CN113504300A - 一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法及检测系统 - Google Patents

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CN113504300A CN202110593045.4A CN202110593045A CN113504300A CN 113504300 A CN113504300 A CN 113504300A CN 202110593045 A CN202110593045 A CN 202110593045A CN 113504300 A CN113504300 A CN 113504300A
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Abstract

本发明提供了一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法及检测系统，属于无损检测领域，该检测方法包括以下步骤：步骤一，利用任意波形发生器产生正弦波形电信号并输出至宽频功率放大器中，由宽频功率放大器将该电信号放大，放大后的电信号发送给待测试件；步骤二，所述待测试件发射端的PZT压电瓷片经逆压电效应后发出超声波信号，所述待测试件接收端的PZT压电瓷片接收所述超声波信号，并将其转换为电信号；步骤三，所述电信号传入示波器并显示该电信号参数，对所述电信号参数进行采集，然后进行FFT变换得到待测试件的相对非线性参数βr；步骤四，将所述相对非线性参数βr与试验所得的混凝土碳化数据拟合，在检测过程中根据βr得到混凝土碳化的时间，从而实现混凝土碳化的无损检测。本发明提出的非线性超声检测技术，在混凝土碳化前后，非线性参数变化明显，适用于混凝土碳化的评估。

Description

一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及混凝土无损检测领域，尤其是一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法及检测系统。
背景技术
钢筋混凝土作为当代土木工程领域中应用最广泛、性价比最高、使用量最大的无机建筑材料，在我国大规模基础设施建造中有着不可或缺的地位，发挥着难以替代的作用。混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，同一强度指标的混凝土的实际耐久性可能相差很大。而随着钢筋混凝土的广泛使用，由于其耐久性不足所引起的经济损失、资源耗费、环境破坏等问题，早已成为土木工程可持续发展的瓶颈之一。碳化作为混凝土结构面临的严重耐久性问题，对钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命具有重要影响。有资料表明，近100多年来，全球大气中CO2浓度增加了25％；19世纪中叶，全球大气中CO2的平均浓度为280ppm，目前已达到了400ppm，预计到2100年大气中CO2的平均浓度将增加至1996年的两倍，此数据反映混凝土日趋严重的碳化问题。为了更好地做好混凝土碳化防护处理，国内外研究者进行了长期的大量和系统的研究工作，研究内容主要集中在混凝土碳化机理、碳化模型、碳化影响因素、碳化进程以及碳化深度预测等方面。
目前，在工程实际中主要采用混凝土劈裂，或者通过钻孔取样等方式对碳化进行评估，这些方法在一定程度上破坏了混凝土结构的完整性。如果能够寻找一种用于评估混凝土碳化程度的方法，既能同时不破坏混凝土结构的完整性，又可以评估混凝土的碳化情况，则可以通过超声穿透混凝土实现。
由于晶体结构、晶体缺陷或其他微缺陷的存在，固体材料一般存在非线性的特征。传统线性超声波在围休出的传播亦存在非线性效应，但是这种非线性效应极其微弱，不足以从超声参数上反映出来。同时，传统线性超声检测也不关注此类非线性信号。然而，当大幅值高能超声波穿入固体介质当中时，其传播呈现出较强的非线性效应，引起超声波传播过程中的“扭曲”畸变，从而导致高次谐波的形成。这种非线性信号包含了材料微缺陷和材料属性等传统线性超声波无法检测到的信息。在声学领域，假定介质服从胡克定律，其运动也遵循一维线性方程，即介质的运动为程满足线性的欧拉方程、连续性方程和状态方程。忽略方程中非线性项的影响，声波在其传播方向上波形不变，属于线性声学问题。而所谓非线性声学问题，是指有限振幅波 (如平面波)在介质中传播时发生非线性声学现象，如谐波生成、波形畸变、波速增量衰减、声饱和空化、声辐射等，并与介质的材料特性有直接关系。因此，通过这种非线性声学特性，可以探究介质内部结构及相关性质，揭示其内部细微结构的变化规律。
发明内容
本发明采用的技术方案是：利用任意波形发生器产生波形输出，接入宽频功率放大器以放大电信号，由介质发射端PZT压电瓷片利用逆压电效应可以通过接入宽频功率放大器对材料施加电压，改变材料自身的变形，实现驱动及信号激励功能，进行声学信号输出，介质接收端 PZT压电瓷片利用正压电效应将机械信号转换为电信号，实现电信号录入，由示波器显示接收电信号波形，以计算机录入进行FFT变换得到相对非线性参数βr。
本申请提供的技术方案为：
一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一，利用任意波形发生器产生正弦波形电信号并输出至宽频功率放大器中，由宽频功率放大器将该电信号放大，放大后的电信号发送给待测试件；
步骤二，所述待测试件发射端的PZT压电瓷片经逆压电效应后发出超声波信号，所述待测试件接收端的PZT压电瓷片接收所述超声波信号，并将其转换为电信号；
步骤三，所述电信号传入示波器并显示该电信号参数，对所述电信号参数进行采集，然后进行FFT变换得到待测试件的相对非线性参数βr；
步骤四，将所述相对非线性参数βr与试验所得的混凝土碳化数据拟合，在检测过程中根据βr得到混凝土碳化的时间，从而实现混凝土碳化的无损检测。
进一步的，所述步骤三具体为：
步骤3.1用含二阶项的胡克定律非线性表达应力σ和应变ε成分线性关系，如式(1)所示：
σ＝Eε(1+βε) (1)
其中，E是待测试件的弹性模量，β是待测试件的二阶弹性系数；
步骤3.2设定待测试件一端入射波为单频超声纵波，另一端被PZT压电瓷片接收，简化为一维的运动方程是：
Figure BDA0003090261580000021
其中，ρ为待测试件的密度，x为介质坐标，σxx为x方向的法向应力，t为时间，u为待测试件内位于x处质点位移；
步骤3.3二次非线性的本构方程如下：
Figure BDA0003090261580000031
其中，E1与E2分别为二阶和三阶弹性常数；
步骤3.4联立式(2)和式(3)，得到关于质点位移u(x，t)的非线性波动方程：
Figure BDA0003090261580000032
其中β是待测试件的非线性参数，c是待测试件中的纵波速度；
步骤3.5基于微扰理论，将(4)写成：
Figure BDA0003090261580000033
其中，u为位移如公式所示：
u＝u0+un1 (5)
式中，u0代表初始激发波，un1为一阶扰动项。
步骤3.6u0设置为正弦单频波形，则计算如下：
u0＝A1cos(kx-ωt) (7)
式中，ω为频率，若λ为波长，则k＝ω/c＝2π/λ为波数；
步骤3.7应用多尺度法和试解法，根据式(6)、(7)得到二阶以下的摄动解：
u＝u0+un1＝A1cos(kx-ωt)-A2sin2(kx-ωt) (8)
其中，A1、A2分别代表基波和二次谐波的幅值，并且：
Figure BDA0003090261580000034
步骤3.8由式(9)可知，二次谐波幅值A2，其大小取决于β；
则β从第二次谐波幅值的大小来评估，如公式(10)所示：
Figure BDA0003090261580000041
步骤3.9以
Figure BDA0003090261580000042
作为相关非线性参数，βr如下式：
Figure BDA0003090261580000043
本申请还提供一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测系统，所述检测系统包括任意波形发生器、宽频功率放大器、PZT压电瓷片、示波器；其中，所述任意波形发生器与宽频功率放大器相连，并且，所述任意波形发生器的同步输出端连接到示波器上；所述宽频功率放大器连接到待测试件上，所述待测试件的两端分别设有PZT压电瓷片；所述宽频功率放大器的输出端与待测试件的输入端PZT压电瓷片，所述待测试件的输出端的PZT压电瓷片连接到示波器上。
进一步的，所述任意波形发生器用于产生正弦波形电信号，所述宽频功率放大器用于放大波形电信号，所述PZT压电瓷片用于电信号与超声波信号之间的转换，所述的示波器用于显示及采集传达出的电信号。
本发明的有益效果是：非线性超声特征相对于线性超声特征来说，对于混凝土材料的退化损伤表现的极为敏感。传统的基于线性声学的超声无损检测方法大多是从时域或频域的角度来分析接收信号中的物理量，如声时、振幅、频率、衰减等超声参量，对结构的缺陷和损伤进行定性或经验性的判断，难以反映材料内部特征信息及结构内部的变化，如区分混凝土裂缝与气泡，在采用超声波波速、声时、衰减等参数来识别时差异很小，无法准确判断混凝土内部裂缝发展形态，也对结构微裂缝不敏感，在实际检测过程中可能造成漏判、误判，结果存在较大的偏差。而非线性声学特征对于混凝土材料的退化损伤表现的极为敏感，较于线性声学特征，在检测方面有较高的精确度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为三个混凝土试件在不同碳化龄期与非线性参数变化关系图；
图2为三个混凝土试件在不同碳化龄期与波速变化关系图；
图3为三个混凝土试件在不同碳化龄期与频率变化关系图；
图4为本申请非线性超声检测方法应用的检测系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一，利用任意波形发生器产生正弦波形电信号并输出至宽频功率放大器中，由宽频功率放大器将该电信号放大，放大后的电信号发送给待测试件；
步骤二，所述待测试件发射端的PZT压电瓷片经逆压电效应后发出超声波信号，所述待测试件接收端的PZT压电瓷片接收所述超声波信号，并将其转换为电信号；
步骤三，所述电信号传入示波器并显示该电信号参数，对所述电信号参数进行采集，然后进行FFT变换得到待测试件的相对非线性参数βr；
步骤四，将所述相对非线性参数βr与试验所得的混凝土碳化数据拟合，在检测过程中根据βr得到混凝土碳化的时间，从而实现混凝土碳化的无损检测。
进一步的，所述步骤三具体为：
步骤3.1用含二阶项的胡克定律非线性表达应力σ和应变ε成分线性关系，如式(1)所示：
σ＝Eε(1+βε) (1)
其中，E是待测试件的弹性模量，β是待测试件的二阶弹性系数；
步骤3.2设定待测试件一端入射波为单频超声纵波，另一端被PZT压电瓷片接收，简化为一维的运动方程是：
Figure BDA0003090261580000051
其中，ρ为待测试件的密度，x为介质坐标，σxx为x方向的法向应力，t为时间，u为待测试件内位于x处质点位移；
步骤3.3二次非线性的本构方程如下：
Figure BDA0003090261580000052
其中，E1与E2分别为二阶和三阶弹性常数；
步骤3.4联立式(2)和式(3)，得到关于质点位移u(x,t)的非线性波动方程：
Figure BDA0003090261580000061
其中β是待测试件的非线性参数，c是待测试件中的纵波速度；
步骤3.5基于微扰理论，将(4)写成：
Figure BDA0003090261580000062
其中，u为位移如公式所示：
u＝u0+un1 (5)
式中，u0代表初始激发波，un1为一阶扰动项。
步骤3.6u0设置为正弦单频波形，则计算如下：
u0＝A1cos(kx-ωt) (7)
式中，ω为频率，若λ为波长，则k＝ω/c＝2π/λ为波数；
步骤3.7应用多尺度法和试解法，根据式(6)、(7)得到二阶以下的摄动解：
u＝u0+un1＝A1cos(kx-ωt)-A2sin2(kx-ωt) (8)
其中，A1、A2分别代表基波和二次谐波的幅值，并且：
Figure BDA0003090261580000063
步骤3.8由式(9)可知，二次谐波幅值A2，其大小取决于β；
则β从第二次谐波幅值的大小来评估，如公式(10)所示：
Figure BDA0003090261580000064
步骤3.9以
Figure BDA0003090261580000065
作为相关非线性参数，βr如下式：
Figure BDA0003090261580000066
实施例2
本申请还提供一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测系统，所述检测系统包括任意波形发生器、宽频功率放大器、PZT压电瓷片、示波器；其中，所述任意波形发生器与宽频功率放大器相连，并且，所述任意波形发生器的同步输出端连接到示波器上；所述宽频功率放大器连接到待测试件上，所述待测试件的两端分别设有PZT压电瓷片；所述宽频功率放大器的输出端与待测试件的输入端PZT压电瓷片，所述待测试件的输出端的PZT压电瓷片连接到示波器上。
进一步的，所述任意波形发生器用于产生正弦波形电信号，所述宽频功率放大器用于放大波形电信号，所述PZT压电瓷片用于电信号与超声波信号之间的转换，所述的示波器用于显示及采集传达出的电信号。
锆钛酸铅(PZT)材料具有易制造、材质轻、造价便宜、不受外界干扰以及适合实时连续监测等特点，是目前制作压电传感器的首选。压电材料由于其“刺激响应”行为而被归类为“智能”材料，并在机械和电气领域得到展现。当受到机械应力时，PZT贴片会产生表面电荷，这种现象称为“直接压电效应”。同样，当受到电场作用时，它会受到机械应变，通常称为“逆压电效应”。正压电效应描述了压电材料受外荷载作用而材料内部极化电荷改变，反映了压电材料能将机械信号转换为电信号的能力。通过压电材料输出的电压大小可以反应出其受力情况，因此利用压电陶瓷的正压电效应可以实现传感接收功能，制作成可作为信号接收源的压电传感器。而逆压电效应指压电材料在外加电场的电压下会自身发生形变这种现象，反映了压电材料能将电信号转换为机械信号的能力，因此利用逆压电效应可以通过对材料施加电压，改变材料自身的变形，实现驱动及信号激励功能。
非线性超声方法具有表征材料微观结构特征的强大能力，与传统的线性超声波方法相比，非线性方法对微结构特征敏感。基于经典非线性系统，超声波在传播一段距离后，假设其频率为f会被材料内部非线性特征构造的所影响而发生改变，从而产生高阶谐波。如在频率为2f 和3f上产生谐波，一般称为二阶谐波和三阶谐波，同时频率f，2f和3f上对应的超声波幅值也会有很大的变化。二次谐波非线性超声波方法，已被证明能够检测和监测金属的微观结构变化。当正弦超声波通过材料传播时，该波与微结构特征的相互作用产生二次谐波。而二阶谐波幅值和一阶谐波幅值平方的商我们则定义为相对非线性系数，这种影响用测得的声学非线性参数β来量化，通过其可以进而对材料退化如混凝土碳化情况做出判断评估。
对大部分材料而言，应力σ和应变ε成分线性关系，在小区间内，可由胡克定律描述，含二阶项的胡克定律非线性表达如式(1)所示：
σ＝Eε(1+βε) (1)
其中，E是材料的弹性模量，β称为材料的二阶弹性系数，也被称为非线性系数或非线性参数。
假定介质一端入射波为单频超声纵波，考虑纵波在具有二次非线性的介质中的传播，另一端被PZT压电瓷片接收。简化为一维的运动方程是：
Figure BDA0003090261580000081
其中，ρ为介质密度，x为介质坐标，σxx为x方向的法向应力，t为时间，u为介质内位于x处质点位移。
二次非线性的本构方程如下：
Figure BDA0003090261580000082
其中，E1与E2分别为二阶和三阶弹性常数，联立式(2)和式(3)，忽略式中二阶以上的高阶项，得到关于指点位移u(x，t)的非线性波动方程：
Figure BDA0003090261580000083
其中β是非线性参数，c是介质中的纵波速度。在式(4)中应用微扰理论，假定位移u如公式所示：
u＝u0+un1 (5)
式中，u0代表初始激发波，un1为一阶扰动项，则式(4)可写成：
Figure BDA0003090261580000084
u0设置为正弦单频波形，则：
u0＝A1cos(kx-ωt) (7)
式中，ω为频率，若λ为波长，则k＝ω/c＝2π/λ为波数，综合应用多尺度法和试解法，并在解的过程中忽略高阶小量，根据式(6)、(7)可以得到二阶以下的摄动解：
u＝u0+un1＝A1cos(kx-ωt)-A2sin2(kx-ωt) (8)
其中，A1、A2分别代表基波和二次谐波的幅值，并且：
Figure BDA0003090261580000091
由式(9)可知，二次谐波幅值A2，其大小取决于β。这意味着参数β可以从第二次谐波幅值的大小来评估，如公式(10)所示：
Figure BDA0003090261580000092
本文中，以
Figure BDA0003090261580000093
作为相关非线性参数，βr如下式:
Figure BDA0003090261580000094
以观测线性及非线性参数对混凝土碳化的过程的敏感度为例，根据配合比(如表1所示) 配置混凝土，浇筑3个100mm×100mm×100mm的立方体试件。在试件养护28天后，将试件放入HTX-12X型混凝土碳化箱中快速碳化，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》 (GB/T 50082-2009)要求执行。
碳化环境：温度(20±3)℃、相对湿度(70±5)％、CO2浓度(20±3)％
对于以上试件，按碳化天数，分别在第0、14、28、55、120天进行非线性超声测量。利用任意波形发生器输出75kHz，10Vpp波形信号，接入宽频功率放大器将电信号放大36db，由介质发射端PZT压电瓷片利用逆压电效应实现驱动及信号激励功能，进行声学信号输出，介质接收端PZT压电瓷片利用正压电效应将机械信号转换为电信号，实现电信号录入，由示波器显示接收电信号波形。整个步骤从信号激发到接收为一个过程进行20次采集。采集超声波波速、频率、基波幅值、谐波幅值等。以计算机录入进行FFT变换取平均值得到相关非线性参数βr。记录混凝土碳化的时间。
对以上采集参数进行整合、分析，将数据结果进行对比。
表1混凝土配合比
Figure BDA0003090261580000095
Figure BDA0003090261580000101
表2混凝土不同碳化龄期波速测定值
Figure BDA0003090261580000102
表3混凝土不同碳化龄期频率测定值
Figure BDA0003090261580000103
表4混凝土不同碳化龄期基波与二次谐波幅值
Figure BDA0003090261580000104
表5混凝土不同碳化龄期非线性参数测定值
Figure BDA0003090261580000105
表6不同波速与βr变化
Figure BDA0003090261580000111
表7不同频率与βr变化
Figure BDA0003090261580000112
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一，利用任意波形发生器产生正弦波形电信号并输出至宽频功率放大器中，由宽频功率放大器将该电信号放大，放大后的电信号发送给待测试件；
步骤二，所述待测试件发射端的PZT压电瓷片经逆压电效应后发出超声波信号，所述待测试件接收端的PZT压电瓷片接收所述超声波信号，并将其转换为电信号；
步骤三，所述电信号传入示波器并显示该电信号参数，对所述电信号参数进行采集，然后进行FFT变换得到待测试件的相对非线性参数βr；
步骤四，将所述相对非线性参数βr与试验所得的混凝土碳化数据拟合，在检测过程中根据βr得到混凝土碳化的时间，从而实现混凝土碳化的无损检测。
2.根据权利要求1所述的一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
步骤3.1用含二阶项的胡克定律非线性表达应力σ和应变ε成分线性关系，如式(1)所示：
σ＝Eε(1+βε) (1)
其中，E是待测试件的弹性模量，β是待测试件的二阶弹性系数；
步骤3.2设定待测试件一端入射波为单频超声纵波，另一端被PZT压电瓷片接收，简化为一维的运动方程是：
Figure FDA0003090261570000011
其中，ρ为待测试件的密度，x为介质坐标，σxx为x方向的法向应力，t为时间，u为待测试件内位于x处质点位移；
步骤3.3二次非线性的本构方程如下：
Figure FDA0003090261570000012
其中，E1与E2分别为二阶和三阶弹性常数；
步骤3.4联立式(2)和式(3)，得到关于质点位移u(x,t)的非线性波动方程：
Figure FDA0003090261570000013
其中β是待测试件的非线性参数，c是待测试件中的纵波速度；
步骤3.5基于微扰理论，将(4)写成：
Figure FDA0003090261570000021
其中，u为位移如公式所示：
u＝u0+un1 (5)
式中，u0代表初始激发波，un1为一阶扰动项；
步骤3.6u0设置为正弦单频波形，则计算如下：
u0＝A1cos(kx-ωt) (7)
式中，ω为频率，若λ为波长，则k＝ω/c＝2π/λ为波数；
步骤3.7应用多尺度法和试解法，根据式(6)、(7)得到二阶以下的摄动解：
u＝u0+un1＝A1cos(kx-ωt)-A2sin2(kx-ωt) (8)
其中，A1、A2分别代表基波和二次谐波的幅值，并且：
Figure FDA0003090261570000022
步骤3.8由式(9)可知，二次谐波幅值A2，其大小取决于β；
则β从第二次谐波幅值的大小来评估，如公式(10)所示：
Figure FDA0003090261570000023
步骤3.9以
Figure FDA0003090261570000024
作为相关非线性参数，βr如下式：
Figure FDA0003090261570000025
3.一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测系统，其特征在于，所述检测系统包括任意波形发生器、宽频功率放大器、PZT压电瓷片、示波器；其中，所述任意波形发生器与宽频功率放大器相连，并且，所述任意波形发生器的同步输出端连接到示波器上；所述宽频功率放大器连接到待测试件上，所述待测试件的两端分别设有PZT压电瓷片；所述宽频功率放大器的输出端与待测试件的输入端PZT压电瓷片，所述待测试件的输出端的PZT压电瓷片连接到示波器上。
4.根据权利要求3所述的一种适用于混凝土碳化的非线性超声检测系统，其特征在于，所述任意波形发生器用于产生正弦波形电信号，所述宽频功率放大器用于放大波形电信号，所述PZT压电瓷片用于电信号与超声波信号之间的转换，所述的示波器用于显示及采集传达出的电信号。
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