СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ДЕФЕКТОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТАХ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА
METHOD OF DETECTING AND CLASSIFYING DEFECTS IN STRUCTURAL COMPONENTS USING ULTRASOUND

Изобретение относится к способу обнаружения и классификации дефектов в строительных компонентах, в частности дефектов запрессовки в каналах для создания предварительного напряжения или дефектов уплотнения в бетонных строительных компонентах согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения.
Известно применение ультразвуковых способов контроля для большого количества различных строительных компонентов. Также среди прочего контролируются конструкции зданий, например, выполненные из бетона или подобных материалов. Многие современные бетонные здания выполнены из так называемого предварительно напряженного бетона. То свойство, что бетон имеет лишь относительно низкую прочность на растяжение, преодолевается искусственным внутренним предварительным напряжением объектов посредством стальных кабелей или растягивающих проволок. Стальные кабели прокладывают в так называемых каналах для создания предварительного напряжения или защитных трубах и растягивают после заливки бетона. После этого защитные трубы заполняют строительным раствором, чтобы достигнуть прочной связи между стальными кабелями и бетонной конструкцией. Таким образом, важно, чтобы строительный раствор заполнял защитные трубы полностью и окружал растягивающие проволоки без промежутков, так как влага может накапливаться в полостях и растягивающие проволоки могут подвергнуться воздействию коррозии и разрушению. Такие полости или дефекты давления в каналах для создания предварительного напряжения представляют собой недостаток качества, который в экстремальном случае приводит к повреждению строительного компонента и к оседанию здания. Для оценки устойчивости бетонной конструкции существенным, таким образом, является знание о дефектах уплотнения и гравийных пустотах.
Для обнаружения дефектов в строительных компонентах известен ультразвуковой эхо-метод, в котором ультразвуковые волны излучают в поверхность объекта, который нужно исследовать, и затем детектируют отраженные звуковые волны. Результатом являются процессы рассеяния, и, как функция интенсивности отражения, могут быть выявлены дефекты. Обнаружение каналов для создания предварительного напряжения основывается на интенсивности отражения от стороны защитной трубы, которая ориентирована в направлении поверхности измерения. В случае воздушных включений интенсивность более значительна по сравнению с хорошо уплотненными областями (см. Краузе М., Миленц Ф., Мильман Б., Штрайхер Д., Мюллер В. Ультразвуковое изображение бетонных элементов. Состояние техники, использующей 2D (двумерную) синтезированную апертуру, в DGZfP. Международный Симпозиум по Неразрушающему Контролю в Гражданском Строительстве (NDT-CE), Берлин, Германия. Сентябрь 16 -19, 2003, Proceedings on BB 85 - CD, V51, Berlin (2003); Кроггель О., Шерцер И., Янсон Р. Обнаружение каналов с несплошным заполнением с помощью техники отражения ультразвука. NDT.net - March 2002, Vol.7, № 03; Шикерт М., Краузе М., Мюллер В. Ультразвуковое изображение бетонных элементов при использовании SAFT (Фокусирующая техника с синтезированной апертурой) реконструкции. Журнал материалов в гражданском строительстве 15 (2003) 3, с.235-246). Кроме того, отражение от задней стороны защитной трубы может быть использовано для интерпретации состояния залитого строительного раствора, так как это отражение происходит только в хорошо заполненных раствором частях.
Основная цель изобретения состоит в создании способа обнаружения и классификации дефектов в строительных компонентах, который улучшает надежность данных при установлении дефектов по сравнению с известным ультразвуковым эхо-способом.
Эта цель достигается согласно изобретению посредством отличительных признаков независимого пункта в сочетании с признаками ограничительной части.
В результате того факта, что импульсные ультразвуковые волны излучают в бетонный строительный компонент во множестве мест, и что отраженные ультразвуковые волны также принимают во множестве мест поверхности, и что затем принятые высокочастотные сигналы, используя положения мест излучения и приема, анализируют и оценивают, чтобы создать трехмерное локальное распределение рассеивающих свойств объекта, причем значение фаз рассеивающего процесса оценивают в дополнение к информации об амплитуде и фазе, относящейся к трехмерному локальному распределению рассеивающих свойств объекта, и информацию об амплитуде используют для определения положения дефектов, а информацию об амплитуде и фазе трехмерного локального распределения используют для классификации дефектов (безвредные значения рассеяния или действительные разрушающие дефекты), при этом значение и надежность данных значительно улучшаются при установлении дефектов, например дефектов запрессовки.
Фазовое положение вместе с информацией об амплитуде процесса рассеяния, следовательно, используют для характеристики состояния строительного компонента, например канала для создания предварительного напряжения. Информацию об амплитуде и фазе оценивают исходя из результата воспроизведения, так как данные измерений лучше фокусируются на процессе рассеяния и достигается пространственное разделение различных процессов рассеяния. Эта оценка может выполняться вручную посредством анализа графического представления сечений и проекций трехмерного локального распределения двумерной или трехмерной SAFT (техники фокусирования с синтезированной апертурой) реконструкции в виде В-изображений и С-изображений со знаком или автоматически при расчете, соответственно, локального значения фазы.
Классификация отражателя, например незаполненной защитной трубы, достигается таким образом, потому что разность значений фазы между акустически более плотным отражателем, например сталью, и дефектом уплотнения, например воздухом, можно оценить. Такой способ может также быть использован для обнаружения дефектов уплотнения и гравийных пустот в бетоне, причем последние можно отличить от армирующих стержней путем оценки фазового положения.
Предложенный способ позволяет осуществлять автоматизированную запись данных, оценку и документирование, причем необработанные данные, реконструкции, геометрическая информация и оценка фазы определяются, визуализируются и хранятся с привязкой к объекту.
Способ согласно изобретению объясняется далее более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематический вид в аксонометрии бетонного строительного компонента в качестве образца для проведения теста,
Фиг.2 изображает представление отрывка данных измерения перед реконструкцией,
Фиг.3 изображает представление амплитуды и фазы трехмерной реконструкции данных измерений по глубине,
Фиг.4 изображает представление амплитуды и фазы трехмерной реконструкции данных измерений в сечении, параллельном поверхности измерения,
Фиг.5 изображает план конструкции следующего примера бетонного строительного компонента с пластинами из металла и Стиродура, помещенными в бетон,
Фиг.6 изображает реконструкцию данных измерения в отношении амплитуды как сечения по глубине металлических пластин,
Фиг.7 изображает реконструкцию данных измерения в отношении фазы как сечения по глубине металлических пластин.
В предложенном способе, который объясняется со ссылкой на бетонные строительные компоненты, ультразвуковые волны излучают в бетонные строительные компоненты посредством подходящих ультразвуковых преобразователей, а ультразвуковые волны, которые отражаются на задней стороне бетонного компонента или у дефектов, армирующих элементов и других резких изменений свойств материала, принимают ультразвуковыми преобразователями. Подходящими ультразвуковыми преобразователями, например, являются преобразователи, которые работают на основе пьезоэффекта и не требуют соединительных средств. Например, используются отдельные преобразователи, собранные в антенну и имеющие упругосмонтированные контактные наконечники. Один или несколько индивидуальных преобразователей могут, таким образом, работать как передатчики, в то время как другие служат приемниками. Принятые сигналы преобразуют в доступные для обработки цифровые данные и сохраняют. Чтобы была возможность исследовать весь строительный компонент, ультразвуковое измерение осуществляют в виде густой сетки на доступной поверхности строительного компонента. Необходимо обеспечить высокое качество данных измерений. Кроме того, положения передачи и приема ультразвуковых преобразователей или датчиков записывают и сохраняют.
В известных способах полученные необработанные данные, которые несут информацию об амплитуде принятых ультразвуковых волн, оценивают вместе с позиционными данными ультразвуковых датчиков трехмерным (3D) способом построения изображения, таким как 3D SAFT алгоритм (Фокусирующая техника с синтезированной апертурой), в результате чего объем строительного компонента восстанавливается в трехмерном пространстве, внутреннее пространство бетонного строительного компонента изображается акустически и отображается локальное распределение рассеивающих свойств.
Определение местоположения дефектов запрессовки в каналах для создания предварительного напряжения как в варианте бетона основано, среди прочего, на измерении разности интенсивности ультразвуковых импульсов, отраженных от растягивающих элементов, и квазиполное отражение имеет место там, где есть включения воздуха, которые представляют собой дефекты запрессовки, то есть коэффициент отражения принимает максимально возможное значение. Относительно этого будет меньшее отражение от хорошо заполненных раствором защитных труб, так как часть звука проникает в защитную трубу через ее тонкую стенку и строительный раствор.
Для выполнения оценки сечения и проекции могут, следовательно, быть получены из трехмерной реконструкции рассеивающих свойств, и эти сечения и проекции известны как В-изображения и С-изображения, причем С-изображения располагаются параллельно поверхности излучения (параллельно плоскости X, Y), в то время как В-изображения являются плоскостями сечения материала в направлении излучения.
На этих изображениях может считываться распределение глубины и интенсивности отражения, из чего, в свою очередь, можно установить, где присутствуют дефекты. Распределения интенсивности получают из стандартных реконструкций в выбираемой сетке глубин. Затем отбирают координаты, в которых отражатель обнаружен или предполагается. В общем, процесс визуализации является интерактивным.
Для надежного обнаружения дефектов запрессовки требуется достаточно отчетливая разница в отражении между областями, хорошо заполненными строительным раствором, и областями, заполненными воздухом. На практике это не всегда достигается, так как на распространение ультразвука, кроме того, влияет обычное армирование, качество передачи звука на поверхности бетона и состояние бетона. Изменение фазы ультразвуковых импульсов, вызванное отражением, поэтому используют согласно изобретению для классификации в дополнение к информации об амплитуде, то есть для различий интенсивности отражения ультразвуковых импульсов внутри строительной компоненты, то есть наблюдают фазу отраженного сигнала.
Известно, что ультразвуковой импульс (звуковое давление), измеренный пьезоэлектрическим преобразователем, сохраняет свою форму при отражении от акустически более плотного материала, в то время как при отражении от границы с менее плотным материалом происходит скачок фазы на 180°, то есть переворот импульса, то есть фаза сохраняется при отражении от стали, в то время как в воздухе происходит скачок фазы.
Так как в бетонных строительных компонентах отражения от различных границ накладываются друг на друга и переход от стенки защитной трубы или стального троса к строительному раствору в этом варианте соответственно представляет дополнительную границу раздела, необходимо наблюдать не только скачок фазы отраженного импульса, но и поворот фазы, который создается в целом в многослойной системе. Вышеописанные случаи положения фазы 0° и 180° являются специальными случаями, которые можно легко понять для импульсов и синусоидальных или косинусоидальных сигналов, так как поворот фазы на 180° в случае функции косинуса означает перемену знака: cos(phi)=-cos(phi+180°). Импульсный сигнал может быть разложен на спектральные компоненты, которые расположены в случае ультразвукового возбуждения около средней частоты (полосовой сигнал), причем каждый спектральный компонент содержит сдвинутую по фазе функцию косинуса. Спектр в действительности является непрерывным, то есть присутствуют все частоты, но в случае численного спектрального разложения (дискретное преобразование Фурье (DFT)) получаются дискретные спектральные линии. Если для простоты рассматривается только спектральная линия средней частоты для контрольного образца, то ее частью являются косинусоидальные колебания с амплитудой и фазовым положением. Положение фазы относится к начальному моменту спектрального анализа и может быть выбрано произвольно.
Поэтому фазовое положение спектральной линии и, следовательно, фазовое положение анализируемого импульса может быть определено отдельно от только лишь сдвига. Так как фазовое положение должно быть определено для процесса рассеяния, начальное время излучения сигнала не должно быть использовано как точка отсчета, а как типичное время в принятом рассеянном импульсе. В случае симметричного импульса легко может быть «зафиксировано» его пиковое значение, и затем этот пик идентифицируется как положительный или отрицательный и, следовательно, в положении фазы 0° или 180°.
Напротив, в случае импульсов, которые созданы рассеянием на неплоских поверхностях или на слоях, всегда присутствует суперпозиция большого числа импульсов (при существовании только одной частоты это называют интерференцией), что изменяет симметрию полного импульса, и, следовательно, установление точки отсчета больше не является очевидным, и анализ положения фазы становится случайным.
Разница между оценкой сигнала и реконструкцией представляется далее для лучшего понимания. Вышеупомянутые положения относятся к измеренному ультразвуковому сигналу. Методы построения изображений, такие как 3D-SAFT (трехмерная фокусирующая техника с синтезированной апертурой), которые исходят из односторонней поверхности измерения, передают информацию о фазе (как результат недостатка ограниченной разрешающей способности) для реконструкции, и сигналы замещаются синтетически сфокусированными В-изображениями. Более точно, временная координата сигнала замещается координатой глубины в реконструкции (в данном варианте, z-координата). Отображаемое значение фазы в обоих случаях не идентично, но имеет одну и ту же тенденцию. Это вытекает из сложной структуры SAFT-алгоритма, который частично корректирует одни причины поворота фазы в рассеянном сигнале (рассеянные геометрически зависимые компоненты), но не корректирует другие (тонкие слои, множественные отражения). Разрешение в реконструкции в направлении глубины по существу идентично разрешению временных сигналов, путь (длина волны) должен быть стандартизован только с помощью скорости распространения. Однако сфокусированное В-изображение реконструкции по существу менее зашумлено, чем данные, и, следовательно, определение фазы функционирует лучше.
Посредством алгоритма также оценивают фазу отраженных ультразвуковых импульсов и на основе информации о фазе рассчитывают трехмерную реконструкцию. Поворот фазы получают из результата в случае отражения по колориметрической шкале, соответствующей В- или С-изображениям, в результате чего можно считывать значение поворота фазы при локальном разрешении.
В настоящее время процесс определения положения фазы рассеивающего процесса происходит следующим образом.
Определение фазы из формы импульса реконструкции:
Способ а):
Используют шкалу глубин из изображений амплитуды и наблюдают путь сигнала в глубине ожидаемого процесса рассеяния (верхний край защитной трубы и т.п.) и затем определяют знак главного импульса.
Способ b):
Через В-изображение (или сигнал) рассчитывают математическую огибающую - это тип получения значения интенсивности - центр отображения находят таким образом и знак исходного (а не огибающей) В-изображения анализируют в этом положении.
Способ расчета.
Рассчитывают огибающую В-изображения (или сигнала) и максимум огибающей определяют в качестве точки отсчета фазы. От этой точки импульс колебания средней частоты срезается свободно вправо и влево, и через преобразование этой части определяют значение фазы спектральной линии на средней частоте, которое может теперь принимать значения 0°-360°. Это значение присваивают соответствующему центру рассеяния. Поэтому фазовые значения получаются не для полного В-изображения, а только для центров рассеяния. Выбор центров рассеяния осуществляют через пороговое значение огибающей, которое можно регулировать.
Расчет приближенно описан выше; в качестве параметров имеются: длина волны на средней частоте, два параметра сечения для ширины окна сигнала, которое нужно вырезать, а также пороговое значение чувствительности идентификации. В данном варианте информация о фазе для полной реконструкции рассчитывается, и после этого сечения могут быть представлены интерактивно вместе с информацией об амплитуде. Чтобы определить геометрическую корреляцию в изображении более просто, амплитудное изображение отображается в фазовом изображении как черно-белое изображение для значений, меньших, чем порог идентификации. Кроме того, информация о фазе представляется как цветовое значение, которое содержит амплитуду как значение яркости. С помощью курсоров фазовое значение может быть отображено как численное значение в любой точке реконструкции.
Фиг.1 показывает схематическое представление бетонного строительного компонента 1 как измерительного образца с защитной трубой 2, в которую вставлены стальные тросы 3 и зафиксированы посредством строительного раствора 4. Дефект 5 давления, то есть область, не заполненная раствором, представлен штриховкой. В верхней части изображения поверхность измерения и, в частности, линия 7 измерения расположена над защитной трубой 2 на бетонном строительном компоненте 1, а в его нижней части расположена обычная арматура 8. В реальном строительном компоненте обычно армирующий слой может находиться также между защитной трубой 2 и поверхностью 6 измерения, что, однако, здесь не принимается во внимание,
На Фиг.2-4 представлена оценка ультразвуковых волн, которые излучаются в измерительный образец и отражаются.
Фиг.2 показывает часть (В-изображение) измерения в плоскости вдоль линии s над защитной трубой через трубу 2 в направлении х для у -0,67 м, то есть время t*10x в мин. Из хода амплитуды измерительных сигналов может быть обнаружено, что деформация импульса происходит в одной области защитной трубы 2, которая была изготовлена не заполненной раствором. Фактически также может быть обнаружено изменение амплитуды, которое может происходить от обычного армирования между защитной трубой 2 и поверхностью измерения (в сущности, такая область существует в измерительном образце).
Фиг.3 показывает в верхней части оценку амплитуды, а в нижней части - оценку фазы 3D - FT - SAFT (трехмерное Фурье-преобразование для фокусирующей техники с синтезированной апертурой) реконструкции измерительных данных согласно фиг.2 как В-изображение, то есть как часть, расположенная в глубину х, z при у=0.7 м. Анализ данных показывает, что фаза принимает очень различные значения между заполненной раствором областью и незаполненной областью (приблизительно 150° против 86°). Так как чертежи не могут быть воспроизведены как цветные изображения, они представлены как черно-белые изображения с дополнительной штриховкой соответствующих значений.
Фиг.4 показывает срез (С - изображение; х, у) 3D - FT - SAFT реконструкции измерительных данных Фиг.2 по отношению к оценке амплитуды (вверху) и фазы (внизу) параллельно поверхности измерения на глубине верхнего края защитной трубы 2 (z=-0.285 м). Не заполненная раствором область здесь также легко обнаруживается.
На Фиг.5 представлен с задней стороны и в разрезе еще один пример измерительного образца, а именно образец в виде пластины, который имеет металлические пластины 1, 2 и 4-6 различной толщины, которые залиты бетоном с нанесением материала A Styrodur, который должен представлять воздух. Область 3 заполнена бетоном и материалом Styrodur без металла. Места без соединения со Styrodur обозначены как В. Каналы для создания предварительного напряжения, которые расположены позади металлических пластин, обозначены через SPK1 и SPK2.
Реконструкции, показанные на Фиг.6 и 7, являются сечениями в глубину приблизительно на 10 см, то есть на глубину верхних краев металлических пластин, наблюдаемых спереди. Пластины А из материала Styrodur расположены под металлическими пластинами и как функция соответствующих толщин металлических пластин на разных глубинах. Из-за разрешающей способности реконструкции пластины А из материала Styrodur можно видеть позади тонких металлических листов в их плоскости. В случае толстых металлических пластин они находятся вне представленного диапазона глубин. Пластина из Styrodur в области 3 без металлического листа перемещена из своего положения во время производства и также расположена вне показанной области. Фиг.6 является SAFT реконструкцией измерительных данных по отношению к амплитуде на бетонной части согласно Фиг.5. При оценке эхо-сигналы от границ раздела четко обнаруживаются. Более точные данные о типе границ раздела, таких как твердое тело/твердое тело или твердая среда/газообразная среда (здесь, например, бетон/сталь или сталь/воздушное включение), не могут быть получены. Фиг.7 является реконструкцией по отношению к фазе, причем фаза отраженных импульсов теперь делает возможным получение информации о типе границ раздела. Визуальное обнаружение, таким образом, основывается на представлении различных цветов, которые здесь приведены в черно-белых тонах или различных оттенках серого.