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超聲波檢測的基本原理范文第1篇

關(guān)鍵詞：樁檢測；超聲波投射法；低應(yīng)變法

引言

在橋梁的運(yùn)行中，基樁是其整個(gè)結(jié)構(gòu)中非常重要的組成部分，基樁的質(zhì)量是否過關(guān)直接關(guān)系到整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)安全。目前，各工程單位即監(jiān)理、設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工等各方以及各有關(guān)部門對(duì)橋梁基樁的質(zhì)量問題給與了高度的關(guān)注。同時(shí)，橋梁樁基的施工環(huán)境復(fù)雜，各工序也有其高度的隱蔽性，因此在施工過程極易出現(xiàn)影響基樁質(zhì)量的缺陷，因此總體來說，相比于上部建筑結(jié)構(gòu)來說，樁基礎(chǔ)工程的質(zhì)量檢測、施工等將更為復(fù)雜，其對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生威脅的隱患也將更多。

質(zhì)量檢測的主要指標(biāo)便是樁身完整性檢測，目前主要采用低應(yīng)變反射波法和超聲波透射法來進(jìn)行基樁樁身的完整性檢測。

1 超聲波投射法與低應(yīng)變法的基本概念

1.1 超聲波投射法

在混凝土灌注樁中預(yù)埋聲測管，在聲測管之間對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行接收并發(fā)射，對(duì)樁身完整性的檢測就是通過實(shí)測的聲學(xué)參數(shù)即超聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的波幅衰減、頻率、PSD、聲時(shí)等。該方法適用于檢測直徑不小于800mm的混凝土灌注樁。

超聲波及工程檢測頻率范圍如表1所示。

表1 聲波及工程檢測頻率

1.2 低應(yīng)變法

低應(yīng)變法的原理是在樁頂激振即采用低能量穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的激振的方式，對(duì)樁頂速度時(shí)程曲線做出實(shí)測值，對(duì)該實(shí)測值使用一維波動(dòng)理論進(jìn)行頻域分析或時(shí)域分析，來進(jìn)行樁身完整性的判定。該方法主要是對(duì)樁身的缺陷位置以及影響程度進(jìn)行判定，進(jìn)而對(duì)樁端欠固狀況進(jìn)行判定，因此比較適用于剛性材料樁如預(yù)制樁或混凝土灌注樁等。該方法的關(guān)鍵問題是樁底有明顯的反射信號(hào)。

2 超聲波投射法與低應(yīng)變法的基本理論

2.1 超聲波投射法的基本理論

超聲波投射法的基本原理是，在混凝土澆筑前預(yù)埋聲測管，在樁的兩側(cè)分別接收和發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)在電能被發(fā)射探頭轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的情況下穿透混凝土樁，被接收到的超聲波再將探頭轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。根據(jù)超聲波在混凝土中的傳播時(shí)間在測得混凝土厚度的情況下盡可以算出在整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)中超聲波的傳播速度，進(jìn)而通過算得的聲速來對(duì)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判。顯然，在檢測的過程中，聲速越大的越充分說明混凝土的質(zhì)量越好，越密實(shí)，相反，對(duì)于松散的混凝土，或者是有離析、裂縫、孔洞等缺陷的混凝土，其聲速也就會(huì)越低。因此，此方法可以科學(xué)的檢測混凝土樁身的完整性和質(zhì)量。不難看出，彈性波的波速與介質(zhì)特性之間的關(guān)系既是超聲波投射法對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行檢測的理論基礎(chǔ)。對(duì)介質(zhì)特性的變化可以從實(shí)測的波幅、聲速等參數(shù)中推斷出來。

聲波在混凝土介質(zhì)中的傳播有如下特點(diǎn)：（1）指向性差，其原因主要有：a.低頻聲波擴(kuò)散角大，波長長；b.混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有大量的異質(zhì)界面，會(huì)造成多個(gè)反射波和折射波，其各個(gè)波之間相互疊加和干涉，容易造成嚴(yán)重的漫射聲能。（2）快速衰減。骨料在混凝土中的分布比較散漫，散射功率與聲波頻率的平方成正比，采用低頻聲波來檢測可以增大聲波在混凝土中的傳播距離。（3）聲波的構(gòu)成比較復(fù)雜。在混凝土中的任何一點(diǎn)聲場所及的范圍內(nèi)，都存在著一次聲波及二次聲波。一次聲波與二次聲波便是換能器所接收的信號(hào)。（4）傳播路徑復(fù)雜。聲波的傳播路徑因?yàn)榻孛娴恼凵浜头瓷涠?。?dāng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在有較大的缺陷時(shí)，聲波就不沿直線傳播而是沿最短時(shí)間的路徑傳播。

2.2 低應(yīng)變法的基本理論

低應(yīng)變法的基本原理就是在樁頂進(jìn)行激振，同時(shí)在樁頂接收速度相應(yīng)信號(hào)，對(duì)樁頂?shù)募铀俣然蛘呤撬俣软憫?yīng)時(shí)程曲線測出其實(shí)測值，對(duì)樁身的完整性分析即利用假設(shè)條件下的一維波動(dòng)理論。在樁頂使用敲擊的方法給與適當(dāng)?shù)哪芰?，但是其承載能力應(yīng)該遠(yuǎn)大于其動(dòng)荷載，使阻止貫入度的產(chǎn)生，即在只有彈性變形的情況下使樁土之間不產(chǎn)生相對(duì)位移。低應(yīng)變法就是通過分析激勵(lì)波沿樁身反射和傳播的波形來檢測樁身的安全。但是由于其結(jié)果不準(zhǔn)確，誤差較大且理論依據(jù)不足，不可以用來確定極限承載力。低應(yīng)變法的儀器設(shè)備便于攜帶、檢測快、成本低、監(jiān)測面積大而且物理數(shù)學(xué)假設(shè)完善、理論模型成熟，因此應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。

3 超聲波投射法與低應(yīng)變法的特征分析

在樁基的質(zhì)量完整性檢測中，超聲波投射法與低應(yīng)變法的主要特征以及對(duì)比如表2所示。

表2 超聲波投射法與低應(yīng)變法的主要特征分析

在大多數(shù)的情況下，超聲波法只有一小部分是檢測的盲區(qū)，一般會(huì)得出比較準(zhǔn)確可靠結(jié)果，出現(xiàn)漏判的情況是少之又少；低應(yīng)變法的測量結(jié)果是對(duì)樁身樁基的阻抗的變化情況，它是大體的反應(yīng)了對(duì)于樁身上有缺陷部位的定性，但對(duì)于是缺陷的位置或者是怎樣的缺陷均不能夠做出精確的判斷。

4 超聲波投射法與低應(yīng)變法的對(duì)比結(jié)果的分析

在適用范圍上，相比于超聲波法，低應(yīng)變法更有優(yōu)勢。但由于其在檢測的過程中存在一定的判斷誤差而且檢測的精確度較低，對(duì)所涉及到的儀器設(shè)備也比較復(fù)雜且繁多，所以在目前樁的檢測中相對(duì)于超聲波投射法其應(yīng)用范圍還相對(duì)較低。但在一些特鐵路的群樁中，施工進(jìn)程中并未埋設(shè)聲測管，所以低應(yīng)變法便成為其常用的檢測樁質(zhì)量的方法。

此外，對(duì)于超聲波法來說，它是科學(xué)化與信息化相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅能夠有效地提高我國各應(yīng)用結(jié)構(gòu)中樁的質(zhì)量檢測的效率的目的，同時(shí)也能夠很好的體現(xiàn)出我國當(dāng)前的科技水平。同時(shí)，該方法還具有新的檢測方法，其具有強(qiáng)大的抗干擾能力，無疑該方法便可成為我國樁基檢測中的有利方法。

5 結(jié)束語

總的來說，不論是超聲波投射法還是低應(yīng)變法都有其在工程運(yùn)用中的優(yōu)越性，并且對(duì)于我國的建筑行業(yè)的發(fā)展和施工進(jìn)展都是不可或缺的。因此，對(duì)于我國相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員來說，其應(yīng)該對(duì)超聲波投射法與低應(yīng)變法的技術(shù)優(yōu)越性、技術(shù)原理、應(yīng)用實(shí)例、應(yīng)用特點(diǎn)等有清晰、全面的了解，以便能夠高效的運(yùn)用到樁基的質(zhì)量安全檢測中。不僅使超聲波投射法與低應(yīng)變法這兩種檢測方法得到發(fā)展，同時(shí)樁基的相關(guān)技術(shù)都能得到積極、健康、穩(wěn)步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

超聲波檢測的基本原理范文第2篇

關(guān)鍵詞：vb；動(dòng)畫仿真系統(tǒng)；高職；超聲檢測

目前，高職課堂教學(xué)面臨著課程學(xué)時(shí)減少、難度增大、學(xué)生文化基礎(chǔ)薄弱、缺乏學(xué)習(xí)興趣等困難。如何提高課堂教學(xué)質(zhì)量，創(chuàng)新教學(xué)方法，是值得深入研究的重要課題。

超聲檢測是無損檢測方向一門十分重要的課程，需要學(xué)生在理論基礎(chǔ)與操作能力上有透徹的理解和嫻熟的應(yīng)用。由于超聲檢測的部分理論知識(shí)枯燥艱深，課堂教學(xué)難以讓學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)，不容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。若建立實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)則耗時(shí)、耗材。如果對(duì)這些重要知識(shí)點(diǎn)借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真教學(xué)，不僅方便經(jīng)濟(jì)，還可以通過修改參數(shù)、變換模型，讓學(xué)生隨時(shí)觀察到系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。這樣就使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程由感性到理性，學(xué)生將更深刻地理解超聲檢測技術(shù)?？梢源藶榛A(chǔ)，調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行模擬仿真學(xué)習(xí)的積極性與參與性，逐步實(shí)施基于工作過程的自主學(xué)習(xí)型高技能人才培養(yǎng)模式。

目前，可以實(shí)現(xiàn)仿真的軟件很多，基于vb來編寫教學(xué)仿真系統(tǒng)相對(duì)而言直觀、靈活。下面筆者將以a型脈沖反射式超聲波探傷、超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面的反射和折射以及超聲縱波聲場三個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例，介紹vb在超聲檢測教學(xué)中的仿真應(yīng)用。

a型脈沖反射式超聲波探傷

（一）基本原理

在一定重復(fù)頻率的同步脈沖信號(hào)觸發(fā)下，發(fā)射電路以相同的重復(fù)頻率產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號(hào)，該信號(hào)激勵(lì)換能器以相同的重復(fù)頻率發(fā)射同頻率的超聲波。WWW.133229.cOM這種超聲波傳導(dǎo)于工件中，遇到不連續(xù)性（包括工件底面）后產(chǎn)生反射，該反射回波被換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)接收、放大后傳至顯示器的垂直偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生垂直偏轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，在同步信號(hào)的觸發(fā)下，時(shí)基電路以相同的重復(fù)頻率產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)，給顯示器的水平偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生時(shí)基掃描線。這樣，接收信號(hào)的波形便顯示于示波屏，根據(jù)示波屏上顯示信號(hào)的位置、高度和特征，可判斷不連續(xù)性的位置、大小和性質(zhì)。

（二）仿真系統(tǒng)

探傷平臺(tái)仿真系統(tǒng)涉及信號(hào)發(fā)送、超聲波工件探傷和接收信號(hào)顯示三大部分，如圖1所示。信號(hào)發(fā)送部分包括同步信號(hào)、時(shí)基電路和發(fā)射信號(hào)三個(gè)演示框。探傷平臺(tái)部分用藍(lán)色實(shí)體方框表示被測工件，紅色實(shí)體方框表示換能器（探頭），黃色實(shí)體方框表示工件內(nèi)部缺陷，探頭接收到激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生超聲波，傳播到工件內(nèi)部進(jìn)行探傷，同時(shí)探頭經(jīng)接收電路將微弱的反射信號(hào)進(jìn)行放大處理在顯示器部分演示出來，讓缺陷回波信號(hào)位置隨缺陷埋深的變化而變化。演示平臺(tái)上還設(shè)置了頻率、幅值等調(diào)節(jié)參數(shù)，通過這些參數(shù)的變化，學(xué)生可以更深刻地理解超聲檢測原理。

程序關(guān)鍵部分是超聲波激勵(lì)信號(hào)的模擬演示。筆者引用的激勵(lì)信號(hào)為加窗正弦波信號(hào)，表達(dá)形式為vin（t）=a[h階梯函數(shù)。

部分程序如下：

for i = 0.5 to 8 * pi step pi / 6000

f1（j） = heavi（i * （10 ^ （-6））） - heavi（i * （10 ^ （-6）） - n / （fc * 1000））

f2（j） = 1 - cos（2 * pi * fc * i * （10 ^ （-3）） / n）

f3（j） = sin（2 * pi * fc * i * （10 ^ （-3）））

picture2.drawwidth = 1

picture2.pset （（i * 30 + m * 4 * pi * 80） / frq， amp * 5 * f2（j） * f3（j） * f1（j） * 30 + picture2.height / 2）， vbyellow

j = j + 1

next

… …

（三）教學(xué)應(yīng)用

a型脈沖反射式超聲波探傷基本工作原理是較難理解的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生很難把同步信號(hào)、時(shí)基信號(hào)、發(fā)射信號(hào)等概念以及它們之間的聯(lián)系掌握清楚。為此，教學(xué)可安排在實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行，一方面，學(xué)生自行演示并操作仿真軟件方便理解超聲檢測設(shè)備內(nèi)部的電路運(yùn)行情況，另一方面，讓學(xué)生選擇檢測系統(tǒng)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)在超聲探傷儀屏幕上觀察檢測結(jié)果。這樣，讓學(xué)生將軟硬件結(jié)合，動(dòng)手操作和學(xué)習(xí)結(jié)合，能極好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生深入理解超聲探傷基本工作原理，為后續(xù)實(shí)訓(xùn)操作奠定了基礎(chǔ)。

超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面的反射和折射

（一）基本原理

當(dāng)超聲波在某一介質(zhì)中以入射角傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)在界面處發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生反射縱波和反射橫波以及折射縱波和折射橫波。入射角與反射角之間以及入射角與折射角之間符合施耐爾定律。通過該定律還可以延伸出臨界角的概念。

（二）仿真系統(tǒng)

如圖2所示，演示平臺(tái)中包括參數(shù)設(shè)置和聲波傳播演示兩部分。參數(shù)設(shè)置涉及兩種異質(zhì)材料和入射角的選擇，確定好異質(zhì)材料，右側(cè)的信息欄中將顯示出兩種介質(zhì)的縱波速度與橫波速度，有助于學(xué)生對(duì)材料信息的了解。一旦調(diào)節(jié)入射角，用直線條表示的超聲波隨即在平臺(tái)部分顯示出來，借助不同顏色區(qū)分入射、反射和折射的縱波與橫波，線條的粗細(xì)用來表示信號(hào)能量的強(qiáng)弱。隨著入射角的改變，反射波與折射波角度亦隨之發(fā)生變化，當(dāng)條件滿足，可以清晰掌握折射角達(dá)到90°時(shí)波形軌跡的變化，這會(huì)使學(xué)生對(duì)第一臨界角和第二臨界角的理解更加深入。程序編制過程需要注意的是當(dāng)入射角達(dá)到第一臨界角時(shí)，在介質(zhì)2中只有橫波而無縱波，此時(shí)反射縱波能量加強(qiáng)，當(dāng)入射角達(dá)到第二臨界角時(shí)，在介質(zhì)2中既沒有橫波也沒有縱波，反射橫波沿界面?zhèn)鞑ァ?/p>

（三）教學(xué)應(yīng)用

這部分是超聲檢測的重要知識(shí)點(diǎn)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生由于不熟悉超聲波傳播特性，只能死記公式，無法靈活運(yùn)用，對(duì)臨界角的概念理解不清。在教學(xué)中，可將仿真軟件與練習(xí)題相結(jié)合，教師先介紹仿真軟件的使用，隨即讓學(xué)生進(jìn)行仿真操作，模擬各種光疏到光密物質(zhì)、光密到光疏物質(zhì)的超聲波傳播情況，觀察第一、第二臨界角的產(chǎn)生條件與時(shí)機(jī)，同時(shí)結(jié)合仿真動(dòng)畫理解斯奈爾公式每個(gè)參數(shù)的含義，再結(jié)合練習(xí)題進(jìn)行公式運(yùn)用，之后將公式計(jì)算結(jié)果在仿真軟件中進(jìn)行驗(yàn)證，保證了學(xué)生全面掌握超聲波傳播原理與斯奈爾定律。

超聲縱波聲場

（一）基本原理

超聲換能器向介質(zhì)中輻射超聲波的區(qū)域稱為聲場，通常用聲壓分布與聲場的指向性來描繪。該聲壓在極大值和極小值間起伏變化，最后一個(gè)極大值點(diǎn)處與聲源的距離稱為近場長度，用n表示，n=d2/4λ。聲場能量主要分布在以聲軸線為中心的一定角度內(nèi)，這種聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)稱為聲場的指向性，用指向角或半擴(kuò)散角?茲表示，?茲=sin-11.22λ/d。近場長度和半擴(kuò)散角是描述聲場的兩個(gè)關(guān)鍵要素，而它們的值主要取決于檢測頻率和探頭晶片尺寸。

（二）仿真系統(tǒng)

如圖3所示，演示平臺(tái)包括參數(shù)設(shè)置和聲場演示兩部分。晶片尺寸和檢測頻率通過滾動(dòng)條調(diào)節(jié)大小，從而表現(xiàn)出對(duì)聲場的影響。演示部分分別用不同顏色表示被檢工件、探頭、聲場，其中近場區(qū)聲場不擴(kuò)散，而進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū)聲束開始擴(kuò)散。當(dāng)分別改變晶片尺寸和檢測頻率大小時(shí)，可以清晰看到聲場中近場長度與擴(kuò)散情況的變化。由于晶片尺寸和檢測頻率同時(shí)決定聲場，因此在程序中需要用到大量條件嵌套語句。

部分程序如下：

private sub hscroll1_change（）

f = hscroll1.value

'f為晶片尺寸滾動(dòng)條數(shù)值

select case d

'd為檢測頻率滾動(dòng)條數(shù)值

case 1

select case f

case 1

… …

case 2

… …

end select

end sub

（三）教學(xué)應(yīng)用

晶片尺寸與檢測頻率對(duì)聲場與擴(kuò)散角的影響以及近場的概念是學(xué)生必須掌握的重要知識(shí)點(diǎn)。知識(shí)點(diǎn)的掌握主要還是對(duì)公式的理解與記憶。學(xué)生通過設(shè)置仿真參數(shù)，模擬各種聲場擴(kuò)散情況，將仿真動(dòng)畫結(jié)果與公式實(shí)例分析互相驗(yàn)證，不僅能對(duì)各參數(shù)的含義有更深入的理解，同時(shí)將公式運(yùn)用到實(shí)例能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)聲場全面的理解。

本文介紹的基于vb實(shí)現(xiàn)的教學(xué)仿真已經(jīng)很好地應(yīng)用于超聲檢測課程教學(xué)，促進(jìn)了課堂互動(dòng)，極大地改善了教學(xué)效果，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)理解，得到了一致好評(píng)，值得教學(xué)一線的教師嘗試和持續(xù)改進(jìn)。目前，該超聲檢測課程已成功申報(bào)檢測技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)自主學(xué)習(xí)型高級(jí)能人才培養(yǎng)模式實(shí)踐研究教育教學(xué)研究項(xiàng)目，并已獲批深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)精品課程。

參考文獻(xiàn)：

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[3]x lin，f g yuan.diagnostic lamb waves in an integrated piezoelectric sensor/actuator plate: analytical and experimental studies[j].smart mater.struct，2011，（10）:907-913.

[4]史亦韋.超聲檢測[m].北京“機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

超聲波檢測的基本原理范文第3篇

Abstract: The sound wave transmission method is recognized as one of the most reliable methods in the detection of the large-diameter concrete piles. This method can accurately determine various types of defects in the concrete piles. This paper describes the fundamental principle of the sound wave transmission method and various problems that need attention in the detection process. This paper also brings forward several characteristics of acoustic parameters when the piles were detected with defects based on the in situ test.

關(guān)鍵詞：聲波透射法；完整性檢測；混凝土灌注樁

Key words: sound wave transmission method；integrity testing；concrete piles

中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）28-0109-02

0引言

大直徑混凝土樁的施工過程中，容易產(chǎn)生離析、局部夾層、斷樁、縮頸等樁身缺陷。尤其水下灌注混凝土的技術(shù)復(fù)雜，作業(yè)要求緊密連貫，成樁過程具有隱蔽性，成樁后較難檢查。如不通過檢測，將會(huì)削弱基樁的力學(xué)性能和耐久性，給工程質(zhì)量留下隱患。目前，基樁完整性的檢測手段，主要有鉆芯法、低應(yīng)變法、高應(yīng)變法和聲波透射法等。但是對(duì)于長樁、大直徑樁或深部缺陷樁的檢測具有一定的局限性。如低應(yīng)變法因激振能量小，對(duì)深部缺陷及樁底反射不靈敏；樁身存在多處缺陷時(shí)，由于多個(gè)反射波相互干擾，形成復(fù)雜波列，故對(duì)樁身缺陷的類型、程度及位置都難以做出準(zhǔn)確的判斷。鉆芯法鉆孔有限，只能反映樁身局部缺陷，對(duì)于小缺陷有時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)存在損害，不利于普查。大直徑混凝土灌注樁的檢測宜采用聲波透射法。與其他幾種方法比較，聲波透射法有其鮮明的特點(diǎn)：檢測全面、細(xì)致，聲波檢測的范圍可覆蓋全樁長的各個(gè)橫截面，信息量豐富，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且現(xiàn)場操作簡便，不受樁長、長徑比的限制[1]。

1聲波透射法的基本原理及檢測技術(shù)

1.1 聲波透射法檢測混凝土灌注樁的基本原理在被測樁內(nèi)預(yù)埋若干根豎向相互平行的聲測管作為換能器的通道，管內(nèi)注滿清水作為耦合劑，將超聲波脈沖發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測管中。每兩根聲測管為一組，通過水的耦合，超聲脈沖信號(hào)從一根聲測管的換能器發(fā)射出去，穿過待測的樁體混凝土，并經(jīng)另一根聲測管的接收換能器被儀器接收，判讀出超聲波穿過混凝土的聲時(shí)、聲速、接收波首波的波幅以及接收波主頻變化等參數(shù)?；炷潦怯啥喾N材料組成的非勻質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時(shí)，缺陷面形成波阻抗界面，波到達(dá)該界面時(shí)，產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到透射波能量明顯降低；當(dāng)混凝土內(nèi)存在松散、蜂窩、孔洞等嚴(yán)重缺陷時(shí)，將產(chǎn)生波的散射和繞射；根據(jù)波的初至到達(dá)時(shí)間和波的能量衰減特性、頻率編號(hào)及波形畸變程度等特征，可以獲得測區(qū)范圍內(nèi)混凝土的密實(shí)度參數(shù)。

1.2 檢測方法及檢測過程中應(yīng)注意的問題 聲波透射法測樁常用的檢測方法有跨孔透射法和單孔折射法。我公司使用的儀器是武漢巖海公司的RS-STO1D（P）型非金屬超聲波檢測儀，采用跨孔透射法進(jìn)行樁身完整性檢測。

聲波透射法在檢測大直徑灌注基樁中，應(yīng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)加注意，稍有疏忽，都會(huì)對(duì)檢測的結(jié)果造成嚴(yán)重影響，甚至形成錯(cuò)判。因此，在檢測應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定程序進(jìn)行。

1.2.1 檢測前應(yīng)對(duì)聲測管進(jìn)行試探性檢查 聲波檢測管通常埋設(shè)在樁基中，稍不注意都會(huì)在聲測管中夾有異物，這將影響檢測探頭放到樁底，而且很容易導(dǎo)致探頭夾在管中，無法提起來，造成不必要的損失。因此，要求聲測管埋設(shè)完成后必須加蓋以防異物落下。檢測前取下蓋子，灌滿清水，用測試?yán)K通到管底，檢查聲測管是否暢通。

1.2.2 聲測管的耦合劑必須采用清水 規(guī)范中明確規(guī)定聲波透射法檢測中的耦合劑為清水[2]，但在一些工程實(shí)例中由于附近清水取用比較困難，在聲測管中灌入泥水或污水，靜置一段時(shí)間以后，泥水發(fā)生沉淀使探頭無法下到管底，污水則會(huì)影響超聲波的傳送與接收[3]。遇見這種情況我們采用的方法是：使用硬質(zhì)PVC管插入聲測管底部，將管底部的污水通過高壓水泵的壓力沖出，直到有清水翻出。

1.2.3 檢測時(shí)提升探頭要同步 聲波透射法檢測大直徑混凝土灌注樁中，常采用水平同步法，測點(diǎn)間距不宜大于250mm。發(fā)射與接收換能器應(yīng)以相同標(biāo)高同步升降，其累計(jì)相對(duì)高差不應(yīng)大于20mm，并隨時(shí)校正。為了使兩個(gè)換能器同步升降，在檢測中需要有經(jīng)驗(yàn)的工人進(jìn)行配合，發(fā)射與接收換能器的相對(duì)高差超過規(guī)定值后，主機(jī)將無法接收到信號(hào)。

2 工程實(shí)例分析

我公司使用的儀器是武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-STO1D（P）非金屬超聲波檢測儀。檢測過程中，當(dāng)有2根以上聲測管時(shí)，將聲測管按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行編號(hào)和分組，防止記錄有錯(cuò)，并依次放入一對(duì)換能器。根據(jù)聲測管間距調(diào)整合適的延時(shí)時(shí)間，使得采集到的首波在儀器屏幕合適的位置。采用一發(fā)一收平測，測點(diǎn)間距為250mm，從樁底至樁頂逐點(diǎn)檢測出聲時(shí)、聲速、波幅以及主頻等聲學(xué)參數(shù)，根據(jù)聲學(xué)參數(shù)來判定樁的質(zhì)量。

2.1 完整樁 某市政橋梁工程4號(hào)墩的5號(hào)樁，樁徑為1200mm，樁長10m。該樁3個(gè)剖面的聲時(shí)-深度、波幅-深度、聲速-深度曲線近似一條直線，各檢測剖面的聲學(xué)參數(shù)均無異常，無聲速低于低限值異常，分析結(jié)果4-5#樁為Ⅰ類樁。其中圖1為BC剖面的波形曲線。

2.2 缺陷樁

2.2.1 樁身局部夾層 某高速公路橋梁工程0號(hào)墩2號(hào)樁，樁長9.0m，樁徑為1200mm。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)，BC剖面在均樁頂7.14～7.64m范圍內(nèi)聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常。經(jīng)對(duì)其加密檢測，在同一位置處聲速降低，波幅出現(xiàn)陡降。經(jīng)鉆孔取芯以及灌注技術(shù)人員證實(shí)，BC剖面在7.14～7.64m范圍內(nèi)存在泥水混合物。其中圖2為BC剖面的波形曲線。

2.2.2 樁底離析 樁底沉渣聲波曲線特征見圖3。圖3為某市高速公路大橋擴(kuò)建基樁3號(hào)墩3號(hào)樁的AB剖面超聲波檢測波形曲線。該樁檢測長度8.8m。在8.1～8.8m范圍內(nèi)聲速曲線陡降，超過了波速臨界值，波幅曲線衰減較快，可推斷出樁底部松散離析。經(jīng)施工單位證實(shí)清孔不干凈，沉渣較厚，引起混凝土松散離析現(xiàn)象。

2.2.3 斷樁 斷樁是樁基缺陷最嚴(yán)重的情況。其斷樁部位的聲時(shí)陡增，聲速陡降，波幅嚴(yán)重衰減，甚至衰減100%，即無波形或者接收換能器無接收信號(hào)出現(xiàn)。圖4為某高速公路基樁1號(hào)墩2號(hào)樁的聲波透射法檢測圖，該樁檢測長度為25.3m，AB、BC、AC剖面在16.16～19.76m范圍內(nèi)聲速陡降，波幅衰減100%，接收換能器無接收信號(hào)出現(xiàn)，可判斷為斷樁。經(jīng)施工技術(shù)人員證實(shí)當(dāng)天灌注混凝土?xí)r等待時(shí)間過長使混凝土離析，又沒有進(jìn)行二次攪拌，灌注時(shí)大量骨料卡在導(dǎo)管內(nèi)，不得不提出導(dǎo)管進(jìn)行清理，引起斷樁。

3 結(jié)語

3.1 采用聲波透射法進(jìn)行大直徑混凝土灌注樁樁身完整性的檢測，可對(duì)樁身全長范圍內(nèi)的混凝土缺陷、均勻性進(jìn)行檢測，且不受樁徑樁長的限制，對(duì)現(xiàn)場條件要求不高，相對(duì)其他方法具有獨(dú)特優(yōu)勢。

3.2 聲波透射法檢測樁基質(zhì)量時(shí)，有時(shí)會(huì)受到客觀因素的影響，導(dǎo)致輕判、誤判、錯(cuò)判，要求施工技術(shù)人員和檢測人員在聲測管埋設(shè)和聲測管檢測時(shí)要嚴(yán)密注意各個(gè)環(huán)節(jié)，以免造成不必要的損失。

3.3 聲波透射法檢測中若發(fā)現(xiàn)異常情況，可根據(jù)各種實(shí)測曲線的變化規(guī)律，結(jié)合工程地質(zhì)資料、施工情況，并采用加密測點(diǎn)或斜測的方法，綜合判斷缺陷性質(zhì)和成都，使檢測結(jié)果更接近實(shí)際，避免誤判。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳凡，徐天平，陳久照等.基樁質(zhì)量檢測技術(shù)[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2003。

超聲波檢測的基本原理范文第4篇

關(guān)鍵詞：脫氣器 最佳液面 自動(dòng)控制

一、前言

氣測錄井是綜合錄井的重要方面，它主要是通過測定鉆井液中烴類氣體的成分和含量，來了解地層含油氣情況的一種直接測井方法。當(dāng)鉆開油氣層時(shí)，油氣層中的烴類氣體和液體，由于滲透和擴(kuò)散作用進(jìn)入井內(nèi)鉆井液，隨著鉆井液的循環(huán)被帶到地面鉆井液緩沖罐，在緩沖罐安裝脫氣器，用脫氣器將鉆井液中的氣體脫出，再由真空泵將氣體送入儀器進(jìn)行分析測定。

脫氣器的安裝條件和脫氣效率是影響氣測資料準(zhǔn)確性的重要方面。常用的電動(dòng)式脫氣器有一個(gè)最佳的鉆井液液面位置，處于這個(gè)位置上，脫氣器可以獲得相對(duì)穩(wěn)定的性能。

二、設(shè)計(jì)的整體思路

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。液面檢測模塊利用超聲波反射原理檢測液面的變化，執(zhí)行模塊主體采用小型的電動(dòng)機(jī)，通過單片機(jī)控制其正反轉(zhuǎn)，并通過合適的機(jī)械傳動(dòng)裝置來達(dá)到提升、降低脫氣器的目的。單片機(jī)電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的控制核心，它既控制著超聲波液面檢測模塊和執(zhí)行模塊的電機(jī)正反轉(zhuǎn)，又作為系統(tǒng)的比較元件，同時(shí)又可以輸出液面數(shù)據(jù)和發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

三、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，包括液面檢測模塊、執(zhí)行模塊及單片機(jī)控制電路等三部分。

1.液面檢測模塊的設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)。超聲波發(fā)射電路如圖2所示。超聲波由時(shí)基電路NE555產(chǎn)生，其頻率的計(jì)算公式為：

f=1.44/[（R1+2*R2）*C]

此頻率應(yīng)該調(diào)整到與超聲波發(fā)射探頭的固有頻率一致，這樣才能產(chǎn)生最強(qiáng)的超聲波信號(hào)輸出，并且使R1與R2阻值之比不大于1：10，以使輸出的波形更接近方波。NE555的復(fù)位端由單片機(jī)的“發(fā)射超聲波控制脈沖” 控制。

用MSP430F149單片機(jī)的P1.0端控制NE555的復(fù)位端，使NE555發(fā)射出超聲波，發(fā)射完一串就向計(jì)數(shù)器送出一個(gè)脈沖，觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù)；然后P1.0端輸出高電平信號(hào)使NE555復(fù)位，停止發(fā)射超聲波，再進(jìn)行反射接收、運(yùn)算處理。整個(gè)過程就是NE555發(fā)射出一串串?dāng)嗬m(xù)的超聲波信號(hào)，然后接收由單片機(jī)處理的無限循環(huán)。

圖2 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收電路設(shè)計(jì)。接收探頭接收到反射的超聲波信號(hào)后，感應(yīng)出交流電信號(hào)，經(jīng)過集成運(yùn)放LM324構(gòu)成的兩級(jí)交流信號(hào)放大器放大，再由二極管整流、濾波處理形成直流電壓信號(hào)，其電路原理如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路

3.2 執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)

執(zhí)行模塊的電路如圖4所示，主電路為三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)接線，在其控制電路中，用光電耦合器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鈕。

圖4 執(zhí)行模塊的電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路

當(dāng)檢測到液面過高時(shí)，單片機(jī)P1.4端輸出高電平，經(jīng)光耦器件使KM1線圈通電，KM1主觸頭和自鎖觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，脫氣器上升，這樣液面相對(duì)下降。直到檢測到液面處于合適的位置，單片機(jī)P1.4端輸出低電平，KM1斷電觸頭打開，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，脫氣器停止上升。

當(dāng)檢測到液面過低時(shí)，單片機(jī)P1.5端輸出高電平，經(jīng)光耦器件使KM2線圈通電，KM2主觸頭和自鎖觸頭閉合，由于電源相序反接電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，脫氣器下降，這樣液面相對(duì)上升。直到檢測到液面處于合適的位置，單片機(jī)P1.5端輸出低電平，KM2斷電觸頭打開，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，脫氣器停止下降。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在液面檢測模塊，單片機(jī)向超聲波發(fā)射電路發(fā)射脈沖信號(hào)，使其輸出一定時(shí)間的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。當(dāng)接收到反射波時(shí)，停止計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間及液面高度，并且將數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)、判斷是否報(bào)警。然后轉(zhuǎn)入執(zhí)行模塊的控制，此自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較元件，實(shí)際上是程序中的比較計(jì)算。程序根據(jù)設(shè)定的情況控制脫氣器的相應(yīng)的動(dòng)作，使其處于最佳的位置。

五、結(jié)論

本文利用自動(dòng)控制的基本原理設(shè)計(jì)了一種脫氣器最佳液面的智能控制裝置，設(shè)計(jì)了該裝置的檢測反饋模塊、執(zhí)行模塊等主要硬件電路，并畫出了系統(tǒng)的軟件流程圖，分析了系統(tǒng)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜鵑.測量儀表與自動(dòng)化.東營：中國石油大學(xué)出版社，2002：50～55.

[2] 姚若河，張朝基.超聲波反射式液位計(jì).廣西物理，2000，24（4）：24～28.

超聲波檢測的基本原理范文第5篇

關(guān)鍵詞： 超聲波傳感器 原理 應(yīng)用

1.引言

隨著自動(dòng)化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備都離不開傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量，等等，以便使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。

20世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)某些介質(zhì)的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體、PZT晶體等）在高電壓窄脈沖作用下，能產(chǎn)生較大功率的超聲波。它與可聞聲波不同，可以被聚焦，能用于集成電路的焊接、顯像管內(nèi)部的清洗；在檢測方面，利用超聲波有類似于光波的折射、反射的特性，制作超聲波納探測器，可以用于探測海底沉船、敵方潛艇，等等。

現(xiàn)在超聲波已經(jīng)滲透到我們生活中的許多領(lǐng)域，例如B超、遙控、防盜、無損探傷，等等。

2.超聲波的概念

人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz―20kHz范圍內(nèi)，稱為可聞聲波。低于20Hz的機(jī)械振動(dòng)人耳不可聞，稱為次聲波；高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)稱為超聲波，常用的超聲波頻率為幾十kHz至幾十MHz。

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）和縱向振蕩（縱波）。工業(yè)中的應(yīng)用常采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，但傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波頻率較低，一般為幾十kHz，但衰減較快；在固體、液體中傳播頻率較高，但衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。

3.超聲波的特點(diǎn)

超聲波的指向性好，不易發(fā)散，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，在穿透幾米厚的鋼板后，能量損失不大。超聲波在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就越好，與光波的反射、折射特性就越接近。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲波測量儀器及裝置，并在通信、醫(yī)療、家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。

4.超聲波傳感器的原理

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，由發(fā)送傳感器、接收傳感器、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可用作接收器傳感器上的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比、稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。超聲波傳感器電源可用DC12V±10%或24V±10%。

5.超聲波探頭

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭，等等。本文以固體傳導(dǎo)介質(zhì)為例，簡要介紹以下三種探頭。

（1）單晶直探頭。俗稱直探頭，其壓電晶片采用PZT壓電陶瓷制作。發(fā)射超聲波時(shí)，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出一束頻率落在超聲波范圍內(nèi)、持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波，垂直投射到試件內(nèi)。假設(shè)該試件為鋼板，而其底面與空氣交界，到達(dá)鋼板底部的超聲波絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經(jīng)過一短暫的傳播時(shí)間回到壓電晶片。再利用壓電效應(yīng)，晶片將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。

（2）雙晶直探頭。由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一個(gè)殼體內(nèi)，其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。

（3）斜探頭。有時(shí)為使超聲波能傾斜入射到被測介質(zhì)中，可選用斜探頭。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度的有機(jī)玻璃斜楔塊上。當(dāng)斜楔塊與不同材料被測介質(zhì)接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得。

6.超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無痛苦、無損害，方法簡便，顯像清晰，診斷的準(zhǔn)確率高，等等，因而受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷是利用超聲波的反射原理，當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲振幅的高低。

在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷、超聲波測厚和測量液位等。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感器的出現(xiàn)改變了這種狀況。超聲波探測既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測材料內(nèi)部幾米深的缺陷。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號(hào)。

超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有許多其他方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾、酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）響應(yīng)時(shí)間短，可以方便地實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測量。

7.結(jié)語

超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如反射問題、噪音問題、交叉問題，等等。本文簡要介紹了超聲波的概念、特點(diǎn)，分析了超聲波傳感器的原理，并給出了超聲波傳感器的幾種典型應(yīng)用，對(duì)今后對(duì)超聲波傳感器的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究有一定的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

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