冲击回波法检测

七 总结

冲击-回波法是一种新的无损检测方法，可用来测量结构混 凝土厚度。特别适合于单面结构，如路面、机场跑道、底板、 护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等混凝土结构的 厚度检测。冲击-回波法应用于砼构筑物无损检测，具有简 便、快速、设备轻便、干扰小、可重复测试等特点。因此， 它在无损检测中必定将更为广泛的得到应用。
图8 左上角为IES系统，采用滚动接收传感器； 右下角为传统IE系统，只有一个接收传感器
图9 图9和图10均为IES扫描式冲击回波系统仪器。
图10
（2）IES技术规格和参数： 1、测试厚度范围：9～50cm； 2、测试精度：2％（在已知厚度处标定后）； 3、英制或公制显示； 4、测试时不需要耦合剂； 5、测试时只需一个测试面； 6、测试速度是慢速步行的速率； 7、滚动传感器，每隔1 英寸（2.54cm ）进行一次测量； 8、对表面有油漆或粘结良好的瓷片，同样可以测试； 9、对板厚度或内部缺陷可进行三维成像，更直观显示缺陷。
4）声速的测量 在冲击回波法测厚时，声速的测量也是至关重要的--声速越 精确，所得的测厚结果就越精确。在实际应用中，声速的测 量有几种可行方法：回波法确定混凝土的波速，然后用该波 速检测结构的其它部位。 直接用冲击回波法测量P波波速来确定，此方法允许测量结 构上任一点的波速。用超声平测法测量混凝土的声速（如图 3所示）。在混凝土结构中不同部位的波速往往是变化的， 或者在某些情况下其厚度未知，还得进行取芯，所以第一种 方法不太可取；用第二、三种方法测得的声速值比较接近， 一般测试时优先采用第二种方法，除非条件不具备，再考虑 采用其他两种方法。
图15 PIES 便携 式冲 击回 波仪
其产品特点： （1）首次真正意义上的便携式冲击回波系统，能用带电池 的掌上电脑进行数据选择和存储； （2）首次在一个便携式系统内综合实施冲击回波技术； （3）首创具有带压力和频率控制实用电子触发多冲击头压 力波生成装置； （4）运用数学运算法则判断表面裂缝长度 （5）频率范围广：1Hz~100Hz，设计了一个体积小、成本 低、信号数字化丰富的全新数字转换器，传输率1G样本/秒， 它是唯一一个适合膝上和掌上电脑的信号转换器； （6）首次能用回波技术测量到10米内厚的混凝土或其它增 益结构的设备。
冲击回波法检测
陈超 2011-5-18
冲击回波法
一 二 三 四 五 六 七

概述 冲击回波法原理 冲击回波法相对的特点 检测中应注意的问题 IES 扫描式冲击回波测试系统 PIES便携式冲击回波测试仪 总结
一 概述

混凝土在载荷和外界环境的作用下会出现不同程度的损伤。 其中内部裂纹的产生与扩展使混凝土强度下降并最终导致混 凝土的破坏。目前常用的质量检测的方法主要是钻芯取样法、 回弹法以及超声波法，雷达法等。每种方法都有自己的适用 范围和局限性。目前，许多混凝土结构，如路面、机场跑道、 底板、护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等，只存 在单一测试面，而从事砼结构评估、修补工作的工程师们往 往对以上结构砼的厚度比较重视，因为这些结构砼的厚度如 达不到设计要求，将会影响结构的整体强度及其耐久性，造 成工程隐患，甚至引起严重工程事故，所以用无损检测方法 测试结构砼的厚度是有重要意义和实用价值的。无损检测方 法很多，为了检测只存在单一测试面的结构砼的厚度及其内 部缺陷，国际上从八十年代中期开始研究一种新的无损检测 方法--冲击回波法。冲击-回波法应用于砼构筑物无损检测， 具有简便、快速、设备轻便、干扰小、可重复测试等特点。
冲击回波法是基于应力波的一种检测结构厚度、缺陷的无
损检测方法。在20世纪80年代，国外的一些专家就对该方 法进行了研究。冲击回波技术发展非常迅速，目前已有 IES扫描式冲击回波系统、带表面波的冲击回波系统、超 薄冲击回波检测系统等多种类型，可根据工程需要进行选 择。IES是IE技术发展的一大突破，不仅可以快速连续检 测，而且增加了检测项目如预应力管灌浆情况等，此外还 可对结构厚度、缺陷进行三维成像。表面波型冲击回波系 统无需取芯标定，就可准确检测混凝土的厚度。超薄型冲 击回波系统可检测最小厚度约5cm的板状结构，拓宽了冲 击回波方法的厚度检测范围。目前应用比较广泛的冲击回 波法是IES扫描式冲击回波系统。
图14 板中孔洞缺陷的三维成像
IES不仅极大地提高了传统冲击回波的检测速度，而且解决 了检测预应力管灌浆情况的大难题。实践证明，IES方法是 一种非常可靠、有效的检测方法，是混凝土结构检测技术 的一次突破 。必将为混凝土结构的无损检测起到非常积极 的作用 。
六 PIES便携式冲击回波测试仪

PIES便携式冲击回波测试仪是目前世界上最轻便、 测试范围最广的冲击回波系统，测试范围达 0.05~10m。主要用于混凝土内部结构缺陷检测，还 被用于混凝土新旧结构质量控制，它能计算出轴压 强度和混凝土的静态弹性模量，PIES可用反射压力 波来判断混凝土早期微小裂缝，以防止反复融冻和 各种物理化学因素对混凝土成分和结构造成的破坏 进一步扩大。
四、检测中应注意的问题
1）表面处理 一般路面施工都有一道"拉毛"工序，此道工序会使砼路面 不平整，同时使得表层产生微裂隙，如果不经过任何处 理就用冲击回波法测厚，很难甚至不能得出结果，原因 之一是传感器与待测表面耦合不良，很难接收到信号， 从而使信号微弱；原因之二是微裂隙的存在使测试条件 更复杂，所得信号质量不好，杂波较多，有用信号不突 出，所以在检测之前，一定要对表面进行处理，用砂轮 将待测点周围磨平，至少将法原理
冲击回波法是利用一个短时的机械冲击（用一个小钢 球或小锤轻敲混凝土表面）产生低频的应力波，应力 波传播到结构内部，被缺陷和构件底面反射回来，这 些反射波被安装在冲击点附近的传感器接收下来（如 图1所示）并被送到一个内置高速数据采集及信号处理 的便携式仪器。将所记录的信号进行幅值谱分析，谱 图中的明显峰正是由于冲击表面、缺陷及其它外表面 之间的多次反射产生瞬态共振所致，它可以被识别出 来并被用来确定结构砼的厚度和缺陷位置。
图1 冲击-回波法原理图
上述原理图中，接收器接收到反射波后，通过快速傅立叶 转换将时域数据转化为频域数据，然后确定回波的频率峰 值F，深度计算结构的厚度或缺陷D = (b * VP)/2f（其中b 是形状系数，对板/墙来说是0.96，对于梁和柱该值更小， 根据厚度和宽度的比值确定，VP是压缩波波速）。图2给 出了无缺陷处和有缺陷处的测试结果对比。
2）传感器的设计 用于测厚的传感器必须具有较宽的频带范围，以适应不同 厚度砼的检测，另外，传感器还必须有适宜的灵敏度， 使得有用信号突出，干扰信号减低到最低限度，从而提 高信号质量，使测试结果更精确。为此，我们公司研制 开发了一种新型传感器，专用于砼路面厚度的检测。 3）冲击器的选择 对于不同厚度的砼板，其瞬态共振频率是不一样的：对 于较厚的砼板，此频率值较低，对于较薄的砼板，此频 率值较高，应选择一种能产生相应频率应力波但又有足 够的能量的冲击器，使得砼板能产生瞬态共振，接收信 号较强且质量较高。
图3
五 IES 扫描式冲击回波测试系统
（1）IE和IES简单介绍： IE方法一直被公认是一种对混凝土构件进行无损检测的强大 工具，但IE方法的最大局限性是测试速率较低。一般来说， 普通的IE系统每小时可测30～60个点，这就限制了该方法只 能用于测试较小、非常关键的部位。扫描式冲击回波系统的 研制成功，彻底解决了该问题。IE测试可用于评估板、梁、 柱、墙、公路路面、飞机跑道、隧道和大坝等结构的内部状 况。IE方法能够发现混凝土、木材、石材和砌体中的孔洞、 蜂窝、裂缝、剥离以及其它缺陷。如果已知混凝土构件的厚 度，IE法可以还预测早期混凝土的强度。
（3）具有以下优点： 1. 只需一个测试面 2. 不需要耦合剂 3. 测试迅速，每小时可测2000～3000 个点 4. 检测结构可靠、准确 5. 可对结果进行三维成像，快速、直观显示缺陷 。图11至 图14为三维成像测试结果。
图11 厚度变化处的三维成像
图12 板中蜂窝缺陷的三维成像
图13 预应力管中未灌浆区域的缺陷成像
图2说明： 上图：无缺陷 处只有一个频 率峰值，可获 得厚度信息
下图：缺陷处 存在多个频率 峰值，可根据 曲线形状判断 缺陷性质及深 度 图2：无缺陷和有缺陷频域图比较
三 冲击回波方法相对于超声波方法的优点



1、冲击回波方法只需一个测试面，而超声波方法需两个测 试面，这在很多情况下很难做到。 2、冲击回波方法使用比超声波更低频的声波（IE频率范围 通常在2～20 kHz），这使得冲击回波方法避免了超声波测 试中遇到的高信号衰减（high signal attenuation）和过多杂 波干扰问题。 3、冲击回波方法不需耦合剂，单手即可操作，标定后每个 测点直接得出结构厚度或缺陷位置、深度信息。而超声波方 法需耦合剂，两个探头加大了操作的难度。同时需大量数据 对比才能确定缺陷的位置，但不能确定缺陷深度。 4、冲击回波方法最深可测180cm的结构，而对于超声波方 法测试同样厚度将非常困难，特别是两个测试面不易接触的 情况下。 由以上可以看出，IE冲击回波方法具有超声波方法无可 比拟的优越性，该方法将随着技术的不断完善和发展，成为 混凝土结构无损检测的一个重要方法。

以下为冲击回波检测结构的几个现场实例，其中图7表面波 和冲击回波联合使用，在单面情况下，可准确获得混凝土波 速，进而求得更精确的厚度值 。
图4 冲击回波方法检测桥梁
图5 冲击回波法检测隧道
图6 冲击回波法检测公路
图7 表面波、冲击回波法联合检测桥面

IES方法是在IE的基础上，将 固定的单个传感器变为滚动传 感器，从而极大地加快了测试 速度。IES扫描式冲击回波测 试系统是目前最先进的冲击回 波测试仪。如图8所示，IE方 法只有一个接收传感器，每测 试一点螺线管冲击一次。而 IES方法采用扫描式滚动传感 器，并采用螺线管冲击器进行 连续冲击，极大地提高了检测 效率。