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LAUS –大孔径超声波成像系统 | 用于测试大体积混凝土结构

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2022-06-20 | 1005 次浏览 | 分享到:

摘要

LAUS,Large Aperture Ultrasonic System,该系统由可扩展的12个超声单元组成,每个超声单元容纳32个独立的剪切波传感器并与混凝土表面形成机械干点接触(DPC)。空气通过软管供应到每个单元,12个超声单元通过真空外壳固定在混凝土表面,每个LAUS单元可以根据表面状况和*佳超声状况(例如钢筋位置)单独放置,在操作过程中将其固定在适当的位置。该文章将描述系统的概述,功能原理,基于SAFT的数据处理和适应的重构计算以及系统,首次应用时的性能。

1.  简介

对混凝土构件施加超声回波的主要目的是确定混凝土板的厚度,定位分层,定位缺陷和研究内部组件(例如,管道)。有些结构的混凝土截面厚度远远超过100厘米,无法用现有的超声波设备进行测试。大多数情况下,这样的结构只能从一侧进行,这进一步强调了脉冲回波测量的必要性。这种结构可以在地基、水坝、核电站或废物储存容器中找到。特别是对于与安全相关的结构,如核容器,对厚钢筋混凝土的无损检测被确定为一个主要的研究目标[1,2]。

2.  系统描述,处理和定位

LAUS系统(完整型号为А1045LAUS)设计用于通过超声脉冲回波检查大型混凝土物体,从而可以通过一侧通道检查混凝土结构。超声波的产生与传感应用是基于70年代引进的DPC换能器。多路径布置由12个相同且独立的探头单元实现,它们可以自由放置在混凝土测试对象的表面上。每个探头单元由三部分组成:(1)超声波(UT)模块,(2)电子模块(EM)和(3)真空盒(VC)。

大孔径超声波成像系统

Figure 1: LAUS系统的一台超声波装置单元

 

  • UT模块由32个超声波DPC传感器组成。 它们每个都有一个到电子单元的电连接器,所有32个换能器同时发送或接收超声波。

  • EM电子模块设计用于产生电脉冲以及超声波脉冲,从电子模块发送和接收数据的管理过程安装在外部计算机上,所有通信均通过ad-hoc网络中的WiFi进行。所有的EM电子模块是并行运行的,其中一个单元由控制器软件分配为主单元。

  • 超声波信号的同步是在ISM频段(868MHz)的无线电信道上进行,从而确保两个设备之间的时间间隔小于1μs。如果设备在视线范围内,则同步可以在很长的距离(几米)内进行。另外,还提供了通过电线进行同步的功能。

  • 使用定制设计和制造的真空外壳将探头附着在混凝土表面,每个UTs超声波模块单元都有一个真空外壳(VC),可以利用大气压力来安装设备。利用文丘里管喷嘴产生的低气压将超声波模块单元的底部用海绵橡胶材料密封在试样表面(如图1所示)。

  • 在*简单的位置布置中,传感器单元沿直线等距安装形成规则的一维孔径,对于这个和常规的二维网格,存在数据分析和重构程序。例如已开发用于分析多种MIRA测量的仪器[4]。

  • 在非常规布置中,必须确定换能器的位置和方向,因为需要此信息作为Inter-SAFT程序的输入。EM电子模块的顶部使用反光标签勾勒出轮廓,并使用相同的涂料分别标记有数字或字符。这些特征被提取出来应用到软件模块中,然后这个预处理步骤的结果被应用在inter-SAFT程序中,用于分析和显示在测量序列中获得的全部132个A扫描中。

  • 用于产生声场的横波换能器的*佳配置是其成一条完美的直线。偏离这条线的偏差可能是由表面条件、可接近性或加固位置造成的。如果需要2D重建,这种偏差是可以容忍的。

大体积混凝土超声波成像系统

Figure 2::LAUS系统安装在混凝土墙上

软管供应气压以产生真空将UT超声波模块固定在混凝土表面,控制器使用WiFi连接进行管理测量,LAUS模块之间不需要电缆连接。

3.   数据处理与系统性能

该系统配备了数据处理软件,该软件从同一制造商的Mira线性阵列设备衍生而来。它允许控制系统、捕获数据、显示任何发射器-接收器配置的A扫描以及基于等距和线性探头位置进行SAFT重建。

为了进行交互数据处理,扩展了InterSAFT软件包(K. Mayer,卡塞尔大学,InterSAFT成像软件系统,由卡塞尔大学和BAM共同开发)以包含LAUS系统可自由放置传感器的灵活配置可能性。在具有挑战性的实验情况下,该软件包允许通过链中的交互式参数优化对困难的测量条件做出反应-数据预处理、数据过滤、重构技术、后处理和可视化。该软件包由不同的模块组成,可以分别应用或在处理链中应用到数据。这是通过优化现场实验安排来优化测量结果所必需的。

这里介绍一种测试方法,基础板用于确定用于测量非常厚的混凝土的深度范围。平板高度为4000毫米x 4000毫米,高度为600毫米(*大骨料尺寸为32毫米,经过了加固)。  LAUS单元安装在平板的一侧,平行于4米轴线的中心位置。孔径长度保持*小(LAUS单元彼此相邻),LAUS系统的位置如图3所示。

大体积混凝土超声波成像系统

Figure 3:LAUS在4000 mm x 4000 mm和680 mm厚度的大型基础板上的结果。

LAUS系统安装在平板的前侧,SAFT重建的打开角度设置为180º,以收集来自各个方向的所有回波。从相对的前侧以4000 m的距离,从相对侧的平板边缘(距离为4470 mm)以及从埋入的桩顶以1300 mm的距离检测到清晰的回波。由于表面波的反射,其他回波在桩头后面的测量平面侧面可见。

大体积混凝土超声波成像系统


大体积混凝土超声波成像系统

4.   结论

首次使用LAUS系统进行测量的结果证实,在实验室样本中,厚度测量的深度范围超过4米(骨料尺寸为32毫米)。在*佳条件下,其几何分辨率与MIRA系统相当(MIRA的*小分辨率为25px)。在加固严重的地区,在1200毫米深的地方进行背面探测是可能的。

LAUS系统开发用于测试厚实和高强度的混凝土,因为它在工业环境和大型基础设施中很常见。该设计通过紧凑的阵列尺寸,独立的传感器单元以及具有任意孔径的数据分析来支持这一点。 换能器可以放置在狭窄的空间,良好的表面状况中,并且在环境对换能器的干扰较小的情况下将换能器放置在适当的位置。



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