采用标准棒扣除换能器t0产生误差的成因

2011-07-23童寿兴伍根伙

无损检测 2011年1期

童寿兴,伍根伙

(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 200043)

自CTS-25型非金属超声波检测仪问世近30年以来,其已成为我国建筑工程界使用量最大的混凝土模拟型超声波检测仪。在工程检测前,为了事先扣除换能器的t0读数,CTS-25型仪随机配备了一根铝质金属圆柱体的标准棒。但操作者严格按照规范要求[1],即在标准棒上也采用等幅测量方法扣除换能器的t0读数时,因超声仪示波管中首波在读数标记切点处呈圆弧形而非十分陡峭的首波,此时按照标准棒上标定的声时值扣除t0读数往往会造成系统测量误差。以下笔者将针对这点展开分析。

1 换能器及其t0读数

在结构混凝土的检测中,主要采用频率较低的纵波平面换能器,目前低频换能器常用夹心式。夹心式换能器由辐射体、压电陶瓷片和配重块三部分叠合而成。配重块用钢制作,其作用是迫使大部分能量向辐射体方向射出。辐射体常用铝合金轻金属制作。

在测试时,仪器所显示的发射脉冲与接收信号之间的时间间隔,实际上是发射电路施加于压电晶片上的电信号的前沿与接收到的声波被压电晶体交换成的电信号的起点之间的时间间隔。由于换能器中的压电体与试件间并不直接接触,从发射电脉冲变成到达试件表面的声脉冲,以及从声脉冲变成输入接收放大器的电信号,中间一般隔着换能器辐射体及耦合层,它们有一定的厚度。所以仪器所反映的声时并非超声波通过试件的真正时间。修正时间差异的影响,需要先测定试件长度为零时的时间读数,简称声时零读数t0。将发射和接收换能器直接加耦合剂对接,即可读出t0。由于直接对接,信号太强,为避免仪器损坏,有时不允许这样测量。常用的方法是在两个换能器间夹一已知声时的标准棒,仪器所显示的声时与标准棒上所标示的声时之差即为t0值。

2 标准棒及其声时标定值

为了方便,CTS-25型超声仪附有标准棒。整个标准棒实体是铝制的,只是两端表面粘上两片铜片,目的是降低声速,因为铝声速比混凝土声速高得多,所以在铜片与铝之间粘一层环氧树脂降低声速。标准棒中铜片与铝之间的环氧树脂还能起降低频率的作用,即使波形近似于混凝土中波形;如果只有金属,则传播高频。标准棒上标注的时间(比如26.3μs)是厂家检出的,应该是使用更高精密的仪器标定而得出。

3 声时的等幅读数

CTS-25型超声仪的波形为模拟信号,即时间和幅值均为连续变量。模拟型超声仪声时读数主要采用手动游标测读,图1为超声仪的接收波形,接收信号的前沿b的声时读数,代表声信号波前到达接收换能器的最短时间,只有b点读数才能与最短声程相适应,因而作为计算声速的依据。在实际测试中,要准确读取b点的时间读数并不是很容易。幅值较小时游标往往后移,随着首波波幅的减小,会造成接收波起始点位置向声时延长的方向偏移,以至声时读数偏大。

图1 接收波形

如图2所示的情况,实际起点位置在b点,但因幅值太小,易误读成了b′点。而且误读声时值增长的程度随着首波波幅的不断缩小而增大[2]。因此在实际测读时,必须增高发射电压或增大增益,调节接收信号的幅值到足够大。调节到某一个特定的高度,即采用等幅测量的方法再开始声时值读数[3]。

图2 因接收信号幅值太小而造成的误判

4 试验

取CTS-25型仪随机配备的铝质金属标准棒为试验对象,其长度为160mm,标准棒上标注的t0读数为26.3μs。对标准棒试验的方法有如下3种,其检测结果见表1。

表1 三种试验方法的声时读数偏差

(1)将两个发、收换能器耦合于标准棒的两端面。先固定“发射电压”为200V,然后按下“衰减器”按钮为30dB的衰减量后,调节“增益”钮,使超声首波波幅为4cm,此时测得的超声仪读数为32.7μs,即换能器的读数t0=32.7-26.3=6.4μs;保持同样的“发射电压”,“增益”状态,释放“衰减器”按钮30dB,即衰减为0dB,此时首波直立,波幅超示波屏,测得超声波仪读数为30.5μs,此时换能器t0读数为t0=30.5-26.3=4.2μs。显而易见,两种检测结果的系统偏差为6.4-4.2=2.2μs。

(2)同检测方法(1),按“衰减器”按钮,先衰减30dB;调节“增益”钮,使首波波幅为4cm;调节“读数钮”,使首波达读数切点标记处后,用螺丝刀调节“调零”旋钮,使数码管读数为标准棒上标注的声时值26.3μs,然后释放“衰减器”按钮 30dB,使“衰减器”为0dB,此时首波直立,幅度超示波屏,此时调节“读数钮”,超声仪读数为24.1μs。可得两者偏差为26.3-24.1=2.2μs。

(3)同检测方法(2),“衰减器”为 0dB,在首波超屏状态下,调节“调零”旋钮至26.3μs的标准棒标记声时值后,按下30dB衰减值,首波幅度复原为4cm,调节“读数钮”,超声仪读数为28.5μs。可得两者偏差为28.5-26.3=2.2μs。

综上所述,首波等幅4cm状态下读取的声时值,都比首波波幅超屏状态下(释放30dB衰减量后)大2.2μs。笔者在长短环氧树脂匀质试件上测的换能器的t0为4.2μs[4],4.2μs结果同检测方法(1)：衰减为0dB时首波直立,波幅超示波屏,测得换能器t0读数为4.2μs。可见采用标准棒扣除换能器t0读数时,再习惯性采用首波等幅读数的方法是不妥的。

5 用标准棒扣t0读数的方法

试验表明,标准棒的超声声时读数和首波波幅之间存在着随首波波幅取高或低而声时读数递减或增的规律。标准棒上厂家标注的声时值26.3μs,其检测方法不详,此声时值的测量是由更高一级测量仪计量。金属铝棒的声时读数应在首波波幅足够大的状态下测量而非等幅测量得出的结果。

当标准棒扣除t0读数时,不能采用传统的首波“等幅读数”法。用标准棒扣t0读数时,建议采用的方法如下：预先按下30dB衰减值,调节“增益”钮,使首波波幅为4cm,然后释放30dB衰减量,使首波直立陡峭,调节“读数钮”此时读取的声时值与标准棒上的标注值之差即为换能器的t0读数;此时如再调节“调零”钮,至数码管显示标准棒上标注的声时值即正确扣除了换能器的t0读数。