【文章內(nèi)容簡介】 依據(jù)電介質(zhì)壓電效應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的壓電材料一般都同時具有正壓電效應和逆壓電效應，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，按壓電體振動模式可分為平面式換能器和徑向式換能器。簡單地說，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，徑向式換能器用于聲波透射法檢測混凝土灌注樁。 ? 橫波換能器一般用于測量材料的動彈特性 (彈性模量、泊松比 )，有時也可用于檢測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，總是存在一定的空隙，為了保證超聲能量最大程度地進入混凝土、以及接收信號最大程度地進入換能器，必須通過耦合劑將接觸面空隙中的空氣排除。對于縱波換能器，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行柔性耦合，因為橫波無法在液體、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試表面，才能將發(fā)射并接收超聲橫波，給實際應用增加了許多困難。 3 超聲儀的檢定 ? 檢定的主要項目是聲時測量的準確性，通過測定空氣聲速的方法來檢驗儀器的聲時計量是否準確?？諝庵械穆曀僦饕軠囟茸兓挠绊?。具體操作方法見 《 超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程 》 (CECS 21:2021)。簡要步驟如下： ? 準備一個如下圖所示的測量裝置，其中換能器之間的距離可以調(diào)節(jié)，并通過刻度尺測量其測距。分別測量兩換能器之間距離為 50mm、 100mm、 150mm……500mm 下的聲時讀數(shù)(一般要求 10組數(shù)據(jù) )，同時準確測量空氣溫度 Tk(精確至℃ )。理論上測距 l(mm)聲時 t(μs)之間呈線性關系，則對測距 聲時進行線性回歸，求其斜率則為空氣中聲速 va，并根據(jù)下式計算室溫 Tk下空氣中的聲速 vb： kb Tv 0 0 3 6 ??? 則測量值 va與理論計算值 vb之間的相對誤差 er為： %100???aabr vvve? 要求 er≤177。 %。如誤差超過范圍，首先應檢查測距、聲時、室溫測量的誤差，最后檢查儀器是否正常。 ? 空氣中聲速測量裝置 空氣中聲時 測距關系圖 ? 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，才能提供準確可靠的檢測數(shù)據(jù)，才能延長儀器使用壽命，創(chuàng)造良好效益。 ? 超聲儀的保養(yǎng)需要注意以下幾點： ? ⑴作為電子設備，避潮、避塵是最基本的要求。在使用中應注意避開潮濕環(huán)境，露天操作時避開雨水，采用必要的遮擋(如覆蓋塑料布等等 )。檢測完畢后應擦拭灰塵后裝箱。 ? ⑵避免振動對儀器的影響。振動會造成儀器零部件松動，從而影響其穩(wěn)定性甚至出現(xiàn)接觸不良。振動主要源于搬運途中。 ? 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，當采用直流供電 (電瓶 )時，應注意電源的極性，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)干擾信號影響檢測。 四 超聲參數(shù)的檢測 ? 1 超聲參數(shù)簡介 ? 混凝土超聲檢測中常用的參數(shù)主要是：聲時 (傳播時間 )或聲速、頻率、波幅 (衰減 )以及波形。 ? 2 超聲聲時的測量 ? 超聲聲時是混凝土超聲檢測中最基本的參數(shù)，通過聲時、測距可以計算被測混凝土的聲速，通常認為混凝土的聲速與其彈性模量、泊松比等相關，因而通過混凝土的聲速大小可以反映其密實度、強度等質(zhì)量狀況。只有準確測量超聲聲時值，才能準確判斷被測混凝土的內(nèi)部狀況。 ? 根據(jù)所采用的儀器不同，模擬式儀器和數(shù)字式儀器的聲時測量方法是不同的，但基本原理是一致的，即都是通過測量儀器發(fā)射超聲信號到接收到超聲信號首波之間的時間差來確定聲時的。 ? ⑴模擬式儀器的聲時測量注意事項 ? 模擬式儀器通過手動游標判讀首波聲時，因此我們需要先了解超聲信號的波形特征，如圖 7所示。圖中有一掃描基線，接收信號呈類似于正弦波形，掃描基線上的小三角形稱為手動游標，儀器能將它所在的位置轉(zhuǎn)換成從發(fā)射信號算起的時間 (聲時 )，單位為 μs(微秒 )，通過儀器的旋鈕可以調(diào)節(jié)其位置，從而將游標切到接收信號的首波前沿上，即可判讀接收信號的首波聲時，如下圖所示。 ? 模擬式儀器超聲信號基本特征 手動游標判讀聲時的位置 掃描基線手動游標首波前沿游標切首波前沿 ? 圖中游標的位置比較靠前，屬于剛剛碰到首波前沿的情況，實際上在檢測中較少采用這種方法。 ?在用手動游標判讀首波聲時的時候，必須注意以下兩個方面的影響： ?第一是游標的位置，顯然，游標位置靠前則測讀的聲時值偏低，相應的聲速測量值偏大；游標靠后則判斷的聲時值偏大，相應的聲速測量值偏小，因此有必要確立一個比較統(tǒng)一的標準來進行游標的定位。 ? 檢測中常用的方法，即游標稍向后一些，使得游標向上突起的部分與首波向下的趨勢接近剛好抵消從而看不到游標的突起為準。 游標切稍后基本取平? 游標過分靠后，使得首波前沿的一部分被游標抵消以后變成“斷線”，因為這種位置標準不統(tǒng)一，檢測中應避免這樣的測讀法。 游標切過后出現(xiàn)斷線? 第二是首波幅度的大小。 ? 當首波幅度過小時，則其前沿的起始位置不易查找，聲時判讀值偏大。 ? 首波幅度過大時，首波前沿容易判讀但易于靠前，使得聲時判讀值偏小。 ? 通過儀器的“增益”與“衰減”調(diào)節(jié)首波幅度，通?！霸鲆妗笔遣浑S便動的，因為增益增大則掃描基線上的本底噪聲 (雜波、干擾信號 )也隨之增大，一般調(diào)節(jié)到“ 2”，主要通過調(diào)節(jié)衰減按鈕，使得首波達到滿 4～ 5格即可。 ⑵ 數(shù)字式、智能化儀器的聲時測量注意事項 ?數(shù)字式儀器以及智能化儀器都是根據(jù)超聲信號波形上的一些普遍規(guī)律進行聲時自動判讀的，這種普遍規(guī)律即超聲信號都具有一個比較陡峭的前沿，因此儀器設置了一個比較小的電壓稱為“門檻電壓”，即讀數(shù)的門檻，也叫閾值，其意義是當信號幅度超過該幅值時，則認為是信號首波，儀器測讀其位置，相當于儀器自動把“游標”調(diào)整到首波。這樣作的好處是自動判讀，但其缺點是，儀器判讀的首波比實際首波位置稍后一些。 ? 儀器自動判斷首波 自動判斷時實際首波位置的偏差 讀數(shù)門檻儀器判讀的首波位置儀器判讀的首波位置實際首波位置 ?當讀數(shù)門檻設置不當時，還會出現(xiàn)異常情況。 ? 讀數(shù)門檻太大時，則出現(xiàn)“丟波”現(xiàn)象，即把低于門檻的首波信號當作噪聲給“忽略”了。 ? 門檻設置過低時把噪聲信號當作首波，出現(xiàn)誤判。 ? 通過調(diào)節(jié)儀器的增益和門檻電壓來避免。 ? 目前多數(shù)數(shù)字式、智能化儀器，都具備了手動游標讀數(shù)功能，必要時可以切換到手動模式。 讀數(shù)門檻 “丟失”的首波讀數(shù)門檻儀器把噪聲當作首波 ⑶ 聲時初讀數(shù)及其扣除 ? 聲時初讀數(shù)也叫“零讀數(shù)”，主要來源于： ? 一是儀器各相關電路在處理交變電信號過程中產(chǎn)生的滯后，稱為“電延遲”；二是換能器在對信號進行電 聲轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的滯后效應，稱為“聲延遲”；三是換能器在與混凝土測試面的耦合過程中產(chǎn)生滯后，也是一種“聲延遲”，這幾部分的延遲累加起來，形成了超聲信號的初讀數(shù)，以 t0表示。 ? 為精確測量聲時值，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)過檢定已知聲時的標準棒進行檢測，然后通過“調(diào)零”的方法，使儀器測讀的聲時讀數(shù)等于標準棒的聲時，則完成了初讀數(shù)的之間扣除。 ? 還可以讀取聲時后再扣除，仍然是采用標準棒，測量儀器測讀標準棒的聲時值與其標準值之間的差值即為 t0。其中標準棒也可以采用各向同性的、長方體形狀的有機玻璃等均質(zhì)體，通過測量不同方向的聲時值計算出其聲速以及 t0再予以扣除。 柱狀徑向探頭聲時初讀數(shù)測量原理 ?對于柱狀徑向探頭，由于無法直接和標準棒耦合，則通過測量不同測距下水中聲時的辦法來計算初讀數(shù)。 ?其原理在于假設水中聲速處處相等，則不同測距 l1和 l2下的聲時 t1和 t2都包含了相同的初讀數(shù)，通過下列方程，可以得出初讀數(shù)： 022011ttlttl???3 混凝土缺陷的特征波形 ? 超聲聲時、幅度、頻率等特征，都是表征混凝土質(zhì)量的超聲參數(shù)。 ? 在檢測中，主要測量的參數(shù)是聲時，原因如下： ? 相對幅度、頻率而言，混凝土的聲速不容易受測試過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外，還與換能器與混凝土測試面之間的耦合狀況有關。當混凝土表面不平整、或耦合劑不夠時，則超聲信號幅度大大降低。更重要的是，即使是測試時耦合作用力的細微變化都足以造成首波幅度的大大波動，而測試人員按壓換能器的壓力大小在測試過程難以保證統(tǒng)一，因此首波幅度不能作為超聲檢測中的主要參數(shù)。頻率則與換能器頻率相關，同時存在檢測較繁瑣等原因，因此一般不單獨將頻率作為主要參數(shù)。但是，首波幅度、頻率與聲時綜合起來，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巍D中 t t t t t5分別是接收波第一個周期的聲時， t1為首波聲時， t2為 1/4周期聲時， t3為半周期聲時， t4為 3/4周期聲時， t5為一周期聲時，通過測量這些聲時差，可以初步估算接收信號的頻率 (精確計算需要進行頻譜分析 )。正常混凝土特征波形的大致特點為：①首波前沿較陡；②首波幅度較高；③波形比較飽滿，接近