水泥混凝土路面厚度超声检测系统

水泥混凝土路面厚度超声检测系统
琚晓辉1, 马荣贵2, 孙建民1
( 1. 河南许昌市公路管理局 许昌市 461000; 2. 长安大学信息工程学院 西安市 710064)
摘 要: 研 究了水泥混凝土路面 厚度和强 度超声检测 中的信号 处理方法, 设计了 宽带换能器, 提出 了水耦合 法和声时综合处理法, 现场检测实验证明, 该系统可明 显提高检测效率, 厚度测量精度优于 5% , 强度测量精度优于 7% 。
关键词: 水泥混凝土路面; 厚度; 超声检测; 信号处理
路面是公路工程的重要组成部分之一, 它直接 承受和传递行驶车辆的荷载作用, 并保护路基免受 各种自然因素的侵袭。自 20 世纪 90 年代以来, 我国 水泥混凝土路面以前所未有的速度快速发展。目前, 我国已经成为当今世界上拥有水泥混凝土路面里程 最多的国家之一, 水泥混凝土路面每年在建规模超 过25 000 km 。根据我国特重交通量与超重轴载的运 营和路面的早期破损等情况, 《公路水泥混凝土路面 设计规范》( JT G D40- 2002) 提出我国一般水泥混 凝土路面最薄设计厚度 200 mm , 高速公路水泥混 凝土路面最薄设计厚度 260 m m; 《公路水泥混凝土 路面施工技术规范》( JT G F 30- 2003) 按可靠度理 论提高了水泥混凝土路面施工对配制弯拉强度的要 求, 希望能够达到有效遏制特重交通量与超重轴载 下的早期快速破损问题。
( 2) 运用频谱分析的方法, 对原始信号进行滤波。 ( 3) 其次, 采用等间隔多次接受, 由于相邻 2 次 接受位置相近, 接收的两道信号, 波形有 一定相似 性, 且同一震相起跳拐点的到时值相近, 而随机干扰 形成的拐点则一般不会同时出现, 可予以排除。通过 互相关的方法, 可以确定反射拐点。 ( 4) 小波分析使我们能够将一个信号分解成对 时域( 空间) 和尺度的贡献, 在这种意义下小波分析 又可称为多分辨力分析, 我们在此运用小波分析的 方法, 确定反射波和面波叠加的起始位置。最后通过 综合分析, 得到反射波的起始位置。
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路组成。接受电路基本由放大电路、滤波电路、采样 电路、保持电路、A/ D 转换电路和接口电路组成。
图 1 超声检测系统工作原理
在超声波检测过程中, 超声换能器发射控制电 路主要是产生一个标准宽度的高压脉冲, 使换能器 产生超声波, 高压脉冲的幅值和宽度直接决定了超 声信号的能量和宽度。
参考文献:
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3 试验结果 我们在实验室依据现场设计的配比, 通过调整砂率
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和水灰比, 共设计了 5 种厚度, 检测结果如表 1 所示。
表 1 试验室混凝土试件厚度检测结果
试件 编号
1 2 3 4 5
由于 超声 信号 在空气 中的 传播 速度 只有 346 m / s, 在水泥混凝土中传播速 度为 4 000 m / s, 相差 10 倍, 因此, 必须解决好换能器和水泥混凝土 路面的耦合问题, 否则严重影响厚度的检测结果。反 射波到时的准确拾取一直是测厚测试分析中的难点 问题。通常采用的耦合剂有黄油和凡士林。但黄油 和凡士林耦合法并不能增加反射信号的信噪比。在 本次研究中采用了水耦合法, 原理图如图 6 所示。
图 2 反射法测量原理
图 3 透射法测量原量
理想的反射法测量信号如图 4 所示, 在图 4 中 直达波由于距离短最先到达, 间隔一定时间后, 反射 纵波达到, 反射纵波的到达时间即为我们要求的反 射时间 t , 依据公式( 1) , 就可求得路面的厚度。
H=
1 2
( V 1 t) 2 - L 2
( 1)
由于不同配合比的水泥混凝土特性差别很大, 接受换能器收到的信号幅值也差别很大, 因此, 采集 电路的放大倍数必须设置成可调。
滤波电路也是接受电路的重要组成部分, 合理 地设计滤波电路特性可显著提高信号的信噪比。
A/ D 转换电路是采集电路的核心, 也是和计算 机的接口电路, 它的采样频率和采样位数直接决定 了数据处理的频率和精度。我们在此选用了 10 M 、 10 位的高速 A/ D 转换器件。
图 6 水耦合方法示意
高度不变, 因此, 我们设计了特定的固定架, 保证了 水耦合方法的实施。 2. 3 声时测定方法研究
水泥混凝土路面强度和厚度的检测, 关键在于 准确识别反射波。经过反复实验和研究, 我们采用 了下列多种识别反射波的有效方法。
( 1) 首先, 路面的设计厚度一般是预先可估计的 ( 在一定范围内) , 由于路面直达波速容易测出, 若用 其代替路面层反射波速度, 则可根据反射波的运动 学特征, 用正演的方法, 求出路面层反射 波理论到 时。然后在波形图上反射波理论到时附近的一段范 围内, 寻找真正的反射波起跳点, 寻找范围可大大缩 小。例如, 在试验中, 已知混凝土试件厚度 26. 5 cm , 测出直达纵波速度为 4 300 m / s , 将其视为反射纵 波速度, 在发射、接收距离为 40 cm 时, 可求出反射 纵波的理论到时为 154 s ; 假定路面厚度误差为 ±10 cm , 则可求得相应的反射纵波理论到时分别 为 121 s 和 194 s。这样, 就可将寻找反射波的范 围限定在 121 s 到 194 s 之间。
为了提高灵敏度, 改善宽带特性, 我们通过计算 机模拟得到最佳匹配参数, 并在设计时依次进行修 正, 经过压制余震设计的超声换能器对零信号波形 如图 5 所示。
图 5 宽带换能器对零信号波形
由图 5 可以看出, 新型的宽带换能器基本上只 有一个主波, 余波也只有一个, 这是目前国内传感器 难以达到的, 基本解决了常用换能器余震长的难题。 为混凝土厚度检测奠定了基础。 2. 2 水耦合方法的研究
1 系统组成 水泥混凝土路面厚度超声检测系统主要有硬件
部分和检测软件两部分组成。其中硬件部分包括电 源部分、换能器部分、同步震荡部分、同步接收部分、 A / D 采集部分、计算机控制部分。如图 1 所示。
收稿日期: 2005- 05- 23
适性的角度建立新的路面不平度分级标准。要想从 行车舒适性的角度建立路面不平度的分级标准, 应 综合考虑路面不平度、车辆、车速、人体等各个影响 因素, 因此, 还应进行进一步的研究工作。
实际厚度 cm
15 20 25 30 40
声速 m/ s
4 240 4 150 4 310 4 180 4 320
反射声时 s
73. 32 98. 20. 119. 03 148. 33 190. 04
检测厚度 cm
15. 12 19. 96 25. 22 30. 58 40. 6
相对误差 %
0. 8 - 0. 2
目前我国对水泥混凝土路面强度、厚度的检测 广泛采用钻孔取芯的方式, 这种传统的破损检测方
法费工、费时、成本高、抽样率低, 而且取样后还要修 补路面, 对路面的各项质量指标都有所影响, 这与优 质高效修建公路的要求是不相适应的。虽然超声波 无损检测技术早已应用于混凝土桥梁的 质量检测 中, 然而, 在水泥混凝土路面检测中, 由于只能运用 超声反射法, 信号中表面波、横波、反射波叠加在一 起, 无法准确确定反射声时, 因此, 水泥混凝土路面 厚度超声检测一直是一个国际难题。本文从宽带环 能器入手, 结合先进的数字处理方法, 给出了有效的 超声反射信号的初至识别方法, 提高了水泥混凝土 路面厚度的测量精度。
公路 2005 年 8 月 第 8 期 HIGHW AY A ug . 2005 N o . 8 文章编号: 0451- 0712( 2005) 08- 0125- 04 中图分类号: T P 274. 53: U 416. 216 文献标识码: B
发射电路基本由稳压电路、升压电路和触发电
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2 解决的关键技术 2. 1 宽带超声换能器的设计
目前, 普通的超声换能器普遍存在余震长的问 题, 该问题在超声透射检测时, 由于横波速度慢, 纵 波最先到达, 余震对测量纵波初至时间影响不大。但 在混凝土路面厚度测量时, 由于只能在路表面同时 设置发射换能器和接受换能器, 故该法被称为反射 法测量。反射法测厚的原理如图 2 所示, 透射法测量 的原理如图 3 所示。
接受电路是信号处理的最前端, 信号的频响宽 度、信噪比、分辨率都由它决定。选择合适的接受器 是采集电路最关键的一步。频响范围太大, 势必增加 成本, 或以损失其他方面做代价; 频响范围太小, 将 引起信号畸变, 严重影响信号的判读。为了和发射换 能器的频率响应范围一致, 我们采用了配对换能器, 每个换能器不但可作为发射器, 也可作为接受器, 性 能基本一致。
式中: V 为超声波在被测混凝土中的传播速度;
L 为发射换能器和接受换能器之间的距离, 根据反
射波到达时间 t, 即可求得道路厚度。
图 4 理想反射法测量信号
2005 年 第 8 期 琚晓辉等: 水泥混凝土路面厚度超声检测系统
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宽频带换能器的概念很早就被人们提出来, 它 主要指换能器在较宽的频率范围内, 具有较平的幅 度响应及线性相位响应, 便于传送窄脉冲信号, 因而 有着较高的时域分辨率。主要用于解决现有换能器 余震长, 难于辨识反射波初至的问题。
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水耦合法能够有效 地压制面波对反射波的影 响, 同时, 由于波在水和水泥混凝土中的传播速度差 异大, 反射波到水中时, 近垂直入射到换能器上, 使 换能器接收到比较强的垂直分量, 横波的干扰受到 压制, 大大加强了测试效果。
但是要真正做到水耦合发射, 必须将换能器悬 空, 同时由于水中声速较慢, 还要保证每次换能器的
0. 9 1. 2 1. 5
我们又在河南省许昌市 S237 省道上, 共选择测 试了 10 个断面进行检测并和钻孔取芯法对比。试验
结果如表 2 所示。
4 结论 由实验室试验可知, 多功能水泥混凝土路面检
测系统检测厚度的误差最大不超过 3% , 由 S237 水 泥混凝土路面超声检测结果可以看出, 水泥混凝土 路面检测系统测厚最大误差不大于 4% , 检测一个 测点, 通常需要 3 min 时间, 同取芯法相比, 测试效 率提高了很多。同时, 由于取芯法破坏路面, 修补不 好, 容易造成坏板, 测点之间要间隔一定距离等, 超 声无损厚度检测必将代替取芯法。
在测量过程中如果高压脉冲信号宽度太窄, 电 压较低, 通过换能器将得不到稳定的超声脉冲, 如果 信号太宽, 或电压太高, 将使超声信号余震很长, 影 响使用精度。实际应用时应根据不同的情况选用不 同的激发电压和脉宽。
为了得到稳定的信号, 还要求发射电路具有较 高的重复性和精度。设计中我们应用了自行设计制 作的升压电路以获得稳定的脉宽和高压电平。