轨道板脱空检测

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1、ing the future升拓技术轨道板脱空检测走进升拓 感受未来sensing the future轨道板脱空检测宁波升拓检测技术有限公司 浙江宁波 NCIT)概述：我们以冲击弹性波及冲击回波法(IE法)基础，通过对算法、设备的改进，开发 了轨道板脱空的检测方法和设备。1 技术基础1.1 检测方法概述轨道板脱空检测方法的概念如下图所示： 检测步骤如下：1) 将传感器固定在轨道板上表面上；2) 用专用的激振锤激发出特定频率的冲击弹性波；3) 通过传感器接收信号，输入计算机；4) 按照事先确定的测线或者网格逐点检测；5) 将各点检测的数据合成分析并成像；6) 根据事先确定好的阈值对脱空的有无、

2、区域进行判定。1.2冲击回波法(IE)的发展历程 早在上世纪60年代，美国国家标准和技术研究所( The National Institute of Standards and Technology ，NIST，也被称为美国国家标准局，National Bureau of Standards ， NBS)就针对结构的无损检测技术(NDT)进行了研究，并在传统的工业无损检测技术(如 X射线、超声波、磁粉等)的基础上提出了相应的标准。在70年代末期发生的两起严重的结构垮塌事件显示，现场混凝土的状况起到了重要的作 用。但是，在NBS(Carino et al., 1983; Lew, 1980)的调

3、查过程中发现，既存的检 测手段存在严重的缺陷。为此，NBS开始了一个长期的，针对现场混凝土检测、评价的 项目。自1983年起，NBS将研究重点放在了混凝土结构中的缺陷检测。当初，超声波脉 冲回波法(ultrasonicpulse-echo ， UP-E)被寄予厚望。但是，由于混凝土均有不均匀 性，骨料与胶结物的界面、气泡、钢筋的存在都使得反射变得非常复杂，UP-E法在应用 到混凝土内部缺陷检测时却遇到了无法逾越的障碍(Carino and Sansalone, 1984)。通 过对各类技术手段的对比，基于应力波(后来被称作弹性波)的检测技术由于波长较长， 且能够反映力学特性而被作为了技术基础(

4、Carino and Sansalone 1984)，其研究成果则 由于“冲击回波法impact-echo method(Sansalone and Carino, 1986)而广为人知。.后来， 研究中心转移到了康奈尔大学(Cornell U niversity)。在Mary Sansalone教授的指导下， IE法取得了长足的进步。1997年，Sansalone和Streett发表的著作中全面阐述了IE法的理 论、室内和现场试验结果。在此基础上， 90年代末期， NIST 和康奈尔大学共同发布了升拓技术轨道板脱空检测IE法的标准草案，并于1998年成为ASTM标准ASTM C 1383。此

5、后，IE法不仅在缺 陷检测，还在混凝土早期强度测试、厚度测试等方面发挥了重要的作用。1.3 冲击回波法的理论基础IE法是建立在冲击弹性波的传播和反射基础上的，一种能够测试混凝土内部缺陷、脱空 以及尺寸的无损检测方法。1) 冲击弹性波的传播 如前所述，当在结构表面某一点激发弹性波时，在结构中主要有三种形态的波，即(1) P波：与正应力传播相关(2) S波：与剪应力传播相关(3) R波：与正应力和剪应力的合成相关R涼注头:ilP渡嵐射11P波联头刘讣:盟昇甕S直波头图1-1冲击弹性波的传播(FEM模拟)弹性波的各种波中，P波速度最快，因此叫Primary wave。然而，P波的波速不是 一个定值，

6、与传播物体的尺寸、形状以及P波波长有关。当物体的3维尺寸大于P波 波长时， P 波的传播速度可由下式表示。其中，E为材料的动弹性模量，也可以表示为二-。“为动泊松比，厂为密度。 与P波不同，S波的波速与传播物体的形状、大小以及波长等均没有关系：升拓技术轨道板脱空检测其中，为材料的剪切模量。水或空气中不存在剪切刚性_T -，因 此不存在s波。这是流体与固体材料的重要差别。：上波的速度则用下式表示：0.87 + 1.12/叮帀2）冲击弹性波的反射 弹性波在异种媒介的边界面会引起反射，而这正是轨道板脱空检测所需的。在机械阻抗（一般用z来表示材料的机械阻抗，z = PCA,这里的A是断面截面积）发生变

7、化的边界面上，传播的弹性波会产生波的反射和透过 弹性波的反射和透过具有如下性质。（1）媒介的机械阻抗相同（二二二），那么就算材料不同，也不会产生波动；（2）两种媒介的机械阻抗相差越大，反射率也越大。（3）在裂缝或缺陷处，以及桩、柱、杆的端部机械阻抗减少（二）时，反射波和入射波符号相同（相位相同）。例如，对于基桩检测而言，当先端是土层时，反射信号与激振信号同向，而先端是嵌岩时，其反射信号可能与入射信号反向。另一方面，当一种材料中夹有另一种材料，而且两种材料的机械阻抗相差较大时（如II型轨道板）时，在媒介1 （=卜【1-1 ,可认为是轨道板或支座板）和媒介2（二二卜，一、，可认为是CAM垫层）的两

8、个交界处均会产生的透过和反射：其中，T：振幅的透过率（绝对值）鸟=血厲：媒介J中的波数，为角频率-:媒介-2的长度同样，可以得到振幅反射率的绝对值R：升拓技术轨道板脱空检测R = l-T缺陷的深度根据Sansalone and St ree tt 1997的研究成果，缺陷的尺寸d和深度T有：(1) 当d/T0.3时，难以检出缺陷的存在；(2) 当0.3d/T1.5时，可以检出缺陷及底板；(3) 当1.5d/T，可以检出缺陷，但无法检出底板(相当于缺陷无限大)； 冲击时的接触时间 冲击时的接触时间与激发弹性波的波长有密切的关系，接触时间越长，弹性波的波长也越长。根据Sansalone和Carin

9、o (1986)、Abraham (2000)的研究成果，当采用FFT分析时，接触时间小于P波在缺陷处往复时间的0.75倍时，可以明确地检测。因此，在有不同媒介介入的场合下，(1) 反射(通过)率与频率相关，通常高频波容易反射。(2) 在特定的频率下,即也就是L = 时反射波消失。14冲击回波法的测试IE 法的成功之一在于其可以用机械或人工的方式激振出较大的能量。最早的 IE 法 可以追溯到岩土工程中的混凝土基桩完整性检测(Steinbach and Vey, 1975 )，也被称 为声波回波法 sonic-echo 或地震回波法 seismicecho(ACI 228.2R)。 但是，由于基

10、 桩长度较长，激发信号与回波信号之间有较长的时间间隔，因此容易分离。另一方面， 针对混凝土板等结构，其厚度较薄，激发信号与回波信号往往交织在一起，无法在时域 上进行分离。为此，利用FFT等频谱分析手段对回波信号进行分离则是IE法的精髓所 在。15 冲击回波法的检测能力关于IE法的检测能力，亦即能够检出的最小缺陷尺寸，与下面的因素相关：1) 缺陷的类型和方向最容易检测的是平行于激振面的空洞和连续性缺陷(如脱空)。至于蜂窝等不连续 缺陷，尽管也可以检测，但检测精度有所降低。升拓技术轨道板脱空检测1.6现有IE法在CRTS II型轨道板脱空检测中的局限 现有的IE法在检测轨道板脱空中主要存在以下问题

11、。1）缺陷反射的阈值 在CRTSII型轨道板脱空检测中，最大的问题在于调整层本身会产生相应的反射。由于CA 砂浆的模量一般在7lOGPa,大约为轨道板混凝土的1/5左右。因此，无论轨道板与调 整层之间脱空与否，在轨道板表面激发的弹性波均会从调整层产生较强的反射。因此， 如何从反射信号中，识别出缺陷反射，是IE法检测轨道板脱空的关键。2）分辨率低如前所述，对于高铁轨道板的脱空，在理想状态下，采用现有的 IE 法能够检出的 最小的缺陷直径为60mm （垫层上表面），75mm （垫层下表面）。而在实际状态下的检出 能力自然更低。3）多重峰值由于在激振信号中含有多种成分，因此采用FFT分析时会出现多重

12、峰值的现象，为判断 带来困难。4）难以平面成像和聚焦 现有的IE测试方法一般仅支持单点分析或单线分析。而对于轨道板更需要的是简单的 平面成像机能。5）测试稳定性 由于轨道板的检测均在夜间，而且作业时间短，作业条件艰苦。因此，如何能够保证测 试的稳定性也是非常重要的。2 技术开发为了将IE法应用于轨道板的脱空检测，我们从多个方面进行了相应的研究和开发。具 体包括频谱分辨率的提高、激振信号及方式的最优化、脱空深度聚焦、缺陷反射阈值的 确定、缺陷面积的计算以及脱空深度的简单测试方法等。2.1 频谱分析方法在本系统中，除了 FFT分析方法以外，还导入了高分辨率频谱分析方法MEM （最 大熵法，Maxi

13、mum Entropy Method）。MEM 法在1967年被J.P.Burg提出，从此在各种 领域取得取得了划时代的成果。所谓熵（Entropy），是在热力学与统计物理学应用的概 念，表示无序的程度。一般来说，信号谱具有自相关关系。 MEM 分析的含义就是，在 不增加熵的条件下推定信号的自相关系数，从而推算其频谱的方法。Hcit升拓检痂心升拓技术轨道板脱空检测sens ing the future走进升拓 感受未来 sensing the future其中，为频率，应不大于奈奎斯特频率（满足采样定理的最小采样频率，通常 为离散信号系统采样频率的一半）。pg）丄:二为最小预测误差功率；为M阶

14、的自回归系数或线性预测系数;2.3 关键技术在轨道板的脱空检测中，会遇到诸多困难：1）脱空厚度很薄，往往只有几毫米甚至更细，而且脱空的深度较深，一般超过20cm；2）有轨道的影响，且轨道板中钢筋密集，对测试信号有影响；3）对于II型轨道板，调整层（CA砂浆）的弹性模量为8GPa左右，与轨道板的弹性模量 相差较大。因此，在轨道板与调整层之间，即使是密切粘结，也会产生相应的反射信号。4）板波、板振动的影响：对于边缘离缝，在激发弹性波时容易诱发板波或者板振动 从而使得对边缘附近测区的测试精度的降低。因此，为了有效地对轨道板进行测试，我们开发了一系列相关技术以解决上述问题，主 要有：1）在IE （冲击

15、回波法）的基础上，开发了高分辨力的频谱分析方法MEM （最大熵法）， 较之FFT （快速傅立叶变换），其分辨力有了飞跃性的提高；2）开发了聚焦功能：由于层面位置基本固定在顶板与垫层、垫层与底板之间，因此， 通过对该当位置的反射信号进行聚焦分析即可有助于提高检测分辨力；3）根据反射系数与入射弹性波频率的关系，对激振方式进行最优化，以便激发出具有 最适波长的弹性波，进而提高检测精度；4）激振力度的控制：后文将会阐述，激振力度对测试结果也有一定的影响。因此，我 们对所需的激振力度进行了优化，并在测试设备中进行了反映；5）结合梁振动理论，提高对离缝附近脱空深度的测试精度。3 基于冲击回波法的脱空检测为了提高轨道板脱空的检测精度，我们进行了相应的研究和开发。升拓检测升拓技术轨道板脱空检测sens i ng the future走进升拓 感受未来 sensing the future3.1 冲击回波法检测时的其他影响因素IE法在实际应用过程中，存在一个大的问题，即在测试信号中存在多种成分的频谱:1）打击的冲击信号以及敲击引起的部分自由振动2）壁的振动