超厚混凝土结构内部缺陷检测解决方案-LAUS大孔径超声波系统

摘要
用于混凝土构件的超声回波测试的常规系统的穿透深度大约一米，开发新型测试系统对于测试更厚的结构是必要的。A1045 LAUS大孔径超声系统由12个独立的阵列式探头组成，每个阵列探头由带有32个独立传感器组成（25-50 kHz的剪切波）。它们通过真空泵吸附独立地连接到混凝土表面，并且彼此之间以及与中央单元进行无线通信。所有可能的组合都会产生132个（A-Scan）单独的测量值，这些测量值用于重建组件的内部结构，这些数据集中可以组合起来进行3D评估。该系统已在多个测试对象和结构上成功测试。可以扫描霍斯特瓦尔德附近BAM测试现场的下落塔的五米厚的加固的基础平板，第二个例子是在大型桥梁结构中成功检测到深度为1.8 m的张力通道。
1. 简介
混凝土结构的无损超声回波检查技术已经成为了先进的技术，可以在现场进行初步评估，并且在结合了许多测量和后处理之后，可以对部件内部进行3D成像。这样可以可靠的定位张力通道和增强构件，可以确定结构的厚度以及与表面平行的分离。 在目前市售的超声波系统中，通常使用弹簧式点接触换能器，因为它们不需要耦合剂，也可以适应粗糙的表面。 几个这样的换能器组合在一起形成一个阵列，可以用作发射器或接收器。 多个阵列可以容纳在一个外壳中。我们在此类设备方面拥有多年经验，例如使用单站系统 ACS A1220 Transvisor或 ACS 1040 MIRA，这使得成像几乎可以实时显示。 MIRA 阵列的孔径长度为 330 毫米，因此特别适合检查厚度高达 100 厘米的组件。使用简单的 A1220 系统进行成像检查需要线性或平面记录数据，以便可以重建组件内部。这可以通过自动扫描仪完成，并且在检查桥梁和其他结构时已经证明了这一点。在这些测量中可以记录的深度范围通常扩展到 150 厘米左右，前提是钢筋、裂缝或孔隙含量不太高。暂时无法用超声波无损地检查更厚的混凝土构件。如此强大的组件是许多结构的一部分，例如地基、桥梁、支撑结构，它们可以在大坝、发电厂或核设施中找到。这些测试任务的解决方案只有在新设备的基础上才能成功。
2. LAUS大孔径超声系统
2.1要求
对要开发的新系统的要求是：
单个换能器阵列的*高信号强度
大的开启角度，可覆盖*大的面积
测试头布置灵活
无线通讯和同步
下限*大频率， 覆盖25 kHz，受益于长波超声波的较低衰减
2.2 基本结构
根据这些要求指定和实施的系统包括12个测试头和一台控制计算机（图1）。 这些单元通过无线进行同步，并通过WLAN与控制计算机进行通信。 测试探头可以单独放置，一方面可以避免在耦合条件较差的地方使用，另一方面可以将测试探头专门放置在无需加固的空间中。
2.3 探头
12个探头中的每一个都包含32个紧密堆积的点接触式传感器，它们可以作为发射器或接收器一起工作（图2）。它们排列成八行，每行有4个传感器，交替偏移一半传感器宽度。 这种紧凑的结构确保了宽的开启角度和高的声音强度，这是*大可能穿透深度的基本要求。 各个传感器都装有弹簧，因此可以适应粗糙的表面。
如上面提到的可商购的装置中那样，换能器产生水平极化的剪切波。 与相同频率的压缩波相比，它们的波长更短，因此可以实现更高的几何分辨率。 另外，它们可以产生更高的效率，并且在反射时只能转换为其他程度较小的波形。通过改变电激励脉冲，换能器的频率范围可以在25至150 kHz之间变化。除换能器外，测试头还包含真空抽吸设备，电源以及传输接收和通信电子设备。

图1：LAUS系统：12个测试头和控制计算机通过真空泵负压粘附在表面上，红线用于供应压缩空气

2.4 软件

控制计算机上的软件从用户那里接收测量所需的参数，记录它们并将它们转发到探头电子设备，它还控制探头（发射器或接收器）的模式。线状垂直截面（B 扫描）是根据数据集的 132 次可能的单独测量（A 扫描）计算得出的，但在简化假设下，所有探头都设置在一条线上且彼此距离相同，该程序还计算简化的 SAFT 重建，几秒钟后显示在屏幕上。
如果探头排列不规则或要组合不同的测量数据集，则使用外部软件进行评估。这需要探头的准确位置和方向以进行 2D 或 3D 计算。[InterSAFT 程序系统的特殊版本]
3. 使用实例
3.1 基础板的厚度
BAM在柏林以南约50公里处的霍斯特瓦尔德（Horstwalde）附近经营着一个“技术安全测试区”（BAM-TTS）,一个用于测试高达 200 吨的运输集装箱的吊塔矗立在坚固的 5 米厚混凝土板上，在该板上额外的钻孔桩可防止测试期间发生任何沉降（图 3）。

图3：霍斯特瓦尔德附近BAM测试现场的落塔

在基础板上测量了40个单独的数据集，测试头尽可能地靠近（中心距中心为10厘米）。将阵列垂直于其方向位移10 cm，直到达到2m的测量场长。重复整个过程，横向偏移为60cm 两个测量场的覆盖范围为160厘米* 200厘米。

图4：在落塔基础上使用LAUS系统进行的测量

结合InterSAFT程序评估数据，并重建测量表面下的结构。 图5显示了经过重建的数据量的代表性垂直截面。由于坚固的多层钢筋，在地面以下直至150 cm的近距离内，甚至在更深的地方，出现了较大的振幅。个别钢筋只能在个别情况下显示。可以清楚地识别出基座板在5m处的下边缘。 左边缘上较弱的回声可能是由于此处布置的边缘增强层对超声波的散射所致。 数据的进一步处理还显示了两倍深度的回波，这对应于两次反射波。

图5：在落塔基板上的LAUS测量值的SAFT重建，后壁回声在5m处清晰可见，高达1.5 m的高振幅归因于密集的多层钢筋。

3.2 在实心桥梁中定位张拉通道

拆除预应力混凝土桥梁后，怀疑巨型桥梁梁内部存在结构缺陷，这种结构难以直接用超声成像。 因此，尝试通过张拉通道的回波幅度的可能波动来间接得出任何缺陷。尽管使用商用设备从下方可以轻松实现此目的，但由于混凝土覆盖物较大，必须从上方使用LAUS系统（图6）。测量几何形状类似于在滴水塔上使用的方法， 但覆盖了更大的测量区域。
图7显示了通过SAFT重建的桥梁测得的截面之一，可以清楚地看到夹紧通道的上边缘， 边缘处幅度的减弱是由于那里的测量覆盖率较低。这里没有结构异常的迹象，在夹紧通道之间也可以看到后壁。

    
图6：在大型桥梁上的Laus测量。左：横截面，右：正在测量

图7：通过LAUS测量的叠加SAFT重建的桥梁横截面。

3.3 大型混凝土基础结构
基础板用于确定用于测量非常厚的混凝土的深度范围。结构尺寸为4000毫米x 4000毫米x高度为680毫米（长宽高，*大骨料尺寸为32毫米）。 LAUS单元安装在结构的一侧，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。

图8  LAUS在4000 mm x 4000 mm和680 mm厚度的大型基础板上的结果。

LAUS大孔径超声系统安装在结构的前侧，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4000mm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。

4. 总结

      LAUS 大孔径超声系统完成**应用测试，可达到 5m 有效检测穿透深度，为厚大混凝土结构检测提供新的技术实现路径。该系统支持施工现场环境作业，凭借紧凑阵列结构、独立传感器单元以及灵活的数据解析模式，可适配工业场景、大型基础设施中厚层、高强度混凝土构件的检测工作。在适宜的测试工况条件下，系统可获得与 MIRA 系统接近的几何分辨效果。后续除 SAFT 算法外，还将引入适用于复杂结构分析的新型处理算法，进一步拓宽该系统的应用场景。