IES扫描式冲击回波系统说明

IES扫描式冲击回波系统
扫描式冲击回波系统是世界上目前最先进的冲击回波系统，由美国Olson公司首创。

该系统不仅可以检测混凝土结构内部的厚度和缺陷（孔洞、裂缝、蜂窝等），而且可以对混凝土结构中预应力管内的灌浆情况进行检测。

（一）扫描式冲击回波系统简介
IE Scanner扫描式冲击回波系统基于冲击回波原理，采用滚动传感器的独特技术，以2.5cm的间隔接近连续的测试混凝土内部情况，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
（二）冲击回波技术发展历史
一、冲击回波技术的发展历史
1.国外发展情况
国际上从20世纪80年代中期开始研究冲击回波反射法（Impact Echo Method）。

美国科内尔大学（Cornell University）的博士最早对该方法进行了研究。

由于该方法具有以下优点：（1）单面测试，扩大了应用范围；
（2）可获得缺陷明确的反射信号，直观，测一点即可判断一点
（3）测试方便，快捷；
（4）可以很方便的测量结构厚度
所以国外技术发展非常迅速，国外已经将冲击回波方法大量用于工程实测中，如探测混凝土结构内的疏松区，路面、底板的剥离层，预应力张拉管中灌浆的孔洞区，表层裂缝深度，甚至用于探测耐火砖砌体及混凝土中钢筋锈蚀产生的膨胀等。

该技术符合美国ASTM Standard C1383-98 厚度确定标准，ACI 228.2R-98 确定孔洞、蜂窝、裂缝、分层等缺陷的标准。

德国也已将冲击回波方法写进检测隧道衬砌厚度的规范。

2.国内发展情况
国内从1989开始对冲击回波方法进行研究，南京水利科学研究院在这方面做了深入研究，同时国内其他一些研究机构也对该方法进行了研究。

目前国内还没有此方面规范，许多研究者正在从事该方面工作。

二、国内外冲击回波仪器发展
1.国外发展情况
目前国外主要有四家冲击回波仪器的生产厂家：美国Olson公司、美国Impact－Echo公司、美国QUALITEST公司及丹麦的GERMANN公司。

对于冲击回波系统，对比如下：
（1） 美国Olson公司具有一个检测公司和一个仪器公司，所以Olson的所有产品都是经过数万次实地工程检测后推出市场的。

其他公司不具备此条件。

（2） 美国Olson公司的CTG系列便携式冲击回波系统是中国国内用户最多的冲击回波仪器。

其他公司冲击回波产品在中国销量不多。

（3） 美国Olson公司的扫描式冲击回波系统是全球首创产品，具有世界专利，经Olson 公司多年检测研究而成，比一般的冲击回波系统上升了很高的层次。

其他公司没有扫描式冲击回波系统，只有单点式检测仪器，无法和Olson产品相比。

（三）、美国Olson公司产品中国推广情况
美国Olson公司的扫描式冲击回波系统由于技术先进，检测可靠，在国际上具有非常高的知名度。

Olson公司不仅在美国和许多知名大学都有联合试验项目，并和德国等其他国家都有研究项目。

中国市场方面，在中国建研院、清华大学、同济大学、西安建筑科技大学、大连理工大学、浙江大学、武汉理工大学、广州大学、广东省建科院等众多知名科研院所都进行了演示推广，获得了各专家的一致好评。

目前，已有武汉理工大学、燕山大学、南京大学、南京水科院、中铁四局、上海建科院、保定交通建设咨询监理公司等单位采购了Olson 公司的扫描式冲击回波系统及其他测试系统，北京航空航天大学采购了Olson公司的高级冲击回波测试系统和其他系统，越来越多的客户把冲击回波仪器列入了他们的采购计划。

扫描式冲击回波方法
检测预应力管灌浆技术
一、 IE（Impact Echo）冲击回波方法介绍
（一）、冲击回波方法概述
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。

早在20世纪80年代，美国科内尔大学的Mary Sansalone博士就对该方法进行了研究。

IE方法不仅能够快速确定混凝土、砌体结构中的孔洞、蜂窝、裂缝、剥离以及其它缺陷，而且能够确定结构构件的厚度以及缺陷的深度。

IE法的一个很重要的优点是：只需要一个测试面就可进行测试。

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。

美国Olson公司的专利产品IES扫描式冲击回波测试技术是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，具体内容见下文介绍。

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，IE方法检测的厚度范围从5cm～180cm，完全满足一般工程的检测需要。

（二）、冲击回波方法的原理
IE测试基本原理：如图1所示。

用一个小锤或冲击器作为激振源在混凝土表面冲击来产生压缩波，然后用放置在冲击器附近的接收传感器接收反射回来的压缩波。

经过分析后来计
算混凝土的厚度、探测内部的孔洞、裂隙、剥离等缺陷。

对于无缺陷的平板、路面，冲击回波试验中就会得到一个其底面的反射波，这样在已知压缩波的波速时，就可以计算厚度了。

图1：冲击回波原理示意图
（其中source为产生压缩波的激振源，receiver为反射波的接收器）
下面，对冲击回波方法的厚度或缺陷深度计算进行更详细的说明。

如图2所示，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3给出了某测试点时域图和频域图，图4给出了无缺陷处和有缺陷处的测试结果对比。

图2：冲击回波原理图
图3：单点冲击回波测试的时域和频域图
图4：无缺陷和有缺陷频域图比较
（图4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）
（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 to 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。

（四）冲击回波方法的应用举例
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。

以下为冲击回波检测结构的几个现场实例，其中图8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5： 冲击回波方法检测桥梁图6：冲击回波法检测管道
图7：冲击回波法检测公路图8：表面波、冲击回波法联合检测桥面
下图是一块11英寸厚的混凝土板（密实）以及一块17英寸厚的混凝土板（有裂缝）的冲击回波试验结果。

测试结果表明在离混凝土板表面6.3 inches深处有裂缝
图9：密实混凝土板和有裂缝混凝土板IE结果对比
二、 IES（Impact Echo Scanner）扫描式冲击回波方法介绍
（一）、扫描式冲击回波方法概述
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。

该测试方法不仅符合美国ASTM Standard C1383-98 厚度确定标准的有关要求，也符合美国ACI 228.2R-98 确定孔洞、蜂窝、裂缝、分层等缺陷的标准的有关要求。

至今为止，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。

用IES方法每小时可测2000～3000个点，极大地提高了检测效率。

此外，由于该方法可沿直线以数厘米的间隔进行快速测试，经实践多次证明它还可
以用于检测后张预应力管内的灌浆情况。

利用软件对IES 数据的进行三维处理后，还可对结构的厚度、缺陷位置以及后张预应力管内的灌浆情况进行非常直观的显示。

（二）、扫描式冲击回波方法原理
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。

如图11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，每小时可测2000～3000个点，速度比单点式冲击回波仪器提高了50~100倍，极大地提高了检测效率。

water for coupling
rolling
transducer
displacement
图10：扫描式冲击回波原理图 图11：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
（三）、IES 测试实例：
1．用IES 方法测试在一个大型板的实例：
测试板资料：
z 板尺寸 = 10× 4 米
z 每隔5 cm 间距进行一次IE Scanner 扫
描.
z 板中有蜂窝缺陷
z 板厚度有变化
z 板中存在预应力管 (存在灌浆密实区、
不密实区、空管区)
图12： IES 方法测试大型板现场
利用IES 进行的三维成像测试结果：
图13：厚度变化处的三维成像 图14：板中蜂窝缺陷的三维成像
图15：预应力管中未灌浆区域的缺陷成像 图16：板中孔洞缺陷的三维成像
灌浆不密实区域
灌浆密实区域 灌浆密实区域 未灌浆区域 未灌浆区域
灌浆密实区域
未灌浆区域
图17：IES 检测预应力管灌浆情况的图形解释
后张预应力管中对应的实际灌浆情况
2.IES检测美国某桥梁实例：
（1）先用雷达确定预应力管的位置
（2）用IE Scanner沿确定的预应力管位置进行扫描
（3）检测结果
IE Scanner 垂直扫描
，横向穿过四管的测
试结果
（4）四根管检测完后的三维成像
空管空管灌浆密实
管内部分区域有水4管中的实际情况(通过钻孔和微孔摄像测得)
A~D 管的IES 软件成像结果
D C B A
管
D
的内部情况
(通过微孔摄像获得)
技术规格和参数：
z测试厚度范围：9～50cm；
z测试精度：2％（在已知厚度处标定后）；
z英制或公制显示
z测试时不需要耦合剂；
z测试时只需一个测试面；
z测试速度是慢速步行的速率；
z滚动传感器，每隔1英寸（2.54cm）进行一次测量；
z对表面有油漆或粘结良好的瓷片，同样可以测试；
z对板厚度或内部缺陷可进行三维成像，更直观显示缺陷。