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混凝土单面测厚仪误差分析与处理

关注:39发表时间:2016-05-02 00:00:00

       混凝土单面测厚仪是指应用应力波(俗称冲击回波)技术在单一面上进行厚度测试的一类无损检测仪器。混凝土单面测厚仪区别与常规超声波厚度检测仪的主要表现为单面测试、不需要耦合剂,但是混凝土单面测厚仪需要配置稳定的信号激发源。混凝土单面测厚仪主要应用于公路路面、隧道衬砌、挡土墙等混凝土结构厚度检测。


1.应用范围

混凝土单面测厚仪区别于楼板测厚仪主要在于其检测方式,其应用了冲击回波单面检测技术。混凝土单面测厚仪”顾名思义即可实现单面检测,即在混凝土结构单一面上就能完成厚度检测,与通常所使用的楼板测厚仪、超声波测厚仪有实质性差异。正是由于单面检测这一特点,混凝土单面测厚仪被广泛应用于公路路面、梁板、隧道衬砌、车间地坪、挡土墙、防洪堤坝混凝土以及机场跑度等“隐蔽性”工程厚度检测,以及桥梁、高层建筑主题等高空结构的混凝土厚度检测。下图为混凝土厚度检测现场示例图。

2.冲击回波测厚原理

       冲击回波法是一种基于应力波传播特性的无损检测法,其原理是利用机械方式冲击混凝土表面产生应力波,该应力波会在结构中传播,因为波阻抗的差异,应力波会被内部缺陷和外部表面反射,来回反射的应力波会形成一种特殊模态,在激发点附近由接收换能器接收回波信号并将信号通过快速傅里叶变换转换至频域中,通过分析主频大小评定结构厚度和内部缺陷情况。下图1为冲击回波法测试混凝土厚度原理示意图。与传统超声波检测技术比较,冲击回波检测技术优势主要体现在单面检测、检测厚度大、不需要耦合剂。此外,冲击回波检测结果受混凝土结构材料组分和内部结构状况差异的影响小。

图1 冲击回波测试技术原理

机械波在介质中传播并在某个界面反射,界面与机械波传播起点厚度为 h ,则波速 V p 与频率 f 满足如下关系式:

                                                     h  = ( β V p )/(2 f )                                               (1)

其中上式(1)中 β 为形状系数,不同形状物体具有不同形状系数,系数参考标准见附录表1,仪器中已默认为测试板状构建,系数为0.96,若测试其他形状构建可依据附录中表1换算。

利用测厚仪可以将上述机械波进行实时记录,并同时对其进行傅里叶频谱变换,谱图中的主频为冲击表面、缺陷界面及其它界面之间的多次反射产生瞬态共振所致,通过对主频的提取和波速测试即可以根据上式(1)确定混凝土结构的厚度或缺陷位置。因此,应用冲击回波法测试混凝土厚度,仅需要两个重要的参量,即主频和波速。频谱图主频是反映信号本质特征的重要参数,对特定的型号对应特定的主频,仪器通过记录波形即可以自动进行频谱变换并自动识别主频;波速测试是进行厚度测试第一步,通常有两种方法。

(1)时差测试波速

时差法测试波速是一种常见的波速测试手段,但要求仪器分辨率高,并且需要双通道采集。基本原理如图2所示。将2个传感器距离固定,在2个传感器位置点形成的直线上确定一个信号激发点,并记录距离差;测试仪器自动记录读取两个传感器采集信号的首波时间,并读取时间差,距离差与时间差的比值即为波速。

2时差法测试波速原理:(a) 传感器与信号激发位置;(b) 时差分辨

(2)厚度测试波速

标准厚度测试波也是常见波速测试方法之一。其方法是用一块已知厚度的混凝土标准块(钻孔取芯或施工过程中留样)进行冲击回波测试并用仪器记录信号获取信号主频,根据公式(1)计算出波速。该方法仅需一个信号采集通道,但往往会增加钻孔取芯工序。

3已知厚度测试波速:(a) 已知厚度混凝土块;(b) 频谱图

3.影响测试精度的因素

影响冲击回波法测厚的测试误差因素有多个方面,总结有四个主要因素。

(1)信号激发源

冲击回波法要求机械冲击产生应力波,从而迫使被测试构件共振,其共振信号由传感器接收。很显然,不同厚度混凝土的共振所需的激发能量有不同。采用数字模拟表明,激发能量的大小由敲击球跟测试面接触时间控制,而接触时间可由冲击球的直径、发射脉宽来控制。下图为模拟直径20mm钢球敲击体积为60×30×100 cm的混凝土时应力波传播情况。


依据上述研究,混凝土单面测厚仪的信号激发源要求激发可控,并且可以实现连续性调节才能满足测试要求。目前常见混凝土单面测厚仪信号激发源采用手动的手锤敲击,也正是导致其测试误差极大的关键原因。当采用电磁式信号激振器时,其信号激振相对较稳定,但在实际使用时,由于测试面强度、浮浆等问题,使得每次激振球与测试面的接触存在一定差异,激发信号易产生微小差异,导致其某一固定位置测试结果出现厚度值围绕实际厚度值上下跳动,但其跳动值并不大。

(2)测试面粗糙度

冲击回波法测试采集信号实际为共振振动信号,因此信号接收传感器许采用加速度传感。与常见超声传感器耦合不同,加速度传感器不需要耦合剂,这也是冲击回波法应用于厚度测试的一个优势。但是,加速度传感器要求与接触面接触良好,并且要求刚性接触,因此通常要就测试面平整。通常情况下,普通的混凝土路面即能满足粗糙度要求,测试面粗糙度越小,测试精度越高。此外,测试面的粗糙程度对测试误差影响的另一关键在于,粗糙程度越大,信号激振器敲击易形成信号的散射问题,干扰正常信号,使得测试结果存在偏差。在满足测试条件的情况下,粗糙度的影响也不能完全杜绝,其影响程度只是会减小而已。

(3) 材质均匀性

材质均匀性是影响厚度测试精度的重要误差来源,对于常见测试混凝土而言,其骨料尺寸大小越均匀,其反射信号能量越大,越易形成共振,其信号越趋近于理想状态的共振与反射,使得其测试结果越准确。

材质均匀性的带来的另一误差,来源在其反射底面的粗糙程度,由于混凝土底面(尤其是河北、内蒙、东三省及新疆等广大地区采用鹅卵石作为骨料)粗糙度大易形成散射。例如混凝土公路与预制梁腹板、剪力墙等比较,公路路面底面粗糙其测试的厚度值跳动非常常见,而预制梁腹板、剪力墙两面均光洁,其测试的厚度值很难出现数字跳动。

(4) 频率峰值

仪器智能识别设计测试主机信号处理功能,其最终目的是要求准确识别共振信号主频并自动计算厚度。在仪器内,设置的两个峰值识别游标,其f1识别最高峰,f2识别第二高峰。在测试过程中,可能存在谐振等因素,信号频谱图形成多个峰值,并且峰值可能由于上述三个因素影响而出现两个或者多个峰值出现此消彼长的跳动现象。如下图所示,两次测试其频谱峰值均为10和12KHz,但由于上述所描述的因素,其峰值高度出现变化。而仪器的中厚度的计算均按最高峰峰值计算厚度。


4. 常见处理办法

针对测试过程中出现的厚度值跳动,在测试过程中可能需要采取一些适当的手段。

(1) 固定测点多次测试

多次测试有利于去除信号激发源和材质均匀性带来的误差。通常在以固定的测点位置,建议测试10 ~ 15组数据,剔除最大值与最小值,厚度值出现次数较多的数字基本即为该测点的厚度值。数据剔除可在软件上进行,剔除误差值,软件即自动计算出该测点的厚度值。

(2) 划分测区

在某一区域上,画出15*15 cm方框,在该方框内选取5个测点,4个角处分别布置1个测点,中间位置布置1个测点。最后取该测区所有测点剔除误差值后的平均值作为测试厚度值。

(3) 频率峰值跳动处理

如出现两个峰值跳动问题,可手动移动游标1。通常判断需不需要移动以及如何移动需要结合设计厚度来判断。例如,设计厚度25 cm,测试厚度在20 cm左右和25 cm左右来回跳动,可以明确确定该厚度值即为25 cm。操作方式将游标1移动至游标2的位置即可。

(4) 测试面处理

测试过程为尽量避免粗糙度带来的误差,测试前请务必将测试表面的异物清理干净,扫掉浮浆,并且避免雨后测试。

5. 总结

       冲击回波法单面测试混凝土路面厚度是一种较可靠的方法,但受限于测试条件以及现实因素,其测分不同的对象其适应性也不一。针对公路路面厚度的测试,其测试必然存在一定误差,客观上也不能以某一测点的厚度值作为依据(因为取芯发现底部粗糙,其粗糙度在±2 cm)。尤其是出现数字跳动等现象,其解决的根本办法是固定点多车测试,剔除明显误差,并取某一区域的平均值作为最后的厚度值。