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摘要：超声波检测是一项利用声波回弹的检测技术，其结果受到相应幅度的影响。主要是因为谐振带来的振铃效应，从而影响了其准确的程度。因此采用科学的方式对进行补偿就成为了研究的重点，本文提出的是一种数字滤波的补偿方式，并分析和阐述了其应用的方法。
关键词：数字滤波；混凝土检测；传感器补偿方法 1 前言
混凝土材料是最为普遍的建筑材料，因其在建筑中的应用最为广泛所以混凝土的质量就成为了质量控制和检验的重点对象。从结构看，混凝土是一种非均匀的介质，内部结构复杂随机性明显，而声波理论的研究范畴往往针对的是均匀的介质，因此超声波在混凝土中的传播具有衰减大、指向性差、波形复杂等特征，给超声波检测带来了较大的困难，尤其复杂的波形让识别有效波十分困难。利用科学的方式对混凝土的质量进行检测始终是技术人员研究的方向。目前超声波作为无损检测的技术手段应用于混凝土的检测中，在操作过程中为了获得较好的信号回应提高信噪比，通常利用传感器的谐波频率作为探测的主要频段。但是在利用谐振频率时往往会带来一种负面影响，尤其是余振的干扰经常会造成反射信号监测失真，对于反射信号的提取和失败造成干扰而降低分辨效果，从而影响检测结果。因此在研究中技术人员发现利用数字滤波的方式可以有效的对超声波传感器的频响特征进行补偿，以此获得较为准确的检测信号，并获得了成功。
2 数字补偿滤波原理
数字补偿的基本原理就是设定一个非理想的响应特征存在的系统，这里的数字补偿滤波就成为了一个传感器系统的辨识和滤波的问题，其核心思想就是系统输入和输出作为井基础参数，利用数学方式求出系统的离散转移函数模型，进而求出逆向系统，以此对探测过程中得到的信号进行滤波，就完成了对传感器的补偿。
在分析和计算中，设定一个线性移动不变的系统的动态特征可以利用常系数差分方程来进行描述，利用对各种常系数的取值和变换就可获得应系统的转移函数，并利用数学方式中系统辨识算法来获得前面所设定的非理想测量系统，然后就可以获得逆向系统相关的参数。此时因为线性系统都可以利用一个最小相位系统和一个全通系统的级联而建立一个最小相位系统模型。因此只有让分线性测量系统为最小相位，就可以保证获得相应的准确而稳定的因果系统。最后将系统级联在探测系统中，既可以获得一个相互对应的输入和输出信号，因为建立的系统是可逆的，因此第一个系统滤波后就通过第二个系统消除了第一个系统的滤波效果，使得信号可以得到矫正和补偿，实际上就相当于没有经过系统而发生改变。
3 补偿模型建立 在验证理论时，试验的对象是50kHz的商用超声波传感器，利用上述的理论建立一个模型对其进行评估。50kHz是一个非常低的无损检测用频率，因为其波长较大，在实际的检测中这个频率可以相对减少结构性噪声并增加测量的深度，但是应用中往往在谐振工作频率下反射信号都会被淹没在传感器的余振中而无法识别，所以在混凝土检测中应用较少。
针对此种问题，试验对超声波传感器进行了系统建模和补偿。先将一组输入和输出信号当做是系统辨识的数据，其信号从一个传感器到另一传感器的发送和接收过程中，即信号在介质中传播后信号不仅仅会受到传感器的影响，还会因为介质差异而不同，这样建立起来的模型是不能准确的反应传感器系统的相应特征的。因此试验选择水为介质材料，主要是其均匀、各项同性的特征适合为超声波研究创造稳定的介质环境，便于分析。在水中超声波只有幅度上的衰弱，此种衰减对建模的影响可以在建模的时候通过输入信号的幅度来弥补，这样信号中的不良效果就完全来自与传感器系统本身，使得建模的相对独立的研究传感器系统的准确性。
试验中将激励信号设定在一个高斯函数调制的余弦波，其信号的主频、高斯波的脉冲系数，波形发射周期中波包的位置参数等作为其激励信号的基本参数。选用实际波形和频谱，检测系统组成由信号产生和发射部分、传感器、信号接收及显示部分组成。采集信号的时候选用的是深度固定的水容器，防止反射波包的相互干扰，方便反射波包的获取。在信号采用中，第一个波包就是一次地面反射的波包，将其与激励信号相比较可以开出波包经过介质而改变。
在得到传感器输入和输出的信息后，应先对输入信号的的波形进行调制，即将输入信号按照输入信号的第一个波峰比值进行幅度调制，这样就可以调整而消除水对信号的衰弱影响。然后参照系统辨识算法对传感器进行建模，获得转移函数的比值，对应的测量值就可利用图表描述出来，试验中发现50kHz附近没有平坦的通道带，这就是引起测量失真的主要因素。这样既可获得逆向系统并将其加入到探测系统中，完成补偿滤波。这个过程可以利用软件工具完成，但是在模型计算的时候，阶数的选择十分重要，过小或者过大都会导致模型估计的误差增加，甚至是系统不稳定，就是去了建模的意义。
试验中经过比较选择用5阶评估方式，这样既可以满足系统建模的要求，也可控制误差在接收范围内。在系统中增加了补偿信号后，测试表明补偿信号和原始信号之间十分接近，这就可以认为其主体部分补偿成功。因此在模型计算中还会出现一些误差，因此会产生杂波的情况，但是进一步研究表明杂波对测试不会产生较大的负面影响。
4 型实验验证
完成补偿模拟后，就可以将补偿系统应用到实际的检测中，以检验系统的可靠性，在实际测量中利用一个标准的混凝土试块。长宽高分别为：500mm、300mm、200mm；利用对测法沿着长度方向对试块进行超声波扫描，并计算出平均的声速。因为多数的混凝土结构其测量的面都为一个，所以模拟实际采用的是单面法测量，试验中采用单面法测出试块的厚度和超声波速度。
按照规范的单面法测量，利用甘油将发射传感器耦合固定在测试结构的表面，然后先将接收传感器设置在距离发射器50mm的位置，两个传感器德尔中心距离是根据其外径而定，然后按照步长20mm来移动接收端，进行不同位置的6次检测，每个位置的波形都应采集记录，着过程需要保证接收传感器与测试结构耦合良好。然后将采集到的波形通过补偿滤波系统进行处理，并与原信号进行对比，这样就可以看出混叠在表面直达波的余振中的反射波。在深入分析时选取了一组信号进行比较，将平测法与对测声速相比较，精度可以满足实际测量的需求。因此此种补偿方法是可以在实际中获得较好的效果的。
5 结语
利用数字滤波的传感器补偿措施是利用了数学方式来降低传感器系统对信号的谐振效应，提高距离分辨能力。通过前面的分析和试验，并在实际的测量中利用此种方法进行测试都获得了较好的效果。使用补偿滤波器后，反射信号的解析和分离效率得到了提高，最终的测了误差很小，因此可以认为此种方式可以弥补低频超声波在混凝土测量中产生的误差。 参考文献
[1]陈磊,刘方文,戴前伟.水工混凝土质量无损检测技术研究进展[J].工程地球物理学报,2006,(04)
[2]曾繁标.混凝土超声波法检测新技术的应用[J].广东科技,2008,(10)
[3]董清华.混凝土超声波、声波检测的某些进展[J].混凝土,2005,(11)
[4]罗维刚,宋彧,来春景.超声平测法在混凝土结合面质量检测中的应用[J].结构工程师,2011,(S1)
关键词：数字滤波；混凝土检测；传感器补偿方法 1 前言
混凝土材料是最为普遍的建筑材料，因其在建筑中的应用最为广泛所以混凝土的质量就成为了质量控制和检验的重点对象。从结构看，混凝土是一种非均匀的介质，内部结构复杂随机性明显，而声波理论的研究范畴往往针对的是均匀的介质，因此超声波在混凝土中的传播具有衰减大、指向性差、波形复杂等特征，给超声波检测带来了较大的困难，尤其复杂的波形让识别有效波十分困难。利用科学的方式对混凝土的质量进行检测始终是技术人员研究的方向。目前超声波作为无损检测的技术手段应用于混凝土的检测中，在操作过程中为了获得较好的信号回应提高信噪比，通常利用传感器的谐波频率作为探测的主要频段。但是在利用谐振频率时往往会带来一种负面影响，尤其是余振的干扰经常会造成反射信号监测失真，对于反射信号的提取和失败造成干扰而降低分辨效果，从而影响检测结果。因此在研究中技术人员发现利用数字滤波的方式可以有效的对超声波传感器的频响特征进行补偿，以此获得较为准确的检测信号，并获得了成功。
2 数字补偿滤波原理
数字补偿的基本原理就是设定一个非理想的响应特征存在的系统，这里的数字补偿滤波就成为了一个传感器系统的辨识和滤波的问题，其核心思想就是系统输入和输出作为井基础参数，利用数学方式求出系统的离散转移函数模型，进而求出逆向系统，以此对探测过程中得到的信号进行滤波，就完成了对传感器的补偿。
在分析和计算中，设定一个线性移动不变的系统的动态特征可以利用常系数差分方程来进行描述，利用对各种常系数的取值和变换就可获得应系统的转移函数，并利用数学方式中系统辨识算法来获得前面所设定的非理想测量系统，然后就可以获得逆向系统相关的参数。此时因为线性系统都可以利用一个最小相位系统和一个全通系统的级联而建立一个最小相位系统模型。因此只有让分线性测量系统为最小相位，就可以保证获得相应的准确而稳定的因果系统。最后将系统级联在探测系统中，既可以获得一个相互对应的输入和输出信号，因为建立的系统是可逆的，因此第一个系统滤波后就通过第二个系统消除了第一个系统的滤波效果，使得信号可以得到矫正和补偿，实际上就相当于没有经过系统而发生改变。
3 补偿模型建立 在验证理论时，试验的对象是50kHz的商用超声波传感器，利用上述的理论建立一个模型对其进行评估。50kHz是一个非常低的无损检测用频率，因为其波长较大，在实际的检测中这个频率可以相对减少结构性噪声并增加测量的深度，但是应用中往往在谐振工作频率下反射信号都会被淹没在传感器的余振中而无法识别，所以在混凝土检测中应用较少。
针对此种问题，试验对超声波传感器进行了系统建模和补偿。先将一组输入和输出信号当做是系统辨识的数据，其信号从一个传感器到另一传感器的发送和接收过程中，即信号在介质中传播后信号不仅仅会受到传感器的影响，还会因为介质差异而不同，这样建立起来的模型是不能准确的反应传感器系统的相应特征的。因此试验选择水为介质材料，主要是其均匀、各项同性的特征适合为超声波研究创造稳定的介质环境，便于分析。在水中超声波只有幅度上的衰弱，此种衰减对建模的影响可以在建模的时候通过输入信号的幅度来弥补，这样信号中的不良效果就完全来自与传感器系统本身，使得建模的相对独立的研究传感器系统的准确性。
试验中将激励信号设定在一个高斯函数调制的余弦波，其信号的主频、高斯波的脉冲系数，波形发射周期中波包的位置参数等作为其激励信号的基本参数。选用实际波形和频谱，检测系统组成由信号产生和发射部分、传感器、信号接收及显示部分组成。采集信号的时候选用的是深度固定的水容器，防止反射波包的相互干扰，方便反射波包的获取。在信号采用中，第一个波包就是一次地面反射的波包，将其与激励信号相比较可以开出波包经过介质而改变。
在得到传感器输入和输出的信息后，应先对输入信号的的波形进行调制，即将输入信号按照输入信号的第一个波峰比值进行幅度调制，这样就可以调整而消除水对信号的衰弱影响。然后参照系统辨识算法对传感器进行建模，获得转移函数的比值，对应的测量值就可利用图表描述出来，试验中发现50kHz附近没有平坦的通道带，这就是引起测量失真的主要因素。这样既可获得逆向系统并将其加入到探测系统中，完成补偿滤波。这个过程可以利用软件工具完成，但是在模型计算的时候，阶数的选择十分重要，过小或者过大都会导致模型估计的误差增加，甚至是系统不稳定，就是去了建模的意义。
试验中经过比较选择用5阶评估方式，这样既可以满足系统建模的要求，也可控制误差在接收范围内。在系统中增加了补偿信号后，测试表明补偿信号和原始信号之间十分接近，这就可以认为其主体部分补偿成功。因此在模型计算中还会出现一些误差，因此会产生杂波的情况，但是进一步研究表明杂波对测试不会产生较大的负面影响。
4 型实验验证
完成补偿模拟后，就可以将补偿系统应用到实际的检测中，以检验系统的可靠性，在实际测量中利用一个标准的混凝土试块。长宽高分别为：500mm、300mm、200mm；利用对测法沿着长度方向对试块进行超声波扫描，并计算出平均的声速。因为多数的混凝土结构其测量的面都为一个，所以模拟实际采用的是单面法测量，试验中采用单面法测出试块的厚度和超声波速度。
按照规范的单面法测量，利用甘油将发射传感器耦合固定在测试结构的表面，然后先将接收传感器设置在距离发射器50mm的位置，两个传感器德尔中心距离是根据其外径而定，然后按照步长20mm来移动接收端，进行不同位置的6次检测，每个位置的波形都应采集记录，着过程需要保证接收传感器与测试结构耦合良好。然后将采集到的波形通过补偿滤波系统进行处理，并与原信号进行对比，这样就可以看出混叠在表面直达波的余振中的反射波。在深入分析时选取了一组信号进行比较，将平测法与对测声速相比较，精度可以满足实际测量的需求。因此此种补偿方法是可以在实际中获得较好的效果的。
5 结语
利用数字滤波的传感器补偿措施是利用了数学方式来降低传感器系统对信号的谐振效应，提高距离分辨能力。通过前面的分析和试验，并在实际的测量中利用此种方法进行测试都获得了较好的效果。使用补偿滤波器后，反射信号的解析和分离效率得到了提高，最终的测了误差很小，因此可以认为此种方式可以弥补低频超声波在混凝土测量中产生的误差。 参考文献
[1]陈磊,刘方文,戴前伟.水工混凝土质量无损检测技术研究进展[J].工程地球物理学报,2006,(04)
[2]曾繁标.混凝土超声波法检测新技术的应用[J].广东科技,2008,(10)
[3]董清华.混凝土超声波、声波检测的某些进展[J].混凝土,2005,(11)
[4]罗维刚,宋彧,来春景.超声平测法在混凝土结合面质量检测中的应用[J].结构工程师,2011,(S1)