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1、冲击回波法检测,陈超 2011-5-18,冲击回波法,一 概述 二 冲击回波法原理 三 冲击回波法相对的特点 四 检测中应注意的问题 五 IES 扫描式冲击回波测试系统 六 PIES便携式冲击回波测试仪 七 总结,一 概述,混凝土在载荷和外界环境的作用下会出现不同程度的损伤。其中内部裂纹的产生与扩展使混凝土强度下降并最终导致混凝土的破坏。目前常用的质量检测的方法主要是钻芯取样法、回弹法以及超声波法，雷达法等。每种方法都有自己的适用范围和局限性。目前，许多混凝土结构，如路面、机场跑道、底板、护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等，只存在单一测试面，而从事砼结构评估、修补工作的工程师们往往对以上
2、结构砼的厚度比较重视，因为这些结构砼的厚度如达不到设计要求，将会影响结构的整体强度及其耐久性，造成工程隐患，甚至引起严重工程事故，所以用无损检测方法测试结构砼的厚度是有重要意义和实用价值的。无损检测方法很多，为了检测只存在单一测试面的结构砼的厚度及其内部缺陷，国际上从八十年代中期开始研究一种新的无损检测方法-冲击回波法。冲击-回波法应用于砼构筑物无损检测，具有简便、快速、设备轻便、干扰小、可重复测试等特点。,冲击回波法是基于应力波的一种检测结构厚度、缺陷的无损检测方法。在20世纪80年代，国外的一些专家就对该方法进行了研究。冲击回波技术发展非常迅速，目前已有IES扫描式冲击回波系统、带表面波的
3、冲击回波系统、超薄冲击回波检测系统等多种类型，可根据工程需要进行选择。IES是IE技术发展的一大突破，不仅可以快速连续检测，而且增加了检测项目如预应力管灌浆情况等，此外还可对结构厚度、缺陷进行三维成像。表面波型冲击回波系统无需取芯标定，就可准确检测混凝土的厚度。超薄型冲击回波系统可检测最小厚度约5cm的板状结构，拓宽了冲击回波方法的厚度检测范围。目前应用比较广泛的冲击回波法是IES扫描式冲击回波系统。,二 冲击回波法原理 冲击回波法是利用一个短时的机械冲击（用一个小钢球或小锤轻敲混凝土表面）产生低频的应力波，应力波传播到结构内部，被缺陷和构件底面反射回来，这些反射波被安装在冲击点附近的传感器接
4、收下来（如图1所示）并被送到一个内置高速数据采集及信号处理的便携式仪器。将所记录的信号进行幅值谱分析，谱图中的明显峰正是由于冲击表面、缺陷及其它外表面之间的多次反射产生瞬态共振所致，它可以被识别出来并被用来确定结构砼的厚度和缺陷位置。,图1 冲击-回波法原理图,上述原理图中，接收器接收到反射波后，通过快速傅立叶转换将时域数据转化为频域数据，然后确定回波的频率峰值F，深度计算结构的厚度或缺陷D = (b * VP)/2f（其中b是形状系数，对板/墙来说是0.96，对于梁和柱该值更小，根据厚度和宽度的比值确定，VP是压缩波波速）。图2给出了无缺陷处和有缺陷处的测试结果对比。,图2说明： 上图：无缺
5、陷处只有一个频率峰值，可获得厚度信息 下图：缺陷处存在多个频率峰值，可根据曲线形状判断缺陷性质及深度,图2：无缺陷和有缺陷频域图比较,三 冲击回波方法相对于超声波方法的优点,1、冲击回波方法只需一个测试面，而超声波方法需两个测试面，这在很多情况下很难做到。 2、冲击回波方法使用比超声波更低频的声波（IE频率范围通常在220 kHz），这使得冲击回波方法避免了超声波测试中遇到的高信号衰减（high signal attenuation）和过多杂波干扰问题。 3、冲击回波方法不需耦合剂，单手即可操作，标定后每个测点直接得出结构厚度或缺陷位置、深度信息。而超声波方法需耦合剂，两个探头加大了操作的难度
6、。同时需大量数据对比才能确定缺陷的位置，但不能确定缺陷深度。 4、冲击回波方法最深可测180cm的结构，而对于超声波方法测试同样厚度将非常困难，特别是两个测试面不易接触的情况下。 由以上可以看出，IE冲击回波方法具有超声波方法无可比拟的优越性，该方法将随着技术的不断完善和发展，成为混凝土结构无损检测的一个重要方法。,四、检测中应注意的问题,1）表面处理 一般路面施工都有一道拉毛工序，此道工序会使砼路面不平整，同时使得表层产生微裂隙，如果不经过任何处理就用冲击回波法测厚，很难甚至不能得出结果，原因之一是传感器与待测表面耦合不良，很难接收到信号，从而使信号微弱；原因之二是微裂隙的存在使测试条件更复
7、杂，所得信号质量不好，杂波较多，有用信号不突出，所以在检测之前，一定要对表面进行处理，用砂轮将待测点周围磨平，至少将拉毛层磨掉。,2）传感器的设计 用于测厚的传感器必须具有较宽的频带范围，以适应不同厚度砼的检测，另外，传感器还必须有适宜的灵敏度，使得有用信号突出，干扰信号减低到最低限度，从而提高信号质量，使测试结果更精确。为此，我们公司研制开发了一种新型传感器，专用于砼路面厚度的检测。 3）冲击器的选择 对于不同厚度的砼板，其瞬态共振频率是不一样的：对于较厚的砼板，此频率值较低，对于较薄的砼板，此频率值较高，应选择一种能产生相应频率应力波但又有足够的能量的冲击器，使得砼板能产生瞬态共振，接收信
8、号较强且质量较高。,4）声速的测量 在冲击回波法测厚时，声速的测量也是至关重要的-声速越精确，所得的测厚结果就越精确。在实际应用中，声速的测量有几种可行方法：回波法确定混凝土的波速，然后用该波速检测结构的其它部位。 直接用冲击回波法测量P波波速来确定，此方法允许测量结构上任一点的波速。用超声平测法测量混凝土的声速（如图3所示）。在混凝土结构中不同部位的波速往往是变化的，或者在某些情况下其厚度未知，还得进行取芯，所以第一种方法不太可取；用第二、三种方法测得的声速值比较接近，一般测试时优先采用第二种方法，除非条件不具备，再考虑采用其他两种方法。,图3,五 IES 扫描式冲击回波测试系统,（1）IE
9、和IES简单介绍： IE方法一直被公认是一种对混凝土构件进行无损检测的强大工具，但IE方法的最大局限性是测试速率较低。一般来说，普通的IE系统每小时可测3060个点，这就限制了该方法只能用于测试较小、非常关键的部位。扫描式冲击回波系统的研制成功，彻底解决了该问题。IE测试可用于评估板、梁、柱、墙、公路路面、飞机跑道、隧道和大坝等结构的内部状况。IE方法能够发现混凝土、木材、石材和砌体中的孔洞、蜂窝、裂缝、剥离以及其它缺陷。如果已知混凝土构件的厚度，IE法可以还预测早期混凝土的强度。,以下为冲击回波检测结构的几个现场实例，其中图7表面波和冲击回波联合使用，在单面情况下，可准确获得混凝土波速，进而
10、求得更精确的厚度值 。,图4 冲击回波方法检测桥梁,图5 冲击回波法检测隧道,图6 冲击回波法检测公路,图7 表面波、冲击回波法联合检测桥面,IES方法是在IE的基础上，将固定的单个传感器变为滚动传感器，从而极大地加快了测试速度。IES扫描式冲击回波测试系统是目前最先进的冲击回波测试仪。如图8所示，IE方法只有一个接收传感器，每测试一点螺线管冲击一次。而IES方法采用扫描式滚动传感器，并采用螺线管冲击器进行连续冲击，极大地提高了检测效率。,图8 左上角为IES系统，采用滚动接收传感器； 右下角为传统IE系统，只有一个接收传感器,图9 图10,图9和图10均为IES扫描式冲击回波系统仪器。,（2
11、）IES技术规格和参数： 1、测试厚度范围：950cm； 2、测试精度：2（在已知厚度处标定后）； 3、英制或公制显示；4、测试时不需要耦合剂；5、测试时只需一个测试面；6、测试速度是慢速步行的速率；7、滚动传感器，每隔1 英寸（2.54cm ）进行一次测量；8、对表面有油漆或粘结良好的瓷片，同样可以测试；9、对板厚度或内部缺陷可进行三维成像，更直观显示缺陷。,（3）具有以下优点：1. 只需一个测试面2. 不需要耦合剂3. 测试迅速，每小时可测20003000 个点4. 检测结构可靠、准确5. 可对结果进行三维成像，快速、直观显示缺陷 。图11至图14为三维成像测试结果。,图11 厚度变化处的
12、三维成像 图12 板中蜂窝缺陷的三维成像,图13 预应力管中未灌浆区域的缺陷成像 图14 板中孔洞缺陷的三维成像,IES不仅极大地提高了传统冲击回波的检测速度，而且解决了检测预应力管灌浆情况的大难题。实践证明，IES方法是一种非常可靠、有效的检测方法，是混凝土结构检测技术的一次突破 。必将为混凝土结构的无损检测起到非常积极的作用 。,六 PIES便携式冲击回波测试仪,PIES便携式冲击回波测试仪是目前世界上最轻便、测试范围最广的冲击回波系统，测试范围达0.0510m。主要用于混凝土内部结构缺陷检测，还被用于混凝土新旧结构质量控制，它能计算出轴压强度和混凝土的静态弹性模量，PIES可用反射压力波
13、来判断混凝土早期微小裂缝，以防止反复融冻和各种物理化学因素对混凝土成分和结构造成的破坏进一步扩大。,图15 PIES便携式冲击回波仪,其产品特点：（1）首次真正意义上的便携式冲击回波系统，能用带电池的掌上电脑进行数据选择和存储；（2）首次在一个便携式系统内综合实施冲击回波技术；（3）首创具有带压力和频率控制实用电子触发多冲击头压力波生成装置；（4）运用数学运算法则判断表面裂缝长度（5）频率范围广：1Hz100Hz，设计了一个体积小、成本低、信号数字化丰富的全新数字转换器，传输率1G样本/秒，它是唯一一个适合膝上和掌上电脑的信号转换器；（6）首次能用回波技术测量到10米内厚的混凝土或其它增益结构的设备。,七 总结,冲击-回波法是一种新的无损检测方法，可用来测量结构混凝土厚度。特别适合于单面结构，如路面、机场跑道、底板、护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等混凝土结构的厚度检测。冲击-回波法应用于砼构筑物无损检测，具有简便、快速、设备轻便、干扰小、可重复测试等特点。因此，它在无损检测中必定将更为广泛的得到应用。,
