阅读说明：本技术 混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置及方法 (Nonlinear ultrasonic evaluation device and method for concrete material surface damage ) 是由 刘福东 王文强 李良图 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置及方法,将混凝土待测试试件放入加载端中,将其两端固定,并在试件的表面设定位置放置超声探头,非线性声学检测设备的高能脉冲信号输出端通过放大后,与超声波换能器进行交互,在表面激起瑞雷波并在试件中传播后由特殊设置的空气耦合换能器接收超声波信号,并经过信号处理得到非线性超声参数,其能够有效反映试件所受损伤。本发明能够实现混凝土材料材料加载过程中损伤的在线监测,而且在测量损伤中无需将试件从加载台上取下,从而可以准确评价外界往复载荷作用下在役构件的力学状况,降低了由于混凝土构件因损伤而产生断裂失效造成的风险,解决了现有设备操作不便,不能在加载过程中进行监测的缺点,具有商业应用推广价值。(The invention discloses a nonlinear ultrasonic evaluation device and method for concrete material surface damage, which comprises the steps of placing a concrete test piece to be tested into a loading end, fixing two ends of the concrete test piece, placing an ultrasonic probe at a set position on the surface of the test piece, enabling a high-energy pulse signal output end of nonlinear acoustic detection equipment to interact with an ultrasonic transducer after being amplified, exciting Rayleigh waves on the surface, transmitting the Rayleigh waves in the test piece, receiving ultrasonic signals by a specially arranged air coupling transducer, and obtaining nonlinear ultrasonic parameters through signal processing, wherein the nonlinear ultrasonic parameters can effectively reflect the damage of the test piece. The invention can realize the online monitoring of the damage of the concrete material in the loading process, and the test piece does not need to be taken down from the loading platform in the damage measurement, thereby accurately evaluating the mechanical condition of the in-service member under the action of the external reciprocating load, reducing the risk caused by the fracture and failure of the concrete member due to the damage, solving the defects that the existing equipment is inconvenient to operate and cannot monitor in the loading process, and having commercial application and popularization values.)

混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土测试技术，具体涉及混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置及方法。

背景技术

在工程结构中广泛使用的混凝土构件，由于长期的荷载作用和外界环境影响(如风化，冻融等)会引起材料内部产生损伤、局部微裂纹扩展，导致结构的力学性能退化。损伤累积一定程度后结构可能发生突然脆断，造成严重的工程事故。研究表明，结构所受荷载对裂纹的萌生和扩展起着至关重要的作用，而在实际工程中，结构大部分情况会受到循环荷载的作用，而在这种条件下往往容易发生疲劳脆断。结构早期力学性能退化的诊断对于及时进行安全预警和维护措施是十分重要的，然而对于早期的力学性能劣化的检测技术还未发展成熟。因此，至关重要的是开发诊断工具，能够在加载条件下，研究材料和结构在早期阶段的力学性能退化时的特征，使得工程师在混凝土基础设施的服役中可以对微裂缝的萌生和增长进行现场监测。

超声无损检测技术是现代检测技术中重要的方法之一，在工业制造，结构损伤检测等各方面都有着广泛应用。目前比较成熟的超声无损检测主要是针对结构或材料缺陷的起始和最终失效阶段，主要利用波在材料中的时程、衰减、散射、阻抗等特征信息，对材料中的微裂纹等缺陷的存在和分布进行测定。但是这些线性的参数往往对结构的早期力学性能的退化不是很敏感。近年来，很多研究表明，材料力学性能的退化与超声波非线性效应密切相关。非线性参数能够很敏感地反映出材料早期力学行为的变化。单一频率的超声波在有非线性的特性的介质中往往产生整数倍频率的高阶谐波。而通过获得不同损伤阶段的声学非线性系数，就可以理解材料内部微观结构的变化，从而对结构和材料早期力学性能退化做出有效的探测。虽然现在已有研究将高灵敏度非线性声学技术用于监测混凝土早期损伤(包括碱-硅反应引起的微结构变化、碳化、干燥收缩和热损伤等)，然而还缺乏将这些非线性声学技术应用于表征混凝土由于荷载引起的损伤的试验技术，主要是由于在加载条件下测量装置难以适应试样。有试验装置使用了楔形转换器用于传输和探测非线性瑞雷表面波。然而，这种方法操作复杂很耗费时间，而且由于接收信号的楔形转换器与试件表面间的声学差异，会产生很大的信号波动。因此需要研发一套能能够将非线性超声技术应用于荷载条件下混凝土试件损伤实时监测的方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置及方法，本发明操作简便，采用性能较好的非线性超声技术实现对荷载条件下混凝土试件损伤情况的实时监测。

技术方案：本发明的一种混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置，包括信号生成器、信号放大器、示波器和接触器楔形换能器；信号发生器产生多周期的正弦波，通过信号放大来放大信号发生器的输出信号，得到含高声学能量的信号；然后利用接触器楔形换能器将含高声学能量的信号转换为纵波，并将转换后的纵波传入斜楔中；纵波从斜楔中到达待测试件表面来激发册数样本中的瑞利面波，并在试件表面沿着声轴传播；待测试件的表面放置超声探头，待测试件另一端通过具有固定倾斜角O的空气耦合换能器检测扩散到空气中的瑞利表面波。

为最大限度地将声波能量传递到混凝土待测试件，，所述接触器楔形换能器采用窄频带压电接触式的超声发射换能器，且接触器楔形换能器固定于斜楔上；所述斜楔由丙烯酸制成，斜楔与待测的混凝土圆柱曲率相同的凹底面。

进一步的，所述斜楔与换能器、换能器与待测试件之间采用润滑油实现声学耦合。

本发明还公开一种混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置的评价方法，包括以下步骤：

(1)测试参数

计算空气耦合换能器的倾斜角度O；倾斜角度O等于从试件表面中传出的在空气中传播的纵波相对于表面法向的角度，即

其中，c_air为试验前测量获得空气中体波的波速，c_R为瑞雷波在试件薄面的波速；

(2)设置表面瑞雷波的激发和接受装置

首先信号发生器产生多周期的正弦波，使用信号放大器(大功率)放大信号发生器的输出信号，得到含高声学能量的信号(以确保信号具有良好的信噪比)；然后利用接触器楔形换能器将所得信号转换为纵波，并依次传入斜楔和待测试件表面，进而激发样本中的瑞利面波并在试件表面沿着声轴传播；所述待测试件另一端用一个具有固定倾斜角O的空气耦合换能器检测扩散到空气中的瑞利表面波；通过宽带前置的信号放大器将检测到的信号放大，再用示波器对信号进行平均化的数字化处理；

(3)测试系统稳定性

将超声信号产生系统中信号生成器输入电压固定，在其他条件相同情况下，改变发射探头和超声信号接收探头之间的距离(即楔形接触换能器与空气耦合换能器之间的距离)，产生超声信号至驱动传感器，并通过空气耦合换能器接收从待测试件中泄露到空气中的超声信号；将空气耦合超声换能器探头接收到的体波信号通过傅里叶变换得到其信号波的基频幅值A1和倍频幅值A2，得到不同探头距离下对应的A1参数指和A2参数值，对A1参数指和A2参数值进行拟合得到A2于A1²接近正比例关系，说明仪器可正常工作，根据公式非线性超声测试得到准确的不同情况下的非线性系数B；

(4)不同加载循环下试件的非线性系数测量

利用电子万能实验机对混凝土待测试件进行循环加载或者恒荷载加载，在加载同时，在不同的加载阶段利用非线性超声测试装置激发并接收瑞雷波；对接收信号进行相应的信号处理，分析并得到接收信号中的基频幅值和倍频幅值，计算得到非线性系数B直到试件承载力丧失；

上述过程中，将待测试件在加载之前的状态所对应的相对非线性系数记为B₀，对待测试件加载不同应力后的相对非线性系数B_x除以B₀进行正则化；得到基于基频、倍频的正则化相对非线性系数与加载循环间的关系曲线图；

(5)可重复性操作测试

改变超声发射探头与空气耦合换能器之间的距离，调整完成后完全重复上述步骤的工作，即：将接触器楔形换能器固定在斜楔上，然后利用激发和接收一定强度的瑞雷表面波，对同一待测试件在不同加载后的超声信号进行处理得到非线性超声系数，重复测试以保证测试结果的可靠和准确，最终得到存在不同程度表面损伤试件的非线性系数。

为了减小泄漏超声波在空气中的衰减和衍射效应，所述步骤(2)中，待测试件与空气耦合换能器激发区域中点之间的距离z为3.3mm～3.5mm。

有益效果：本发明通过超声发射换能器将电信号转换为超声纵波，传入与其接触的斜楔中，在待测试件的表面激发瑞雷波，同时在试件另一端设置空气耦合的超声接收换能器，对接收到的超声信号利用多次平局弄得方法提高信号的信噪比，然后利用快速傅里叶变换，得到超声信号的基频和高频幅值参数A1和A2，将参数代入到公式中既可以得到存在于不同程度损伤的试件的非线性系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用非接触式方法对待测试件材料中的瑞雷波进行探测，避免超声波多介质传递过程中的损耗和变化，且大大简化操作的复杂程度，测量结果更加准确过程更加简洁。

(2)本发明对同一待测试件可实现方便的换点测量。在现有检测中，一般只能用改变电压的方式测非线性系数B的变化，但是改变电压会引入超声系统的非线性，影响非线性系数对材料非线性的反映。本发明可实现通过换点测量，检测非线性参数的变化，而这一变化几乎完全由超声传播过程中的材料非线性造成，所以能获得更好的检测效果。

(3)同其他非线性超声探测方法相比，本发明由于探测装置的减少，可以直接装置在加载状态下的混凝土试件中，从而不需要将试件从加载装置上拆下，可以边加载边测量，因此特别适合对由于加载过程造成混凝土试件损伤的测量。

(4)常规的超声检测手段仅仅利用一些线性的超声波参量如声速、散射耗散等等，这些参数对于荷载条件下的损伤并不敏感，而超声非线性参数被证明对这些损伤十分敏感，所以利用非线性的超声方法能够对这些损伤进行有效评价。

附图说明

图1为本发明中测量装置结构示意图；

图2为实施中不同传播距离下倍频幅值与基频幅值平方之比(非线性超声系数)图；

图3为实施例中非线性超声系数随试件加载周期的变化图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种混凝土材料表面损伤的非线性超声评价装置的评价方法，包括以下步骤：

(1)测试参数

为得到最好的声波信号，需要计算空气耦合换能器的倾斜角度O(如图1)，其角度等于从试件表面中传出的在空气中传播的纵波相对于表面法向的角度。试验前测量获得空气中体波的波速C_air和瑞雷波在试件薄面的波速C_r，根据公式计算得到空气耦合换能器的倾斜角度O。

(2)设置表面瑞雷波的激发和接受装置

首先信号发生器产生多周期的正弦波，通过使用大功率放大器信号发生器的输出信号，得到所需要的高声学能量的信号，以确保信号具有良好的信噪比。利用窄频带压电接触的超声发射换能器将电信号转换为超声纵波，传入与其接触的丙烯酸斜楔中，再到达试件表面激发样本中的瑞利面波并在试件表面沿着声轴传播；在试件的另一端用一个具有固定倾斜角O的空气耦合换能器检测扩散到空气中的瑞利表面波。通过宽带前置放大器将检测到的信号放大，再用示波器对信号进行平均化的数字化处理。整个系统由来自信号生成器的触发信号进行同步。

(3)测试系统稳定性

将超声信号产生系统的输入电压固定，在其他条件相同情况下，改变发射探头和超声信号接收探头之间的距离，产生超声信号至驱动传感器，并通过空气耦合换能器接收从试件中泄露到空气中的超声信号。将空气耦合超声换能器探头接收到的体波信号通过傅里叶变换得到其信号波的基频幅值A1和倍频幅值A2；得到不同探头距离下对应的A1、A2参数值，对其进行拟合可得到A2于A1²接近正比例关系，说明仪器可正常工作，根据公式非线性超声测试可以得到准确的非线性系数B，如图2和图3所示。

(4)不同加载循环下试件的非线性系数测量

利用电子万能实验机对混凝土试件进行循环加载或者恒荷载加载，在加载同时，在不同的循环加载阶段利用非线性超声测试装置激发并接收瑞雷波；对接收信号进行相应的信号处理，分析并得到接收信号中的基频幅值和倍频幅值，计算得到非线性系数B直到试件承载力丧失。定义并采用的基于基频和倍频幅值的相对非线性系数如下：

根据上述公式计算得到试件中超声波的相对非线性系数。将试件在加载之前的状态所对应的相对非线性系数记为B₀。对试件加载不同应力后的相对非线性系数B_x除以B₀进行正则化。得到基于基频、倍频的正则化相对非线性系数与加载循环间的关系曲线图。

(5)可重复性操作测试

改变超声发射探头与空气耦合换能器之间的位置，调整然后完全重复步骤的工作，即将妮酸埋晶片换能器粘接在有机玻璃斜楔上；然后利用祸合剂将有机玻璃斜楔粘贴在金属板状试件表面，进而激发和接收一定强度的瑞雷表面波；接着再重复步骤中的工，对同一试件在不同应力加载后进行瑞雷波信号的激发和接收，进行一次的重复测试以保证测试结果的可靠和准确，即可得到存在不同程度表面损伤试件的非线性系数。