CN103852521B - 一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，包括以下步骤：(1)设定超声检测仪器与探头的参数；(2)制作与现场多层介质一致的多层介质标准模型，在标准模型中设置不同的耦合程度；(3)采用超声检测仪器在设定检测参数下对步骤(2)制得的标准模型进行超声波检测，得到标准检测图谱，将标准检测图谱与检测参数存入计算机中；(4)采用超声检测仪器对现场多层介质进行超声波检测，将检测图谱与检测参数输入计算机中，将现场多层介质的检测图谱与步骤(3)得到的标准检测图谱进行比对，计算机自动识别现场多层介质的耦合质量。与现有技术相比，本发明能够准确检测多层介质之间的耦合质量，具有速度快、效率高、省时省力的特点。

Description

一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法

技术领域

本发明涉及一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，属于超声检测及分析技术领域。

背景技术

在工程建设领域，由于地下构筑物长期经受水土压力及结构自身老化等原因，使构筑物局部沉降、开裂、变形，因此需要对这些构筑物进行局部加固，如隧道衬砌的加固改造等。加固一般采用厚度不等的钢板材料(根据工程需要)，钢板的内外层采用多种复合材料进行防腐、抗老化处理，根据工程要求，采用标准模具制作钢板构筑物加固件，这些加固件是统一尺寸的“标准件”。但实际情况是，地下构筑物由于受力不均匀、建造时间不同等原因，变形、弯曲、裂缝等损坏各不相同，因此，用“标准件”来加固局部受损的构筑物，在构筑物与加固件之间会存在大小不等的空隙，一般空隙厚度达到数公分，极端空隙厚度高达数十公分，一般采用特制装置将加固材料灌满整个空隙，确保加固件的耦合质量，使加固后的新、老构筑物成为受力均匀的整体，否则，如果局部仍然存在空隙，则受力会不均匀(有空隙的位置不受力)，将产生新的不均匀沉降、变形。因此，在充满加固材料后，需要对其进行检测，确定其耦合质量。

现行的建筑行业检测方法有电磁波雷达法、超声波检测法、X射线和γ射线法等。由于钢板的相对介电常数很高，当电磁波穿过钢板时，几乎全被钢板吸收，因此电磁波雷达法无法用于本次检测。

超声波检测法在建筑行业中的钢结构检测主要用于焊接接头、焊缝的探伤。超声波检测法在建筑行业中混凝土密实度检测，是在混凝土的正面安装发射换能器、反面安装接收换能器，测量时，根据声时值判断发射换能器与接收换能器之间的混凝土缺陷程度。

X射线和γ射线法对人体会造成伤害且成本昂贵，一般不适用于建筑行业检测。

因此，利用现有的技术检测多层介质耦合质量存在如下问题：

一、电磁波雷达法因为钢板的吸收效应无法用于本次检测；二、超声波检测法需要在材料的正、反面安装换能器进行检测，但地下构筑物(如隧道)的加固检测，因反面在岩土体，无法安装换能器，所以只能在正面进行，对地下构筑物加固检测无效；三、超声波用于钢结构焊接接头、焊缝探伤只适用于表面是钢结构材料且探测范围浅，地下构筑物加固体表面为防腐材料且有多层介质，因此不适用；四、X射线和γ射线法因对人体伤害及成本高，不适用于地下构筑物加固中的大范围检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，该方法能够准确检测多层介质之间的耦合质量，具有速度快、效率高、省时省力的特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，该方法包括以下步骤：

(1)设定超声检测仪器与探头的参数；

(2)制作与现场多层介质一致的多层介质标准模型，在标准模型中设置不同的耦合程度；

(3)采用超声检测仪器在设定检测参数下对步骤(2)制得的标准模型进行超声波检测，得到标准检测图谱，将标准检测图谱与检测参数存入计算机中；

(4)采用超声检测仪器对现场多层介质进行超声波检测，将检测图谱与检测参数输入计算机中，将现场多层介质的检测图谱与步骤(3)得到的标准检测图谱进行比对，计算机自动识别现场多层介质的耦合质量。

所述的多层介质标准模型包括混凝土试块、钢板及环氧树脂，所述的钢板的正反两面均涂覆有防腐复合材料层，所述的混凝土试块与钢板之间通过环氧树脂进行耦合充填。

混凝土试块与钢板之间的耦合程度包括四种类型，分别为完全耦合、基本耦合、部分耦合与不耦合，其中，完全耦合指耦合度为100％，基本耦合指耦合度在80％～100％之间，部分耦合指耦合度在50％～80％之间，不耦合指耦合度在0％～50％之间。

在步骤(1)所述的设定超声检测仪器与探头的参数之前，改善探头性能，改善超声检测仪器性能；

其中，探头包括压电晶体、保护膜、衰减块、探头外壳与接线柱，所述的衰减块设在探头外壳内，所述的压电晶体与保护膜依次设在衰减块的下侧，所述的接线柱与探头外壳连接；

改善探头性能具体方法如下：

1)、改变探头结构，在探头内并联电感，改善探头的电阻抗特性，使探头谐振频率与超声检测仪器发出的电脉冲激励频率达到最佳组合；

2)、吸收系数的公式为：

$a_n=\frac{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\η}}{{2\mathrm{\ρc}}^3}$

吸收系数与频率(ω)的平方成正比，与粘滞系数(η)成正比，与波速(c)的立方成反比，与衰减块的密度(ρ)成反比，因此通过降低粘滞系数、提高材料密度及波速的方法来减小衰减块吸收系数，衰减块采用树脂材料，提升辐射功率和机械Q值，提高信号强度；

3)、改良保护膜材料使其声阻抗与压电晶体、衰减块的声阻抗匹配，改善保护膜的透声性能，提高信号强度；

改善超声检测仪器性能具体方法如下：

在超声检测仪器输出端采用升压变压器形式匹配，提高探头灵敏度，改善谐振频率，提高仪器输出功率，提高信号质量。

步骤(1)所述的设定超声检测仪器与探头的参数包括对脉冲波形、频率、采样速率、增益及探头的中心频率进行设定；其中探头的中心频率宜为(1～5)MHz，采样速率宜为150MHz，将超声检测仪器调整到某一合适增益，在波形不发生畸变的情况下，尽可能实施高增益，记录增益值，在多层介质表面采集检测波形，同时记录波形及其参数。

步骤(3)中，将标准检测图谱与检测参数存入计算机后，将检测参数与标准检测图谱作为标准曲线，或制作多参数、不同耦合程度的标准曲线。

步骤(4)进行的是对现场多层介质的单点检测，进行单点检测后，对现场多层介质耦合质量进行总体评价，其方法如下：

A)、以单片加固环片为评价单位，设该加固环片总面积S，

B)、检测加固环片的耦合质量，对应的评价标准分别为I类、II类、III类、IV类，划分缺陷范围、判定缺陷类型、计算缺陷面积，设II类缺陷面积S₁、III类缺陷面积S₂、IV类缺陷面积S₃；

其中，I类指完全耦合，即耦合度为100％，II类指基本耦合，即耦合度在80％～100％之间，III类指部分耦合，即耦合度在50％～80％之间，IV类指不耦合，即耦合度在0％～50％之间；

C)、设II类缺陷数量Y_１、III类缺陷数量Y₂、IV类缺陷数量Y₃，计算缺陷的加权总面积S_v：

S_v＝0.28S₁·Y₁+0.38S₂·Y₂+S₃·Y₃

D)、根据缺陷加权总面积S_v、环片总面积S，计算缺陷率X：

$X=\frac{S_v}{S}\·100\%$

E)、根据计算缺陷率X，按下列方式对单片加固环片的总体质量进行总体评价：

X≤5％，质量状况完好，对单片加固环片不处理；

5＜X≤10％，质量状况基本完好，对单片加固环片基本不处理；

10＜X≤15％，质量状况明显缺陷，对单片加固环片进行局部处理；

X＞15％，质量状况严重缺陷，对单片加固环片进行重新加固。

对多幅加固环片的质量评价，按单片加固环片分别进行评价。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

采用本发明方法能够检测多层介质的耦合质量，尤其适用于检测涂刷聚脲钢板加固衬砌之间充填环氧树脂的密实度。且本发明检测成本较低，方法简便易行，检测准确率高，适宜推广应用。

附图说明

图1为探头的结构示意图；

图2为超声检测仪器匹配结果示意图；

图3为完好耦合的多层介质标准模型的频谱图；

图4为基本耦合的多层介质标准模型的频谱图；

图5为部分耦合的多层介质标准模型的频谱图；

图6为不耦合的多层介质标准模型的频谱图；

图7为加固环片缺陷计算图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

地下结构加固施工过程中，设计通常会根据不同结构、不同需求采取不同的加固措施，所选用的防腐材料也各不相同，材料厚度也不尽相同，因此不同类型的加固措施(形式上大同小异)，用超声波检测多层介质耦合质量的波形频谱也有区别。

一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，该方法包括以下步骤：

(1)改善探头性能，改善超声检测仪器性能；

改善探头性能具体方法如下：

1)、改变探头结构，在探头内并联电感，改善探头的电阻抗特性，使探头谐振频率与超声检测仪器发出的电脉冲激励频率达到最佳组合；改变结构后的探头如图1所示，包括压电晶体1、保护膜2、衰减块3、探头外壳5、接线柱6及并联电感4，衰减块3设在探头外壳5内，压电晶体1与保护膜2依次设在衰减块3的下侧，并联电感4设在探头外壳5内，接线柱6与并联电感4及探头外壳5连接；

2)、吸收系数的公式为：

$a_n=\frac{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\η}}{{2\mathrm{\ρc}}^3}$

吸收系数与频率(ω)的平方成正比，与粘滞系数(η)成正比，与波速(c)的立方成反比，与衰减块的密度(ρ)成反比，因此通过降低粘滞系数、提高材料密度及波速的方法来减小衰减块吸收系数，衰减块采用树脂材料，提升辐射功率和机械Q值，提高信号强度；

3)、改良保护膜材料使其声阻抗与压电晶体、衰减块的声阻抗匹配，改善保护膜的透声性能，提高信号强度；

改善超声检测仪器性能具体方法如下：

在超声检测仪器输出端采用升压变压器形式匹配，提高探头灵敏度，改善谐振频率，提高仪器输出功率，提高信号质量，具体如图2所示，在超声检测仪器输出端9上连接匹配电容7及匹配电感8，其中匹配电容7与匹配电感8并联设置。

(2)设定超声检测仪器与探头的参数；

设定超声检测仪器与探头的参数包括对脉冲波形、频率、采样速率、增益及探头的中心频率进行设定；其中探头的中心频率宜为(1～5)MHz，采样速率宜为150MHz，将超声检测仪器调整到某一合适增益，在波形不发生畸变的情况下，尽可能实施高增益，记录增益值，在多层介质表面采集检测波形，同时记录波形及其参数。

(3)制作与现场多层介质一致的多层介质标准模型，在标准模型中设置不同的耦合程度；

多层介质标准模型包括混凝土试块、钢板及环氧树脂，钢板的正反两面均涂覆有防腐复合材料层，混凝土试块与钢板之间通过环氧树脂进行耦合充填。

混凝土试块与钢板之间的耦合程度包括四种类型，分别为完全耦合、基本耦合、部分耦合与不耦合，其中，完全耦合指耦合度为100％，基本耦合指耦合度在80％～100％之间，部分耦合指耦合度在50％～80％之间，不耦合指耦合度在0％～50％之间，对应的评价标准分别为：I类、II类、III类、IV类，即表1所示：

表1

质量判定类别	耦合程度	耦合质量
			I类	完全耦合	100％
II类	基本耦合	≥80％
			III类	部分耦合	50％～80％
IV类	不耦合	0％～50％

(4)采用超声检测仪器在设定检测参数下对步骤(3)制得的标准模型进行超声波检测，得到标准检测图谱，将标准检测图谱与检测参数存入计算机中；将标准检测图谱与检测参数存入计算机后，将检测参数与标准检测图谱作为标准曲线，或制作多参数、不同耦合程度的标准曲线。

某地下结构加固体采用厚度30mm的钢板，钢板根据地下结构形状进行弯曲，制作标准件，在钢板外层涂刷两层聚脲树脂等防腐复合材料(厚度约3mm)，在钢板内层涂刷一层聚脲纤维复合材料(厚度约2mm)，需要加固的地下结构体为强度C50、抗渗S10的防水钢筋混凝土，在加固体与钢板标准件之间用环氧树脂进行耦合充填。完全耦合、基本耦合、部分耦合、不耦合等四种模型的检测结果见图3～图6。

(5)采用超声检测仪器对现场多层介质进行超声波检测，将检测图谱与检测参数输入计算机中，将现场多层介质的检测图谱与步骤(4)得到的标准检测图谱进行比对，计算机自动识别现场多层介质的耦合质量。

步骤(5)进行的是对现场多层介质的单点检测，在实际检测过程中，是以缺陷面积来衡量加固体的总体检测质量评价，根据总体检测质量评价确定是否采取补救措施，通过耦合质量检测最终为加固实施保驾护航，进行单点检测后，对现场多层介质耦合质量进行总体评价，其方法如下：

如图7所示，图中标号，10表示加固环评直径D，11表示加固环片底宽B，12表示加固环片长L，13表示加固环片上的II类缺陷面积S₁，14表示加固环片上的III类缺陷面积S₂，13表示加固环片上的IV类缺陷面积S₃。

A)、以单片加固环片为评价单位，设该加固环片总面积S；

B)、检测加固环片的耦合质量，对应的评价标准分别为I类、II类、III类、IV类，划分缺陷范围、判定缺陷类型、计算缺陷面积，设II类缺陷面积S₁、III类缺陷面积S₂、IV类缺陷面积S₃；

其中，I类指完全耦合，即耦合度为100％，II类指基本耦合，即耦合度在80％～100％之间，III类指部分耦合，即耦合度在50％～80％之间，IV类指不耦合，即耦合度在0％～50％之间；

C)、设II类缺陷数量Y₁、III类缺陷数量Y₂、IV类缺陷数量Y₃，计算缺陷的加权总面积S_v：

S_v＝0.28S₁·Y₁+0.38S₂·Y₂+S₃·Y₃

D)、根据缺陷加权总面积S_v、环片总面积S，计算缺陷率X：

$X=\frac{S_v}{S}\·100\%$

E)、根据计算缺陷率X，按下列方式对单片加固环片的总体质量进行总体评价：

X≤5％，质量状况完好，对单片加固环片不处理；

5＜X≤10％，质量状况基本完好，对单片加固环片基本不处理；

10＜X≤15％，质量状况明显缺陷，对单片加固环片进行局部处理；

X＞15％，质量状况严重缺陷，对单片加固环片进行重新加固。

对多幅加固环片的质量评价，按单片加固环片分别进行评价。

Claims (6)

1.一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设定超声检测仪器与探头的参数；

(2)制作与现场多层介质一致的多层介质标准模型，在标准模型中设置不同的耦合程度；

(3)采用超声检测仪器在设定检测参数下对步骤(2)制得的标准模型进行超声波检测，得到标准检测图谱，将标准检测图谱与检测参数存入计算机中；

(4)采用超声检测仪器对现场多层介质进行超声波检测，将检测图谱与检测参数输入计算机中，将现场多层介质的检测图谱与步骤(3)得到的标准检测图谱进行比对，计算机自动识别现场多层介质的耦合质量；

步骤(4)进行的是对现场多层介质的单点检测，进行单点检测后，对现场多层介质耦合质量进行总体评价，其方法如下：

A)、以单片加固环片为评价单位，设该加固环片总面积S，

B)、检测加固环片的耦合质量，对应的评价标准分别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类，划分缺陷范围、判定缺陷类型、计算缺陷面积，设Ⅱ类缺陷面积S₁、Ⅲ类缺陷面积S₂、Ⅳ类缺陷面积S₃；

其中，Ⅰ类指完全耦合，即耦合度为100％，Ⅱ类指基本耦合，即耦合度在80％～100％之间，Ⅲ类指部分耦合，即耦合度在50％～80％之间，Ⅳ类指不耦合，即耦合度在0％～50％之间；

C)、设Ⅱ类缺陷数量Y₁、Ⅲ类缺陷数量Y₂、Ⅳ类缺陷数量Y₃，计算缺陷的加权总面积S_V：

S_v＝0.28S₁·Y₁+0.38S₂·Y₂+S₃·Y₃

D)、根据缺陷加权总面积S_V、环片总面积S，计算缺陷率X：

$X=\frac{S_v}{S}\·100\%$

E)、根据计算缺陷率X，对单片加固环片的总体质量进行总体评价。

2.根据权利要求1所述的一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，其特征在于，所述的多层介质标准模型包括混凝土试块、钢板及环氧树脂，所述的钢板的正反两面均涂覆有防腐复合材料层，所述的混凝土试块与钢板之间通过环氧树脂进行耦合充填。

3.根据权利要求1所述的一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，其特征在于，在步骤(1)所述的设定超声检测仪器与探头的参数之前，改善探头性能，改善超声检测仪器性能；

其中，探头包括压电晶体、保护膜、衰减块、探头外壳与接线柱，所述的衰减块设在探头外壳内，所述的压电晶体与保护膜依次设在衰减块的下侧，所述的接线柱与探头外壳连接；

改善探头性能具体方法如下：

1)、改变探头结构，在探头内并联电感；

2)、衰减块采用树脂材料，减小衰减块吸收系数，提升辐射功率和机械Q值，提高信号强度；

3)、改良保护膜材料使其声阻抗与压电晶体、衰减块的声阻抗匹配，改善保护膜的透声性能，提高信号强度；

改善超声检测仪器性能具体方法如下：

在超声检测仪器输出端采用升压变压器形式匹配，提高探头灵敏度，改善谐振频率，提高仪器输出功率，提高信号质量。

4.根据权利要求1所述的一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，其特征在于，步骤(1)所述的设定超声检测仪器与探头的参数包括对脉冲波形、频率、采样速率、增益及探头的中心频率进行设定。

5.根据权利要求1所述的一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，其特征在于，步骤(3)中，将标准检测图谱与检测参数存入计算机后，将检测参数与标准检测图谱作为标准曲线，或制作多参数、不同耦合程度的标准曲线。

6.根据权利要求1所述的一种用超声波检测多层介质耦合质量的方法，其特征在于，对多幅加固环片的质量评价，按单片加固环片分别进行评价。