超声波在混凝土预制板检测中的应用

彭双光, 吴新开

(湖南科技大学 信息与电气工程学院, 湖南 湘潭 411201)

超声波在混凝土预制板检测中的应用

彭双光, 吴新开

(湖南科技大学 信息与电气工程学院, 湖南 湘潭 411201)

根据混凝土预制板的特性, 系统采用数字可调脉冲串激励发射超声波, 用对测法对预制板进行检测. 采用DSP处理器为核心, 简单介绍了控制系统的原理与组成, 分析了混凝土预制板材料中存在中空时的几种传播路径, 通过分析FFT变换后的频谱图中的基波幅值大小, 判断超声波在预制板传播时的声压衰减和强度、密度大小, 从而对预制板的性能做出整体评价.

超声波; 混凝土; DSP; 强度; 声压衰减

Abstract:According to the characteristics of precast concrete panels, system emit ultrasonic wave through digital adjustable pulse excitation, using confrontation method to test precast panels. Using DSP as a control chip for ultrasonic testing, this paper introduces control system theory and composition briefly, analyzes several propagation paths when the precast concrete exist hollow. By analyzing the fundamental amplitude of spectrum after FFT transformation, we can judge the propagation attenuation of sound pressure and intensity, density of precast, and make overall evaluation the performance of prefabricated panels.

Key words:ultrasonic; concrete; DSP; intensity; attenuation of sound pressure

引言

传统的混凝土预制板检测方式采用取样分析检测原理, 需要在施工现场取样, 并带回实验室进行分析, 这种检测方式, 不但检测时间长, 更是一种破坏性检测方式. 混凝土的超声检测技术根据混凝土预制板的实际形状, 来选择多种方式、多种现场进行测量, 提高了实际可操作性. 在不损伤混凝土预制板本身结构的情况下进行检测, 当场即可完成检测, 极大地提高了仪器的利用率和工作效率.

混凝土是由固液气三态所组成的具有弹黏塑性质的复合材料[1], 其内部存在着分布极其复杂的界面.换能器发出的超声波在混凝土中的传播不是直线的, 最终接受到的只是经过若干次折射与绕射的低频超声波. 混凝土预制板, 其特点是在混凝土平板上有纵向和横向混凝土凸肋而形成凸凹结构, 凸肋中嵌有钢筋. 我们选择的样本是空心预制板.

1 超声波混凝土预制板控制系统的原理和构成

1.1 超声波检测方案比较

采用超声波检测混凝土质量, 一般是根据构件或结构的几何形状、所处环境、尺寸大小及所能提供的测试表面等条件, 选用不同的测试方法[2].

(1) 回弹法如图1(a)所示. 回弹法测缺陷时, 由于预制板的特殊结构, 它的中空结构必然会使超声波发生反射, 而当缺陷的回弹信号相比中空的显得很微小时, 势必会使缺陷无法检测和定位.

(2) 对测法如图1(b)所示. 对测法改变了回弹法检测缺陷的不足, 通过对比标准试件的振幅衰减, 从而分析缺陷与强度.

混凝土预制板采用对测法测量, 如图1(b)所示. 测量时需要保证发射换能器与接收发射器处于正对位置, 这样才能保证测量的准确性. 检测前需要对预制板的厚度进行读数, 在换能器与预制板之间需要加入耦合剂耦合(选用黄油作为耦合剂), 以保证声波大部分都能进入待检测预制板当中.

图1 混凝土检测原理图

1.2 控制系统的原理与构成

由于混凝土的特殊性质, 空隙相对较大, 在超声波传播过程中, 宜选择频率相对较低的换能器来加大波长, 从而绕过一些微小间隙继续传播. 我们选用50KHZ压电陶瓷探头, 探头的发射电压为50V.

本系统控制部分的核心为DSP. 系统采用DSP中的PWM来发射数字可调的脉冲串激励, DSP定时向发射电路提供触发脉冲, 使发射电路产生脉冲超声波, 发射电路驱动换能器, 由于压电效应, 换能器产生振动, 电势能转变为机械能, 再转变为声能发射出去. 超声波在混凝土中传播, 穿过预制板, 与之相对应的接收换能器由于压电效应使声能转化为机械能, 再转化为电能. 由于超声波在介质中传播具有衰减, 使得接收端接收到的能量比较微弱, 需要进行信号放大和滤波, 再由DSP内部的A/D将模拟信号转化为数字信号. 数据采集时, 每发送一次脉冲串激励, 就进行一次A/D转换.采样数据经过FFT变换把时域信号转换到频率域, 并且自动将FFT变换后的数据送SD存储卡中, 同时上位机通过Visual Basic的API控件将数据从SD卡中读出, 然后通过程序将数据绘制成图像显示出来.系统框图[3]如图2所示.

图2 超声波检测系统框图

2 检测数据处理与判断

如果某部分混凝土存在空洞不密实或裂缝等缺陷, 破坏了混凝土的整体性, 与无缺陷的混凝土相比较声时值偏大, 波幅和频率值降低. 超声波检测混凝土缺陷, 正是根据这一基本原理, 对同条件下的混凝土进行声速, 波幅, 强度、声压衰减的相对比较, 从而判定混凝土的缺陷情况.

2.1 算法处理

DSP算法处理主要有三个方面:

(1) FFT算法原理[4]: 它的基本思想是, 对任一时间序列, 利用WN的周期性、对称性. 对于N的DFT:

由于TMS320F2812芯片为定点运算的芯片, 不支持浮点运算, 使得我们必须用Q格式[5]表示数据. (2) 密度算法

声压P与信号幅值的平方成正比, ΔP为声压衰减, 可根据发射端和接收端信号的幅值来求得. 则单位长度预制板内吸收声压大小为?. 得波声压衰减越小, 材料密度越大, 混凝土材质的空隙与气泡就越少, 硬度与强度就越大, 超声波就越不容易发生折射与衍射, 波传播的能力消耗也就越低, 从而接收到的声压也就越大. 反之亦然. (3) 强度算法

当声波通过媒介传播时, 其强度随传播速度的增大而增强, 超声波测强曲线一般都用幂函数方程

S=aexp(bVp)(Vp为混凝土声速)来表示[6]. 其中a, b是通过最小二乘法得到的经验值. 我们应根据实际情况中预制板中混凝土的强度等级和龄期来计算强度[7].

2.2 缺陷分析判断

由于混凝土介质成分较为复杂, 而且允许其含有一定的气泡、空隙. 使得超声波在其中传播过程中有一定的限制. 当频率增大时, 超声波的波长变小, 折射和衍射的能力就越低, 从而就越难以在混凝土中传播, 一个合适的频率保证了超声波传播的有效性. 通过我们多次实际测量, 结合发射探头的固有频率, 选择48.5KHz时超声波穿透能力最合适.

预制板有实心和空心两种类型. 我们选择的样本是空心预制板. 用超声波仪测量此样本时, 要考虑两种情况: 一是圆柱形的空心部分, 此部分填充的是空气; 二是测量含有钢筋的实心部分.

我们选用2.4×0.5×0.12(m3)的空心预制板, 此系统的采样信号是正弦波,基波频率是50KHZ, 采样点数是128.分别检测(图3)A、B、C、D四处的波形, 经FFT变换后得到的频谱图如图4所示.

图3 预制板结构框图

图4 FFT的频谱分析

表1中的数据是在A、B、C、D每处测5次得到的频谱图中的基波幅值大小, 最后根据基波幅值大小来判断它的声压衰减、强度、材料密度情况.

表1 测试的数据

从图表可以看出, 谱线的幅值出现了一个极大值, 其对应的是基波. 根据频谱图中基波的不同幅值[9]来判断缺陷位置. 无缺陷状况下, 实心部分对应的幅值最高(3500 ～ 4000mV), 含有圆柱体的空心部分的幅值比实心部分的低, 当换能器通过空心部分的轴线时, 它的幅值最低(800 ～ 1000mV). 当测得的幅值在最低值(空心部分的轴线时)和最高值(实心部分时)之间(800 ～ 4000 mV)时, 表明是无缺陷的. 当测得的数据远小于通过空心部分轴线时(幅值A ＜ 200mV), 那么它有可能是缺陷的, 为保证判断的可靠性, 可根据概率定理[10], 来确定是否有缺陷. 在信号的频谱图上可以直接得到基波和各次谐波的频率和对应的幅值,通过大量数据对比, 可以分析出噪声、温湿度等周围环境对混凝土预制板强度等性能的影响.

3 结论

超声波检测预制板混凝土这种无损检测装置, 目前得到了很多专家的肯定, 将广泛应用于建筑行业.通过频谱图中高次谐波来分析噪声等的来源和对检测系统的影响, 这是我们下一步要研究的重点. 利用DSP芯片发射脉冲、进行信号采集与处理来完成对预制板混凝土的检测, 可以为此系统的深入研究提供必要的手段.

[1] 张治泰, 邱 平 . 超声波在混凝土质量检测中的应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006

[2] 周 凯. 超声波混凝土构件检测系统的研究及试验分析[D]. 中南大学硕士学位论文, 2007

[3] 贺艳枚. 基于SOPC的非金属超声检测分析仪的研制[D]. 湘潭大学硕士学位论文, 2007

[4] 余成波, 杨 菁. 数字信号处理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005

[5] 何苏勤, 王忠勇. TMS320C2000系列DSP原理及应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003

[6] Gregor Trtnik, Franci Kavcic, GoranTurk. Prediction of concrete strength using ultrasonic pulse velocity and articial neural networks[J]. Ultrasonics, 2009(49): 53～60

[7] 刘文彦, 史振寰. 混凝土配制强度[J]. 中国三峡建设. 2003(03): 20～21

[8] 中国工程建设标准化协会标准——超声法检测混凝土缺陷技术规程. 北京, 2000

[9] 黄跃华. 超声检侧混凝土构件缺陷的研究[J]. 硅谷, 2009(22): 125～128

[10] 盛 骤, 谢式千, 潘承毅. 概率论与数理统计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001

Application of Concrete Precast Panels Detecting System Based on Ultrasonic

PENG Shuang-guang, WU Xin-kai
(School of Information and Electronic Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201,China)

TP274+.53

A

1672-5298(2010)03-0082-04

2010-05-19

彭双光(1986- ), 女, 湖南湘潭人, 湖南科技大学信息与电气工程学院硕士研究生. 主要研究方向: 智能检测技术与自动化装置控制