采用標準棒扣除換能器t0產生誤差的成因

童壽興,伍根伙

(同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室,上海 200043)

自CTS-25型非金屬超聲波檢測儀問世近30年以來,其已成為我國建筑工程界使用量最大的混凝土模擬型超聲波檢測儀。在工程檢測前,為了事先扣除換能器的t0讀數,CTS-25型儀隨機配備了一根鋁質金屬圓柱體的標準棒。但操作者嚴格按照規范要求[1],即在標準棒上也采用等幅測量方法扣除換能器的t0讀數時,因超聲儀示波管中首波在讀數標記切點處呈圓弧形而非十分陡峭的首波,此時按照標準棒上標定的聲時值扣除t0讀數往往會造成系統測量誤差。以下筆者將針對這點展開分析。

1 換能器及其t0讀數

在結構混凝土的檢測中,主要采用頻率較低的縱波平面換能器,目前低頻換能器常用夾心式。夾心式換能器由輻射體、壓電陶瓷片和配重塊三部分疊合而成。配重塊用鋼制作,其作用是迫使大部分能量向輻射體方向射出。輻射體常用鋁合金輕金屬制作。

在測試時,儀器所顯示的發射脈沖與接收信號之間的時間間隔,實際上是發射電路施加于壓電晶片上的電信號的前沿與接收到的聲波被壓電晶體交換成的電信號的起點之間的時間間隔。由于換能器中的壓電體與試件間并不直接接觸,從發射電脈沖變成到達試件表面的聲脈沖,以及從聲脈沖變成輸入接收放大器的電信號,中間一般隔著換能器輻射體及耦合層,它們有一定的厚度。所以儀器所反映的聲時并非超聲波通過試件的真正時間。修正時間差異的影響,需要先測定試件長度為零時的時間讀數,簡稱聲時零讀數t0。將發射和接收換能器直接加耦合劑對接,即可讀出t0。由于直接對接,信號太強,為避免儀器損壞,有時不允許這樣測量。常用的方法是在兩個換能器間夾一已知聲時的標準棒,儀器所顯示的聲時與標準棒上所標示的聲時之差即為t0值。

2 標準棒及其聲時標定值

為了方便,CTS-25型超聲儀附有標準棒。整個標準棒實體是鋁制的,只是兩端表面粘上兩片銅片,目的是降低聲速,因為鋁聲速比混凝土聲速高得多,所以在銅片與鋁之間粘一層環氧樹脂降低聲速。標準棒中銅片與鋁之間的環氧樹脂還能起降低頻率的作用,即使波形近似于混凝土中波形;如果只有金屬,則傳播高頻。標準棒上標注的時間(比如26.3μs)是廠家檢出的,應該是使用更高精密的儀器標定而得出。

3 聲時的等幅讀數

CTS-25型超聲儀的波形為模擬信號,即時間和幅值均為連續變量。模擬型超聲儀聲時讀數主要采用手動游標測讀,圖1為超聲儀的接收波形,接收信號的前沿b的聲時讀數,代表聲信號波前到達接收換能器的最短時間,只有b點讀數才能與最短聲程相適應,因而作為計算聲速的依據。在實際測試中,要準確讀取b點的時間讀數并不是很容易。幅值較小時游標往往后移,隨著首波波幅的減小,會造成接收波起始點位置向聲時延長的方向偏移,以至聲時讀數偏大。

圖1 接收波形

如圖2所示的情況,實際起點位置在b點,但因幅值太小,易誤讀成了b′點。而且誤讀聲時值增長的程度隨著首波波幅的不斷縮小而增大[2]。因此在實際測讀時,必須增高發射電壓或增大增益,調節接收信號的幅值到足夠大。調節到某一個特定的高度,即采用等幅測量的方法再開始聲時值讀數[3]。

圖2 因接收信號幅值太小而造成的誤判

4 試驗

取CTS-25型儀隨機配備的鋁質金屬標準棒為試驗對象,其長度為160mm,標準棒上標注的t0讀數為26.3μs。對標準棒試驗的方法有如下3種,其檢測結果見表1。

表1 三種試驗方法的聲時讀數偏差

(1)將兩個發、收換能器耦合于標準棒的兩端面。先固定“發射電壓”為200V,然后按下“衰減器”按鈕為30dB的衰減量后,調節“增益”鈕,使超聲首波波幅為4cm,此時測得的超聲儀讀數為32.7μs,即換能器的讀數t0=32.7-26.3=6.4μs;保持同樣的“發射電壓”,“增益”狀態,釋放“衰減器”按鈕30dB,即衰減為0dB,此時首波直立,波幅超示波屏,測得超聲波儀讀數為30.5μs,此時換能器t0讀數為t0=30.5-26.3=4.2μs。顯而易見,兩種檢測結果的系統偏差為6.4-4.2=2.2μs。

(2)同檢測方法(1),按“衰減器”按鈕,先衰減30dB;調節“增益”鈕,使首波波幅為4cm;調節“讀數鈕”,使首波達讀數切點標記處后,用螺絲刀調節“調零”旋鈕,使數碼管讀數為標準棒上標注的聲時值26.3μs,然后釋放“衰減器”按鈕 30dB,使“衰減器”為0dB,此時首波直立,幅度超示波屏,此時調節“讀數鈕”,超聲儀讀數為24.1μs。可得兩者偏差為26.3-24.1=2.2μs。

(3)同檢測方法(2),“衰減器”為 0dB,在首波超屏狀態下,調節“調零”旋鈕至26.3μs的標準棒標記聲時值后,按下30dB衰減值,首波幅度復原為4cm,調節“讀數鈕”,超聲儀讀數為28.5μs。可得兩者偏差為28.5-26.3=2.2μs。

綜上所述,首波等幅4cm狀態下讀取的聲時值,都比首波波幅超屏狀態下(釋放30dB衰減量后)大2.2μs。筆者在長短環氧樹脂勻質試件上測的換能器的t0為4.2μs[4],4.2μs結果同檢測方法(1)：衰減為0dB時首波直立,波幅超示波屏,測得換能器t0讀數為4.2μs。可見采用標準棒扣除換能器t0讀數時,再習慣性采用首波等幅讀數的方法是不妥的。

5 用標準棒扣t0讀數的方法

試驗表明,標準棒的超聲聲時讀數和首波波幅之間存在著隨首波波幅取高或低而聲時讀數遞減或增的規律。標準棒上廠家標注的聲時值26.3μs,其檢測方法不詳,此聲時值的測量是由更高一級測量儀計量。金屬鋁棒的聲時讀數應在首波波幅足夠大的狀態下測量而非等幅測量得出的結果。

當標準棒扣除t0讀數時,不能采用傳統的首波“等幅讀數”法。用標準棒扣t0讀數時,建議采用的方法如下：預先按下30dB衰減值,調節“增益”鈕,使首波波幅為4cm,然后釋放30dB衰減量,使首波直立陡峭,調節“讀數鈕”此時讀取的聲時值與標準棒上的標注值之差即為換能器的t0讀數;此時如再調節“調零”鈕,至數碼管顯示標準棒上標注的聲時值即正確扣除了換能器的t0讀數。

6 結論

(1)模擬型超聲儀的聲時讀數與超聲波首波的幅度取值有關。標準棒上的聲時讀數隨首波波幅的高、低呈變大變小的客觀規律,其規律為所測到的聲時值隨著首波波幅值的減小而增大。如標準棒上扣除換能器的t0讀數,仍套用等幅讀數的常規檢測方法,被扣除的t0讀數將產生系統誤差。

(2)當用標準棒扣除換能器t0讀數時,必須使超聲波通過鋁質金屬圓柱體后的首波十分陡峭,推薦在首波幅度為波幅4cm的基礎上再增益30dB量值后測讀。

[1]CECS21：2000 超聲法檢測混凝土缺陷技術規程[S].

[2]吳慧敏.結構混凝土現場檢測技術[M].長沙：湖南大學出版社,1988：66-67.

[3]童壽興,伍根伙.超聲波首波波幅差異與聲時測量值的關系研究[J].無損檢測,2010,32(5)：367-369.

[4]童壽興.智能型與模擬型超聲儀測量聲時的比對試驗[J].無損檢測,2008,30(2)：110-111.