匡鹿婷　张青林

摘 要：隨着科技发展，城市建设也成为了人们关注的焦点。地下管网纵横交错， 但管网资料严重不足， 档案管理方式跟不上发展节奏， 严重阻碍了城市发展、建设与管理工作。因此，城市有关部门越来越重视地下管网的探测研究， 先进的管网探测技术和高素质的专业管线探测队伍及相关探测设备必不可少。该项目研究的超声波探测是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。由于超声波探测技术与传统的原位测试方法相比，具有装置轻便简洁、测量快速经济、测量精度高、易于控制测量等优点，因此可以在很多探测领域内显示优势。

关键词：管道探测；超声波检测；无损检测；回波信号

1 超声波基本特性

1.1 良好的反射性

超声波在不同介质传播的过程中，遇到不同介质的表面时，就会在介质的表面发生反射。 正如光的反射定律一样，超声波也满足波的反射定律，即波的入射角等于波的反射角。 超声波的这一反射特性为测距提供了理论依据。

1.2 较强的方向性

超声波一经发射，就会沿着一个方向传播，有较强的方向性。并且这种特性与超声波的频率有关，也就是说超声波频率越高，其指向特性也就会越强。

1.3 具有较高的能量

高能量保证了超声波能够穿透不透明的物体，并且可以传播很远的距离。同时，在传播过程中 ，它的能量几乎不会减少，这就可以收到较强的回波信号。

2 系统的原理与结构

2.1 系统流程算法设计

因为超声波传播的波形在不同材料表面反射情况和在穿透介质中有不同传播能量的特点，因此在利用超声波探测管道和其缺陷时超声波的反射波形和能量都会有变化【4】。脉冲反射法的检测原理是：超声波在波导中传播时，波导的边界会对超声波的传播产生影响，利用这一特性，可以通过观察超声波的回波信号推断波导的形态，当地下管网有缺陷时，缺陷的位置及其大致的大小可以反馈给使用者。因此可以利用仪器激发超声波，将超声波传入管道中，观察其回波信号，完成对管道损伤的检测。 在超声波仪器接收器上利用计算机或显示器等，绘制图形。结合图形分析回波型号。由前所述，超声波对于不同介质来说脉冲传播时间及能量反射有差异，因此根据回波信号可以大致判断缺陷的存在及位置，根据回波的幅度确定缺陷的大小 【5】。探测的流程图如图1所示：

2.2 超声波发射电路

文章此次选用 74LS04 芯片进行信号放大发射电路如图 2 所示【6】

2.3 超声波接收电路

本文使用的四集成电路 CX20106A 芯片电路。 CX20106A 芯片电路的抗干扰能力，灵敏度也符合设计的要求，电路如图 3【7】所示：

2.4 管道所在深度的计算

通过使用超声波在水泥或沥青路层中传播的速度以及在土壤层中传播的速度乘以单片机的计量时间就可以得出地下管道所在位置的具体深度。

H=V1t1+V2t2 （3）

式中H为管道所在位置的具体深度；V1为超声波在介质I中的速率，t1为超声波在介质I中的传播时间；V2为超声波在介质II中的速率，t2为超声波在介质II中的传播时间。

2.5 管道伤口的确认

通过对实时回声信号的检测。在确认管道存在以及管道壁的上、下深度后，通过超声波在不同介质中传播速率不一致的原理，尤其是在固体和液体材质中传播速率的显著差异，可以通过对回声信息的显著差异进行鉴别。在管道宽度范围内且在管道所在深度范围内如有回声信号的显著不同则可判定管道有裂纹等伤口。通过使用COMSOL Multiphysics等物理场仿真软件，确认了超声波在地下管网位置确定以及探伤中的可行性。

2.6 与嵌入式结合应用

现有超声波测距传感器如HC-SR系列体积小、测量精度较好，测量数据比较准确，笔者尝试利用它与单片机、ARM等嵌入式处理器和LED、LCD屏幕相结合实现一套完整的地下管网检测及探伤实验装置。这套微型化装置不仅可以用于模拟实验，还可以用于实际应用。它的优点是价格低廉、携带方便、便于在大型仪器难以深入的区域实现探测，功能也比较健全；缺点则更为明显，受探头直径影响，它的可探测宽度范围极小，只能达到分米量级，如果探测区域内全部在伤口范围则会失去作用探伤作用，如果管道宽度宽于探测区域则难以区分管道与断层。因此这套微型化装置用来探测比探头粗的管网是不可用的，因此不够实用。

本文尝试对类似的微型化装置提供几个在实践中的改进方法：一是使用两个微型超声波测距传感器同时从中心向两边进行“扫雷式”检测，可以通过所测断层距离变化判定管网边界；二是通过超声波在接近纯净物的介质中传播速度恒定的特点，如果探测中得到的速率接近其在水、天然气等纯净物中的传播速率，也可得出此地埋有管道的结论，并得出管道的大致深度位置，以便进一步进行探验。

4 研究意义及总结

本文初步讨论了地下管网探测的各种方法及优缺点和超声波的特性传播原理，从中可以发现超声波在地下探测中的优势，即超声波检测方法没有损害、没有污染、受外界噪声影响小、用集成电路容易实现等特点，方便简单。基于超声波的距离检测是一个常用方法，尤其是地下有各种各样的介质时，利用此原理，可以制作出很多不同的传感器。总体来讲，由于超声波不受管道材质限制，也较为安全简便，在地下测距中拥有无可替代的优点，具有十分重要的意义。

本文还提出了一套管道深度探测及探伤的算法流程以及一套与嵌入式芯片结合的微缩勘探设备，并对该类小型设备的应用技巧和扩展进行了探讨。

参考文献

[1] 陈伟清.城市地下管网探测方法及应用[J] 地矿测绘，2000（2）：P33—P34

[2] 宋子强.超声检测技术研究与工程实现[D] 哈尔滨：哈尔滨工业大学.2008.

[3] 华海月.基于能量最低原理的超声波束合成研究[D].安徽：安徽大学2012.

[4] 吴广明.超声技术在选煤厂振动筛大梁故障诊断中的应用山西大同大学学报（自然科学版）2015-06-12

[5] 刘轶 许晓东， 基于超声与低频涡流技术的振动筛大梁裂纹检测方法研究【J】， 煤矿机械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）