MIRAA1040三維超聲斷層掃描技術(shù)在工程檢測當(dāng)中的應(yīng)用

邵文

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

超聲波檢測法是工程安全無損檢測當(dāng)中的重要手段之一，超聲波檢測已被諸多學(xué)者運(yùn)用于大量的工程檢測和科研工作當(dāng)中。20世紀(jì)40年代末，加拿大的Leslie和Chessman、英國的R.Jones和Gatfield采用超聲脈沖對(duì)混凝土進(jìn)行檢測，當(dāng)時(shí)的超聲檢測側(cè)重于混凝土強(qiáng)度方面的研究，其開創(chuàng)性的研究手段受到了國際土木行業(yè)的重視。我國20世紀(jì)50～60年代開始將超聲應(yīng)用于構(gòu)筑物完整性檢測，從樁基到水工結(jié)構(gòu)、地下工程，其檢測應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究深度不斷延伸，從超聲聲速單一參數(shù)的研究發(fā)展到將振幅、頻率、波形多參數(shù)綜合研究與運(yùn)用。

1 設(shè)備簡介

MIRA A1040三維超聲斷層超聲成像儀由俄羅斯著名廠家ACSYS公司制造，它的探頭由4×12個(gè)干點(diǎn)換能器陣列和一個(gè)控制單元組成，換能器為信號(hào)發(fā)射和接收裝置，可發(fā)射周期脈沖，其頻率范圍為25～85 kHz。探頭內(nèi)的控制單元激活一排換能器作為信號(hào)發(fā)射端，而其它排的換能器作為信號(hào)接收端。如圖1所示，第一排換能器發(fā)射信號(hào)，其它為換能器接收信號(hào)。圖1中顯示了信號(hào)傳播路徑。此后，下一排換能器發(fā)射信號(hào)，其右側(cè)的換能器接收信號(hào)。此過程循環(huán)重復(fù)，直至前11排換能器都已經(jīng)發(fā)、收過信號(hào)為止。

圖1

圖2

如果構(gòu)件內(nèi)部的混凝土與空氣界面足夠大，一部分發(fā)射的超聲波脈沖信號(hào)會(huì)被該缺陷提前反射。因?yàn)槁窂礁?，由缺陷反射的信?hào)會(huì)早于構(gòu)件底面反射的信號(hào)到達(dá)接收端。信號(hào)處理軟件依據(jù)每排換能器接收到的反射脈沖的到達(dá)時(shí)間，來推斷構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置，如圖2。

2 三維超聲波成像儀技術(shù)特點(diǎn)

（1）陣列式系統(tǒng)：MIRA的控制器是一個(gè)陣列式的控制器，由12個(gè)模塊組成，每一個(gè)模塊包含4個(gè)橫波傳感器。當(dāng)超聲波信號(hào)發(fā)出后，接受到的信號(hào)會(huì)被控制器進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)移到電腦中用合適的軟件進(jìn)行處理。

（2）合成孔徑聚焦超聲成像：如圖3，通過將陣列小探頭接收的超聲信號(hào)合成處理而得到與較大孔徑探頭等效的聲學(xué)圖像，對(duì)接收到的信號(hào)作適當(dāng)?shù)穆晻r(shí)延遲或相位延遲后再合成得到的被成像物體的逐點(diǎn)聚焦的聲學(xué)圖像。其特點(diǎn)是可以獲得較好的橫向分辨率。

圖3

（3）DCP干耦合換能器：傳統(tǒng)的換能器需要使用耦合劑才能與混凝土表面緊密接觸。如圖4所示，干耦合即不使用耦合劑，通過彈簧彈力實(shí)現(xiàn)與被測表面的耦合。使用干耦合換能器加快了檢測速度，并消除了由于耦合劑涂抹不均勻而對(duì)測量結(jié)果造成的影響。

圖4

圖5

（4）橫波檢測：固體中的聲波有縱波、橫波和表面波三種類型。傳統(tǒng)方法只利用縱波，橫波和表面波攜帶的信息被忽略。改用橫波檢測有以下好處：信噪比提高：超聲橫波在混凝土中的散射比縱波弱，因而橫波檢測的噪聲更低；分辨能力有所增強(qiáng)：識(shí)別越小的細(xì)節(jié)需要的波長越短，而混凝土中橫波的波長大約是同頻率縱波波長的60%；缺陷的反映更明顯：因流體中的聲波只有縱波，橫波遇到欠密實(shí)、縫隙和空洞等缺陷后幾乎全被反射，其反射系數(shù)大于縱波。

（5）圖像顯示：如圖5所示，數(shù)據(jù)采集得到的實(shí)時(shí)二維圖像。用不同的顏色表示不同強(qiáng)度的反射，再通過使用idealViwer 3D軟件將在多個(gè)位置測量的結(jié)果整合，在計(jì)算機(jī)中生成三維圖像。

現(xiàn)場檢測案例：MIRA A1040現(xiàn)場采集的測點(diǎn)數(shù)據(jù)(2D圖像)存儲(chǔ)在MIRA主機(jī)中用戶命名的文件夾內(nèi)。測試結(jié)束后，將MIRA中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到裝有idealViwer 3D軟件的筆記本電腦中進(jìn)行處理。idealViwer軟件將2D圖像拼接成被測結(jié)構(gòu)的3D模型。如圖6所示為地鐵240環(huán)處道床的3D重建模型。 用戶可以在軟件中旋轉(zhuǎn)觀察3D模型，也可從不同的正交方向以切片方式觀察模型。三個(gè)正交方向的視圖都有正式的名稱。C-scan表示不同深度與Z軸垂直的平面，即反射體的水平視圖；B-scan是由MIRA在測試時(shí)直接產(chǎn)生的圖像，是與測線方向垂直的平面；D-scan是與B-scan垂直的平面。用戶可在3D模型特定的切片模式觀察模型：沿Z軸觀察C-scan，沿Y軸觀察B-scan，沿X軸觀察D-scan。下圖顯示隧道道床結(jié)構(gòu)的3D切片視圖的實(shí)例。 C-scan中顯示截面中有強(qiáng)烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可見3個(gè)直徑80mm左右高振幅信號(hào)，顯示紅色，指示此處很有可能存在內(nèi)部中空的埋設(shè)管線，對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙確為預(yù)埋設(shè)的管道。鋼筋混凝土道床與底板之間（300mm-400mm）反射信號(hào)均勻、穩(wěn)定，未見強(qiáng)烈反射信號(hào)，未出現(xiàn)道床脫空情況。底板與隧道環(huán)片結(jié)構(gòu)之間（500mm-600mm）的弧形空氣分界層振幅強(qiáng)烈，存在明顯的空氣分隔界面。

圖6

采用MIRA檢測箱梁橋錨固區(qū)附近的后預(yù)應(yīng)力孔道的質(zhì)量。在測試之前，孔道的位置已對(duì)照施工圖紙?jiān)谙淞荷线M(jìn)行了標(biāo)記（圖7）。其中的一個(gè)測試記錄如圖8所示。B-scan的所在位置在C-scan中顯示為白色虛線。D-scan中孔道所在位置的高振幅信號(hào)，指示此孔道很有可能未被完全灌注。打鉆揭示后證明MIRA的探測結(jié)果是正確的。

圖7

圖8

預(yù)板樣品的孔道：400mm的厚板，其中貫通2個(gè)直徑100mm的金屬管道，覆蓋層100mm。其中一個(gè)管道中空，另外一個(gè)充填無收縮水泥漿。此外，預(yù)制板淺部布有鋼筋，且方向與管道平行。圖9所示為從預(yù)制板頂面采集的3D掃描結(jié)果。為使孔 道看得更清楚，深部包含預(yù)制板底面的數(shù)據(jù)被截?cái)唷Ｖ锌湛椎里@示為紅色，反映空氣界面的強(qiáng)烈反射。灌漿管道則顯示為黃綠色，反映鋼絞線的較弱 反射。兩孔之間和灌漿孔右側(cè)的鋼筋顯示為淺藍(lán)色?？梢钥闯?，灌漿孔道 遠(yuǎn)端顯示為紅色，表現(xiàn)為空洞特征的強(qiáng)烈反射。為驗(yàn)證灌漿不完全，對(duì)灌漿孔的兩處進(jìn)行了開挖：①遠(yuǎn)端150mm處，即空洞反射所在位置；②在大概中央位置，即沒有空洞反射顯示的位置。

圖9

某水工重要構(gòu)件試件經(jīng)常出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行三維超聲成像檢測，如圖10所示，三維構(gòu)件超聲圖像顯示構(gòu)件內(nèi)部存在強(qiáng)烈的超聲反射信號(hào)，存在明顯的空氣反射層，并且呈現(xiàn)出無規(guī)則狀態(tài)，中下部反射尤為強(qiáng)烈，最后進(jìn)行鉆芯取樣驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土樣芯已呈現(xiàn)斷裂式狀態(tài)，構(gòu)件內(nèi)部損壞較為嚴(yán)重，與超聲成圖較為吻合，需要對(duì)重點(diǎn)損壞面進(jìn)行灌漿填充修復(fù)工作。

圖10

3 總結(jié)與思考

（1）MIRA可為建筑結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供良好的檢測，相對(duì)于其它混凝土超聲波檢測產(chǎn)品，MIRA優(yōu)勢明顯，可檢測厚度更大的鋼筋混凝土構(gòu)件，提供分辨率更高的解析圖像，能夠很好地用于查找混凝土、鋼筋混凝土或自然石塊中的外來包體、孔洞、空隙、分層、充填泄露等。通過本次對(duì)地鐵隧道的檢測，反映該設(shè)備在隧道道床脫空情況的檢測上有較好的應(yīng)用。

（2）與其他超聲檢測產(chǎn)品相比相比，MIRA不需要進(jìn)行體混凝土聲速的校準(zhǔn)，直接通過Scan模式表面即可自動(dòng)根據(jù)剪切橫波Cs速度進(jìn)行波速計(jì)算，大大簡化了測試流程。然而，實(shí)際現(xiàn)場工況條件多樣復(fù)雜，檢測對(duì)象物理特性可能不穩(wěn)定，如混凝土的大骨料出現(xiàn)沉淀下部，混凝土表層性質(zhì)不均一或者存在雜質(zhì)，超聲波本身衰減是非常敏感、快速的，可能會(huì)對(duì)波速造成較大的影響。對(duì)于需要準(zhǔn)確知道鋼筋、缺陷或底面位置的測試，聲速非常重要。參照此次現(xiàn)場檢測，道床澆筑的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C28，MIRA自動(dòng)計(jì)算速度為1850 m/s(剪切橫波Cs)，根據(jù)該波速，圖形計(jì)算得到底板空氣反射層深度約為500mm；對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙，底板深度為550mm，此時(shí)應(yīng)該對(duì)波速進(jìn)行調(diào)整，手動(dòng)輸入2050m/s的波速。因此建議用戶測試操作前，在條件允許的情況下，如根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，或者其它明顯的參考物進(jìn)行波速標(biāo)定，以切合實(shí)際工況。

（3）對(duì)于各參數(shù)的設(shè)置，首先，增益值的選擇，色彩增益值過高或者過低，都會(huì)導(dǎo)致不同介質(zhì)之間的超聲波振幅無法區(qū)分，需要不同材質(zhì)、強(qiáng)度的混凝土波速進(jìn)行調(diào)整。此次檢測色彩增益值設(shè)置為25dB，模擬增益值設(shè)置為27dB。對(duì)于其它強(qiáng)度的混凝土，可在此分貝值基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)。期數(shù)的選擇，MIRA的超聲波期數(shù)可設(shè)范圍為1～9，依舊需要跟檢測物的性質(zhì)進(jìn)行選擇，對(duì)于混凝土這種材質(zhì)性質(zhì)，期數(shù)值需設(shè)置為1.0。對(duì)于發(fā)射脈沖停頓時(shí)間的設(shè)置（開或關(guān)），只有對(duì)某些檢測物（非混凝土材質(zhì)）超聲波波速傳播緩慢，或者厚度大的物件時(shí)才進(jìn)行設(shè)置，通常設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)。