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用于混凝土结构质量评价的先进超声成像技术 | A1040 MIRA 3D混凝土超声断层扫描仪

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2023-05-12 | 708 次浏览 | 分享到:
A1040 MIRA 3D 混凝土超声断层成像仪在混凝土无损检测中的实现和应用的**趋势。这主要包括基于有源DPC超声换能器的矩阵孔径的应用和三维FMC/TFM方法在层析成像中的实现。除此之外,这种传感器设计允许在激发超声波时使用脉冲压缩技术,从而将可实现的检测范围显著扩展到几米。此外从传统的线阵列原理过渡到使用矩阵孔径,使得三维层析成像在超声层析成像的每个位置都具有更高的空间分辨率,并实现了超声传感器系统近场定量缺陷评估的特殊功能,例如评估裂纹深度。

新的超声数据处理和图像重建技术为混凝土结构的三维成像提供了新的机会。采用全矩阵捕获(FMC)技术和全聚焦法(TFM)实时成像能力的矩阵传感器阵列数据采集可以成功地用于建筑行业的质量保证,这正在成为当前的技术水平。进一步提高探伤能力和图像分辨率的方法包括在执行数据采集时对矩阵换能器阵列进行发射和接收信号控制的先进信号处理技术。这提供了必要的工作频率与材料性能的匹配,并在不损失重建的三维检测体的空间分辨率的情况下显著提高了穿透能力。主动式干点接触超声波换能器提供了灵活的频率控制的可能性,以实现*佳的数据收集,将可实现的检测范围扩展到6米以上。在目前的贡献中,先进的和新颖的真三维成像方法和数据评估都被考虑到真实的具体检测对象上,并讨论了增强数据处理在改进信息内容和易于结果解释方面的优势。

一. 与现代用于金属检测的超声波探伤仪类似,混凝土检测仪器采用多通道相控阵系统,以图像形式显示测试结果 (图1)。

A1040 MIRA 3D混凝土超声断层扫描仪

图 1:  用于混凝土测试的A1040 MIRA 3D混凝土超声断层扫描仪

这种检测仪器的关键元件是超声波传感器,传统的用于金属测试的超声波装置中,压电换能器通过液体耦合介质耦合,与之相反这里用于混凝土测试的探头实现了所谓的“干点接触”原理(DPC),其中通过以标称频率振动晶片使用特殊类型的激励 (图2)。

S1802超声横波传感器

图 2: A1040 MIRA 3D混凝土超声断层扫描仪DPC传感器

根据所需的超声波类型(纵向或横向)、工作频率和带宽,换能器的结构可以有所不同。中心频率约为50 KHz的宽带剪切波换能器通常用于混凝土中的超声成像。超声波数据是根据所谓的“全矩阵捕获”(FMC)原理获得的,其中阵列元素单独充当发射器和接收器 (图3)。

混凝土超声断层扫描仪

红色:单个DPC传感器发出的球形剪切波

蓝色:从材料缺陷反射回来的球形剪切波

图 3: 矩阵孔径顺序激励原理(3D-FMC)

超声数据来自由4 × 8个DPC换换器组成的二维仪器孔径,包括所有32×32=1024个发射器和接收器组合,使用“全聚焦法”(TFM) 叠加。反过来TFM方法代表了“合成孔径聚焦技术”(SAFT)的一种变体,在该技术中要合成的孔径被限制为具有交替发射和接收单元的相控阵的孔径 [ N*(N-1)/2,其中N为8通道或单个换能器俩种模式 ],这样就可以在超声断层成像的每个测量位置生成构件体积的三维图像 (图4)。

A1040 MIRA 3D混凝超声断层扫描仪

图 4:  A1040 MIRA 3D混凝土超声断层扫描仪测试位置的材料缺陷的3D图像

A1040 MIRA 3D混凝超声断层扫描仪设计结构的另一个特点可以提到,在某些情况下,它也可以证明是其他相控阵系统的开创性,例如用于金属测试。根据TFM原理进行图像重建,特别是在计算32 x 32或64 x 64点的矩阵孔径时,需要大量的计算能力才能实时执行。现代平板电脑有多核图形处理器,完全能够对矩阵孔径数据进行实时3D SAFT重建。数据采集电子设备的功能仅限于超声波信号的激发和接收,以及通过WiFi数据接口将原始超声波数据数字化和传输。整个数据处理 (包括数字滤波)、图像重建、可视化和评估 (包括报告) 由高性能平板电脑或台式机或笔记本电脑接管。分离的DAQ和处理单元无线通信为超声波测试过程的自动化实施提供了机会,其中不仅UT仪器,而且扫描机器人都由操作员远程控制 (图5)。

混凝超声断层成像仪

图 5: 通过无线数据接口自动获取数据的可能性

.  先进的信号处理方法,扩大了检测范围

与其他测试方法 (如探地雷达测试系统) 相比,超声波检测设备用于混凝土测试的独特卖点之一是其更大的范围和高分辨率。即使对钢筋混凝土进行检测,也可以实现两米以内的检测范围。然而超声波检测也有它的物理限制,如果要检测的材料有强的声音衰减,例如,由于粗集料或者如果特别厚的结构,如水坝壁厚为几米。低信噪比不允许对记录的超声信号进行评估,如果仔细观察原始超声回波信号,可以将信号噪声分为三类:1). 由于超声后向散射引起的相干声学噪声,2). 由于模拟到数字转换的有限分辨率引起的量化噪声,3). 热噪声*后两种类型的噪声发生,特别是在声音路径很长的情况下,尽管放大值增加,但必须处理相对较弱的信号。这可以通过所谓的脉冲压缩技术成功克服。为此采用长调制的激励序列代替短的单色激励序列来激发超声波,然后在接收到的数字化超声信号中再次提取超声波 (图6),从而显著提高了信噪比和空间分辨率。

混凝土超声断层成像仪

图 6: 噪声类型的示意图 (左) 和 使用调制激励序列的抑制原理

在SAFT图像重建之前,对接收到的回波信号进行分解,得到去噪后的测试结果 (图7)。

混凝土三维超声波成像仪

图 7:混凝土结构厚度为4m,采用脉冲压缩技术检测试验结果

三. 裂缝深度评估

具有极小单阵列元件的矩阵孔径的另一个显著优点是其非常宽的光束指向性特性,除其他外,它允许从不利定向的材料缺陷 (例如向外打开的裂纹的**) 中获取衍射信号,这使得确定这种材料缺陷的深度成为可能。在进行此类测量时,必须保证开放裂纹两侧的DPC传感器数量相等,且裂纹深度不超过器件的总孔径尺寸(图8)。

A1040 MIRA 3D 混凝土三维超声波成像仪

a ) A1040 MIRA 3D 混凝土三维超声波成像仪深度测量模式 ,裂缝深度成像指示

A1040 MIRA 3D 混凝土三维超声波成像仪

b ) A1040 MIRA 3D 混凝土三维超声波成像仪测量结构中的自然裂缝

图 8: 利用A1040 MIRA 3D 混凝土三维超声波成像仪测定裂缝深度

四.  总结

本文介绍了A1040 MIRA 3D 混凝土超声断层成像仪在混凝土无损检测中的实现和应用的**趋势。这主要包括基于有源DPC超声换能器的矩阵孔径的应用和三维FMC/TFM方法在层析成像中的实现。除此之外,这种传感器设计允许在激发超声波时使用脉冲压缩技术,从而将可实现的检测范围显著扩展到几米。此外从传统的线阵列原理过渡到使用矩阵孔径,使得三维层析成像在超声层析成像的每个位置都具有更高的空间分辨率,并实现了超声传感器系统近场定量缺陷评估的特殊功能,例如评估裂纹深度。



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