水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統(tǒng)

1、8公路2005年8月第8期HIGHWAYAug.2005No.文章編號:0451-0712(2005)08-0125-04中圖分類號:TP274.53:U416.216文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統(tǒng)琚曉輝,馬榮貴,孫建民2(1.河南許昌市公路管理局許昌市461000;2.長安大學(xué)信息工程學(xué)院西安市710064)摘要:研究了水泥混凝土路面厚度和強(qiáng)度超聲檢測中的信號處理方法,設(shè)計(jì)了寬帶換能器,提出了水耦合法和聲時(shí)綜合處理法,現(xiàn)場檢測實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)可明顯提高檢測效率,厚度測量精度優(yōu)于5%,強(qiáng)度測量精度優(yōu)于7%。關(guān)鍵詞:水泥混凝土路面;厚度;超聲檢測;信號處理路面是公路工程的重要組成部

2、分之一,它直接承受和傳遞行駛車輛的荷載作用,并保護(hù)路基免受各種自然因素的侵襲。自20世紀(jì)90年代以來,我國水泥混凝土路面以前所未有的速度快速發(fā)展。目前,我國已經(jīng)成為當(dāng)今世界上擁有水泥混凝土路面里程最多的國家之一,水泥混凝土路面每年在建規(guī)模超過25000km。根據(jù)我國特重交通量與超重軸載的運(yùn)營和路面的早期破損等情況,公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD40-2002)提出我國一般水泥混凝土路面最薄設(shè)計(jì)厚度200mm,高速公路水泥混凝土路面最薄設(shè)計(jì)厚度260mm;公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范(JTGF30-2003)按可靠度理論提高了水泥混凝土路面施工對配制彎拉強(qiáng)度的要求,希望能夠達(dá)到有效遏制特

3、重交通量與超重軸載下的早期快速破損問題。目前我國對水泥混凝土路面強(qiáng)度、厚度的檢測廣泛采用鉆孔取芯的方式,這種傳統(tǒng)的破損檢測方收稿日期:2005-05-23法費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、成本高、抽樣率低,而且取樣后還要修補(bǔ)路面,對路面的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)都有所影響,這與優(yōu)質(zhì)高效修建公路的要求是不相適應(yīng)的。雖然超聲波無損檢測技術(shù)早已應(yīng)用于混凝土橋梁的質(zhì)量檢測中,然而,在水泥混凝土路面檢測中,由于只能運(yùn)用超聲反射法,信號中表面波、橫波、反射波疊加在一起,無法準(zhǔn)確確定反射聲時(shí),因此,水泥混凝土路面厚度超聲檢測一直是一個(gè)國際難題。本文從寬帶環(huán)能器入手,結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字處理方法,給出了有效的超聲反射信號的初至識別方法,提高了水泥

4、混凝土路面厚度的測量精度。1系統(tǒng)組成水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統(tǒng)主要有硬件部分和檢測軟件兩部分組成。其中硬件部分包括電源部分、換能器部分、同步震蕩部分、同步接收部分、計(jì)算機(jī)控制部分。如圖1所示。A/D采集部分、適性的角度建立新的路面不平度分級標(biāo)準(zhǔn)。要想從行車舒適性的角度建立路面不平度的分級標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)綜合考慮路面不平度、車輛、車速、人體等各個(gè)影響因素,因此,還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作。參考文獻(xiàn):1關(guān)朝力.北京市道路不平度的隨機(jī)分析D.哈爾濱建筑工程學(xué)院碩士學(xué)位論文,1985.2潘立.基于人椅系統(tǒng)三向振動的汽車平順性建模及仿.,3GB7031-86,車輛振動輸入路面平度表示方法S.4余志生.汽車?yán)碚?/p>

5、M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5ISO2631-1:1997(E)Mechanicalvibrationandshockevaluationofhumanexposuretowhole-bodyvibra-tion-Part1:GeneralrequirementsS.InternationalStandardOrganization,1997.6汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊基礎(chǔ)篇M.北京:人民交通出版社,2001.7DaveCrolla,喻凡.車輛動力學(xué)及其控制M.北京:,公路2005年第8期126路組成。接受電路基本由放大電路、濾波電路、采樣電路、保持電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和接

6、口電路組成。2解決的關(guān)鍵技術(shù)2.1寬帶超聲換能器的設(shè)計(jì)目前,普通的超聲換能器普遍存在余震長的問題,該問題在超聲透射檢測時(shí),由于橫波速度慢,縱波最先到達(dá),余震對測量縱波初至?xí)r間影響不大。但在混凝土路面厚度測量時(shí),由于只能在路表面同時(shí)設(shè)置發(fā)射換能器和接受換能器,故該法被稱為反射法測量。反射法測厚的原理如圖2所示,透射法測量的原理如圖3所示。圖1超聲檢測系統(tǒng)工作原理在超聲波檢測過程中,超聲換能器發(fā)射控制電路主要是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬度的高壓脈沖,使換能器產(chǎn)生超聲波,高壓脈沖的幅值和寬度直接決定了超聲信號的能量和寬度。在測量過程中如果高壓脈沖信號寬度太窄,電壓較低,通過換能器將得不到穩(wěn)定的超聲脈沖,如果信號

7、太寬,或電壓太高,將使超聲信號余震很長,影響使用精度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的情況選用不同的激發(fā)電壓和脈寬。為了得到穩(wěn)定的信號,還要求發(fā)射電路具有較高的重復(fù)性和精度。設(shè)計(jì)中我們應(yīng)用了自行設(shè)計(jì)制作的升壓電路以獲得穩(wěn)定的脈寬和高壓電平。接受電路是信號處理的最前端,信號的頻響寬度、信噪比、分辨率都由它決定。選擇合適的接受器是采集電路最關(guān)鍵的一步。頻響范圍太大,勢必增加成本,或以損失其他方面做代價(jià);頻響范圍太小,將引起信號畸變,嚴(yán)重影響信號的判讀。為了和發(fā)射換能器的頻率響應(yīng)范圍一致,我們采用了配對換能器,每個(gè)換能器不但可作為發(fā)射器,也可作為接受器,性能基本一致。由于不同配合比的水泥混凝土特性差別很大,接

8、受換能器收到的信號幅值也差別很大,因此,采集電路的放大倍數(shù)必須設(shè)置成可調(diào)。濾波電路也是接受電路的重要組成部分,合理地設(shè)計(jì)濾波電路特性可顯著提高信號的信噪比。A/D轉(zhuǎn)換電路是采集電路的核心,也是和計(jì)算機(jī)的接口電路,它的采樣頻率和采樣位數(shù)直接決定了數(shù)據(jù)處理的頻率和精度。我們在此選用了10M、10位的高速A/D轉(zhuǎn)換器件。圖3透射法測量原量圖2反射法測量原理理想的反射法測量信號如圖4所示,在圖4中直達(dá)波由于距離短最先到達(dá),間隔一定時(shí)間后,反射縱波達(dá)到,反射縱波的到達(dá)時(shí)間即為我們要求的反射時(shí)間t,依據(jù)公式(1),就可求得路面的厚度。22(V1t)-L(1)2式中:V為超聲波在被測混凝土中的傳播速度;L為

9、發(fā)射換能器和接受換能器之間的距離,根據(jù)反射波到達(dá)時(shí)間t,即可求得道路厚度。H=2005年第8期琚曉輝等:水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統(tǒng)寬頻帶換能器的概念很早就被人們提出來,它主要指換能器在較寬的頻率范圍內(nèi),具有較平的幅度響應(yīng)及線性相位響應(yīng),便于傳送窄脈沖信號,因而有著較高的時(shí)域分辨率。主要用于解決現(xiàn)有換能器余震長,難于辨識反射波初至的問題。為了提高靈敏度,改善寬帶特性,我們通過計(jì)算機(jī)模擬得到最佳匹配參數(shù),并在設(shè)計(jì)時(shí)依次進(jìn)行修正,經(jīng)過壓制余震設(shè)計(jì)的超聲換能器對零信號波形如圖5所示。圖6水耦合方法示意127高度不變,因此,我們設(shè)計(jì)了特定的固定架,保證了水耦合方法的實(shí)施。2.3聲時(shí)測定方法研究水泥混

10、凝土路面強(qiáng)度和厚度的檢測,關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識別反射波。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和研究,我們采用了下列多種識別反射波的有效方法。(1)首先,路面的設(shè)計(jì)厚度一般是預(yù)先可估計(jì)的(在一定范圍內(nèi)),由于路面直達(dá)波速容易測出,若用其代替路面層反射波速度,則可根據(jù)反射波的運(yùn)動學(xué)特征,用正演的方法,求出路面層反射波理論到時(shí)。然后在波形圖上反射波理論到時(shí)附近的一段范圖5寬帶換能器對零信號波形圍內(nèi),尋找真正的反射波起跳點(diǎn),尋找范圍可大大縮小。例如,在試驗(yàn)中,已知混凝土試件厚度26.5cm,測出直達(dá)縱波速度為4300m/s,將其視為反射縱波速度,在發(fā)射、接收距離為40cm時(shí),可求出反射縱波的理論到時(shí)為154 s;假定路面厚度誤差為

11、±10cm,則可求得相應(yīng)的反射縱波理論到時(shí)分別為121 s和194 s。這樣,就可將尋找反射波的范圍限定在121 s到194 s之間。(2)運(yùn)用頻譜分析的方法,對原始信號進(jìn)行濾波。(3)其次,采用等間隔多次接受,由于相鄰2次接受位置相近,接收的兩道信號,波形有一定相似性,且同一震相起跳拐點(diǎn)的到時(shí)值相近,而隨機(jī)干擾形成的拐點(diǎn)則一般不會同時(shí)出現(xiàn),可予以排除。通過互相關(guān)的方法,可以確定反射拐點(diǎn)。(4)小波分析使我們能夠?qū)⒁粋€(gè)信號分解成對時(shí)域(空間)和尺度的貢獻(xiàn),在這種意義下小波分析又可稱為多分辨力分析,我們在此運(yùn)用小波分析的方法,確定反射波和面波疊加的起始位置。最后通過綜合分析,得到反射波

12、的起始位置。3試驗(yàn)結(jié)果由圖5可以看出,新型的寬帶換能器基本上只有一個(gè)主波,余波也只有一個(gè),這是目前國內(nèi)傳感器難以達(dá)到的,基本解決了常用換能器余震長的難題。為混凝土厚度檢測奠定了基礎(chǔ)。2.2水耦合方法的研究由于超聲信號在空氣中的傳播速度只有346m/s,在水泥混凝土中傳播速度為4000m/s,相差10倍,因此,必須解決好換能器和水泥混凝土路面的耦合問題,否則嚴(yán)重影響厚度的檢測結(jié)果。反射波到時(shí)的準(zhǔn)確拾取一直是測厚測試分析中的難點(diǎn)問題。通常采用的耦合劑有黃油和凡士林。但黃油和凡士林耦合法并不能增加反射信號的信噪比。在本次研究中采用了水耦合法,原理圖如圖6所示。水耦合法能夠有效地壓制面波對反射波的影響

13、,同時(shí),由于波在水和水泥混凝土中的傳播速度差異大,反射波到水中時(shí),近垂直入射到換能器上,使換能器接收到比較強(qiáng)的垂直分量,橫波的干擾受到壓制,大大加強(qiáng)了測試效果。但是要真正做到水耦合發(fā)射,必須將換能器懸空,公路2005年第8期128和水灰比,共設(shè)計(jì)了5種厚度,檢測結(jié)果如表1所示。表1試驗(yàn)室混凝土試件厚度檢測結(jié)果試件編號12345實(shí)際厚度cm1520253040聲速m/s42404150431041804320反射聲時(shí) s73.323148.33190.04檢測厚度cm15.1219.9625.2230.5840.6相對誤差%0.8-1.5結(jié)果如表2所示。4

14、結(jié)論由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可知,多功能水泥混凝土路面檢測系統(tǒng)檢測厚度的誤差最大不超過3%,由S237水泥混凝土路面超聲檢測結(jié)果可以看出,水泥混凝土路面檢測系統(tǒng)測厚最大誤差不大于4%,檢測一個(gè)測點(diǎn),通常需要3min時(shí)間,同取芯法相比,測試效率提高了很多。同時(shí),由于取芯法破壞路面,修補(bǔ)不好,容易造成壞板,測點(diǎn)之間要間隔一定距離等,超聲無損厚度檢測必將代替取芯法。我們又在河南省許昌市S237省道上,共選擇測試了10個(gè)斷面進(jìn)行檢測并和鉆孔取芯法對比。試驗(yàn)表2S237水泥混凝土路面超聲檢測和取芯對比混凝土厚度路段S237S237S237S237S237S237S237S237S237S237樁位取芯/cmK0+4

15、20K0+440K0+460K0+480K0+500K0+520K0+540K0+560K0+580K0+60026.325.123.626.226.526.223.525.226.425.7測量/cm27.124.824.525.227.425.524.425.825.426.3誤差/%3.2-1.33.8-4.03.3--3.72.2取芯/MPa5.124.825.325.675.826.054.985.576.136.72測量/MPa5.315.165.495.935.625.865.235.376.066.26誤差/%4.6-3.4-3.15.2-3

16、.6-1.1-6.8混凝土抗折強(qiáng)度參考文獻(xiàn):1傅竹武.混凝土路面強(qiáng)度與厚度無損檢測的超聲模擬J.云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,22(工程檢測專輯).2程朝霞.超聲波法檢測混凝土強(qiáng)度的發(fā)展J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版),2003,(4).3濮存亭.國內(nèi)外砼超聲脈沖檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景J.市政工程,2001.(3).4余紅發(fā).混凝土非破損測強(qiáng)技術(shù)研究M.中國建材工業(yè)出版社,1999.5吳慧敏.結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場檢測新技術(shù)M.湖南大學(xué)出版社,1987.6EtsuzoOhdaira,NobuyoshiMasuzawa.Watercontentanditseffectonultrasonicpropagationinconcrete-thepossibilityofNDEJ.Ultrasonic,2000,38.荊州、鄂黃兩座長江大橋通過驗(yàn)收日前,交通部分別對湖北省荊州長江大橋和鄂黃長江大橋進(jìn)行了檢查驗(yàn)收,兩橋綜合評價(jià)得分為95分和96.85分,均被評為優(yōu)良等級工程建設(shè)項(xiàng)目。