沖擊回波法原理介紹
沖擊回波法是一種無損評估混凝土和砌體的方法,其原理是利用沖擊產生應力(聲)波,該應力波會在結構上傳播從而被內部缺陷和外部表面反射。沖擊回波法可用于精確地、非破損的、經 ASTM 認可的測量混凝土板塊和路面的厚度(ASTM C 1383-98a)。也可用于探測素混凝土、鋼筋混凝土和后張鋼筋混凝土中缺陷的位置和大小,如裂縫、分層、孔洞、蜂窩和脫粘。它可以測定板層或路面下的基層中孔洞的位置。可用于測定用砂漿粘結的磚石砌體結構的厚度或結構中裂縫、孔洞和其他缺陷的位置。沖擊回波法不受鋼筋存在的影響。
用一個小鋼球沖擊混凝土或砌體的表面即對其有一個短時機械沖擊,產生低頻應力波(可達到 80KHz)傳入結構內部,遇到缺陷和/或外表面時便發(fā)生反射。這種應力波的波長通常在 50-2000mm 之間,要比混凝土中自然的不均一區(qū)域(骨料、氣泡、微裂縫等)的尺度大得多。因此應力波在混凝土中的傳播只是略有衰減,可視作在均勻的彈性介質中傳播。這些波在結構中的多重反射激起了局部區(qū)域的振動,當反射波到達沖擊表面,引起表面位移,可通過鄰近沖擊位置的換能器記錄下來。傳感器中的壓電晶體產生與位移成比例的電壓信號,該電壓一時間信號(稱作波形)傳到數據采集系統(tǒng)經數字化后保存到計算機的內存中,經計算處理轉換成振幅與頻率對應的頻譜。在計算機的屏幕上可繪出波形圖與頻譜圖。主頻,即頻譜中以峰值出現(xiàn)的頻率與應力波在結構中的多重反射或與淺層、分離層中的彎曲振動相關。
沖擊回波的基本公式是 a=C/(2f),其中 d 是應力波受到反射的深度(缺陷到沖擊表面的距離或密實結構的厚度),c 是波速,f 是信號主頻所對應的頻率。頻率 f 是通過測試得到的。要得到厚度或缺陷的深度,波速 C 必須已知??梢酝ㄟ^測混凝土表面兩個固定距離的傳感器之間應力波的傳播時間來計算波速(請見下一頁),或者測出已知厚度混凝土板密實處的頻率來計算波速。后者計算公式變?yōu)镃=2df(其中 d 是已知的厚度)。
儀器組成
下圖中的圖片和數字描述了 Impact-echo 的所有組件。給儀器做配置時包括選擇組件的編碼數字和傳感器的類型(第 2-3 項)。這些描述見下頁,和建議的儀器配置一起。
1.沖擊器:一套 10 個硬鋼球彈簧棒上的,用于產生應力波,在結構中傳播并被缺陷或外部界面反射。
2.手持式傳感器:柱型傳感器和槍型傳感器用于探測結構中應力波的多次反射信號。
3.雙端傳感器:通過記錄波在置于結構表面兩個固定距離(300mm)的傳感器之間的傳播時間來檢測波速。
4.模擬/數字數據采集系統(tǒng):對傳感器的電壓一時間信號進行接收和數字化,并將結果傳輸到計算機(14 位分辨率,2 個通道每個最大采樣速度均為 2MHz )。
5.筆記本電腦:任何帶 Windows 操作系統(tǒng)的標準筆記本電腦均可(見下頁)。
6.計算機軟件:用戶友好界面,Windows 版 Impact-E 軟件(CD)用于分析信號,進行計算和在電腦屏幕上顯示測試結果。
7.2 根 BNC 連接線:連接傳感器和數據采集系統(tǒng)。
8.串口/USB 接口連接線:連接數據采集系統(tǒng)到計算機的串口或 USB 接口。購買儀器時可將電腦一起購買,也可分開購買。
9.電池充電器:輸入 90-264V 交流,輸出 12V 直流,用于對數據采集系統(tǒng)的電池充電。
10.直流電源:輸入 6-24V 直流,輸出 12V 直流,用于對數據采集系統(tǒng)的電池充電(連接到汽車或卡車的點煙器)。
11. 印 刷 材 料 : 由 M.J.Sansalone 和 W.B.Streett 編 寫 的 書 , "Impact-Echo:NondestructiveEvaluation of Concrete and Masonry",Bullbrier Press, Ithaca, NY, 1997, 339pp;操作手冊;其它材料,包括裝箱單和質保書。
12.滾輪式/手提式攜帶箱:(見第 5 頁)。
傳感器
柱型傳感器(左下)和槍型傳感器(中間)用于沖擊回波測試。柱型模式適用于檢測狹窄和局限的地方;槍型模式更簡單易用,適合于平整的表面。一套測試儀必須至少有一個傳感器。右邊的雙端傳感器僅用于單獨測量波速 ( 按 ASTM C1381-98a 規(guī)定,測定樓板或板層厚度時要求測量波速)。它不能用于沖擊回波測試。如果在將要進行測試的結構區(qū)域,能夠在已知準確厚度的板層上進行測試,使用單個柱型或槍型傳感器也能測得波速(ASTM C 1381-98a 檢測波速和樓板厚度不接受該種測量波速的方法)。
儀器配置
根據測試類型,沖擊回波測試系統(tǒng)有三種推薦配置,如下:
系統(tǒng) A:
該系統(tǒng)含 3 個傳感器,包括 2 個柱型傳感器,或 2 個槍型傳感器,或各 1 個,加 1 個雙端傳感器。柱型傳感器和槍型傳感器能用于沖擊回波測試,當其中 1 個丟失或損壞時,有另 1 個備份。測定表面開口裂縫的深度需要 2 個傳感器,使用 2 個柱型傳感器,或 2 個槍型傳感器,或各 1 個很方便。雙端傳感器用于測定波速。
系統(tǒng) B:
該系統(tǒng)含 1 個傳感器用于沖擊回波測試,可以是柱型傳感器或槍型傳感器,及 1 個雙端傳感器。這涵蓋了所有可能的測試需求。為測定表面裂縫的深度,雙端傳感器的 1 端可和柱型傳感器或槍型傳感器一起使用,然而有時這會很麻煩。雙端傳感器單獨可用于測定波速。
系統(tǒng) C:
該系統(tǒng)僅含 1 個傳感器用于沖擊回波測試,可以是柱型傳感器或槍型傳感器。該系統(tǒng)適合常規(guī)的例行測試。僅當被測區(qū)域的板層厚度已知時,可以測量波速。下圖顯示了進行常規(guī)沖擊回波測試(左圖)和獨立波速測量(右圖)的主要組件。
滾輪式/手提式攜帶箱
滾輪式/手提式攜帶箱(見上圖)裝滿物體后的尺寸約為 46x38x28cm,重量約為10kg,不含電腦。該攜帶箱符合航空運輸箱的要求。耐用的帆布箱有一個可拆卸的、有襯墊的電腦箱,以及零散附件袋、文件袋、伸長桿和滑輪。
電源要求:由筆記本和數據采集系統(tǒng)的內部電池供電。現(xiàn)場操作時無需外部電源。充滿電后筆記本通常能工作 2-4 小時,而且還有外部電池可選。充滿電后數據采集系統(tǒng)能工作 5-6 小時。
測試儀的電腦推薦配置
從Impact-Echo 公司購買測試系統(tǒng)時,可同時購買電腦也可不購買。IMPACT-E軟件可用于任何舊 M 兼容計算機,只要是基于 Windows 95 或更高版本操作系統(tǒng)的,帶1 個串口或 USB 接口(基本上所有計算機上都有),在“區(qū)域設置”和“鍵盤語言”( Windows 操作系統(tǒng)的控制面板中找到)有“英語(美國)”選項。IBM 兼容機的最低推薦配置如下:
● 100MHz 或更快的處理器
● 16MB RAM
● 10.3”TFT?彩色顯示器
● 3.5”軟驅
● 800MB 硬盤
事實上,當前所有的舊 M 兼容機都超過了上述要求。許多公司都有適合的筆記本,包括 Compaq, Gateway, Dell, HP, Panasonic, Toshiba,等等。Panasonic公司的 Toughbook 是一款“加固”過的筆記本,具有防潮和防灰的鎂合金外殼,防震硬盤,防濺鍵盤,陽光下可讀顯示及其它是適合于戶外使用的特點。
Impact-echo 沖擊回波測試系統(tǒng)的技術參數
該儀器在全世界都可以并正在廣泛使用。它具有 CE 標志,符合歐盟標準。它能測量尸波速度和混凝土樓板和板層的厚度,符合 ASTM C 1383-98a 標準。
電源要求:儀器由筆記本電腦和數據采集系統(tǒng)內部的可充電電池,或者外部電源供電。充滿電的筆記本電腦電池通常能使用 2-4 小時,也有備用電池。數據采集系統(tǒng)中的電池充滿電后能工作 5-6 小時。當一定時間(缺省為 2 分鐘)內沒有接收到測試信號時,節(jié)能系統(tǒng)會自動將數據采集系統(tǒng)轉為“休眠”模式。該模式下,耗電量減少了 90%多。還提供適配器將直流(汽車或卡車電池)或 110V 交流轉為 240V 交流,以對系統(tǒng)供電或對電池充電。
尺寸和重量:滾輪式/手提式攜帶箱(見上頁的圖)尺寸約 46x38x28cm。當除電腦外裝滿其它所有部件時,重量約 10kg,符合航空旅行箱要求。它含有 1 個可拆卸,內置襯墊的箱子(帶手柄),用于放置和保護筆記本電腦。
傳感器單元:(見上圖)
● 主要部件:每個單元端部為壓電晶體;柱型和槍型單元帶電池供電的前置放大器。
● 電源要求:柱型和槍型單元,9V 內部電池;雙端單元,無需電源(自供電)。
● 控制:由按壓手柄(柱型和雙端型)或觸發(fā)開關(槍型)控制,柱型和槍型單元有低電量警示燈。
● 電纜連接:BNC 連接頭用于連接數據采集系統(tǒng)。
● 尺寸和重量:
● 柱型:長 29cm,柱直徑 5cm,重量 lkg
● 槍型:高 16.5cm,長 20cm,寬 7.6cm,重量 0.7kg 雙端型:16.5cm,長 38cm,寬 7.6cm,重量 lkg
模擬/數字數據采集系統(tǒng):14 位模擬擻字轉換器,2 通道每通道最大采樣速度2MHz。
● 電源要求:內部可充電電池(5V 直流),充滿電時能工作 5-6 小時。
● 軟件:專門的主板軟件功能,僅能和 Impact-E 操作軟件一起使用(見下頁)。控制:開/關,指示燈。
● 電纜連接:2 根 BNC 連接線接頭用于連接傳感器單元;雙芯連接頭用于連接電池充電器;1 個 9 針串口連接器連接電腦(含USB/串口適配器,用于連接 USB 端口)。
● 尺寸&重量:26x16x4cm,1kg。
Impact-E: Windows 版的沖擊回波軟件
Impact-E 是 Windows 版的交互式用戶友好界面軟件系統(tǒng),用于沖擊回波的測試及其結果的分析。它是由編寫沖擊回波書籍的作者兩個人用了兩年時間編出來的軟件(見該書的第 8 頁)。該軟件引入了沖擊回波理論中的物理及數學原理。 Impact-E 可以裝在任何一臺電腦上用于任何用途,但不能用于測試,因為想要進行測試得有與該軟件兼容的 Impact-Echo Instruments 公司的數據采集系統(tǒng)。
Impact-E 軟件主要優(yōu)點
● 用戶友好:在測試過程中引導用戶。
● 交互式:測試的每一步盡在用戶的掌握之中。
● 說明詳盡:詳盡的操作手冊和詳細的在線幫助系統(tǒng)。
● 全面的:適用于所有已知的沖擊回波應用。
主要特點
● 易于使用:用戶通過有清晰文字的命令按鈕和文本框交互式地錄入數據。通過鼠標或鍵盤或兩者同時使用可靈活地控制。通過各個屏幕的組合引導用戶進行測試、數據檢索和數據分析。每次測試的日期和時間自動記錄并同測試結果一起保存。
● 快速:兩分鐘內便可設置完畢開始測試。在沖擊完畢后 2 秒內即將測試結果顯示在電腦屏幕上。15-20 秒即可完成一次測試并將結果保存到測試文件。
● 靈活:屏幕可以彩色或黑白的方式顯示(后者在戶外的光線下有時更便于讀取)。測試結果文件可存放在硬盤上、軟件盤上或其他的介質上,便于稍后的檢索和分析。測試記錄和測試文件的總結可以打印或導入到 Excel 中。文件系統(tǒng)更方便于打印,在文件間拷貝測試記錄,直接導入 Excel,將測試結果寫成 ASCII 碼。文件以便于導出等等。
● 軟件保護:未經授權不得使用 Impact-E 軟件,該軟件通過加密的代碼以得到保護,只有有了與該軟件相兼容的 Impact-Echo Instruments,LLC 公司的數據采集系統(tǒng)才能進行測試。