一种瞬态面波路基检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于瞬态面波路基勘探专用仪器技术领域，更具体的说，是涉及一种瞬态面波路基检测系统及其检测方法。

背景技术

随着地铁、各种管道、架空线入地等工程逐渐增多，多数工程在设计及施工时均将走线安排在公路下面，这造成了部分路基回填不密实使得路基受损，如果不及时进行预防和处理公路容易发生塌陷造成人员伤亡和经济损失。当前路基检测的主流方法是钻芯取样检测法，即利用工程钻机，将路面下一定深度的道路样本取出，通过对样本、沉渣和钻进难易程度等进行综合判断，以了解路面完整性、混凝土强度、沉渣厚度及持力层情况。但是这种取样法存在着样本覆盖范围小、容易遗漏隐蔽性强的病害等缺点，其检测结果并不足以代表整条道路的现有状况。此外，在取样的过程中需要封闭道路，影响道路运输的效率的同时还存在着一定的安全隐患，而钻芯后留下的空心会破坏路面的整体结构造成二次危害，不利于后期的养护工作。

发明内容

为了科学高效地对路基有无空洞及空洞区域和具体位置进行预判和精准定位，本发明提出一种更加便捷、高效、稳定的无损路基检测系统及其检测方法，即瞬态面波路基检测系统及其检测方法，采集人工锤击路面产生的瞬态面波数据，对采集到的瞬态面波数据进行计算分析，最终通过频散曲线及时域波形对路基有无空洞进行判断，为公路建设服务。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明瞬态面波路基检测系统，由振动换能器、供电单元、数据采集系统、计算机数据接收处理系统构成，所述振动换能器与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与计算机数据接收处理系统相连接，所述供电单元分别与振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统相连接；

所述振动换能器用于将接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统；在每次测量时，数据采集系统用于接收并存储振动换能器传输的数据，并将来自振动换能器的电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统；所述计算机数据接收处理系统用于接收数据采集系统传输的转换数据，并对数据进行处理和计算，使得用户查看检测分析结果，实现对道路表面及路基状况的实时检测；所述供电单元分别为振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统提供稳定的电源。

所述振动换能器设置为八个，分别与ADC采集模块连接，测量时沿直线等间距摆放在待测路面，利用粘性材料与地面耦合，第1路振动换能器与第2路振动换能器之间的距离应该大于实际探测深度的两倍；其中，第1路作为激发路，用于判断路面瞬态面波是否到达，其它7路仅用于接收数据；在激发路0.2m范围内敲击地面，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号。

所述数据采集系统由FPGA为控制器的数据采集板构成，包含电源模块、ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块，所述电源模块分别与ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块连接，所述FPGA控制处理模块还分别与ADC采集模块、数据存储模块、串口发送模块连接；

所述电源模块分别为ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块提供电源；所述FPGA控制处理模块用于启动数据采集系统、控制数据采集系统的各个模块，负责控制数据采集板的数据采集、传输过程；所述ADC采集模块采用16位精度模数转换器，同步采集各振动换能器的电压信号，将振动换能器传输的电压信号转换为数字信号；所述数据存储模块用于将ADC采集模块传输的数字信号存储，并在采样结束后将存储的数据读出，发送给串口发送模块；在FPGA控制处理模块的控制下，所述串口发送模块用于将数据存储模块发送的数据通过UART串口发送到计算机数据接收处理系统。

所述ADC采集模块采用AD模数转换芯片，型号为AD7606模数转换芯片；所述FPGA控制处理模块采用FPGA芯片，型号为EP4CE6E22C8N；所述数据存储模块采用SRAM存储芯片，型号为IS62WV51216；所述电源模块由AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片组成，将输入的5V降压到3.3V、2.5V、1.2V，所述AMS1117-3.3电源芯片分别为AD模数转换芯片、FPGA芯片、SRAM存储芯片提供3.3V电压，所述AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片分别为FPGA芯片提供2.5V和1.2V电压。

所述计算机数据接收处理系统由串口接收单元、数据存储单元、参数设置单元、图像绘制单元构成；所述串口接收单元用于与所述数据采集系统进行通信，接收测量数据；所述数据存储单元用于数据文件的保存与过往测量数据的查看；所述参数设置单元用于现场测量参数设定；所述图像绘制单元用于在接收数据后将各个振动换能器的测量数据曲线的实时绘制。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明瞬态面波路基检测系统的检测方法，包括以下过程：

第一步：将8个振动换能器沿直线摆放在待测试的路面上，利用粘性材料使振动换能器与路面耦合，每个振动换能器之间的间距均为1m；

第二步：对计算机数据接收处理系统进行参数配置，包括串口号、波特率、数据量；计算机数据接收处理系统共提供三种波特率，分别是：9600bps、115200bps、460800bps；

第三步：在第1路振动换能器0.2m范围内敲击地面，人工激发震源，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号；

第四步：振动换能器接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统，数据采集系统接收并存储振动换能器传输的数据，并将电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统；

第五步：计算机数据接收处理系统将数据采集系统传送的数据以json的文件格式保存并现场绘制波形图，至此完成一次采集；

第六步：重复第三步、第四步、第五步，直至采集十次数据，并以十次采集到的数据为一组进行保存；

第七步：第一组采集完成后，根据数据采集系统每个通道采集到面波间的时差将第1路振动换能器和第2路振动换能器之间的距离增大1m，重复第三步至第六步开始下一组的采集，直到最后3路振动换能器接收到的信号波动范围在0.02V以内；

第八步：利用MATLAB将所有数据导出，计算获得面波的频谱图，通过相位法或矩阵法获得面波的频散曲线或时域波形，判断路面下是否有空洞的存在。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明具有很强的便捷性。本发明方便携带及检测，而现有仪器过于笨重。

(2)本发明有较高的采样频率。目前使用较为广泛的仪器采样频率最高为100kHz，本发明的最高采用频率可达到200kHz。

(3)本发明操作简单且成本低，有较强的实用性，能够大范围使用。

附图说明

图1是本发明瞬态面波路基检测系统的示意图；

图2是本发明中数据采集系统的示意图；

图3是本发明中计算机数据接收处理系统的示意图；

图4是本发明在平台下没有土层支持时实验得到的波形图；

图5是本发明在有土层支持时实验得到的波形图。

图6是图4及图5实验地的模型图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明瞬态面波路基检测系统，由振动换能器、供电单元、数据采集系统、计算机数据接收处理系统构成。所述振动换能器与数据采集系统相连接，所述振动换能器用于将接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统。所述供电单元分别与振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统相连接，所述供电单元分别为振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统提供稳定的电源。所述数据采集系统与计算机数据接收处理系统相连接，在每次测量时，数据采集系统用于接收并存储振动换能器传输的数据，并将来自振动换能器的电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统。所述计算机数据接收处理系统用于接收数据采集系统传输的转换数据，并对数据进行处理和计算，使得用户能够查看检测分析结果，实现对道路表面及路基状况的实时检测。

所述振动换能器设置为八个，分别与数据采集系统连接，测量时沿直线等间距摆放在待测路面，利用泥土等粘性材料与地面耦合，可以更好的接收到面波。其中，第1路作为激发路，主要用于判断路面瞬态面波振动信号是否到达，其它7路仅用于接收数据。利用铁锤或橡胶锤等在激发路0.2m范围内敲击地面，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号。有效探测深度与振动换能器彼此之间的距离有很大关系，第1路振动换能器与第2路振动换能器之间的距离应该大于实际探测深度的两倍。有效探测深度还与激发的面波波长存在一定的系数关系，激发的面波波长越短，所能探测的有效深度越低，即面波频率的频率越高，探测深度越低。激发面波的频率主要因为激发源和激发方式的不同而不同，可以改变激发方式，使其激发不同频率的面波，改变探测深度。

如图2所示，所述数据采集系统由FPGA为控制器的数据采集板构成，包含电源模块、ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块。所述电源模块分别与ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块连接，所述电源模块分别为ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块提供电源。所述FPGA控制处理模块还分别与ADC采集模块、数据存储模块、串口发送模块连接。所述FPGA控制处理模块用于启动数据采集系统、控制数据采集系统的各个模块，负责控制数据采集板的数据采集、传输过程；所述ADC采集模块采用16位精度模数转换器，同步采集各振动换能器的电压信号，将振动换能器传输的电压信号转换为数字信号；所述数据存储模块用于将ADC采集模块传输的数字信号存储，并在采样结束后将存储的数据读出，发送给串口发送模块；在FPGA控制处理模块的控制下，所述串口发送模块用于将数据存储模块发送的数据通过UART串口发送到计算机数据接收处理系统。

所述数据采集系统的时钟为50MHz。其中，所述ADC采集模块采用AD模数转换芯片，型号为AD7606模数转换芯片。所述FPGA控制处理模块采用FPGA芯片，型号为EP4CE6E22C8N。所述数据存储模块采用SRAM存储芯片，型号为IS62WV51216。

SRAM存储芯片工作时需要3.3V电源，FPGA芯片工作时需要3.3V、2.5V、1.2V电源，AD7606模数转换芯片工作时需要5V和3.3V电源。输入电压在5V左右，数据采集系统中将AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片组成电源模块，为数据采集系统中的各模块提供电源。电源模块将输入的5V降压到3.3V、2.5V、1.2V。所述AMS1117-3.3电源芯片分别为AD模数转换芯片、FPGA芯片、SRAM存储芯片提供3.3V电压，所述AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片分别为FPGA芯片提供2.5V和1.2V电压。由于FPGA芯片、AD模数转换芯片及SRAM存储芯片均需要3.3V电压作为主要的工作电压，因此为保证各个芯片能够正常工作，数据采集系统使用了两片AMS1117-3.3电源芯片，这样能够完全满足每个芯片的功率需求，AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片均使用一片便能满足需求。

FPGA芯片内部的存储模块通过控制SRAM存储芯片进行数据存储和读取，通过控制SRAM存储芯片上WE引脚电平高低实现数据的写入和读取，由于FPGA芯片在与SRAM存储芯片通信过程中既有数据的写入，也存在数据读取，因此在FPGA芯片程序中将数据端口设定为inout类型，控制FPGA芯片的IO口实现双向传输。SRAM存储芯片在写入数据时，先传送地址和数据，再将WE拉低，然后等待60ns，此时便将数据写到相应的地址里，完成写操作后再将WE拉回高电平，使其保持在读数据状态。在读数据时，将地址放到SRAM的地址总线上，此时WE应该为高电平，等待3个时钟后就可以读出SRAM中的数据。在存储及传输数据过程中，当出现某个数据丢失时将会对后续数据分析造成严重影响，致使最终的结论错误。因此每次存储一组数据时，在每组数据后加入一个标记数据表示该组结束FF FF。在读取数据时，当地址为9的整数倍时，读出的数据如果不是标记数据，则表示出现错误，LED灯闪烁。在未发现错误时LED灯常亮。这种方式实现了对数据完整性的检测，同时计算机数据接收处理系统也利用该格式分组和计算采集到的数据

AD7606数模转换芯片采用内部提供的电压作为基准电压，并将REF SELECT引脚设为高电平。将PAR引脚接地，使AD7606以并行方式将数据读出。信号的输入范围设置为5V，此时1LSB＝152.58uV即采样精度为152.58uV。在通电后首先将复位信号拉高完成采集芯片的一次复位操作。每次采集需要先等待400ns并将片选信号、读信号、CONVST等信号拉高，通过控制CONVST电平的高低实现发送信号采集的指令。BUSY信号由AD转换芯片控制，当BUSY引脚为低电平时可以读取采集到的八路数据，当信号为高电平时表示正在进行模数转换，此时读取操作无效。BUSY信号在整个转换过程结束时变成低电平，信号下降沿用来使所有采样保持放大器返回跟踪模式，同时表示可以从并行总线读取8个通道的数据。控制读信号对八路数据依次读取，每次仅能读取一路数据，读取顺序从第1路开始到第8路结束。至此完成一次八路数据的采集和读取。由于每次采集数据的转化时间不同即BUSY信号为高电平时间不同，每次采集均需一个计数器确保每次采样耗时相同，保证采样频率的正确，同时也可调整该计数器改变采样频率。

所述数据采集系统的ADC采集模块与所述振动换能器相连接，当第1路的电压变化大于0.3V时，代表瞬态面波振动信号已经到达第1路振动换能器的所在位置，此时开始存储八路采集到的信号数据，并将数据存储到SRAM存储芯片。当采集的次数为7200次数时停止采集，并由UART串口传输到计算机数据接收处理系统。

所述数据采集系统在上电复位后配置AD转换芯片，接着不断采集八路信号，将第1路(激发路)在1s内接收到的10个数据取均值作为基准电压。接着不断判断第1路信号的电压值，当激发路的电压幅度变化过大时，即电压值大于基准电压值与判断阈值的和或者小于它们的差，系统便开始运行。系统在开启后便开始存储后续采集到的数据。每次采集获得8通道的同步数据，存储时则存储9组数据，即8组数据加一组标记数据，每路数据占空间为16bit即2Byte，一次采集所需占空间为18Byte。一次实验采集4096组数据，则需空间知识18MB。采样频率设为50KHz，则每次实验的采样时间约为82ms。数据由UART串口传输到计算机数据接收处理系统，每个数据分两次发送即每次发送8bit数据，先发送高八位，后发送低八位数据。每次由低到高依次发送。系统最高采样频率为200KHz，最多能存储58000组数据。因此需要依据实际情况调整采样频率及采样的数据量，采集系统能够满足大多数情况下的采集需求。当存储数据量达到要求后便由传输模块读取和发送数据，最后由计算机数据接收处理系统进行分析和计算，完成一次面波采集。

如图3所示，所述计算机数据接收处理系统由串口接收单元、数据存储单元、参数设置单元、图像绘制单元构成。所述串口接收单元用于与所述数据采集系统进行通信，接收测量数据；所述数据存储单元用于数据文件的保存与过往测量数据的查看；所述参数设置单元用于现场测量参数设定；所述图像绘制单元用于在接收数据后将各个振动换能器的测量数据曲线的实时绘制。

所述计算机数据接收处理系统在完成参数设置单元的参数(串口号、波特率、数据量等)配置后，通过串口接收单元接收由数据采集系统的串口发送模块传送过来的数据，由数据存储单元存储接收到的数据。并由图像绘制单元绘制8路波形并在系统界面上显示。计算机数据接收处理系统是基于QT开发平台。由于系统采集的是突发信号，因此计算机数据接收处理系统在开始工作后等待接收第一个数据发送，当接收到第一个数据后会等待8s，这段时间用于接收后续数据，当等待8s后便开始对接收到的数据进行分组和检验。将每一个数据进行相应的公式计算，获得对应的电压值。最终在图像绘制模块内显示八个采集通道获得的波形图。

本发明瞬态面波路基检测系统的检测方法，包括以下过程：

第一步：将8个振动换能器沿直线摆放在待测试的路面上，利用粘性材料使振动换能器与路面耦合，每个振动换能器之间的间距均为1m。

第二步：对计算机数据接收处理系统进行参数配置，包括串口号、波特率、数据量。计算机数据接收处理系统共提供三种波特率，分别是：9600bps、115200bps、460800bps。

第三步：在第1路振动换能器0.2m范围内用铁锤或橡胶锤敲击地面，人工激发震源，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号。

第四步：振动换能器接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统，数据采集系统接收并存储振动换能器传输的数据，并将电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统。

第五步：计算机数据接收处理系统在接收到第一个数据后等待8s用于接收数据采集系统发送的数据，8s后便不再接收数据，开始对接收到的二进制数据进行分组和计算。最后绘制出每路信号的时域波形图并将数据以json的文件格式保存，至此完成一次采集。

第六步：重复第三步、第四步、第五步，直至采集十次数据，并以十次采集到的数据为一组进行保存。

第七步：完成一组采集后，根据数据采集系统每个通道采集到面波间的时差将第1路振动换能器和第2路振动换能器之间的距离增大1m，重复第三步至第六步开始下一组的采集，直到最后3路振动换能器接收到的信号波动范围在0.02V以内。

第八步：利用MATLAB将所有数据导出，计算获得面波的频谱图，通过相位法或矩阵法获得面波的频散曲线或时域波形，判断路面下是否有空洞的存在。

下面结合具体检测实验论证本发明检测系统的有效性。图6为该组实验场地实验模型。实验场地的长和宽均为10m。分别在左边有土地支撑、右侧无土支撑两个地方试验。

图4为激发路与第2路之间差2m时获得的下方无土支撑情况下的时域波形图。图5为激发路与第2路之间差2m时获得的下方无土支撑情况下的时域波形图。通过时域波形图可发现有土支撑与无土支撑的时域波形有较大区别，有土支撑时波形较密(频率较高)，无土支撑时则较疏(频率较低)。并且无土支撑时信号的波长较长。做频谱图后可发现，有土支撑时主频大部分集中在250Hz～500Hz附近，小部分集中在500Hz到1000Hz之间。无土支撑时主频则集中在500Hz以内。综合时域波形图和频域波形图可以发现，无土支撑时波形频域较低，波长较长，而有土支撑时频率较高且集中。实验结果论证了本发明的检测系统可对近地表地下异常区进行检测。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。