張 儀，尹愛軍, 陳本乾

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引 言

在過去幾十年間，一系列無損檢測方法，如超聲脈沖法、射線法、回波法、雷達(dá)法以及電磁法[1]等，在混凝土及其他結(jié)構(gòu)材料測試方面得到廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)40年代起，超聲脈沖回波法得到廣泛開發(fā)和應(yīng)用，但存在高頻應(yīng)力波被各向異性材料吸收的問題[2-3]。80年代中期，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)明了沖擊回波法，它是一種對(duì)混凝土及磚石結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損評(píng)估的聲學(xué)方法。1987～1997年，在美國康乃爾大學(xué)得到進(jìn)一步的開發(fā)。在1997年12月，美國材料測試協(xié)會(huì)（ASTM）發(fā)布了用沖擊回波法測定P-波速度和混凝土板狀結(jié)構(gòu)厚度的標(biāo)準(zhǔn)方法。恰當(dāng)?shù)厥褂脹_擊回波法，在各種類型的混凝土結(jié)構(gòu)（如高速公路路面、橋梁、大型建筑物、隧道、大壩、管道、海堤等）中能成功確定缺陷的位置，其經(jīng)濟(jì)效益不可小覷。

1 混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測原理

1.1 沖擊回波法原理

沖擊回波法[4]是利用小鋼球沖擊混凝土表面作為振源，通過被測混凝土介質(zhì)進(jìn)行傳播。產(chǎn)生的波有3類：與傳播方向平行的縱波，即P波;與傳播方向垂直的橫波，即S波;沿固體表面?zhèn)鞑サ腞valeihg波，即R波。這些波遇到波阻抗有差異的界面就發(fā)生反射、折射和繞射等現(xiàn)象。傳感器接收這些波后，通過頻譜分析，將時(shí)間域內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)化到頻域，找出被接收信號(hào)同混凝土質(zhì)量之間的關(guān)系，從而達(dá)到無損檢測的目的?；炷两Y(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測原理[5]示意圖如圖1所示。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測原理示意圖

1.2 單層混凝土結(jié)構(gòu)的回波特性

為了便于解釋結(jié)果，把混凝土結(jié)構(gòu)分為以下幾個(gè)等級(jí)：質(zhì)量較好（VGB）、質(zhì)量一般（FB）、質(zhì)量低下（PB）、質(zhì)量較差（VPB）[6]。

1.2.1 質(zhì)量較好（VGB）

質(zhì)量較好的混凝土結(jié)構(gòu)沒有缺陷，幾乎所有的應(yīng)力波都能傳播到底部邊界，在頂部表面和底部邊界之間來回反射，所以其頻譜圖只在低頻處有一振幅峰值，在高頻部分有一些小的振幅峰值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低頻部分的振幅峰值。

1.2.2 質(zhì)量一般（FB）

質(zhì)量一般的混凝土由于有小部分缺陷，故大部分應(yīng)力波均可傳播到底部邊界，在頻譜中表現(xiàn)為在低頻處有一較大振幅峰值，在高頻處也有振幅峰值。

1.2.3 質(zhì)量低下（PB）

質(zhì)量低下的混凝土結(jié)構(gòu)中存在小的孔洞或蜂窩，應(yīng)力波可傳播到底部邊界并多次反射，在頻譜中表現(xiàn)為低頻處的振幅峰值，而孔洞或蜂窩在頻譜中表現(xiàn)為高頻的多處振幅峰值，并且振幅峰值大于低頻部分的振幅峰值。

1.2.4 質(zhì)量較差（VPB）

質(zhì)量較差的混凝土結(jié)構(gòu)中有較大缺陷，造成只有少量應(yīng)力波傳播到底部邊界并反射，大部分應(yīng)力波被缺陷表面反射，頻譜特征為在高頻處有一振幅峰值[7]，這是應(yīng)力波在內(nèi)部缺陷和構(gòu)件表面來回反射造成的；在低頻處有一振幅峰值，這是應(yīng)力波在混凝土底部邊界多次反射[8]的結(jié)果。并且與結(jié)構(gòu)厚度相應(yīng)的振幅峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與缺陷深度相應(yīng)的振幅峰值，這說明應(yīng)力波能大部分被缺陷表面反射，只有一小部分波能到達(dá)底部邊界。

2 無損檢測虛擬儀器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

虛擬混凝土檢測儀主要是由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分是由加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和激勵(lì)信號(hào)源組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 虛擬式混凝土質(zhì)量檢測儀結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 儀器面板設(shè)計(jì)

虛擬儀器用戶界面是基于美國NI公司的圖形化編程LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的。在LabVIEW平臺(tái)下，一個(gè)VI由前面板和流程圖（或稱后面板）兩部分組成。前面板的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器與前面板相聯(lián)系的硬件電路。儀器面板設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量識(shí)別兩大模塊組成。回波信號(hào)采集及頻譜分析界面如圖3所示。

圖3 回波信號(hào)采集及頻譜分析界面

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是由USB數(shù)據(jù)采集卡MSP-080001實(shí)現(xiàn)的，通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的一些基本參數(shù)，如通道號(hào)、基地址、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣長度等來初始化采集卡，啟動(dòng)采集卡進(jìn)行采集并顯示波形。

2.2.3 質(zhì)量識(shí)別

采集卡采集的回波信號(hào)[9]其中夾雜有高頻噪聲信號(hào)，需要用濾波器濾除掉高頻噪聲以提取信號(hào)中的有用信息。LabVIEW自帶的butterworth濾波器能夠很好的濾除高頻噪聲，回波信號(hào)經(jīng)濾波后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再進(jìn)行傅里葉變換得到其頻譜圖。

根據(jù)回波信號(hào)的頻譜特性可以判斷待測混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的好壞與頻譜中高頻振幅峰值和低頻振幅峰值大小有關(guān)：低頻振幅峰值越高，說明應(yīng)力波到達(dá)底部的數(shù)量越多，也就是混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)應(yīng)力波的阻礙越小，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量越好；與此對(duì)應(yīng)的高頻振幅峰值越高，說明應(yīng)力波在到達(dá)底部前被缺陷反射的越多，也就是混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷明顯對(duì)應(yīng)力波的傳播造成了阻礙，即混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量越差。因此可由回波信號(hào)的頻譜圖的振幅峰值判斷混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3 虛擬混凝土檢測儀的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

以室內(nèi)普通地板作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，由鋼錘沖擊地板產(chǎn)生沖擊波，經(jīng)加速度傳感器由USB數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)到計(jì)算機(jī)，采樣頻率為100kHz。

圖4 質(zhì)量一般（PB）頻譜圖

圖5 質(zhì)量較好（VGB）頻譜圖

圖4 為沖擊回波法實(shí)驗(yàn)測得的混凝土回波信號(hào)頻譜圖。可以看出，在低頻處有一較大的振幅峰值，這表明有大部分應(yīng)力波能夠到達(dá)底部邊界，在高頻處也有振幅峰值存在，說明結(jié)構(gòu)中有缺陷存在，測試的混凝土結(jié)構(gòu)一般（PB）。

圖5為采用另外一塊地板作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象采集到的回波信號(hào)頻譜?？梢钥闯?，只有在低頻處有一較大的振幅峰值，這表明大部分的應(yīng)力波能夠傳播到底部邊界，在頂部表面和底部邊界之間來回反射，檢測的混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好（VGB）。

4 結(jié)束語

混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測在工程中具有重要的意義，沖擊回波法根據(jù)振動(dòng)波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播特性，通過檢測回波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測識(shí)別。

本文在沖擊回波法無損探傷檢測原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW系統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量無損檢測儀，并對(duì)儀器的功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，初步達(dá)到了預(yù)期效果。

[1]張來順，張龍華，王旭.淺析混凝土無損檢測技術(shù)[J].黑龍江交通科技，2008（12）：22-25.

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[6]李家偉.無損檢測手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：256-362.

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