虛擬式混凝土質量無損檢測儀的設計

張 儀，尹愛軍, 陳本乾

（重慶大學機械工程學院，重慶 400030）

0 引 言

在過去幾十年間，一系列無損檢測方法，如超聲脈沖法、射線法、回波法、雷達法以及電磁法[1]等，在混凝土及其他結構材料測試方面得到廣泛的應用。

20世紀40年代起，超聲脈沖回波法得到廣泛開發和應用，但存在高頻應力波被各向異性材料吸收的問題[2-3]。80年代中期，美國國家標準局發明了沖擊回波法，它是一種對混凝土及磚石結構進行無損評估的聲學方法。1987～1997年，在美國康乃爾大學得到進一步的開發。在1997年12月，美國材料測試協會（ASTM）發布了用沖擊回波法測定P-波速度和混凝土板狀結構厚度的標準方法。恰當地使用沖擊回波法，在各種類型的混凝土結構（如高速公路路面、橋梁、大型建筑物、隧道、大壩、管道、海堤等）中能成功確定缺陷的位置，其經濟效益不可小覷。

1 混凝土結構質量檢測原理

1.1 沖擊回波法原理

沖擊回波法[4]是利用小鋼球沖擊混凝土表面作為振源，通過被測混凝土介質進行傳播。產生的波有3類：與傳播方向平行的縱波，即P波;與傳播方向垂直的橫波，即S波;沿固體表面傳播的Rvaleihg波，即R波。這些波遇到波阻抗有差異的界面就發生反射、折射和繞射等現象。傳感器接收這些波后，通過頻譜分析，將時間域內的信號轉化到頻域，找出被接收信號同混凝土質量之間的關系，從而達到無損檢測的目的。混凝土結構質量檢測原理[5]示意圖如圖1所示。

圖1 混凝土結構質量檢測原理示意圖

1.2 單層混凝土結構的回波特性

為了便于解釋結果，把混凝土結構分為以下幾個等級：質量較好（VGB）、質量一般（FB）、質量低下（PB）、質量較差（VPB）[6]。

1.2.1 質量較好（VGB）

質量較好的混凝土結構沒有缺陷，幾乎所有的應力波都能傳播到底部邊界，在頂部表面和底部邊界之間來回反射，所以其頻譜圖只在低頻處有一振幅峰值，在高頻部分有一些小的振幅峰值，且遠遠小于低頻部分的振幅峰值。

1.2.2 質量一般（FB）

質量一般的混凝土由于有小部分缺陷，故大部分應力波均可傳播到底部邊界，在頻譜中表現為在低頻處有一較大振幅峰值，在高頻處也有振幅峰值。

1.2.3 質量低下（PB）

質量低下的混凝土結構中存在小的孔洞或蜂窩，應力波可傳播到底部邊界并多次反射，在頻譜中表現為低頻處的振幅峰值，而孔洞或蜂窩在頻譜中表現為高頻的多處振幅峰值，并且振幅峰值大于低頻部分的振幅峰值。

1.2.4 質量較差（VPB）

質量較差的混凝土結構中有較大缺陷，造成只有少量應力波傳播到底部邊界并反射，大部分應力波被缺陷表面反射，頻譜特征為在高頻處有一振幅峰值[7]，這是應力波在內部缺陷和構件表面來回反射造成的；在低頻處有一振幅峰值，這是應力波在混凝土底部邊界多次反射[8]的結果。并且與結構厚度相應的振幅峰值遠遠小于與缺陷深度相應的振幅峰值，這說明應力波能大部分被缺陷表面反射，只有一小部分波能到達底部邊界。

2 無損檢測虛擬儀器設計

2.1 總體設計

虛擬混凝土檢測儀主要是由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分是由加速度傳感器、數據采集卡和激勵信號源組成。其結構圖如圖2所示。

圖2 虛擬式混凝土質量檢測儀結構圖

2.2 軟件實現

2.2.1 儀器面板設計

虛擬儀器用戶界面是基于美國NI公司的圖形化編程LabVIEW平臺開發的。在LabVIEW平臺下，一個VI由前面板和流程圖（或稱后面板）兩部分組成。前面板的功能等效于傳統測試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統測試儀器與前面板相聯系的硬件電路。儀器面板設計主要由數據采集和質量識別兩大模塊組成。回波信號采集及頻譜分析界面如圖3所示。

圖3 回波信號采集及頻譜分析界面

2.2.2 數據采集

數據采集是由USB數據采集卡MSP-080001實現的，通過設置數據采集卡的一些基本參數，如通道號、基地址、采樣點數、采樣長度等來初始化采集卡，啟動采集卡進行采集并顯示波形。

2.2.3 質量識別

采集卡采集的回波信號[9]其中夾雜有高頻噪聲信號，需要用濾波器濾除掉高頻噪聲以提取信號中的有用信息。LabVIEW自帶的butterworth濾波器能夠很好的濾除高頻噪聲，回波信號經濾波后傳輸到計算機，再進行傅里葉變換得到其頻譜圖。

根據回波信號的頻譜特性可以判斷待測混凝土的內部結構特征，混凝土內部結構的好壞與頻譜中高頻振幅峰值和低頻振幅峰值大小有關：低頻振幅峰值越高，說明應力波到達底部的數量越多，也就是混凝土結構內部對應力波的阻礙越小，混凝土結構質量越好；與此對應的高頻振幅峰值越高，說明應力波在到達底部前被缺陷反射的越多，也就是混凝土結構的缺陷明顯對應力波的傳播造成了阻礙，即混凝土內部結構質量越差。因此可由回波信號的頻譜圖的振幅峰值判斷混凝土內部結構質量。

3 虛擬混凝土檢測儀的實驗應用

以室內普通地板作為實驗對象，由鋼錘沖擊地板產生沖擊波，經加速度傳感器由USB數據采集卡采集信號到計算機，采樣頻率為100kHz。

圖4 質量一般（PB）頻譜圖

圖5 質量較好（VGB）頻譜圖

圖4 為沖擊回波法實驗測得的混凝土回波信號頻譜圖。可以看出，在低頻處有一較大的振幅峰值，這表明有大部分應力波能夠到達底部邊界，在高頻處也有振幅峰值存在，說明結構中有缺陷存在，測試的混凝土結構一般（PB）。

圖5為采用另外一塊地板作為實驗對象采集到的回波信號頻譜。可以看出，只有在低頻處有一較大的振幅峰值，這表明大部分的應力波能夠傳播到底部邊界，在頂部表面和底部邊界之間來回反射，檢測的混凝土結構質量較好（VGB）。

4 結束語

混凝土結構無損檢測在工程中具有重要的意義，沖擊回波法根據振動波在混凝土結構中的傳播特性，通過檢測回波信號并對其進行頻譜分析，實現對內部缺陷的檢測識別。

本文在沖擊回波法無損探傷檢測原理的基礎上，設計了基于LabVIEW系統的混凝土結構質量無損檢測儀，并對儀器的功能進行了實驗，初步達到了預期效果。

[1]張來順，張龍華，王旭.淺析混凝土無損檢測技術[J].黑龍江交通科技，2008（12）：22-25.

[2]羅先中，王正成.沖擊回波法檢測混凝土結構[J].鐵道建筑，2007（8）：106-108.

[3]劉其偉，程躍輝，王鍵，等.超聲波無損檢測的特點分析及其在混凝土缺陷評定中的應用[J].華東公路，2003（4）：58-60.

[4]顧軼東，林維正，蘇勇.沖擊-回波法測量混凝土厚度與缺陷[J].聲學技術，1999（2）：66-69.

[5]張紹興，葉英華，李淑春，等.沖擊回波在鋼筋混凝土結構無損檢測中的應用[J].山西建筑，2007（34）：15-16.

[6]李家偉.無損檢測手冊[M].北京：機械工業出版社，2002：256-362.

[7]肖國強，陳華，王法剛.沖擊回波法檢測混凝土質量的結構模型試驗[J].巖石力學與工程學報，2001（20）：1790-1792.

[8]Kumar A，Raj B，Kalyanasundaram P，et al.Structural integrity assessment of the containment structure of a pressurized heavy water nuclear reactor using impactechotechnique[J].NDT&EInternational，2002，35（4）：213-220.

[9]Sadri A.Application of impact-echo technique in diagnoses and repair of stone masonry structures[J].NDT&EInternational，1995，28（6）：349-350.