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探究超声波探测排水管道的可行性

作者:2016-07-30 18:25文章来源:未知

  引言

  管道运输在现代化经济中扮演着举足轻重的作用。它以高效、环保、安全而著称。城市排水管道是排水系统的核心,我们的口常生活与之息息相关。在我国,中央和地方政府也不断加大投入城市基础设施的建设。其中,工程管网的建设更是得到了极大的重视和发展。目前为0,全国已建成的城市各类管道长约583 000 km,其中158 000 km为排水管道’。然而,山于受到电化学腐蚀以及流体冲刷的共同作用,排水管道会产生疲劳破坏,甚至是破裂。不但对环境造成污染,而且给我们的生活也带来了极大的不便。所以我们就要采用先进的排水管道检测系统对其进行定期的检测、养护和修复。

  1超声波基本特性以及检测原理

  1.1超声波基本特性研究

  人能听到的声音称为可听声波,频率范围是20 Hz}20 kHz,而超出次频率范围的声音就是超声波。其中,频率低于20 Hz的声波称为低频声波,20 kHz以上的声音则为超声波z 超声波适合测距和探伤的几个原因如下:

  1)反射性:超声波在遇到不同介质表面时,超声波就会像光一样,在介质表面发生反射。其适合波的反射定律,即入射角等于反射角。这就为超声波测距提供了理论依据。

  2)指向性:较强的方向指向特性是超声波的另一个特点,且随着超声波的频率升高,方向指向特性也越好。

  3)高能量:高能量保证了其可以传播很远的距离。另外,在传播过程中,它的衰减微乎其微,这就可以收到较强的回波信号。

  1.2超声波传播特性研究

  当超声波在地下管道中传播中,遇到水和管壁的分界面(两种不同介质),便会产生反射和折射。而且这两种不同介质的声阻抗率差距越大,其反射和折射效果就越好。其遵循光的反射和折射定律。反射定律即入射角等于反射角。折射定律入射角正弦值和折射角正弦值之比等于两种介质中的声速之比。

  1.3超声波衰减特性研究

  超声波在传播过程中,其能量会逐渐慢慢减少,我们称之为超声波的衰减。衰减原因主要有3种,分别是扩散、散射和吸收。

  1)扩散衰减。超声波投射到不同形状的表面会产生不同程度的衰减;当反射面为柱面波或球面,致使单位面积上的声压减弱。

  2)散射衰减。物质中经常含有杂质,声波在这些杂质中发生了散射,致使声压和声强减弱,使声波衰减。

  3)吸收衰减。一方面因为介质具有茹滞性,质点间会发生内部摩擦,使部分超声能量转换为热能。另一方面,不同介质间,疏密不同,有热交换,从而损失声能,这两方面衰减现象称为吸收衰减。

  2超声波换能器的发射和接收电路设计

  2.1超声波发射电路设计

  单片机发出的40 kHz的激励脉冲必须经过放大才能驱动超声波换能器,超声波换能器的发射部分主要是探头和发射器,它们把电信号转化成机械信号发射出去,本文选用74LS04芯片进行信号放大发射电路。

  工作时,单片机P0.1向超声波换能器发送信号,信号经过74LS04放大电路,然后到达探头,将电信号转化成机械波发射出去。2.2超声波接收电路设计

  由于超声波会有扩散衰减、吸收衰减、散射衰减,所以当反射信号到达接收器的时候,信号较弱,所以就需要对信号进行一系列的处理:放大,滤波,限幅等。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,灵敏度皆符合设计的要求。

  3系统总体方案设计

  本系统是以C8051F360单片机为核心的超声波测距平台,主要包括单片机,超声波换能器,以及电路板。电路部分主要是限幅,带通滤波模块等。

  首先,单片机向超声波换能器发送信号,使换能器发射模块发射信号,同时启动单片机的中断定时器用以计时并且超声波换能器变化为接收模式,当接收模接收到发射信号一碰到下水管道管壁发生反射的信号时,单片机停比计时。

  4结论

  本系统是以单片机为核心,辅之以超声波换能器,利用单片机来计算时间,从而得出地下管道淤积的位置以及厚度,通过实验的实践,证明其可行性。但也有还需提高的地方,比如超声波在水中的速度,需要有一个温度补偿,还有减少盲区以及提高系统的精度。

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