【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。 ? 目前用于混凝土超聲檢測(cè)的壓電材料一般都同時(shí)具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，這意味著我們不必區(qū)分發(fā)射換能器和接收換能器，儀器都能正常工作。常用的材料是壓電陶瓷復(fù)合材料，如鈦酸鋇 (BaTiO3)、鈦酸鉛 (PbTiO2)、鋯鈦酸鉛(PbZrO2PbTiO2)、偏鈮酸鉛 (PbNb2O6)等。 ? 用于混凝土檢測(cè)的超聲換能器，按照波型可分為縱波換能器和橫波換能器，按壓電體振動(dòng)模式可分為平面式換能器和徑向式換能器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們常用的是縱波換能器，其中平面式換能器用于上部結(jié)構(gòu)混凝土檢測(cè)，徑向式換能器用于聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁。 ? 橫波換能器一般用于測(cè)量材料的動(dòng)彈特性 (彈性模量、泊松比 )，有時(shí)也可用于檢測(cè)填充了水的缺陷混凝土 (如充滿水的裂縫或孔洞等 )。 ? 換能器與混凝土表面接觸時(shí)，總是存在一定的空隙，為了保證超聲能量最大程度地進(jìn)入混凝土、以及接收信號(hào)最大程度地進(jìn)入換能器，必須通過(guò)耦合劑將接觸面空隙中的空氣排除。對(duì)于縱波換能器，平面式換能器一般采用黃油、凡士林等作為耦合劑，徑向式換能器一般采用水作為耦合劑。而橫波換能器不能采用黃油等耦合劑進(jìn)行柔性耦合，因?yàn)闄M波無(wú)法在液體、氣體中傳播，因此必須采用膠黏劑將換能器牢固地粘結(jié)在混凝土表面或采用多層鋁箔作耦合層，將換能器緊貼于混凝土測(cè)試表面，才能將發(fā)射并接收超聲橫波，給實(shí)際應(yīng)用增加了許多困難。 3 超聲儀的檢定 ? 檢定的主要項(xiàng)目是聲時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過(guò)測(cè)定空氣聲速的方法來(lái)檢驗(yàn)儀器的聲時(shí)計(jì)量是否準(zhǔn)確?？諝庵械穆曀僦饕軠囟茸兓挠绊?。具體操作方法見(jiàn) 《 超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程 》 (CECS 21:2021)。簡(jiǎn)要步驟如下： ? 準(zhǔn)備一個(gè)如下圖所示的測(cè)量裝置，其中換能器之間的距離可以調(diào)節(jié)，并通過(guò)刻度尺測(cè)量其測(cè)距。分別測(cè)量?jī)蓳Q能器之間距離為 50mm、 100mm、 150mm……500mm 下的聲時(shí)讀數(shù)(一般要求 10組數(shù)據(jù) )，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量空氣溫度 Tk(精確至℃ )。理論上測(cè)距 l(mm)聲時(shí) t(μs)之間呈線性關(guān)系，則對(duì)測(cè)距 聲時(shí)進(jìn)行線性回歸，求其斜率則為空氣中聲速 va，并根據(jù)下式計(jì)算室溫 Tk下空氣中的聲速 vb： kb Tv 0 0 3 6 ??? 則測(cè)量值 va與理論計(jì)算值 vb之間的相對(duì)誤差 er為： %100???aabr vvve? 要求 er≤177。 %。如誤差超過(guò)范圍，首先應(yīng)檢查測(cè)距、聲時(shí)、室溫測(cè)量的誤差，最后檢查儀器是否正常。 ? 空氣中聲速測(cè)量裝置 空氣中聲時(shí) 測(cè)距關(guān)系圖 ? 1滑輪 2刻度尺 3換能器 4支架 1243L(mm)t(μs)L1L2L4L3L6L5t1 t2 t3 t4 t5 t6 4 超聲儀的保養(yǎng) ? 只有保養(yǎng)良好的儀器，才能提供準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，才能延長(zhǎng)儀器使用壽命，創(chuàng)造良好效益。 ? 超聲儀的保養(yǎng)需要注意以下幾點(diǎn)： ? ⑴作為電子設(shè)備，避潮、避塵是最基本的要求。在使用中應(yīng)注意避開(kāi)潮濕環(huán)境，露天操作時(shí)避開(kāi)雨水，采用必要的遮擋(如覆蓋塑料布等等 )。檢測(cè)完畢后應(yīng)擦拭灰塵后裝箱。 ? ⑵避免振動(dòng)對(duì)儀器的影響。振動(dòng)會(huì)造成儀器零部件松動(dòng)，從而影響其穩(wěn)定性甚至出現(xiàn)接觸不良。振動(dòng)主要源于搬運(yùn)途中。 ? ⑶正確連接各接頭。超聲儀的接頭主要有：發(fā)射、接收等各種傳感器連線，以及電源連線。注意 CTS25型儀器具有交、直流兩種電源供電方式，當(dāng)采用直流供電 (電瓶 )時(shí)，應(yīng)注意電源的極性，切忌反接，反接則造成儀器的供電部分燒毀，從而造成儀器不能使用。另外，換能器的連線接頭注意切忌用力拉扯，以免造成接觸不良出現(xiàn)干擾信號(hào)影響檢測(cè)。 四 超聲參數(shù)的檢測(cè) ? 1 超聲參數(shù)簡(jiǎn)介 ? 混凝土超聲檢測(cè)中常用的參數(shù)主要是：聲時(shí) (傳播時(shí)間 )或聲速、頻率、波幅 (衰減 )以及波形。 ? 2 超聲聲時(shí)的測(cè)量 ? 超聲聲時(shí)是混凝土超聲檢測(cè)中最基本的參數(shù)，通過(guò)聲時(shí)、測(cè)距可以計(jì)算被測(cè)混凝土的聲速，通常認(rèn)為混凝土的聲速與其彈性模量、泊松比等相關(guān)，因而通過(guò)混凝土的聲速大小可以反映其密實(shí)度、強(qiáng)度等質(zhì)量狀況。只有準(zhǔn)確測(cè)量超聲聲時(shí)值，才能準(zhǔn)確判斷被測(cè)混凝土的內(nèi)部狀況。 ? 根據(jù)所采用的儀器不同，模擬式儀器和數(shù)字式儀器的聲時(shí)測(cè)量方法是不同的，但基本原理是一致的，即都是通過(guò)測(cè)量?jī)x器發(fā)射超聲信號(hào)到接收到超聲信號(hào)首波之間的時(shí)間差來(lái)確定聲時(shí)的。 ? ⑴模擬式儀器的聲時(shí)測(cè)量注意事項(xiàng) ? 模擬式儀器通過(guò)手動(dòng)游標(biāo)判讀首波聲時(shí)，因此我們需要先了解超聲信號(hào)的波形特征，如圖 7所示。圖中有一掃描基線，接收信號(hào)呈類似于正弦波形，掃描基線上的小三角形稱為手動(dòng)游標(biāo)，儀器能將它所在的位置轉(zhuǎn)換成從發(fā)射信號(hào)算起的時(shí)間 (聲時(shí) )，單位為 μs(微秒 )，通過(guò)儀器的旋鈕可以調(diào)節(jié)其位置，從而將游標(biāo)切到接收信號(hào)的首波前沿上，即可判讀接收信號(hào)的首波聲時(shí)，如下圖所示。 ? 模擬式儀器超聲信號(hào)基本特征 手動(dòng)游標(biāo)判讀聲時(shí)的位置 掃描基線手動(dòng)游標(biāo)首波前沿游標(biāo)切首波前沿 ? 圖中游標(biāo)的位置比較靠前，屬于剛剛碰到首波前沿的情況，實(shí)際上在檢測(cè)中較少采用這種方法。 ?在用手動(dòng)游標(biāo)判讀首波聲時(shí)的時(shí)候，必須注意以下兩個(gè)方面的影響： ?第一是游標(biāo)的位置，顯然，游標(biāo)位置靠前則測(cè)讀的聲時(shí)值偏低，相應(yīng)的聲速測(cè)量值偏大；游標(biāo)靠后則判斷的聲時(shí)值偏大，相應(yīng)的聲速測(cè)量值偏小，因此有必要確立一個(gè)比較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行游標(biāo)的定位。 ? 檢測(cè)中常用的方法，即游標(biāo)稍向后一些，使得游標(biāo)向上突起的部分與首波向下的趨勢(shì)接近剛好抵消從而看不到游標(biāo)的突起為準(zhǔn)。 游標(biāo)切稍后基本取平? 游標(biāo)過(guò)分靠后，使得首波前沿的一部分被游標(biāo)抵消以后變成“斷線”，因?yàn)檫@種位置標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，檢測(cè)中應(yīng)避免這樣的測(cè)讀法。 游標(biāo)切過(guò)后出現(xiàn)斷線? 第二是首波幅度的大小。 ? 當(dāng)首波幅度過(guò)小時(shí)，則其前沿的起始位置不易查找，聲時(shí)判讀值偏大。 ? 首波幅度過(guò)大時(shí)，首波前沿容易判讀但易于靠前，使得聲時(shí)判讀值偏小。 ? 通過(guò)儀器的“增益”與“衰減”調(diào)節(jié)首波幅度，通?！霸鲆妗笔遣浑S便動(dòng)的，因?yàn)樵鲆嬖龃髣t掃描基線上的本底噪聲 (雜波、干擾信號(hào) )也隨之增大，一般調(diào)節(jié)到“ 2”，主要通過(guò)調(diào)節(jié)衰減按鈕，使得首波達(dá)到滿 4～ 5格即可。 ⑵ 數(shù)字式、智能化儀器的聲時(shí)測(cè)量注意事項(xiàng) ?數(shù)字式儀器以及智能化儀器都是根據(jù)超聲信號(hào)波形上的一些普遍規(guī)律進(jìn)行聲時(shí)自動(dòng)判讀的，這種普遍規(guī)律即超聲信號(hào)都具有一個(gè)比較陡峭的前沿，因此儀器設(shè)置了一個(gè)比較小的電壓稱為“門(mén)檻電壓”，即讀數(shù)的門(mén)檻，也叫閾值，其意義是當(dāng)信號(hào)幅度超過(guò)該幅值時(shí)，則認(rèn)為是信號(hào)首波，儀器測(cè)讀其位置，相當(dāng)于儀器自動(dòng)把“游標(biāo)”調(diào)整到首波。這樣作的好處是自動(dòng)判讀，但其缺點(diǎn)是，儀器判讀的首波比實(shí)際首波位置稍后一些。 ? 儀器自動(dòng)判斷首波 自動(dòng)判斷時(shí)實(shí)際首波位置的偏差 讀數(shù)門(mén)檻儀器判讀的首波位置儀器判讀的首波位置實(shí)際首波位置 ?當(dāng)讀數(shù)門(mén)檻設(shè)置不當(dāng)時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)異常情況。 ? 讀數(shù)門(mén)檻太大時(shí)，則出現(xiàn)“丟波”現(xiàn)象，即把低于門(mén)檻的首波信號(hào)當(dāng)作噪聲給“忽略”了。 ? 門(mén)檻設(shè)置過(guò)低時(shí)把噪聲信號(hào)當(dāng)作首波，出現(xiàn)誤判。 ? 通過(guò)調(diào)節(jié)儀器的增益和門(mén)檻電壓來(lái)避免。 ? 目前多數(shù)數(shù)字式、智能化儀器，都具備了手動(dòng)游標(biāo)讀數(shù)功能，必要時(shí)可以切換到手動(dòng)模式。 讀數(shù)門(mén)檻 “丟失”的首波讀數(shù)門(mén)檻儀器把噪聲當(dāng)作首波 ⑶ 聲時(shí)初讀數(shù)及其扣除 ? 聲時(shí)初讀數(shù)也叫“零讀數(shù)”，主要來(lái)源于： ? 一是儀器各相關(guān)電路在處理交變電信號(hào)過(guò)程中產(chǎn)生的滯后，稱為“電延遲”；二是換能器在對(duì)信號(hào)進(jìn)行電 聲轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的滯后效應(yīng)，稱為“聲延遲”；三是換能器在與混凝土測(cè)試面的耦合過(guò)程中產(chǎn)生滯后，也是一種“聲延遲”，這幾部分的延遲累加起來(lái)，形成了超聲信號(hào)的初讀數(shù)，以 t0表示。 ? 為精確測(cè)量聲時(shí)值，則必須扣除 t0。常用的方法有： ? 在儀器中直接扣除法，這是大部分儀器采用的方法。即利用經(jīng)過(guò)檢定已知聲時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)“調(diào)零”的方法，使儀器測(cè)讀的聲時(shí)讀數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)棒的聲時(shí)，則完成了初讀數(shù)的之間扣除。 ? 還可以讀取聲時(shí)后再扣除，仍然是采用標(biāo)準(zhǔn)棒，測(cè)量?jī)x器測(cè)讀標(biāo)準(zhǔn)棒的聲時(shí)值與其標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值即為 t0。其中標(biāo)準(zhǔn)棒也可以采用各向同性的、長(zhǎng)方體形狀的有機(jī)玻璃等均質(zhì)體，通過(guò)測(cè)量不同方向的聲時(shí)值計(jì)算出其聲速以及 t0再予以扣除。 柱狀徑向探頭聲時(shí)初讀數(shù)測(cè)量原理 ?對(duì)于柱狀徑向探頭，由于無(wú)法直接和標(biāo)準(zhǔn)棒耦合，則通過(guò)測(cè)量不同測(cè)距下水中聲時(shí)的辦法來(lái)計(jì)算初讀數(shù)。 ?其原理在于假設(shè)水中聲速處處相等，則不同測(cè)距 l1和 l2下的聲時(shí) t1和 t2都包含了相同的初讀數(shù)，通過(guò)下列方程，可以得出初讀數(shù)： 022011ttlttl???3 混凝土缺陷的特征波形 ? 超聲聲時(shí)、幅度、頻率等特征，都是表征混凝土質(zhì)量的超聲參數(shù)。 ? 在檢測(cè)中，主要測(cè)量的參數(shù)是聲時(shí)，原因如下： ? 相對(duì)幅度、頻率而言，混凝土的聲速不容易受測(cè)試過(guò)程中換能器超聲性質(zhì)、耦合狀態(tài)等因素的干擾，從而能更準(zhǔn)確地判斷混凝土質(zhì)量。超聲幅度除了與超聲波在混凝土中的衰減有關(guān)外，還與換能器與混凝土測(cè)試面之間的耦合狀況有關(guān)。當(dāng)混凝土表面不平整、或耦合劑不夠時(shí)，則超聲信號(hào)幅度大大降低。更重要的是，即使是測(cè)試時(shí)耦合作用力的細(xì)微變化都足以造成首波幅度的大大波動(dòng)，而測(cè)試人員按壓換能器的壓力大小在測(cè)試過(guò)程難以保證統(tǒng)一，因此首波幅度不能作為超聲檢測(cè)中的主要參數(shù)。頻率則與換能器頻率相關(guān)，同時(shí)存在檢測(cè)較繁瑣等原因，因此一般不單獨(dú)將頻率作為主要參數(shù)。但是，首波幅度、頻率與聲時(shí)綜合起來(lái)，則稱為超聲波的波形，又是判斷混凝土質(zhì)量的主要依據(jù)。 混凝土波形特征 ? 正?；炷恋奶卣鞑ㄐ?。圖中 t t t t t5分別是接收波第一個(gè)周期的聲時(shí)， t1為首波聲時(shí)， t2為 1/4周期聲時(shí)， t3為半周期聲時(shí)， t4為 3/4周期聲時(shí)， t5為一周期聲時(shí)，通過(guò)測(cè)量這些聲時(shí)差，可以初步估算接收信號(hào)的頻率 (精確計(jì)算需要進(jìn)行頻譜分析 )。正常混凝土特征波形的大致特點(diǎn)為：①首波前沿較陡；②首波幅度較高；③波形比較飽滿，接近