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A1040 MIRA超声波断层扫描仪代表了超声脉冲回波测试一个质的飞跃

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2021-10-22 | 37 次浏览 | 分享到:

A1040 MIRA超声波断层扫描仪代表了超声脉冲回波测试一个质的飞跃。

由莫斯科声学控制系统公司与柏林联邦材料研究与测试研究所 (BAM) 合作制造,得益于其配备的独家创新,这款 48 换能器超声波仪器 DPC(干点接触)代表了以及其他技术难以检测的物体的厚度测量、缺陷检测和定位的最快解决方案。该系统专为混凝土和其他材料设计,可通过内部结构成像进行超声波断层扫描,可以评估高厚度混凝土元件,例如隧道衬砌。我们与ACS公司讨论了这个问题。

超声断层扫描仪与传统超声仪器的实质性区别是什么?

民用领域的传统超声方法包括测量频率的超声压缩波(P 波)穿过位于给定距离的两个换能器之间的介质所花费的时间,获得传播速度,以评估材料质量。与超声波仪器相比,A1040 MIRA超声波断层扫描仪的工作方式不同,主要有两个原因:它不使用 P 波,而是使用横波(S) ,它在能量上不如 P 波强大且速度慢,但更适合材料的表征。应该注意的是,对于传统仪器,比材料中波速的评估更先进的其他应用由于介质固有的不均匀性而存在相当大的困难。材料内部的界面、水泥骨料和混凝土孔隙,或任何其他强烈的声学不均匀性,表现为一个或多个裂缝的存在,引起二次反射和折射,干扰波在介质中的传播(散射现象) ) 并使测量变得困难,因为“结构”噪声和衰减会影响结果。这些不连续性实际上激活了不同的传播模式(波模式转换),每种模式的特点是传播速度不同,这会导致波在传播过程中发生色散和失真。为了解决这些问题,我们可以使用 A1040 MIRA超声波断层扫描仪,其操作仅基于由阻尼很大的压电换能器发射的弹性波短脉冲通过界面表面的第一次反射,该界面可以由结构底部表示,也可以通过材料中存在的缝隙、空腔、加强件和其他不连续性(脉冲回波法)。

      由这些不均匀性反射的波的强度取决于它们与基础材料在声阻抗方面的对比(声阻抗 Z = 密度 ∙ 弹性波的速度)。特别是空隙中存在的空气几乎具有零声阻抗,并且脉冲被整体反射:R = (Z 2 - Z 1 ) / (Z 1 + Z 2 ) = - 1。负号也表示波极性反转。较弱的指示(R ~ 0.5)对应于钢筋,其声阻抗约为混凝土的 4-5 倍。这意味着空气-混凝土界面涉及脉冲相位反转的完全反射(例如,压缩脉冲被反射为拉伸脉冲)。

      相反,在声阻抗高于混凝土的钢筋和后张拉索的界面处,会发生同相位的部分反射。通过这种方式,可以检查更复杂几何形状的结构元素,前提是在规则的测量点网格上重复测量。 

      由于通过一系列 12 个等距脉冲发射接收传感器重复应用该原理,该仪器可在几秒钟内沿与产品表面正交的截面处理 2D 断层扫描(B 扫描:沿对齐),即使在只能从一侧测试的结构上也可以识别缺陷和病理,同时在规则的点网格上重复测量,可以生成内部结构的 3D 模型调查的元素。

A1040 MIRA超声波断层扫描仪有哪些特点?

该仪器的主要特点是由 48 个强阻尼点接触压电换能器组成的阵列。在该仪器中传感器分为 12 个模块,每个块 4 个传感器。该工具在线工作。每个块都用作发射/接收切割波的单个传感器。采用剪切波的主要优点是在它们被反射时不会发生模式转换,并且与相同频率的压缩波相比,具有更短的波长,因此具有更高的分辨率。此外,即使是在断层扫描平面内约 10-15 毫米的小反射体,但在波的极化方向上具有细长的几何形状,例如在嵌入混凝土中的管道和电缆的情况下,也可以很容易地检测到。

设备如何运行?

一般而言,考虑到 12 个换能器块系列中发射器/接收器的可能组合,选择快速获取由脉冲回波方法所基于的结构元件中存在的任何不连续性反射的脉冲信号,允许结合对被调查对象的许多观察结果。如前所述,这转化为结构噪声的显着降低,这为在钢筋混凝土和锻铁等异质材料中实施声学研究提供了条件。 就数据采集而言,每个传感器块依次充当接收器或发射器。然后 4 个传感器发射在材料中传播的波,其余 11 个传感器块充当接收器,然后通过切换平行于第一条线的 4 个传感器上的波发射来重复测量,而其余 10 个传感器块则阻止它们接收,等等。总之,在大约 3 秒内生成 66 个波形(A 型扫描)并以断层扫描切片的形式处理(扫描 B),它返回材料内的速度分布,而不再是准点速度。66 个波形的组合降低了噪声并允许更精确地定位反射器(SAFT 技术)。因此,与传统的超声仪器不同,我们不再有直接测量,而是描述大约 30 厘米宽的截面的信息,其深度取决于被调查对象的大小。出于测量目的,将仪器放置在尽可能干净的裸露混凝土表面上并与待研究材料直接接触非常重要。

“SAFT 技术”是什么意思?

合成孔径聚焦技术 (SAFT) 是将测量结果转换为断层扫描图像的处理技术之一,可减少固有结构噪声。

图像的焦点是通过基于三角学的算法获得的,计算适中。使用这些技术,通过将每个信号添加到与从该点(对应反射器)反射的脉冲所传播的几何距离相对应的时间来聚焦断层图像的通用点。可以采用线性或平面采集网格,分别返回二维和三维表示。二维 SAFT 图像是与测试表面正交的截面(B 扫描),而在 3D 情况下,可以产生与测试表面平行的截面(C 扫描)。使用 SAFT,您还可以重建元素的轮廓(完美反射器)。此外,结构噪声和模式转换的影响会因多个信号的组合而减弱,从而显着降低噪声。

A1040 MIRA超声波断层扫描仪通常工作的频率是多少?

传感器的标称中心频率为 50 kHz,非常适合在混凝土等材料上工作,但在调查期间,它可以设置在 10 到 100 KHz 之间。

对于更大的深度和更低的分辨率,可以使用大约 20 KHz 的频率,例如,如果有必要调查具有重要厚度的拱顶的旧隧道的厚度,而为了在表面部分获得更高的分辨率,它将总是更高的频率,达到最大约 80 KHz。我再次记得所产生的振动类型,剪切波的短脉冲,允许在断层扫描中获得更多细节(更短的波长),更容易适应不同质量的混凝土和待研究的厚度,除了能够甚至可以识别水饱和的裂缝。 

换能器是如何制造的?

每个超声波换能器都可以在干接触下工作,而无需使用凝胶或其他耦合材料(DPC - 干点接触),由于采用耐磨陶瓷尖端,因此可显着节省时间。得益于这些创新的传感器,每个传感器都配备了独立的弹簧悬架,通过与待研究表面更好的接触来实现更好的能量传输,即使这不是非常光滑或平坦的表面,该仪器也可以用于粗糙表面和不规则表面(在公差范围内) 8 毫米)。因此,除了正常去除灰尘和水泥滴落外,不需要对测试表面进行特殊准备。 

这个工具怎么用?

与传统超声仪器不同,如前所述,传统超声仪器使用直接方法,发射器和接收器横跨待研究的材料。该仪器只需在结构的一侧工作,在反射中,允许识别材料内的厚度,由此仪器在隧道中的频繁使用,结构元件(如钢筋)的存在,或预应力钢缆的位置和任何缺陷,或材料的断裂、砾石空洞、空隙或不均匀性的存在。这种类型的调查的局限性可能源于从定性的角度来看不是“好”的表面的存在,在材料的前两/三厘米厚度(盲区)中包含不允许正确传输能量的缺陷到元素,在这种情况下该工具将失去其效力。

      我来解释一下,我所指的缺陷可归因于空气界面的存在,该界面涉及波的完全反射(缺陷内的空气、裂缝、隧道覆盖层与上覆岩石之间的分离)。应该注意的是,断层扫描仪不能越过平行或几乎平行于测量表面的界面,因为整个波都被反射了。与雷达不同的是,仪器会停在此类第一个完全分离处,不允许您进一步调查。因此,如果调查的目的是确定厚度,我将无法估计数据,但我仍然能够识别缺陷的存在并提供有关材料质量的定性答案。

      必须指出,在间接技术的情况下,使用单一方法并不总是能够提供所需的最终结果。将几种方法结合起来是一个好习惯,例如地雷达和断层扫描仪的结合,以获得更好的结果。相反,在某些情况下,基于电磁波操作的地球雷达并不特别适合,因为电磁波无法穿透材料,而断层扫描仪则可以获得良好的效果。为了尽可能准确地进行调查,间接调查的结果应始终与岩心相关联,以验证真实厚度并最好地校准材料内部使用的波速。 

地质雷达和断层扫描仪之间最显着的区别是什么?

原则上,脉冲回波方法与地球雷达技术有一些相似之处,不同之处在于它对空隙和裂缝更敏感,对金属的存在不太敏感。可以说,雷达之于金属,就像脉冲回波在于空气。弹性脉冲的波长在 50 KHz 时平均在 50 到 70 毫米之间,可以识别半米深度处 30 毫米数量级的缺陷,识别直径为 20 毫米的长度为 200 mm的管道,深度介于 50 和 400 mm 之间,并且使用大约 20 KHz 的频率(λ 介于 150 和 200 mm 之间)测量最大厚度 约 23m。

使用领域有哪些?

超声波断层扫描仪适用于钢筋混凝土结构无损检测领域的各种应用。正如我们已经说过的,脉冲回波方法对混凝土-空气界面的存在非常敏感,这要归功于两种介质在声阻抗方面的显着对比。这就是为什么它特别适用于确定只能从一侧检查的元件(地板、沉箱、隧道衬砌等)的厚度,定位钢筋、预应力电缆、管道、空腔等。该仪器具有自动速度测量系统:注意传感器之间的距离以及波从一个传感器到另一个传感器所需的时间,从而正确测量材料中的波速。操作员可以决定是在自动模式下工作还是设置固定速度并以此方式工作。此外,始终可以使用自动模式来估计元件的速度并在元件的各个部分之间进行比较调查,以识别材料的任何劣化部分。断层扫描仪还可用于评估后张预应力筋护套内或预制块中隧道衬砌与周围土壤之间的水泥浆注入质量。