采用標(biāo)準(zhǔn)棒扣除換能器t0產(chǎn)生誤差的成因

童壽興,伍根伙

(同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200043)

自CTS-25型非金屬超聲波檢測儀問世近30年以來,其已成為我國建筑工程界使用量最大的混凝土模擬型超聲波檢測儀。在工程檢測前,為了事先扣除換能器的t0讀數(shù),CTS-25型儀隨機(jī)配備了一根鋁質(zhì)金屬圓柱體的標(biāo)準(zhǔn)棒。但操作者嚴(yán)格按照規(guī)范要求[1],即在標(biāo)準(zhǔn)棒上也采用等幅測量方法扣除換能器的t0讀數(shù)時(shí),因超聲儀示波管中首波在讀數(shù)標(biāo)記切點(diǎn)處呈圓弧形而非十分陡峭的首波,此時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)棒上標(biāo)定的聲時(shí)值扣除t0讀數(shù)往往會(huì)造成系統(tǒng)測量誤差。以下筆者將針對(duì)這點(diǎn)展開分析。

1 換能器及其t0讀數(shù)

在結(jié)構(gòu)混凝土的檢測中,主要采用頻率較低的縱波平面換能器,目前低頻換能器常用夾心式。夾心式換能器由輻射體、壓電陶瓷片和配重塊三部分疊合而成。配重塊用鋼制作,其作用是迫使大部分能量向輻射體方向射出。輻射體常用鋁合金輕金屬制作。

在測試時(shí),儀器所顯示的發(fā)射脈沖與接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔,實(shí)際上是發(fā)射電路施加于壓電晶片上的電信號(hào)的前沿與接收到的聲波被壓電晶體交換成的電信號(hào)的起點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。由于換能器中的壓電體與試件間并不直接接觸,從發(fā)射電脈沖變成到達(dá)試件表面的聲脈沖,以及從聲脈沖變成輸入接收放大器的電信號(hào),中間一般隔著換能器輻射體及耦合層,它們有一定的厚度。所以儀器所反映的聲時(shí)并非超聲波通過試件的真正時(shí)間。修正時(shí)間差異的影響,需要先測定試件長度為零時(shí)的時(shí)間讀數(shù),簡稱聲時(shí)零讀數(shù)t0。將發(fā)射和接收換能器直接加耦合劑對(duì)接,即可讀出t0。由于直接對(duì)接,信號(hào)太強(qiáng),為避免儀器損壞,有時(shí)不允許這樣測量。常用的方法是在兩個(gè)換能器間夾一已知聲時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)棒,儀器所顯示的聲時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)棒上所標(biāo)示的聲時(shí)之差即為t0值。

2 標(biāo)準(zhǔn)棒及其聲時(shí)標(biāo)定值

為了方便,CTS-25型超聲儀附有標(biāo)準(zhǔn)棒。整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棒實(shí)體是鋁制的,只是兩端表面粘上兩片銅片,目的是降低聲速,因?yàn)殇X聲速比混凝土聲速高得多,所以在銅片與鋁之間粘一層環(huán)氧樹脂降低聲速。標(biāo)準(zhǔn)棒中銅片與鋁之間的環(huán)氧樹脂還能起降低頻率的作用,即使波形近似于混凝土中波形;如果只有金屬,則傳播高頻。標(biāo)準(zhǔn)棒上標(biāo)注的時(shí)間(比如26.3μs)是廠家檢出的,應(yīng)該是使用更高精密的儀器標(biāo)定而得出。

3 聲時(shí)的等幅讀數(shù)

CTS-25型超聲儀的波形為模擬信號(hào),即時(shí)間和幅值均為連續(xù)變量。模擬型超聲儀聲時(shí)讀數(shù)主要采用手動(dòng)游標(biāo)測讀,圖1為超聲儀的接收波形,接收信號(hào)的前沿b的聲時(shí)讀數(shù),代表聲信號(hào)波前到達(dá)接收換能器的最短時(shí)間,只有b點(diǎn)讀數(shù)才能與最短聲程相適應(yīng),因而作為計(jì)算聲速的依據(jù)。在實(shí)際測試中,要準(zhǔn)確讀取b點(diǎn)的時(shí)間讀數(shù)并不是很容易。幅值較小時(shí)游標(biāo)往往后移,隨著首波波幅的減小,會(huì)造成接收波起始點(diǎn)位置向聲時(shí)延長的方向偏移,以至聲時(shí)讀數(shù)偏大。

圖1 接收波形

如圖2所示的情況,實(shí)際起點(diǎn)位置在b點(diǎn),但因幅值太小,易誤讀成了b′點(diǎn)。而且誤讀聲時(shí)值增長的程度隨著首波波幅的不斷縮小而增大[2]。因此在實(shí)際測讀時(shí),必須增高發(fā)射電壓或增大增益,調(diào)節(jié)接收信號(hào)的幅值到足夠大。調(diào)節(jié)到某一個(gè)特定的高度,即采用等幅測量的方法再開始聲時(shí)值讀數(shù)[3]。

圖2 因接收信號(hào)幅值太小而造成的誤判

4 試驗(yàn)

取CTS-25型儀隨機(jī)配備的鋁質(zhì)金屬標(biāo)準(zhǔn)棒為試驗(yàn)對(duì)象,其長度為160mm,標(biāo)準(zhǔn)棒上標(biāo)注的t0讀數(shù)為26.3μs。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒試驗(yàn)的方法有如下3種,其檢測結(jié)果見表1。

表1 三種試驗(yàn)方法的聲時(shí)讀數(shù)偏差

(1)將兩個(gè)發(fā)、收換能器耦合于標(biāo)準(zhǔn)棒的兩端面。先固定“發(fā)射電壓”為200V,然后按下“衰減器”按鈕為30dB的衰減量后,調(diào)節(jié)“增益”鈕,使超聲首波波幅為4cm,此時(shí)測得的超聲儀讀數(shù)為32.7μs,即換能器的讀數(shù)t0=32.7-26.3=6.4μs;保持同樣的“發(fā)射電壓”,“增益”狀態(tài),釋放“衰減器”按鈕30dB,即衰減為0dB,此時(shí)首波直立,波幅超示波屏,測得超聲波儀讀數(shù)為30.5μs,此時(shí)換能器t0讀數(shù)為t0=30.5-26.3=4.2μs。顯而易見,兩種檢測結(jié)果的系統(tǒng)偏差為6.4-4.2=2.2μs。

(2)同檢測方法(1),按“衰減器”按鈕,先衰減30dB;調(diào)節(jié)“增益”鈕,使首波波幅為4cm;調(diào)節(jié)“讀數(shù)鈕”,使首波達(dá)讀數(shù)切點(diǎn)標(biāo)記處后,用螺絲刀調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕,使數(shù)碼管讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)棒上標(biāo)注的聲時(shí)值26.3μs,然后釋放“衰減器”按鈕 30dB,使“衰減器”為0dB,此時(shí)首波直立,幅度超示波屏,此時(shí)調(diào)節(jié)“讀數(shù)鈕”,超聲儀讀數(shù)為24.1μs。可得兩者偏差為26.3-24.1=2.2μs。

(3)同檢測方法(2),“衰減器”為 0dB,在首波超屏狀態(tài)下,調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕至26.3μs的標(biāo)準(zhǔn)棒標(biāo)記聲時(shí)值后,按下30dB衰減值,首波幅度復(fù)原為4cm,調(diào)節(jié)“讀數(shù)鈕”,超聲儀讀數(shù)為28.5μs?？傻脙烧咂顬?8.5-26.3=2.2μs。

綜上所述,首波等幅4cm狀態(tài)下讀取的聲時(shí)值,都比首波波幅超屏狀態(tài)下(釋放30dB衰減量后)大2.2μs。筆者在長短環(huán)氧樹脂勻質(zhì)試件上測的換能器的t0為4.2μs[4],4.2μs結(jié)果同檢測方法(1)：衰減為0dB時(shí)首波直立,波幅超示波屏,測得換能器t0讀數(shù)為4.2μs?？梢姴捎脴?biāo)準(zhǔn)棒扣除換能器t0讀數(shù)時(shí),再習(xí)慣性采用首波等幅讀數(shù)的方法是不妥的。

5 用標(biāo)準(zhǔn)棒扣t0讀數(shù)的方法

試驗(yàn)表明,標(biāo)準(zhǔn)棒的超聲聲時(shí)讀數(shù)和首波波幅之間存在著隨首波波幅取高或低而聲時(shí)讀數(shù)遞減或增的規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)棒上廠家標(biāo)注的聲時(shí)值26.3μs,其檢測方法不詳,此聲時(shí)值的測量是由更高一級(jí)測量儀計(jì)量。金屬鋁棒的聲時(shí)讀數(shù)應(yīng)在首波波幅足夠大的狀態(tài)下測量而非等幅測量得出的結(jié)果。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)棒扣除t0讀數(shù)時(shí),不能采用傳統(tǒng)的首波“等幅讀數(shù)”法。用標(biāo)準(zhǔn)棒扣t0讀數(shù)時(shí),建議采用的方法如下：預(yù)先按下30dB衰減值,調(diào)節(jié)“增益”鈕,使首波波幅為4cm,然后釋放30dB衰減量,使首波直立陡峭,調(diào)節(jié)“讀數(shù)鈕”此時(shí)讀取的聲時(shí)值與標(biāo)準(zhǔn)棒上的標(biāo)注值之差即為換能器的t0讀數(shù);此時(shí)如再調(diào)節(jié)“調(diào)零”鈕,至數(shù)碼管顯示標(biāo)準(zhǔn)棒上標(biāo)注的聲時(shí)值即正確扣除了換能器的t0讀數(shù)。

6 結(jié)論

(1)模擬型超聲儀的聲時(shí)讀數(shù)與超聲波首波的幅度取值有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)棒上的聲時(shí)讀數(shù)隨首波波幅的高、低呈變大變小的客觀規(guī)律,其規(guī)律為所測到的聲時(shí)值隨著首波波幅值的減小而增大。如標(biāo)準(zhǔn)棒上扣除換能器的t0讀數(shù),仍套用等幅讀數(shù)的常規(guī)檢測方法,被扣除的t0讀數(shù)將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

(2)當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)棒扣除換能器t0讀數(shù)時(shí),必須使超聲波通過鋁質(zhì)金屬圓柱體后的首波十分陡峭,推薦在首波幅度為波幅4cm的基礎(chǔ)上再增益30dB量值后測讀。

[1]CECS21：2000 超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[S].

[2]吳慧敏.結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場檢測技術(shù)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社,1988：66-67.

[3]童壽興,伍根伙.超聲波首波波幅差異與聲時(shí)測量值的關(guān)系研究[J].無損檢測,2010,32(5)：367-369.

[4]童壽興.智能型與模擬型超聲儀測量聲時(shí)的比對(duì)試驗(yàn)[J].無損檢測,2008,30(2)：110-111.