全国服务热线:185 1189 4545   010-64661706

京安仕通科技发展有限公司

Beijing IST Technology Development Co., Ltd.

解决方案

ENGINEERING SOLUTIONS

咨询热线:18511894545
  
您的位置:

超声波横波传感器及混凝土超声波阵列装置的历史发展 | 安仕通科技

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2023-10-17 | 240 次浏览 | 分享到:
1995年,ACS集团制造了**个带DPC的横波换能器阵列,并将其商业化为A1230断层扫描仪。如图2所示,它由天线设备和个人计算机组成,天线设备由36个换能器(6 × 6)组成,以20毫米的步长排列。它们的工作频率为 55 kHz。在负6dB的水平上,超声波信号的频谱宽度约为工作频率的****。研究小组对混凝土中的信噪比进行了详细研究,其中比较了纵波和横波之间的比值。结果是横波的信噪比平均比纵向波的信噪比高10 dB。由此,终于理解了横向/横波相对于纵波在混凝土结构回波层析成像中的优势。因此DPC横波换能器已成为ACS集团后来制造的大多数混凝土成像设备的标准组件,其中MIRA是***和*知名的设备。

      1983年,在苏联莫斯科的Introscopy研究所(NIIIN)内成立了一个部门,其任务是开发用于混凝土的超声波探伤仪。NIIIN预计,这种探测器将用于搜索混凝土结构的内部缺陷,例如剪力墙、混凝土板、建筑基础和其他仅单侧通道的混凝土构件。更具体地说,对未来设备的要求包括:(1)能够检测深度达1 m的乒乓球大小的混凝土空腔,以及(2)沿正面和深度不低于10厘米的分辨率。研究小组进行的文献检索表明,此类设备/装置并不存在。相比之下冲击回波(IE)方法在1986年引入。但是应该注意的是IE方法基于频率分析来检测混凝土厚度或缺陷。

      1985年,NIIIN的研究团队开始朝着设备的未来设计取得进展。在对固体阻尼材料和与压电陶瓷阻抗相匹配的器件进行多次实验后,他们提出了使用液体材料作为阻尼器的想法。在匹配器件方面,他们建议使用阻抗等于压电元件阻抗的杆装结构。他们完成了对不同混凝土混合物中超声波衰减系数的研究,这表明对于混凝土检查,要使用的信号频谱不应进入150 kHz以上的频率范围。然而即使在这样的频率范围内,也观察到了另一个问题。具体来说,所获得信号的整个时间窗口都被缓慢衰减的结构噪声所占据,这些噪声是由粗聚集体的波的多次反射引起的。

      1986年,随着改进换能器设计的研究,NIIIN研究小组致力于了解在混凝土表面上移动换能器时结构噪声之间的相关性。具体来说,进行了实验以找到移动接收传感器的*小距离,以便后续扫描的结构噪声与初始位置的结构噪声无关。这个想法是,当来自换能器阵列的信号用于图像重建时,不会累积不相关的结构噪声。相反只有来自感兴趣物体/缺陷的相关回波才会被聚焦,因此,使用所谓的合成孔径聚焦技术(SAFT)进行可视化。通过上述实验,发现大多数混凝土混合料的*小距离在 15 到 20 毫米之间。

      1987年,研究团队设计并制造了一种孔径约为两个波长的多元素100 kHz超声波换能器。它由压电元件矩阵组成,分相连接并充满液体阻尼器。有了这个换能器,可以在示波器屏幕上看到混凝土底面信号。在某种程度上,甚至可以看到来自直径为 50 和 100 毫米、深度近 250 毫米的球形反射体的信号。使用具有不同孔径的探头对混凝土表面结构噪声之间的相关性进行了精细研究。他们证实了一个假设,即任何孔径小于上述*小距离的超声换能器都不会在结构噪声的背景下提供空间信号积累。

      在1988年制造和测试了几种换能器阵列(断层扫描)模型后,NIIIN研究小组解决了另一个重要问题,即在垂直表面上进行测试。具体来说,当如图1所示在垂直表面上测试断层扫描时,必须使用耦合剂来保持探头和被测混凝土之间的声学接触。为此,水通过软管从桶泵送到天线设备,泵由计算机控制,控制信息由阵列所有元件与混凝土的声学接触给出。结果经过一段时间的测试,该地区充满了大量的水。

带液体接触耦合的初代换能器阵列(由ACS集团提供)

图 一. 带液体接触耦合的初代换能器阵列(由ACS集团提供)

      为了解决上述问题,NIIIN研究团队开始研究创建具有干点接触(DPC)的超声换能器。这些传感器的**个模型被开发出来,以便将直径约为2.5毫米的金属球用环氧树脂固定在其工作表面的中心。据观察接收信号的强度下降非常显着,但信号的形状得以保留。使用一对带有DPC的换能器,研究小组对混凝土表面上换能器阵列的几个位置进行了物理建模,结果发现在相同的其他条件下,获得的断层扫描并不比之前通过液体接触获得的断层扫描差多少。这一结果帮助研究团队看到了创建和商业化干接触超声换能器系统的机会,因此一个实体成立于1991年,今天被称为声学控制系统 - ACS集团。

      1992年,ACS集团开发了一种基于DPC的纵波(p波)换能器阵列及其发射-接收装置。由于来自该阵列的信号强度比来自具有液体接触的换能器阵列的信号强度低40-50 dB,因此他们决定将激励脉冲发生器和前置放大器放置在外壳中。传感器的接触**以高度约为4 mm的金属锥体的形式制成。为了使阵列的所有换能器在不平坦的混凝土表面上保持良好的耦合,阵列的传感器具有弹簧加载的悬架。此外为了消除阵列中换能器由于机载声耦合而产生的相互干扰,在每个换能器的主体上都安装了声学屏障。

MIRA混凝土超声断层扫描仪

图 二.

图 1. A1230断层扫描仪    图 2. 第壹代超声断层扫描仪    图 3. 第二代超声断层扫描仪    图 4. 第三代超声断层扫描仪

      同年,ACS集团致力于开发超声波设备,用于建筑物建造和翻新中使用的装饰板的质量控制。虽然控制方法是传统的,即在通过平板探测时测量超声波信号通过的时间或速度,但它是非常规的,因为该设备必须通过干接触处理纵波/横波。研究小组能够通过控制两个压电元件的相位找到解决方案。具体来说,如果压电元件分相接通,则超声波执行纵向振荡,换能器发射纵波。另一方面,如果压电元件在反相中打开,则换能器将发射和接收横波。

      1995年,ACS集团制造了第个带DPC的横波换能器阵列,并将其商业化为A1230断层扫描仪。如图 1 所示,它由天线设备和个人计算机组成,天线设备由36个换能器(6 × 6)组成,以20毫米的步长排列。它们的工作频率为 55 kHz。在负6dB的水平上,超声波信号的频谱宽度约为工作频率的****。研究小组对混凝土中的信噪比进行了详细研究,其中比较了纵波和横波之间的比值。结果是横波的信噪比平均比纵向波的信噪比高10 dB。由此,终于理解了横向/横波相对于纵波在混凝土结构回波层析成像中的优势。因此DPC横波换能器已成为ACS集团后来制造的大多数混凝土成像设备的标准组件,其中MIRA是zui先进和zui知名的设备。

      混凝土成像问题在建筑行业实践中经常遇到,这些可能是在结构内定位钢筋的简单任务,也可能涉及更困难的可视化内部缺陷的任务。尽管超声波横波设备的发明和商业化时间比GPR晚得多,但现在已被证明是检测人员或研究人员的必备品。



产品链接  1:A1040 MIRA 3D混凝土超声断层成像仪

产品链接  2:S1802超声波横波传感器 /  剪切波传感器  / DPC干耦合传感器