的问题是过多测试数据的剔除必然意味着要进行过多的无岁支测-试。(2)当缝深较深时，《测缺规程》要求的换能器间距较大，致使绕过裂缝传播到接收换能器的信号已很微弱，甚至丢波，导致声时读数困难或无法判读，造成大的误差。例如，当缝深^-300mm，换能器间距〖应为300mm900mm，实际混凝土内绕过裂缝末端的衍射波传4番距离将达到670~1080mm。(3)《测缺规程》建议的确定缝深的方法中，对保留下来用于取平均的缝深数据的个数和离散性未加以要求，因此可能发生两种情况第一种是仅剩一个数据、第二种是用于取平均的数据离散性过大。这两种情况均不能发现并剔除存在粗大误差的数据。显然，对包含粗大误差的数据或离散性过大的数据用取平均的方法是不能减小测试误差的。(4)首波相位反转法要求在测试过程中观察首波相位的变化，由于在测试中，何时能够出现首波反相的测点是无法预知的，因此必然使现场测试工作变得十分繁瑣，同时对测试人员的测试经验也要求更高。另外，大量试验表明，在首波刚刚出现反相时，首波幅度会明显减小，这时会直接影响声时的测试精度，如不仔细观察，甚至可能丢波，一旦丟波，会使测试精度明显下降。图4a、图4b、图4c为首波反相前后的采样波形，上述试验中采用的是固定的放大系统，因此三幅图中的波形幅度可以反映信号幅度的大小。在图4a中首波向上，为反相前波形，首波振幅达到满幅以上(即首波的峰值超出屏幕)；在图4b中首波向下，开始出现反相，首波振幅变得很小；在图4c中首波向下，为反相后波形，首波振幅逐渐加大。(5)目前按照《测缺规程》进行声波衍射法检测裂缝深度，现场测试工作繁瑣，需要画出测点位置，测量测距，一般至少布置4~5个测点，从而得到多个缝深值^来求得平均缝深^，再根据比值/7/^应为1~3,对不同间距A所得的数据进行筛选和剔除。测试中需要判读记录声时，观察波形变化，以及对数据进行筛选等，而且使用的测试仪器是通用的超声仪，价格高，对测试人员还需要进行超声波基础知识、测试仪器使用方法以及数据处理方法的培训。
发明内容由于现有检测固体介质中裂缝深度的方法存在误差大，耗时长，技术要求高以及繁杂的数据剔除步骤等缺陷，因此需要寻找一种更为简便，测试精度更高的新方法。自文献《简单形状物体的电磁与声散射》(摘自《ElectromagneticanciAccousticscatteringbysimpleshapes》EditedbyJ.J.BowmanT.B丄SeniorP丄E.Uslenghi、Radiationlaboratory,TheUniversityofMichigan,USA、AuthorsJ.S.AsvestasD丄SenguptaJ.J.BowmanT.B.A.Senioretc.)中，可以得到声波绕劈(wedge)产生衍射(diffraction)的衍射场近似公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中(参见图5):v=^^，2Q为劈的顶角外一衍射角fc=2;r/;i义为波长p、p。为发射、接收点距劈角顶端的距离，《=A+p=2A为发射与接收点的传播距离将此近似公式应用于衍射法检测混凝土裂缝深度，进一步考虑了声波的衰减、换能器的指向性以及脉冲波的复频特性，推导出适用于裂缝测试的声波衍射场数学近似表达式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中，Q为指向性因子A为衰减因子S是对组成复频波的单频衍射波的求和对其求模(flfo")即为衍射场的振幅根据裂缝深度计算公式物理条件的要求，在确定合适的换能器间距即合200810114648.6说明书第5/16页适的衍射角时，显然衍射场的范围越小越好，即衍射角越小越好。因为较小的衍射角涉及的声场范围小，更容易避免邻近钢筋或其他缺陷引起的声线偏离，也更容易保证声速的一致性。但是小角度衍射波的振幅能否保证测试精度？因此问题的关键归结于需要从衍射声场表达式分析出什么是最合适的衍射角，使之既能保证足够的振幅，又能获得尽量小的衍射角度。衍射角％与间距z'和缝深^的比值/,/;z,是直接相关的，仏1^。=/,/2&，显然，/,A越小，衍射角P。越小。例如/,/Zz,为0.5时，衍射角为14°;为1.5时，衍射角为37°;/,/A,为2.5时，衍射角为51°。图6所示为裂缝检测声衍射场的幅度A与衍射角^的关系图的一个例子(缝深为10cm，主频为50kHz的复频波)，图中横轴为衍射角，纵轴为对应的衍射场幅度。其他缝深的幅度A与衍射角P。的关系图与此类似，只是裂缝越深，图中幅度峰值所对应的衍射角越小，纵轴幅度的数量级越小。根据声场幅度与衍射角关系图以及裂缝试验结果，可以得到以下定性结论(1)衍射波可以在小衍射角度内产生，试验表明衍射角为10°时(间距(与缝深^的比值/,/;z,=0.35),仍可以获得较理想的振幅。例如，图7所示的波形，其缝深316mm，换能器间距111mm,对应的/,/&=0.35,衍射角为10°,首波幅度足以满足声时的判读要求。(2)对于浅裂缝，传播声程短，衰减小，因此在大范围衍射角内均可获得较强的振幅，即可供测试使用的间距A与缝深&的比值/,.//^范围较大，可以达到5以上(例如缝深23mm，测量间距为120mm,/,//z,为5.2，波形幅度理想)；而对于深裂缝，传播声程加大，振幅明显下降，/,///,越大，声程越大，幅度越小，因此必须在较大振幅所对应的衍射角范围内进行测试，否则无法保证接收信号的振幅，影响声波走时的测试精度，所以裂缝越深，可供测试使用的/,//1,的比值范围越小。(3)裂缝越深，声场幅度与衍射角关系图的幅度曲线所表示的能量分布越向小衍射角度方向偏移，说明对于较深的缝，更适宜用小衍射角度测试。在上述声衍射场数学理论支持的情况下，发明人经过大量的试验和研究发现了一种新的测量固体介质中裂缝深度的方法，该方法包括以下步骤步骤a:测量:测固体介质中的声速v;步骤b:第一测点测量，将发射与接收换能器分别置于以裂缝为对称的两側，发射与接收换能器的间距为、读取声时值、并由下式计算裂缝深度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中h1为第一测点计算的裂缝深度值，l1为第一测点换能器的间距，,t1为第一测点声波传〗番时间；步骤c:第二测点测量，将发射与接收换能器的间距置为l2，l2的范围为0.1h1-10h1或者30mw-500mm;其余条件与第一测点测量的情况相同，读取声时值t2;采用以下公式计算第二测点裂缝深度值h2;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中h2为第二测点计算的裂缝深度值，l2为第二测点两换能器的间距，t2为第二测点声波传播时间；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>步骤d:计算h1与h2的平均值"5"+/2)，^为裂缝深度。上述方法相比现有^t术中的其它测量方法可以大量的减少测量步骤，无需像衍射声时计算法那样要布置多个测点、计算多个缝深值^的平均值^、再根据比值^W的范围对数据进行筛选和剔除；也无需像首波相位反转法那样需要观察首波反相。本发明方法只需在一定范围内取间距值、计算出缝深、然后在与^相关的范围内取间距值"，再计算出缝深&，则^与^的平均值即为裂缝深度，避免了对数据的筛选和剔除步骤，也无需观察首波反相。由于本方法利用很少的测点就可以获得高精度的测量结果且具有较大的测点取值范围，使测量速度明显加快，成本降低，更利于施工现场实施测量。进一步，在上述步骤d中，还可以继续计算离散厶=1"—若该离散值小于某一限定值^，则以^为裂缝深度；否则，再增加一个测点，直到该测点的深度值与之前其他任何一个测点深度值的离散值小于限定值A,，则以此离散值所属的两个测点深度值的平均值作为裂缝深度。进一步，在前段所述步骤中，所述的离散值的限定值钆为5mm~150mm或30%x、进一步，在前段所述步骤中，所述的离散值的限定值^为当5〈30ww时，~取为9mm;当5-30ww时，、取9mm或30%x5;当30ww〈5〈300ww时，~取为30%x5;当^=300/^时，~取90mm或30%x5;当5〉300ww时，\耳又为90mm。进一步，步骤b中，所述A的范围为30mw^A《500ww。进一步，在前段所述步骤中，所述A的范围为50mm^S250附m。进一步，在前段所述步骤中，所述A的范围为80m/7^/,《150mw。进一步，在前l殳所述步骤中，所述^可为80mm或100mm或110mm或120mm或130mm。进一步，在步骤a中，所述测量被测固体介质中的声速v的方法是，在无缝区将发射换能器与接收换能器固定于某一间距"测量传播声时"计算混凝土声速v"〃。进一步，在前革爻所述步骤中，所述的间距Z为50mm~300mm。进一步，在前段所述步骤中，所述的间距/为200mm。进一步，在步骤c中，当&S50ww时，/2为&的0.6~84咅、或者30mwS/2《200ww;当&〉50wm时，/2为^的0.1~5倍、或者50附附^/2S400ww。进一步，在前4爻所述步骤中，当/z^50wm时，/2=50mm;当/z,〉50ww时，/，=150mm。在本发明的测试方法的基础上，本发明还提出了一种裂缝深度测试仪，包括主控系统、发射换能器、接收换能器、电源模块；所述的主控系统通过高压发射模块与发射换能器相连接，所述的高压发射模块通过施加高压脉冲使发射换能器产生声波信号；接收换能器将接收到的声波信号通过信号接收调理模块进行放大、滤波处理，然后由模数转换模块转换为数字信号传递给主控系统；主控系统对接收到的数字信号进行处理并直接计算出裂缝深度；所述的主控系统通过人机接口模块与使用者进行交互。具有上述结构的裂缝深度测试仪，可以釆用本发明中的方法进行测量，并可以直接得到测量结果，即在现场通过该仪器就可以直接得到缝深值。而不必像《测缺规程》中规定的那样，需要使用通用超声仪进行测量，并需人工现场判读和记录测试参量(即需要人工现场观察测点的相位变化，发现首波反相的测点位置)，也不需要后期人工计算或调用分析软件进行数据处理。本发明中的裂缝深度测试仪与通用超声仪相比，结构更为简单，设备成本明显降低。与对比专利相比，上述结构的裂缝深度测试仪其结构更简单，可以只采用一对发射和接收换能器，并且可以直接得到缝深值，设备成本明显降低，操作更为简便。使用本发明的裂缝深度测试仪，测试人员不需要了解超声波基础知识、也不需要经过复杂的测试仪器使用方法以及数据处理方法的培训，即可快速的掌握和使用该设备。进一步，所述主控系统采用的裂缝深度的计算公式如下其中/z为裂缝深度值，/为两换能器的间距，,为声波传播时间，v为被测固体介质中的声速。进一步，所述的高压发射模块中的高压激励电路为单次高压激励电路，所述的单次高压激励电路使发射换能器产生的是单次脉冲声波信号。进一步，所述的信号接收调理模块采用固定增益放大器。进一步，所述的信号接收调理模块采用放大倍数高于600倍的高增益放大器。进一步，所述的信号接受调理模块采用放大倍数为1000倍的高增益放大器。进一步，所述的主控系统由主控CPU模块、逻辑控制才莫块组成；主控CPU模块分别与逻辑控制模块、人机接口模块、电源管理模块之间电连接，用于实现各功能模块之间的调度；主控CPU模块通过逻辑控制模块与高压发射模块电连接；模数转换模块通过逻辑控制模块与主控CPU模块电连接。进一步，所述的主控系统通过数据通信模块与外接设备之间进行数据传输。进一步，所述的一种裂缝深度测试仪，还包括至少一个换能器支架，至少一对发射换能器和接收换能器分别被固定在支架两边，并分别可沿换能器支架上的滑轨移动。进一步，在所述的换能器支架上、沿滑轨方向上设有刻度标识。进一步，在所述的换能器支架上设有一个中心标识。进一步，所述的换能器支架上的刻度标识由成对的标识线组成，每对刻度标识线对称的分布在中心标识两侧。进一步，所述的刻度标识线有四对，每对刻度标识间的距离分别为50mm、100mm、150mm、200mm，并在相应位置标有标识值。进一步，所述的换能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固定在滑轨上。进一步，所述的换能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固定在刻度标识处。进一步，所述的中心标识为一个标有十字刻线的有机玻璃板，在十字刻线中心设有一个小孔。图1为利用声波进行缝深测试的示意图。图2为利用衍射声时计算法进行缝深测试的示意图。图3a为首波相位反转法进行缝深测试的示意图。图3b为T1-Rl的波形。图3c为T2-R2波形。图4a为首波反相前波形。图4b为开始出现反相时首波波形。图4c为首波反相后波形。图5为声衍射场示意图。图6为裂缝检测时声衍射场的幅度A与衍射角外的关系图。图7为衍射角为10°时的波形图。图8为一种采用本发明的方法测量缝深的流程图。图9为本发明的裂缝测试仪原理示意图图IO为本发明的裂缝测试仪结构示意图。图lla为本发明的单次高压激励电路示意图。图llb为单次脉冲信号波形。图12为本发明的固定大增益放大电路示意图。图13为本发明的裂缝深度测试仪操作流程图。图14a为本发明的换能器支架示意图。图14b为本发明的换能器支架示意图。具体实施例方式为了使本领域技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，附图仅提供参考与说明，并非用来限制本发明。下面结合附图，对本发明的实施方式进行描述。图8为本发明测量方法的一种实施例。将发射换能器与接收换能器放置在被测固体表面，两换能器的间距/固定为200隱，测量传播声时"计算出被测固体介质中的声速v-〃"然后按照如图8所示的步骤进行。步骤101:将发射换能器与接受换能器分别对称的置于裂缝的两侧，两换能器的间距A为100mm，进行测量，根据间距/,,读取声时值。，由以下公式获得裂缝深度/z,:若&《50mw，转向步骤201,若/,>50otw贝'j转向步骤202;步骤201:选取另一测试点，两换能器的间距为/2=50隨，进行测量，根据以下公式分别获得裂缝深度&和&与&的平均值然后转向步骤301;步骤202:选取另一测试点，两换能器间距为/,150mm,进行测试，根据步骤201中的公式分别获得裂缝深度/^和/z，、/^的平均值〗，然后转向步骤302;步骤301:计算两个测试点裂缝深度值的离散A—^—检查离散是否小于限定值A、当^〈30m附时，~取为9mm;当^-30mw时，A,取9mm或300/0x^;当30ww<5<300ww时，~取为30°/"5;当^=300附附时，^取90mm或30%x5;当5>300附附时，~取为90mm。若小于所述的限定值，则计算得出的^即为裂缝深度；否则转向步骤401。步骤302:根据步骤301的公式和取值范围，计算两个测试点裂^:深度值的离散值△并检查所得离散值是否小于限定值~,若小于则平均值^即为裂缝深度，否则转向步骤402;步骤401:再选择另一测试点，两换能器间距为/3,是^的0.6~8倍、或者30mm^/2^200wm,进行测试，根据以下公式分别获得裂缝深度&和任两2、1个裂缝深度值的平均值^:其中，/z,，分别为第/和第/个测试点的裂缝深度，且"/,然后转向步骤501;步骤402:再选择另一测试点，间距为/3，是^的0.1-5倍、或者50附mS/^400mm,进行测试，根据步骤401中的两公式分别获得裂缝深度^和任意两个裂缝深度值的平均值、然后转向步骤502;步骤501:计算任意两个测试点裂缝深度值的离散A=、—~1，其中，A'，、分别为第^和第/个测试点的裂缝深度，且"/。根据步骤301中的限定值^，检查所得的各离散是否小于限定值^，若小于所述的限定值，则离散小于限定值的两裂缝深度值，取平均值即为裂缝深度。否则重复步骤401,直到获得的离散值小于所述的限定值，取离散小于限定值的两裂缝深度值的平均值作为裂缝深度；步骤502:根据步骤501的离散计算公式获得任意两个测试点裂缝深度值的离散值A，根据步骤301中的限定值A"检查所得离散是否小于限定值~，若小于则离散小于限定值的两裂缝深度值，取平均值即为裂缝深度；否则重复步骤402，直到获得的离散值小于所述的限定值，取离散小于限定值的两裂缝深度值的平均值即为裂缝深度。具体实施本发明方法时也可以将上述步骤进行调整和改变，与图8中所述的实施方式的区别在于在步骤501(或502)中，若计算任意两测量值的离散均不小于限定值^时，不再重复步骤401(或402)，而是重新选择一个新的测点，再重复上述步骤IOI至步骤502，直到获得的离散值小于所述的限定值，取离散小于限定值的两裂缝深度值的平均值即为裂缝深度。具体实施本发明方法时也可以将上述步骤进行调整和改变，与图8中所述的实施方式的区别在于完成步骤101后，多次重复步骤401或402,不计算其平均值，而仅根据步骤501中的公式，计算任意两测量值的离散值并进行比较，选取获得的离散值最小的两个裂缝深度值，再取其平均值作为裂缝深度。具体实施本发明方法时也可以对上述步骤进行调整和改变，与图8中所述的实施方式的区别在于完成步骤101后，多次重复步骤401或402，将多次测量得出的裂缝深度&、&、&……取平均值，作为裂缝的深度。具体实施本发明方法时也可以对上述步骤进行调整和改变，与图8中所述的实施方式的区别在于在完成步骤101和201(或202)后，可以直接采用得出的裂缝深度的平均值作为裂缝的深度。在实施本发明方法测试混凝土的声速时，测试点间距可以为5Omm~300mm。测试裂缝深度时，步骤101中，测试点的可以在30wwS/,S500mm范围内选择，常用的选取范围为50ff7附S/,S250mw或80wwS/,Sl50wm;步骤201中，测试点的间距/2可选取的范围为A的0.6~8倍、或者30附ws"S200附m。步骤202中，测试点的间距/2可选取的范围为^的0.1~5倍、或者50附附^/2S400wwz。所述的离散值的限定值^可为5mm150mm、或30%x、图9为本发明的裂缝测试仪原理示意图。该测试系统由裂缝深度测试仪主机l,发射换能器2和接收换能器3组成。主控系统l通过高压发射模块的高压激励电路施加高压脉沖于发射换能器2,产生单次脉沖的声波信号，进入混凝土，经裂缝末端绕射，被接收换能器3所接收，接收的信号经测试仪信号接收调理模块的固定增益放大系统，进行放大、滤波处理后，由模数(A/D)转换模块转换为数字信号。测试仪主机还包含同步控制元件，以实现高压激励电路的输出与A/D转换模块的接收信号实现同步。主控系统对接收的数字信号进行采集、判读，获取声波走时"根据预先设定的混凝土声速值v以及换能器支架确定的换能器间距/，由以下公式计算并显示裂缝深度所述发射换能器2和接收换能器3可以采用50kHz的平面换能器。因为采用的声波信号为单次脉冲信号，并将可调增益放大系统改变为固定增益放大系统，大大减少了测试仪中的同步控制部件和增益放大元件，简化了操作步骤，降低了技术难度，减少了仪器成本。图10为本发明的裂缝测试仪结构示意图。主机由主控CPU模块、逻辑控制模块、高压发射模块、信号接收调理模块、模数(A/D)转换模块、人机接口模块、数据通信模块和电源管理模块组成。主控CPU模块是测试系统的核心模块，内嵌智能分析软件，实现各功能模块之间的调度，由C语言和汇编语言混合编程，主要有裂缝测试、数据查看、数据清除和数据传输四个程序模块。裂缝测试程序模块对采集回来的信号进行分析处理，得出表征被测裂缝的声速及其裂缝的深度，并进行存储。数据查看程序模块实现对已存测试数据的回放并分页进行浏览。数据清除程序模块实现数据存储空间的清空，为测试数据提供足够的存储空间。数据传输程序功能实现测试系统的数据上传至计算机的功能，以实现长期的数据备份。逻辑控制模块是实现主控CPU模块调度功能的重要载体。通过逻辑控制模块，主控CPU模块将高压激励信号加载到发射换能器，同时又将接收信号A/D转换后的数字信号传至CPU以供进一步的分析处理。在本测试系统中，逻辑控制模块用CPLD(可编程逻辑器件)实现。高压发射模块主要实现从低电压到高电压的转换，对发射换能器产生高压激励。信号接收调理模块主要实现对来自接收换能器的信号进行放大、滤波等处理。模数(A/D)转换模块主要实现模拟信号到数字信号的转换。人机接口模块主要指LCD(液晶显示屏)和键盘等与使用者直接交互的功能模块。数据通信模块是实现测试系统所存数据向PC机传输的硬件载体，所述的主控系统通过数据通信模块与外接设备之间进行数据传输，在具体实施方式中，可以有USB和RS232两种通信方式。电源管理模块由电源、DC-DC电源转换等部分组成。实现从原始电源到主机各功能模块所需电压的转换和分配，原始电源可以是锂离子可充电电池、镍氢可充电电池或普通干电池等。图lla为本发明的单次高压激励电路示意图。在本实施方式中，单次高压激励电路由容值为0.47pF的隔直通交电容C2，开关三极管QlBU806，容值为0.47pF的储能电容Cl组成，通过一个倍压整流电路实现从低电压到高电压(500V以上)的转换，单次激励脉冲经隔直通交电容C2到开关三极管Ql的基极B,控制高压由开关三极管Ql的集电极C到发射极E,使储能电容C1放电，对发射换能器产生单次高压激励脉冲信号，其波形如图llb所示。图12为本发明的固定大增益放大电路示意图。固定大增益放大电路由放大器OP37,比例电阻R21和R22，滤波电路电阻R23和C20组成。发射换能器产生的声波信号由接收换能器经阻值为lkQ的电阻R23,容值为0.022(xF的电容C20组成的滤波电路，滤掉不需要的信号，再经放大器OP37，阻值为lkQ的比例电阻R21和阻值为1MQ的比例电阻R22使输入信号放大一千倍，使微弱信号能被模拟/数字转换器采集识别。图13为本发明的裂缝深度测试仪操作流程图。打开测试仪后，对变量定义及初始化，对显示屏清屏，然后进入声速测试，测试完成后进入裂缝测试模式，选择否，则返回声速测试模式，若选择是，则进行第一次测试，第一次测试后，进入下一步测试，选择否，则返回第一次测试，若选择是，则进行第二次测试，完成后查看测试结果是否满意，若离散值小于限定值，则选择是，否则选择否，重新返回第2次测试模式，改变测试点间距，重复测量，直到测量值所得结果的离散值小于限定值，然后导出测试结果。图14为本发明的换能器支架的一种实施例。换能器支架由换能器1、换能器套2、隔声材料3、换能器盖4、弹簧5、滑轨6、定位装置7、测试板8和刻度标识9组成。图14a左侧为换能器支架的剖视图，换能器支架由非金属材料制作而成，能有效减轻重量，即使在冬天测试时，也不会有水凉的感觉，依然具有较好的手感。两换能器1置于两换能器套2内，换能器套2环向内壁与换能器1之间用环形隔声材料3配合的方式，有效的防止了换能器1与换能器套2的声短路。换能器套2顶部内壁与换能器1顶部之间用弹簧5配合的方式，换能器盖4顶住换能器1底部，通过螺紋等方式固定到换能器套2上，使换能器1与测试表面在不平的情况下依然能保证良好的耦合。两换能器套2分别被固定在支架两端，并分别可沿换能器支架上的滑轨6移动。它能保证换能器与测试面良好的耦合，且能直接快速、准确测试裂缝。右图为换能器支架的背面图，滑轨6上设有定位装置7，也可以采用将定位装置7设置在换能器套2或支架上等多种方式。图14b为换能器支架的俯视图，支架两侧对称印有50mm、100mm、150mm、20Omm等四个成对的刻度标识9，并在相应刻度标识9位置设有定位装置7,当换能器套2移动到相应的刻度标识时，换能器套2通过定位装置7能自动固定，使发射和接收换能器间距准确。支架底部中心位置装有一个标有十字刻线的有机玻璃测试板8，且中心是一个孔，以保证测试时支架能准确地放在被测裂缝的某一确定位置上，这样可以有效地避免人工测距划线以及手持换能器时位置放置不准确造成的误差，大大提高了测量的效率和测量值的精准度。支架可以根据需要制成不同的长度，比如100mm~600mm。在具体实施中，若缝深在50mm以下，可以采用两侧对称印有50mm、100mm、150mm、200mm等四个成对刻度标识的支架，支架的总长度在250mm300mm左右，便于操作和携带。使用换能器支架时，先选择第一个测试点的间距，将两换能器套2以测试板8的中心孔为中心对称的置于滑轨刻度标识9上的相应位置，中心孔对准待测裂缝，将支架滑轨压紧测试面，使换能器与测试面良好的耦合，进行第一次测量。进行第二次或第三次测量时，保持支架滑轨不动，对称的改变两换能器套2的位置，从而改变第二、第三或多个测量点的间距，进行测量。下表为应用本专利的裂缝深度测试仪在已知缝深的混凝土裂缝模型上的试验结果，其中每一个裂缝模型的每一组测试数据为本发明方法的一个实施例<image>imageseeoriginaldocumentpage20</image><table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>通过上表的试验结果可以看出，本发明方法的测量误差比较小，相对误差仅在-5%~9°/。之间。本发明方法和裂缝深度测试仪以及换能器支架也可用于各类非金属固体材料裂缝的检测，不单局限于对混凝土材料裂缝的检测。权利要求1.一种裂缝深度测量方法，包括以下步骤步骤a测量被测固体介质中的声速v；步骤b第一测点测量，将发射与接收换能器分别置于以裂缝为对称的两侧，发射与接收换能器的间距为l1，读取声时值t1，并由下式计算裂缝深度2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于在所述步骤d中，进一步继续计算离散A-^一^，若该离散值小于某一限定值~,则以^为裂缝深度；否则，再增加一个测点，重复步骤b,直到该测点的深度值与之前其他任何一个测点深度值的离散值小于限定值^，则以此离散值所属的两个测点深度值的平均值作为裂缝深度。3.如权利要求2所述的一种方法，其特征在于所述的离散值的限定值^为5mm~150mm,或30°/"、4.如权利要求2所述的一种方法，其特征在于所述的离散值的限定值^为当5〈30mm时，~取为9mm;当5=30附附时，~取9mm或30%x5;当30ww〈5〈300wm时，~取为30%x当^=300附附时，取90mm或30。/ox^;当5>300ww时，~取为9Omm。5.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所述^的范围为30ffW7S^500w附。6.如权利要求5所述的一种方法，其特征在于所述纟的范围为S/^250附附。7.如权利要求6所述的一种方法，其特征在于所述^的范围为80wm^入^150ww。8.如^又利要求7所述的一种方法，其特;f正在于所述^为80mm或100mm或110mm或120mm或130mm。9.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于在步骤a中测量^皮测固体介质中的声速v的方法是，在无缝区将发射换能器与接收换能器固定于某一间距/,测量传播声时"计算混凝土声速v"〃。10.如权利要求9所述的一种方法，其特征在于所述的间距Z为50mm~300隱。11.如权利要求10所述的一种方法，其特征在于所述的间距/为200mm。12.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于当&S50wm时，/2为^的0.6~8倍、或者30wwS/2S200mm;当年>50ww时，/2为&的0.1~5倍、或者50附wS/2S400ww。13.如权利要求12所述的一种方法，其特征在于当/z^50mm时，/2=50mm;当&〉50mw时，/2=150mm。14.一种裂缝深度测试仪，包括主控系统、发射换能器、接收换能器、电源模块，其特征在于所述的主控系统通过高压发射模块与发射换能器相连接，所述的高压发射模块通过施加高压脉冲使发射换能器产生声波信号；接收换能器将接收到的声波信号通过信号接收调理模块进行放大、滤波处理，然后由模数转换模块转换为数字信号传递给主控系统；主控系统对接收到的数字信号进行处理，并直接计算出裂缝深度；所述的主控系统通过人机接口模块与使用者进行交互。15.如权利要求14所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述主控系统采用的裂缝深度的计算公式如下:其中A为裂缝深度值，/为两换能器的间距，,为声波传播时间，v为被测固体介质中的声速。16.如权利要求14所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的高压发射模块中的高压激励电路为单次高压激励电路，所述的单次高压激励电路使发射换能器产生的是单次脉冲声波信号。17.如权利要求14所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的信号接收调理模块采用固定增益放大器。18.如权利要求17所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的信号接收调理模块采用放大倍数高于600倍的高增益放大器。19.如权利要求18所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的信号接受调理模块釆用放大倍数为1000倍的高增益放大器。20.如权利要求14所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的主控系统由主控CPU模块、逻辑控制模块组成；主控CPU模块分别与逻辑控制模块、人机接口模块、电源管理模块之间电连接，用于实现各功能模块之间的调度；主控CPU模块通过逻辑控制模块与高压发射模块电连接；模数转换模块通过逻辑控制模块与主控CPU模块电连接。21.如权利要求14所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的主控系统通过数据通信模块与外接设备之间进行数据传输。22.如权利要求14所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于还包括至少一个换能器支架，至少一对发射换能器和^l妄收换能器分别^^固定在支架两边，并分别可沿换能器支架上的滑轨移动。23.如权利要求22所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于在所述的换能器支架上、沿滑轨方向上设有刻度标识。24.如权利要求22所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于在所述的换能器支架上设有一个中心标识。25.如权利要求23所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的换能器支架上的刻度标识由成对的标识线组成，每对刻度标识线对称的分布在中心标识两侧。26.如权利要求25所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的刻度标识线有四对，每对刻度标识间的距离分别为50mm、100mm、150mm、200mm,并在相应位置标有标识值。27.如权利要求22所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的换能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固定在滑轨上。28.如权利要求22所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的换能器支架上设有定位装置，该定位装置可将换能器固定在刻度标识处。29.如权利要求24所述的一种裂缝深度测试仪，其特征在于所述的中心标识为一个标有十字刻线的有机玻璃板，在十字刻线中心设有一个小孔。全文摘要本发明涉及一种裂缝深度测量方法及装置。该方法包括a测量被测固体介质中的声速v；b将发射与接收换能器分别置于以裂缝为对称的两侧，发射与接收换能器的间距为l₁，读取声波传播时间t₁，由下式计算裂缝深度h₁(见公式)；c将发射与接收换能器的间距置为l₂，l₂为0.1h₁≤l₂≤10h₁或30mm≤l₂≤500mm；读取声时值t₂，计算裂缝深度值h₂；d^h1与h₂的平均值h为裂缝深度。该方法利用很少的测点就可获得高精度的测量结果。本发明还提供了一种裂缝深度测试仪包括主控系统通过高压发射模块与发射换能器相连，高压发射模块使发射换能器产生声波信号；接收换能器将接收到的信号通过信号接收调理模块进行处理，然后由模数转换模块转换为数字信号传递给主控系统；主控系统对接收到的数字信号处理，直接计算出裂缝深度。文档编号G01B17/00GK101285679SQ200810114648公开日2008年10月15日申请日期2008年6月5日优先权日2008年6月5日发明者唐金祥,孙刚柱,常志红,徐松涛,濮存亭,王利广,穆铁军,阚月鹏,陈志雨申请人:北京市市政工程研究院;北京市政建设集团有限责任公司;北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司