无损检测技术在土木工程中的应用现状

图5 焊接检测示意图
图6 电阻丝错位图
无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产 技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技 术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示，经 过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5%，国防、宇航、原子 能产品为12%-18% ，火箭为20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经 过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场 的竞争能力：日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超过美 国。德国科学家认为，无损检测验技术是机械工业的四大支柱之一。美国 前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领 域的领先地位”。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。 世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。 超声无损检测技术是五大常规检测技术之一，与其它常规无损检测技术 相比，它具有被测对象范围广，检测深度大：缺陷定位准确.检测灵敏度高： 成本低，使用方便：速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。因此. 超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用颇率最高且发展较快的一种 无损检测技术，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以 及设备服役的各个阶段，体现在保证机器零件的可靠性和安全性上。世界 各国出版的无损检测书籍、资料、文献中，超声探伤所占的数量都是首屈 一指的。有关资料表明，国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资 料，全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45 %。前几届世界无损 检测会议论文集收录的论文中有关超声检测的论文数遥遥领先于其它检测 方法，特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议收录的 663篇论文中，超声检测就占250篇。这些都说明超声无损检测的研究势头 和其在无损检测中的重要地位。
图2 数字化超声波探伤仪系统
系统程序流程：系统上电运行探伤操作程序 →IPC机送下位机初始数据→中断响应进入缺陷 判断报警程序→IPC机读取底波峰值电压VB，缺 陷波峰值电压VF，底波距发射的时间TF信号及一 组高速采样数据→分析计算处理数据→符合缺陷 判断条件报警→显示屏上画出高速采样波形→调 整后的闸门和衰减量等参数存储，待下一循环送 出→返回探伤操作程序，并等待响应下一次中断。
超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术 等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备 的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号 的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代， 新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世，标志着超声 检测仪器进入一个新时代。 超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图象化、小型化和多功 能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年 中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展 览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图象化超声仪最引人 注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国 Krautraemer公司、美国Panametrics公司、丹麦Force Institutes 公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是 全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网 络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定 量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的 关键技术问题。 现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系 统的基础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采 用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳 定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检 测机器人，已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列 与商业市场。
超声波无损检测
超声波无损检测就是通过超声波与试件相互作用，就反射、 透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特 性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其 特定应用性进行评价的技术。超声检测是利用超声波的透射和 反射进行检测的。超声波可以穿透无线电波、光波无法穿过的 物体，同时又能在两种特性阻抗不同的物质交界面上反射，当 物体内部存在不均匀性时，会使超声波衰减改变，从而可区分 物体内部的缺陷。因此，在超声检测中，发射器发射超声波的 目的是超声波在物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发 射和接收器可对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并显示 出内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。
四、实验步骤
发射系统按要求发射一 定频率的超声波，通过探 头将超声波射入被检测构 件上。在构件中，超声波 经过反射、折射或者透射 而形成不同的被接收信号。 这些信号又通过探头进入 接收系统，然后经过声电 变化，在显示系统中形成 波状的检测结果，成为根 据不同的检测原理，超声 波形，就可以对构件内部 缺陷进行分析。 检测可分为：脉冲反射 法、透射法、共振法。
1、脉冲反射法 脉冲反射法是利用超声波在试件内传播的过程 中，遇有不同介质的界面时将发生反射的原理进 行检测的。它采用一个探头兼做发射和接收器件、 接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷 及底面反射波的有无、大小及其在时间轴上的位 置来判断缺陷的有无、大小和方位。
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2、透射法
投射法将发射探头和接收探头分别置于试件的 两个相对面上。根据超声波穿透试件后的能量变 化情况来判断试件内部质量。因此，通过不同位 置的接收信号强度不同，就可以判断缺陷的大小 和位置。
图4 桥梁检测示意图
3 焊接方面的应用
采用超声相控阵技术及B 扫描实时成像技术，通过足够数量的探 头排列和触发时间控制，并选用不同频率范围，可以实现嵌入式 电阻丝电熔连接接头的检测。 通过对比超声图像与接头实剖图，发现该方法能可靠地检出物 体中的缺陷，并能较精确地确定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道 安装工程中的检测进一步验证了该技术的可靠性。 检测示意图如图5所示。超声相控阵检测结合B扫描技术可以判 断检测截面上电阻丝的位置，从而可以判断由于管材和套筒配合 过紧造成的电阻丝垂直方向的错位情况，从实剖图上得到验证如 图6 所示，比较超声成像图和实剖图可以看出，相控阵超声方法 对金属丝有较好的分辨效果，连很微小的位移也能分辨出来，定 位精度达0. 5 mm。
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3、共振法
探头把超声波辐射到 试件后，连续调整声波 的频率以改变其波长， 当试件的厚度为声波半 波长的整数倍时，则在 试件中产生驻波。在测 得超声波的频率和共振 次数后，就可以计算试 件的厚度了。
五、应用现状
1、超声在测定混凝土结构强度及厚度的应用
(1) 强度检测技术 超声波检测是利用混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播 参数( 声速) 之间的相关性来检测混凝土强度的。混凝土的弹性模量 越大，强度越高，超声波的传播速度越快。经试验，这种相关关系可 以用非线性数学模型来拟合，即通过实验建立混凝土强度和声速的关 系曲线。现场检测混凝土强度时，应该选择浇筑混凝土的模板侧面为 测试面，一般以200 mm ( 200 mm 的面积为一测区。每一试件上相 邻测区间距不大于2 m。 测试面应清洁平整，干燥无缺陷和无饰面层。每个测区内应在相 对测试面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上，测试时必须保 持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合，并利用黄油或凡士林等耦 合剂，以减少声能的反射损失。按拟定的回归方程计算或查表取得对 应测区的混凝土强度值。 (2) 声波反射法测量厚度 如图3所示，超声波从一种固体介质入射到另一种固体介质时，在 两种不同固体的分界面上会产生波的反射和折射。声阻抗率相差越大， 则反射系数也越大，反射信号就越强。所以只要能从直达波和反射波 混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点，并测出反射波到时，就 可以由式( 1) 计算混凝土的厚度:
数字超声波探伤仪
三、超声探伤原理
超声波探伤具有反射和透 射两种方法。其中反射方法 精确度较高。图1 是脉冲回 波探伤仪原理图。脉冲发射 器通过探头将超声波短脉冲 送入试件，当回波从试件的 缺陷或边界返回时，通过信 号处理系统，在示波器上加 以显示，并将其幅度和传播 时间显示出来。如果已知试 件中的声速，则根据示波器 上的读数所获得的脉冲间的 传输时间即可获得缺陷的深 度。
超声检测作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能 力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广等根 本性的优点外，而且其输出信号是以波形的方式体现。使 得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别和人工智能 等高新技术能被方便地应用于检测过程，从而提高检测的 精确度和可靠性。 超声波无损探伤是超声无损检测的一种发展与应用，其 设备有：超声探伤仪、探头、藕合剂及标准试块等。其用 途是检测铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、未熔合、未 焊透等缺陷及厚度测定。 超声无损检测在最近几十年中得到了较大的进展,它已成 为材料或结构的无损检测中常用的手段。由于超声检测可 以在线进行、超声波对人体无害又不改变系统的运行状态， 因此，在材料或结构的无损检测中得到了广泛的应用。
二、检测仪器
• 超声波探伤仪 超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器， 它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内 部多种缺陷的检测、定位、评估和诊断。还可以 使用在实验室，也可以用于工程现场.由上海亿平 仪器仪表有限公司提供超声波探伤仪的探伤方式 可分为A型、B型、D型和M型四大类。 超声波探 伤仪可全面、客观地采集和存储数据，并对采集 到的数据进行实时处理或后处理，对信号进行时 域、频域或图像分析，可通过模式识别对工件质 量进行分级，从而减少了人为因素的影响，提高 了检索的可靠性和稳定性。
图1 脉冲回波探伤仪原理图
目前，运用数字式数据处理比模拟电子技术显示了极大 的优越性，随着探伤技术的发展，数字信号处理与分析已不 再仅仅是辅助技术，而是一种基本技术。高性能的A/D转换 器和高效率的微处理器的问世，将不断地取代模拟电子的技 术，尤其在高频领域应用模拟电子技术明显受到限制。数字 化超声波探伤使测试系统开拓了新的检测能力。 数字化超声波探伤仪的整个系统由计算机（工控机IPC） 作为主机（上位机），以单片机芯片为主构成的四块专用板 卡及系统构成及通用的开关量I/O板卡组成下位机，统一控 制管理超声系统（见图二）。