超聲波在混凝土預制板檢測中的應用

彭雙光, 吳新開

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院, 湖南 湘潭 411201)

超聲波在混凝土預制板檢測中的應用

彭雙光, 吳新開

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院, 湖南 湘潭 411201)

根據(jù)混凝土預制板的特性, 系統(tǒng)采用數(shù)字可調(diào)脈沖串激勵發(fā)射超聲波, 用對測法對預制板進行檢測. 采用DSP處理器為核心, 簡單介紹了控制系統(tǒng)的原理與組成, 分析了混凝土預制板材料中存在中空時的幾種傳播路徑, 通過分析FFT變換后的頻譜圖中的基波幅值大小, 判斷超聲波在預制板傳播時的聲壓衰減和強度、密度大小, 從而對預制板的性能做出整體評價.

超聲波; 混凝土; DSP; 強度; 聲壓衰減

Abstract:According to the characteristics of precast concrete panels, system emit ultrasonic wave through digital adjustable pulse excitation, using confrontation method to test precast panels. Using DSP as a control chip for ultrasonic testing, this paper introduces control system theory and composition briefly, analyzes several propagation paths when the precast concrete exist hollow. By analyzing the fundamental amplitude of spectrum after FFT transformation, we can judge the propagation attenuation of sound pressure and intensity, density of precast, and make overall evaluation the performance of prefabricated panels.

Key words:ultrasonic; concrete; DSP; intensity; attenuation of sound pressure

引言

傳統(tǒng)的混凝土預制板檢測方式采用取樣分析檢測原理, 需要在施工現(xiàn)場取樣, 并帶回實驗室進行分析, 這種檢測方式, 不但檢測時間長, 更是一種破壞性檢測方式. 混凝土的超聲檢測技術(shù)根據(jù)混凝土預制板的實際形狀, 來選擇多種方式、多種現(xiàn)場進行測量, 提高了實際可操作性. 在不損傷混凝土預制板本身結(jié)構(gòu)的情況下進行檢測, 當場即可完成檢測, 極大地提高了儀器的利用率和工作效率.

混凝土是由固液氣三態(tài)所組成的具有彈黏塑性質(zhì)的復合材料[1], 其內(nèi)部存在著分布極其復雜的界面.換能器發(fā)出的超聲波在混凝土中的傳播不是直線的, 最終接受到的只是經(jīng)過若干次折射與繞射的低頻超聲波. 混凝土預制板, 其特點是在混凝土平板上有縱向和橫向混凝土凸肋而形成凸凹結(jié)構(gòu), 凸肋中嵌有鋼筋. 我們選擇的樣本是空心預制板.

1 超聲波混凝土預制板控制系統(tǒng)的原理和構(gòu)成

1.1 超聲波檢測方案比較

采用超聲波檢測混凝土質(zhì)量, 一般是根據(jù)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的幾何形狀、所處環(huán)境、尺寸大小及所能提供的測試表面等條件, 選用不同的測試方法[2].

(1) 回彈法如圖1(a)所示. 回彈法測缺陷時, 由于預制板的特殊結(jié)構(gòu), 它的中空結(jié)構(gòu)必然會使超聲波發(fā)生反射, 而當缺陷的回彈信號相比中空的顯得很微小時, 勢必會使缺陷無法檢測和定位.

(2) 對測法如圖1(b)所示. 對測法改變了回彈法檢測缺陷的不足, 通過對比標準試件的振幅衰減, 從而分析缺陷與強度.

混凝土預制板采用對測法測量, 如圖1(b)所示. 測量時需要保證發(fā)射換能器與接收發(fā)射器處于正對位置, 這樣才能保證測量的準確性. 檢測前需要對預制板的厚度進行讀數(shù), 在換能器與預制板之間需要加入耦合劑耦合(選用黃油作為耦合劑), 以保證聲波大部分都能進入待檢測預制板當中.

圖1 混凝土檢測原理圖

1.2 控制系統(tǒng)的原理與構(gòu)成

由于混凝土的特殊性質(zhì), 空隙相對較大, 在超聲波傳播過程中, 宜選擇頻率相對較低的換能器來加大波長, 從而繞過一些微小間隙繼續(xù)傳播. 我們選用50KHZ壓電陶瓷探頭, 探頭的發(fā)射電壓為50V.

本系統(tǒng)控制部分的核心為DSP. 系統(tǒng)采用DSP中的PWM來發(fā)射數(shù)字可調(diào)的脈沖串激勵, DSP定時向發(fā)射電路提供觸發(fā)脈沖, 使發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖超聲波, 發(fā)射電路驅(qū)動換能器, 由于壓電效應, 換能器產(chǎn)生振動, 電勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能, 再轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷馨l(fā)射出去. 超聲波在混凝土中傳播, 穿過預制板, 與之相對應的接收換能器由于壓電效應使聲能轉(zhuǎn)化為機械能, 再轉(zhuǎn)化為電能. 由于超聲波在介質(zhì)中傳播具有衰減, 使得接收端接收到的能量比較微弱, 需要進行信號放大和濾波, 再由DSP內(nèi)部的A/D將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號. 數(shù)據(jù)采集時, 每發(fā)送一次脈沖串激勵, 就進行一次A/D轉(zhuǎn)換.采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換把時域信號轉(zhuǎn)換到頻率域, 并且自動將FFT變換后的數(shù)據(jù)送SD存儲卡中, 同時上位機通過Visual Basic的API控件將數(shù)據(jù)從SD卡中讀出, 然后通過程序?qū)?shù)據(jù)繪制成圖像顯示出來.系統(tǒng)框圖[3]如圖2所示.

圖2 超聲波檢測系統(tǒng)框圖

2 檢測數(shù)據(jù)處理與判斷

如果某部分混凝土存在空洞不密實或裂縫等缺陷, 破壞了混凝土的整體性, 與無缺陷的混凝土相比較聲時值偏大, 波幅和頻率值降低. 超聲波檢測混凝土缺陷, 正是根據(jù)這一基本原理, 對同條件下的混凝土進行聲速, 波幅, 強度、聲壓衰減的相對比較, 從而判定混凝土的缺陷情況.

2.1 算法處理

DSP算法處理主要有三個方面:

(1) FFT算法原理[4]: 它的基本思想是, 對任一時間序列, 利用WN的周期性、對稱性. 對于N的DFT:

由于TMS320F2812芯片為定點運算的芯片, 不支持浮點運算, 使得我們必須用Q格式[5]表示數(shù)據(jù). (2) 密度算法

聲壓P與信號幅值的平方成正比, ΔP為聲壓衰減, 可根據(jù)發(fā)射端和接收端信號的幅值來求得. 則單位長度預制板內(nèi)吸收聲壓大小為?. 得波聲壓衰減越小, 材料密度越大, 混凝土材質(zhì)的空隙與氣泡就越少, 硬度與強度就越大, 超聲波就越不容易發(fā)生折射與衍射, 波傳播的能力消耗也就越低, 從而接收到的聲壓也就越大. 反之亦然. (3) 強度算法

當聲波通過媒介傳播時, 其強度隨傳播速度的增大而增強, 超聲波測強曲線一般都用冪函數(shù)方程

S=aexp(bVp)(Vp為混凝土聲速)來表示[6]. 其中a, b是通過最小二乘法得到的經(jīng)驗值. 我們應根據(jù)實際情況中預制板中混凝土的強度等級和齡期來計算強度[7].

2.2 缺陷分析判斷

由于混凝土介質(zhì)成分較為復雜, 而且允許其含有一定的氣泡、空隙. 使得超聲波在其中傳播過程中有一定的限制. 當頻率增大時, 超聲波的波長變小, 折射和衍射的能力就越低, 從而就越難以在混凝土中傳播, 一個合適的頻率保證了超聲波傳播的有效性. 通過我們多次實際測量, 結(jié)合發(fā)射探頭的固有頻率, 選擇48.5KHz時超聲波穿透能力最合適.

預制板有實心和空心兩種類型. 我們選擇的樣本是空心預制板. 用超聲波儀測量此樣本時, 要考慮兩種情況: 一是圓柱形的空心部分, 此部分填充的是空氣; 二是測量含有鋼筋的實心部分.

我們選用2.4×0.5×0.12(m3)的空心預制板, 此系統(tǒng)的采樣信號是正弦波,基波頻率是50KHZ, 采樣點數(shù)是128.分別檢測(圖3)A、B、C、D四處的波形, 經(jīng)FFT變換后得到的頻譜圖如圖4所示.

圖3 預制板結(jié)構(gòu)框圖

圖4 FFT的頻譜分析

表1中的數(shù)據(jù)是在A、B、C、D每處測5次得到的頻譜圖中的基波幅值大小, 最后根據(jù)基波幅值大小來判斷它的聲壓衰減、強度、材料密度情況.

表1 測試的數(shù)據(jù)

從圖表可以看出, 譜線的幅值出現(xiàn)了一個極大值, 其對應的是基波. 根據(jù)頻譜圖中基波的不同幅值[9]來判斷缺陷位置. 無缺陷狀況下, 實心部分對應的幅值最高(3500 ～ 4000mV), 含有圓柱體的空心部分的幅值比實心部分的低, 當換能器通過空心部分的軸線時, 它的幅值最低(800 ～ 1000mV). 當測得的幅值在最低值(空心部分的軸線時)和最高值(實心部分時)之間(800 ～ 4000 mV)時, 表明是無缺陷的. 當測得的數(shù)據(jù)遠小于通過空心部分軸線時(幅值A(chǔ) ＜ 200mV), 那么它有可能是缺陷的, 為保證判斷的可靠性, 可根據(jù)概率定理[10], 來確定是否有缺陷. 在信號的頻譜圖上可以直接得到基波和各次諧波的頻率和對應的幅值,通過大量數(shù)據(jù)對比, 可以分析出噪聲、溫濕度等周圍環(huán)境對混凝土預制板強度等性能的影響.

3 結(jié)論

超聲波檢測預制板混凝土這種無損檢測裝置, 目前得到了很多專家的肯定, 將廣泛應用于建筑行業(yè).通過頻譜圖中高次諧波來分析噪聲等的來源和對檢測系統(tǒng)的影響, 這是我們下一步要研究的重點. 利用DSP芯片發(fā)射脈沖、進行信號采集與處理來完成對預制板混凝土的檢測, 可以為此系統(tǒng)的深入研究提供必要的手段.

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Application of Concrete Precast Panels Detecting System Based on Ultrasonic

PENG Shuang-guang, WU Xin-kai
(School of Information and Electronic Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201,China)

TP274+.53

A

1672-5298(2010)03-0082-04

2010-05-19

彭雙光(1986- ), 女, 湖南湘潭人, 湖南科技大學信息與電氣工程學院碩士研究生. 主要研究方向: 智能檢測技術(shù)與自動化裝置控制