无损检测技术在土木工程中的应用现状

无损检测技术在土木工程中的应用现状——超声波无损探伤检测法检测内容无损检测概述检测仪器超声波探伤原理实验步骤应用现状一、无损检测的定义无损检测就是是指不破坏和损伤受检物体，对其性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。无损检测技术是提高产品质量，促进技术进步不可缺少的手段，特别随着新材料、新技术的广泛应用，各种结构零件向高参量、大容量方向发展，不仅要提高缺陷检测的准确率和可靠性，而且要把传统的无损检测技术和现代信息技术相结合，实现无损检测的数字化、图像化、实时化、智能化。超声波无损检测超声波无损检测就是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。超声检测是利用超声波的透射和反射进行检测的。超声波可以穿透无线电波、光波无法穿过的物体，同时又能在两种特性阻抗不同的物质交界面上反射，当物体内部存在不均匀性时，会使超声波衰减改变，从而可区分物体内部的缺陷。因此，在超声检测中，发射器发射超声波的目的是超声波在物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并显示出内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。超声检测作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广等根本性的优点外，而且其输出信号是以波形的方式体现。使得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别和人工智能等高新技术能被方便地应用于检测过程，从而提高检测的精确度和可靠性。超声波无损探伤是超声无损检测的一种发展与应用，其设备有：超声探伤仪、探头、藕合剂及标准试块等。其用途是检测铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度测定。超声无损检测在最近几十年中得到了较大的进展,它已成为材料或结构的无损检测中常用的手段。由于超声检测可以在线进行、超声波对人体无害又不改变系统的运行状态，因此，在材料或结构的无损检测中得到了广泛的应用。二、检测仪器•超声波探伤仪超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷的检测、定位、评估和诊断。还可以使用在实验室，也可以用于工程现场.由上海亿平仪器仪表有限公司提供超声波探伤仪的探伤方式可分为A型、B型、D型和M型四大类。超声波探伤仪可全面、客观地采集和存储数据，并对采集到的数据进行实时处理或后处理，对信号进行时域、频域或图像分析，可通过模式识别对工件质量进行分级，从而减少了人为因素的影响，提高了检索的可靠性和稳定性。数字超声波探伤仪三、超声探伤原理超声波探伤具有反射和透射两种方法。其中反射方法精确度较高。图1是脉冲回波探伤仪原理图。脉冲发射器通过探头将超声波短脉冲送入试件，当回波从试件的缺陷或边界返回时，通过信号处理系统，在示波器上加以显示，并将其幅度和传播时间显示出来。如果已知试件中的声速，则根据示波器上的读数所获得的脉冲间的传输时间即可获得缺陷的深度。图1脉冲回波探伤仪原理图目前，运用数字式数据处理比模拟电子技术显示了极大的优越性，随着探伤技术的发展，数字信号处理与分析已不再仅仅是辅助技术，而是一种基本技术。高性能的A/D转换器和高效率的微处理器的问世，将不断地取代模拟电子的技术，尤其在高频领域应用模拟电子技术明显受到限制。数字化超声波探伤使测试系统开拓了新的检测能力。数字化超声波探伤仪的整个系统由计算机（工控机IPC）作为主机（上位机），以单片机芯片为主构成的四块专用板卡及系统构成及通用的开关量I/O板卡组成下位机，统一控制管理超声系统（见图二）。图2数字化超声波探伤仪系统系统程序流程：系统上电运行探伤操作程序→IPC机送下位机初始数据→中断响应进入缺陷判断报警程序→IPC机读取底波峰值电压VB，缺陷波峰值电压VF，底波距发射的时间TF信号及一组高速采样数据→分析计算处理数据→符合缺陷判断条件报警→显示屏上画出高速采样波形→调整后的闸门和衰减量等参数存储，待下一循环送出→返回探伤操作程序，并等待响应下一次中断。四、实验步骤发射系统按要求发射一定频率的超声波，通过探头将超声波射入被检测构件上。在构件中，超声波经过反射、折射或者透射而形成不同的被接收信号。这些信号又通过探头进入接收系统，然后经过声电变化，在显示系统中形成波状的检测结果，成为根据不同的检测原理，超声波形，就可以对构件内部缺陷进行分析。检测可分为：脉冲反射法、透射法、共振法。1、脉冲反射法脉冲反射法是利用超声波在试件内传播的过程中，遇有不同介质的界面时将发生反射的原理进行检测的。它采用一个探头兼做发射和接收器件、接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其在时间轴上的位置来判断缺陷的有无、大小和方位。→↓←2、透射法投射法将发射探头和接收探头分别置于试件的两个相对面上。根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。因此，通过不同位置的接收信号强度不同，就可以判断缺陷的大小和位置。→↓←3、共振法探头把超声波辐射到试件后，连续调整声波的频率以改变其波长，当试件的厚度为声波半波长的整数倍时，则在试件中产生驻波。在测得超声波的频率和共振次数后，就可以计算试件的厚度了。五、应用现状1、超声在测定混凝土结构强度及厚度的应用(1)强度检测技术超声波检测是利用混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数(声速)之间的相关性来检测混凝土强度的。混凝土的弹性模量越大，强度越高，超声波的传播速度越快。经试验，这种相关关系可以用非线性数学模型来拟合，即通过实验建立混凝土强度和声速的关系曲线。现场检测混凝土强度时，应该选择浇筑混凝土的模板侧面为测试面，一般以200mm(200mm的面积为一测区。每一试件上相邻测区间距不大于2m。测试面应清洁平整，干燥无缺陷和无饰面层。每个测区内应在相对测试面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上，测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合，并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。按拟定的回归方程计算或查表取得对应测区的混凝土强度值。(2)声波反射法测量厚度如图3所示，超声波从一种固体介质入射到另一种固体介质时，在两种不同固体的分界面上会产生波的反射和折射。声阻抗率相差越大，则反射系数也越大，反射信号就越强。所以只要能从直达波和反射波混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点，并测出反射波到时，就可以由式(1)计算混凝土的厚度:式中：H为混凝土厚度：C为混凝土中声速：T为反射波走时：L为两换能器间距。由(1)式知，要准确得到厚度,关键是如何设法测得较准确的混凝土声速C和混凝土结构底面波反射声时T。当换能器固定时，L是一个常数。图3反射法测量厚度原理图2超声在桥梁混泥土裂缝检测中的应用桥梁结构的使用性能及耐久年限，主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同决定。由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷，这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处：此外，桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀，带来后天病害。如图4所示，先在与裂缝相邻的无缺陷混凝土利用*测法计算出超声波在测距为2a的混凝土中的声时t0：再将超声换能器置于裂缝两侧各为a的距离，计算出跨缝测试超声波的声时tc，计算裂缝深度dc公式为:图4桥梁检测示意图3焊接方面的应用采用超声相控阵技术及B扫描实时成像技术，通过足够数量的探头排列和触发时间控制，并选用不同频率范围，可以实现嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测。通过对比超声图像与接头实剖图，发现该方法能可靠地检出物体中的缺陷，并能较精确地确定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道安装工程中的检测进一步验证了该技术的可靠性。检测示意图如图5所示。超声相控阵检测结合B扫描技术可以判断检测截面上电阻丝的位置，从而可以判断由于管材和套筒配合过紧造成的电阻丝垂直方向的错位情况，从实剖图上得到验证如图6所示，比较超声成像图和实剖图可以看出，相控阵超声方法对金属丝有较好的分辨效果，连很微小的位移也能分辨出来，定位精度达0.5mm。图5焊接检测示意图图6电阻丝错位图无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5%，国防、宇航、原子能产品为12%-18%，火箭为20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力：日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超过美国。德国科学家认为，无损检测验技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。超声无损检测技术是五大常规检测技术之一，与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广，检测深度大：缺陷定位准确.检测灵敏度高：成本低，使用方便：速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。因此.超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用颇率最高且发展较快的一种无损检测技术，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段，体现在保证机器零件的可靠性和安全性上。世界各国出版的无损检测书籍、资料、文献中，超声探伤所占的数量都是首屈一指的。有关资料表明，国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料，全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45%。前几届世界无损检测会议论文集收录的论文中有关超声检测的论文数遥遥领先于其它检测方法，特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议收录的663篇论文中，超声检测就占250篇。这些都说明超声无损检测的研究势头和其在无损检测中的重要地位。超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图象化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图象化超声仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krautraemer公司、美国Panametrics公司、丹麦ForceInstitutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。我国在这方面开展的主要研究有：计算机化超声设备；用户友好界面操作系统软件；超声数字信号处理，包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿等；高频超声无损检测技术：各种扫描成象技术：多坐标、多通道的自动超声检查系统：超声机器