超声波对混凝土强度的无损检测

土中传播时， 其纵波速度的平方与混凝土的弹性模 量成正比， 与混凝土的密度成反比。而混凝土强度的 高低又与其密度有关， 因此， 根据超声波传播速度， 即可求出混凝土强度。一般情况是， 混凝土声速越 大， 其强度越高。超声波的发射和接收中的换能器 （ 传感器） 采用完全相同的材质和结构， 可以互换使 用或进行双向收发。超声波检测混凝土的缺陷， 采用 的穿透测试， 根据多个测点测试数据的相对比较， 以 统计概率法原理来处理数据、评断。 １．３．１ 超声波传感器
超声波是频率在人耳可听音频范围以上 （ 约 ２０ＫＨｚ 以上） 的声波。超声波的检测要用到超声波 传感器， 也叫超声换能器。超声波的检测过去一直使 用类似于话筒的电动式转换器、类似于电容式传声 器的电容式转换器， 或使用磁致伸缩振动子。现在通 常使用的是各种类型的压电陶瓷振子。 １．３．２ 超声波在构件中的发射和接收
损 检 测 、以 及 工 业 自 动 控 制 系 统 的 开 发 设 计 。
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Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ＆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２００７（３）
仪器仪表装置
凝土无损检测作为一种必不可少的检测手段， 目前 一个重要的前沿课题就是使无损检测由定性检测 走 向 定 量 测 量 ［２］， 即 不 仅 要 确 定 是 否 有 伤 、伤 在 何 处， 而且要进一步确定伤的大小、形状、取向、性质等 等。定量混凝土无损检测的发展具有很重要的意义。 因此， 目前国内国外许多人正致力于混凝土定量无 损检测的研究。
Ｕｌｔｒ ａｓｏｎｉｃ Ｎｏｎｄｅｓｔｒ ｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎ Ｃｏｎｃｒ ｅｔｅ’ｓ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
ＺＨＯＵ Ｋａｉ１， ２， ＺＨＡＯ Ｗａｎｇ－ｄａ２
（ １．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔ ＆ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ａｉｍｅｄ ａｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｉｓ ａｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｔｅｓｔ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ． Ａ ｎｅｗ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｒｅ－ ｄａｍａｇｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｔｅｓｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｉｓ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｗａｖｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｉｔ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍａｎｕａｌ ｅｒｒｏｒｓ． Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｍｅａｎｕｈｉｌｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｇｉｖｅｎ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｆ－ ｔｅｒ ｆｉｒｅ， ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ； ｓｅｎｓｏｒ
超声波在混凝土中传播的方向性较差， 其原因 有以下三点：
（ ｌ） 超声波束的扩散角与频率成反比。在混凝土 中往往采用较低频率， 通常用（ ４０－ １００） ｋＨｚ 的超声 波， 因而波束的扩散角增大。
（ ２） 在骨料与颗粒的界面以及其它声阻抗发生变 化的界面上超声波被反射， 这种反射往往是杂乱的， 因而使人射波束向周围散射， 降低了束射方向性。
（ ３） 混凝土中颗粒的几何尺寸大小不一， 它们的 固有频率都可能激起某种颗粒的共振， 可以说， 在混 凝十颗粒的共振现象几乎是经常存在的。由于发生 共振的颗粒向四周射出球面波， 使入射波束的传播 方向大为混杂而降低了束射方向性。 １．３ 超声波混凝土损伤检测基本思路
由于超声波在混凝土中传播的方向性较差和声 能衰减大， 因而， 大体积混凝土的探伤不能采用反射 法， 通常采用低频绕射法。超声波混凝土的传播速度 与烧伤深度、裂缝大小个数有关， 据此可以推知火灾 后建筑构件损伤程度。混凝土超声波脉冲诊断的依 据是在混凝土中超声波的传播速度取决于混凝土的 强度。因此， 通过检测超声波在混凝土材料中的传播 速度或者声时来判定混凝土的质量。超声波在混凝
混凝土是建筑工程中最主要的结构材料之一。 由于混凝土成型工艺的复杂性， 所以每一个环节出 现问题都将影响其质量， 危及整个结构的安全。因 此， 加强混凝土的质量监测与控制已经成为当今建 筑工程技术领域的重要课题。
在一场大火灾后， 重建工作中有一项重要任务
就 是 检 测 这 些 火 灾 后 的 混 凝 土 结 构 物 强 度［１］， 因 为 火灾后， 混凝土构件往往会形成一些缺陷和损伤， 例如空 洞 、裂 缝 、不 密 实 区 、蜂 窝 及 保 护 不 足 ， 钢 筋 外露以及层状疏松等等。这些缺陷和损伤， 会严重 影响结构物的承载力和耐久性， 继而造成事故发 生。为了保证工程质量， 检测是十分重要的工作。混
ＲＳ－ ４８５ 串行接口。 图 ２ 为测试装置原理框图。考虑到测试装置的
功能划分和可靠性方面的要求， 将其设计成两块 ＰＣＢ 板， 其中一块叫控制板， 进行测量控制、参数存 储、通讯控制及传播时间计算等功能， 包括信号的放 大、滤波、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、电压比较等功能。另一块板叫做 驱动板， 包括传感器驱动信号的隔离电路、驱动电路。
（ １） 进行上电自检； （ ２） 产生换能器发射驱动信号； （ ３） 检测处理接收信号并识别第一个正脉冲信号； （ ４） 进行自动增益控制； （ ５） 计算声路的传播时间； （ ６） 向上位机回送测量的传播时间及状态； （ ７） 进行周期性系统检测； （ ８） 断电检测功能； （ ９） 控制输入输出功能； （ １０） 出错告警功能。 ２．２ 智能超声检测仪的硬件设计 测 试 装 置 的 微 处 理 器 采 用 ＦＬＡＳＨ 单 片 机 （ ＡＴ８９Ｃ５２） ， 实现测试装置的控制功能， 包括传感器 驱动控制、驱动／接收转换控制、Ａ／Ｄ 和 Ｄ／Ａ 控制、传 播时间测量、通信控制、计数控制等； 采用三级放大 电路， 第一级和第三级采用固定的高增益带宽积的 精密运算放大器， 第二级采用电压控制增益运算放 大器， 实现自动增益控制； 在三级放大电路之间各加 入一个带通滤波器， 去除低频噪声， 使有用信号顺利 通过； 在第三级放在之前加一个同相／反相转换器， 以使最终的检测信号相位达到要求； 经过三级放大 之后的信号通过电压比较器输出标准信号， 促使由 ５５５ 构成的单稳脉冲触发器触发， 完成计数器停止 控 制 ； 计 数 器 基 准 时 钟 采 用 ２０ＭＨｚ， 对 传 播 时 间 进 行计数， 从而得出传播时间； 传感器驱动电路的输入 控制信号通过高速光电隔离器件进行隔离， 采用具 有高速开关特性的 ＭＯＳＦＥＴ 器件进行驱动控制； 通 过 Ａ／Ｄ 和 Ｄ／Ａ 转换电路实现信号大小的检测， 信号 增益的控制， 最终实现自动增益控制； 另外， 具有
收稿日期： ２００６－ １２－ １５； 修订日期： ２００７－ ０１－ ２３ 基金项目： 湖南省教育厅项目（ ０６Ｃ８９５） ； 中南林业科技大学青年基金重点项目（ ０５００６Ａ） 作者简介： 周凯（ １９７０－ ） ， 男， 中南林业科技大学电信学院教师， 中南大学在读硕士研究生， 主要从事超声波 测距、超声波无
本系统只需具有智能测试装置即可进行正常工 作， 通过测试装置可完成测试装置的所有设置和检 测功能， 增加计算机处理接口的目的是为了提供更 加友好的人机界面、更加方便的参数输入方法、更加 灵活多样的数据处理和打印输出、更大的数据存储 空间。超声测试装置和转换器是通过 ＲＳ－ ４８５ 接口 连接， 连接距离最大限度可以达到 １２００ｍ。
仪器仪表装置
文章编号： １００１－９９４４（２００７）０３－００３６－０３
超声波对混凝土强度的无损检测
周 凯 １， ２， 赵望达 ２
（１． 中南林业科技大学 电信学院， 长沙 ４１０００４； ２． 中南大学 土建学院， 长沙 ４１００７５）
摘要： 传统的超声波测试和诊断主要检测金属内部的缺陷和其它领域混凝土的强度， 该文 主要介绍了混凝土超声无损检测技术的原理及应用， 并结合实际开发了一套基于超声波 的智能无损检测装置， 它专门用于火灾后的混凝土强度测试。经过对两种不同高温下的混 凝土试验构件进行测试， 结果表明， 电路整体的设计完全达到了要求。 关键词： 智能检测技术； 超声无损检测； 传感器 中图分类号： ＴＰ２１６ 文献标志码： Ｂ
超声波在损伤构件中的传播速度与构件的损伤 深度有关。当超声波经过构件内的微小裂缝时， 声能 要被吸收、散射和折射， 这就是声波的空间衰减， 导 致有一部分发射出来的声能不能到达接收点。另外， 还有一部分能量由于散射物体振动运动而被消耗 掉， 这些散射物体本身又成为声源， 通常又向所有方 向辐射声能。由于上述原因， 超声波在构件中传播时 会不断衰减， 最终被噪声淹没。因此超声波的接收点 必须在超声波的接收距离之内［４］。
自动化与仪表 ２００７（３）