专利名称：利用超声波对样本进行非破坏性试验的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对样本进行非破坏性试验的装置。在这方面，该样本也可由在制 造过程中改变性质的关键材料形成，例如淬火或凝固。本发明还可用于特性化其他材料，所述其他材料经过相变或通过其他机械、热、化 学或生物过程改变。但是，也可能应用于固体、已经固化或硬化的样本。
背景技术：
诸如水泥、砂浆、石膏和混凝土材料的固化过程或硬化过程的实际进程具有决定 性作用，其决定完全硬化的建筑元件是否已经达到其预定的机械性能，特别是其强度。因为 硬化过程取决于多种参数，例如混凝土搅拌机的容量，初始产物(水泥、集料、添加剂)的特 性，水与水泥的比率，环境温度，湿度，入射太阳辐射等。硬化的条件不可能保持完全不变， 其受到材料特性的影响而发生变化。为了确定固化过程或硬化过程的实际进程以及相应的 硬化材料特性，因此需要低成本且简便的测试过程，其测量物理参数，所述物理参数与硬化 的整个过程中的机械材料性质非常相关。这些参数例如可以是超声压力波和剪切波的速度 和阻尼或水分含量。建筑业中一种简单、普遍使用的方法是取走少量矿样，并随后进行进一步实验，例 如实验室中的拉伸实验和弯曲实验。这种方法不能以非破坏性方式实施。可仅在建筑元件 的某些点处提取矿样。在提取矿样之后，钻孔必须被再次填充。矿样还可以大规模硬化状 态被提取和检查。硬化过程的重要的早期过程以及其整个进程仍然被忽略。回弹锤，也称为回弹仪，适用于混凝土的耐压强度的非破坏性实验。但其缺点在于 测量仅能在表面上的某些点进行，且仅能在硬化过程的后期使用。也可在硬化过程的早期使用，从而可监测整个硬化进程的非破坏性实验过程通常 基于超声技术。在这方面，kHz至MHz频谱的超声波耦合进建筑元件且/或通过通常为压 电元件的永久有用的传感器来进行探测和评估。在这方面，不同的超声参数可与材料的强 度特性，且特别是与硬化过程的特定阶段联系。原则上，测量可能在较小的、单独的材料样 本(通常为较小的立方体)上实施，但还能直接在建筑元件上实施。不同的过程已在技术 文献中有所描述。这些过程可粗略地分为-反射过程，其中评估从建筑元件的(可进入的)表面反射，从其背面壁反射或从 位于建筑元件中的部件反射的反射回声；-透射过程，其中评估穿过建筑元件的波；-瑞利波过程，其利用直接位于建筑元件表面处的表面波；-共振或冲击回声过程，其中测量要检验的建筑元件的固有共振-特别是厚度共 振；以及-声发射过程，其中声发射发生在建筑元件体积中的硬化过程期间，并由结构转化 产生且探测缩减。利用上述过程可确定与材料质量有关的多个材料参数(其他取决于频率和负载)。多数情况下，它们是压力波和剪切波的声速(直接通过飞行测量时间获得或通过声阻 抗直接从振幅反射系数获取)以及它们的阻尼常数。而且，还有相应的瑞利波参数(声速 和阻尼)，但它们与压力波和剪切波的弹性模量直接关联。但是当前已知的过程都不能同时确定两种类型的波以及反射设置和透射设置 (即，用于表面测试和用于体积测试)的声速和阻尼的两个参数。通常，仅使用一种波形(压 力波)且仅能测定表面特性或体积特性。诚然，原则上所有设置都可互相组合，但为此则需 要额外的(横向)传感器和测量装置。这就增加了复杂度且因此增加了整个结构的成本， 这在建筑行业中是一个凸显的问题。而且如果两个变化器集成在一个测量元件中，则通常 需要两个不同的线路在同时测量时接收压力波和剪切波，这会由诸如混凝土的各种各样的 介质导致一些问题，因为材料参数会沿着不同路线发生统计学离差。所谓的棱柱体技术公开于GB22215056A中，其对压力波和剪切波的声速测量可被 理解为仅具有单一(压力波)试验压头以及一个相同的路线。在该过程中，材料样本不含 立方体(对于多种标准实体测试来说)，而是棱柱体。通过改变从水槽入射到棱柱体基体的 压力波的入射角，压力波和剪切波可以简单的方式产生在样本内部，其以垂直方式入射到 棱柱体侧面，并在该处被反射，且随后返回至位于相同路径上的传感器。样本的特殊形状使 得仅通过反射压力波和剪切波的飞行时间(所述飞行时间是容易测量的)就能确定关联的 声速，且因此可以通过压力模量和剪切模量或弹性模量的已知密度确定材料的泊松数。棱柱体法优于传统角度计方法和其他用于产生剪切波过程的优势详细描述于上 述专利文献中。但是，利用棱柱体技术仅能确定样本的体积特性，这是因为仅评估了穿过材料的 波。需要第二传感器，以用于借助棱柱体基体处的反射来确定表面特性。但该过程肯定存 在的缺点在于硬化过程中常常需要再调整两个类型波的最佳耦合的临界角，因为它们取决 于材料。由此不可避免的发生相对于最佳角度的微小偏离。诚然，这些偏离不会对飞行时 间测量产生任何直接影响，但会显著地影响声耦合的效果以及阻尼测量的效果。最后，需要提及的是棱柱体的功能取决于要被检测的建筑元件的特定几何形状。 因此该过程必须需要单独的和特别制造的棱柱体形材料样本。因此不可能例如通过附接技 术利用由混凝土制成的实际建筑元件。
发明内容
因此，本发明的目标是能够在样本上借助超声波来实施非破坏性试验，其中可同 时使用压力波和剪切波，且在这点上，可以在不同样本上简单并灵活地进行检测。根据本发明，上述目标通过具有权利要求1特征的装置实现。通过从属权利要求 中所述特征可理解本发明的有利实施例和其他改进。本发明中，至少一个超声压力波传感器设置在前端单元处。前端单元充满液体且 该前端单元的开口侧设置在转换棱柱体的表面(A)的一侧上，以便液体和表面(A)接触。 转换棱柱体代表固体且应由均质材料形成。设置于测试过程中的转换棱柱体具有另一表面 (B)，其位于要被测试的样本的表面上。根据本发明的可替换实施方式中，单一超声压力波传感器(Tx)可在至少两个不 同的位置处移动至前端单元，且可从这些位置发射超声波并也可再次探测反射的超声波。
根据本发明的另一可替换实施方式中，各个超声压力波传感器可固定地设置在至 少两个位置。在这方面，选择上述传感器的定位以便各个位置与设置在样本上的转换棱柱 体的表面㈧的中心之间的距离相等。本发明中，测量单元可与超声压力波传感器(超声脉冲器/接收器)、数字示波器 以及具有控制和评估软件的电脑一起使用。脉冲器/接收器和数字示波器还可由相应的集成了上述两者的电脑测量板替代。本发明的特定技术特征在于液体填充的前端单元在一侧具有开口，并具有一个或 两个超声压力传感器以及具有可选的阻尼元件，转换棱柱体同样也可选地配备用于产生压 力波和剪切波的吸收材料，压力波和剪切波以垂直方式入射到样本上，且具有相同的飞行 时间，且特定样本与可能要检测的特定棱柱体连接，且矩形材料样本在房屋和实际建筑元 件的一侧上具有开口。在理想的情况下，可借助一个利用本发明的相同装置测定下述参 数1-样本体积中的压力波声速(透射)；2-压力波的振幅反射系数；3-样本表面处的压力波的声速(在这方面，还有电流参数-样本表面处的压力波 速度-来源于第二通道-振幅反射系数，其也施加至下述参数)；4-样本体积中的剪切波声速(透射)；5-剪切波的振幅反射系数；6-样本表面处的剪切波声速(从5获得)；7-表面波的声速(从3和6获得)；8-样本体积中的弹性模量和泊松数(透射，从1和4获得)；9-样本表面处的弹性模量和泊松数(反射，从3和6获得)；10-样本体积中的压力模量和剪切模量(透射，从1和4获得)；11-样本表面处的压力模量和剪切模量(反射，从3和6获得)；12-样本中的压力波的阻尼(透射)；以及13-样本体积中的剪切波的阻尼(透射)；现有已知的技术方案都未提供这些可能性的组合。液体填充的前端单元在一侧具有开口并具有一个或两个压力波传感器以及可选 的吸收材料/阻尼元件，用于超声压力波的再生激励和探测。优点在于压力波和剪切波都 可以非常简单的方式产生，并通过波形转换在液体/棱柱体的声学上理想的交界面处与转 换棱柱体相互作用。前端单元中的干涉多重回声可有效地通过可选的吸收材料来抑制。所述转换棱柱体可以同样可选地具备吸收材料，其产生折射或前端单元中激发的 压力波转变为剪切波的波形转换。这种设置的主要优点在于对应于超声压力波传感器的位 置Tl和T2的所激发的波(压力波和剪切波)在相等路径上以45°角进入棱柱体，接着以 垂直方式入射到材料样本上，并与之相互作用，且接着以完全相同的路径再次回到超声压 力波传感器。这种路线与样本的材料参数无关，且因此在整个固化过程或硬化过程期间允 许不变的、可重复的测量。在多数情况下，转换棱柱体的侧面D允许多重回声序列的测量，且因此致使材料 参数测量中的较高精度。在某些其他情况中，其中多重回声或多或少都具有干涉效应，侧面
5D可选地可设置为吸收材料。Dl有效地抑制多重回声并致使主要回声更好的信噪比。通过转换棱柱体的下侧的材料样本的特定连接还允许对实际建筑元件的测量，在 一侧具有材料覆盖物开口且借助附接技术对转换棱柱体具有理想的声耦合。用于样本的特 殊设计的棱柱体外壳会放大来源于样本的回声信号，因为还可以探测到实际上以垂直方式 没有入射到样本上的发散波部分。因为取样口是可变的，所以可以使用更简单的矩形外壳 来代替。因此还可检测广泛用于建筑工业中的标准立方体样本。总之，可以确定的是，在各种情况下都可利用本发明在实验室和在建筑工地中应 用的情况下根据一个且相同的装置(测量单元)并在整个硬化过程中测量透射设置和反射 设置下的压力波特性和剪切波特性。这些测量可通过基于电脑的控制、数据记录和数据评 估完全自动地进行，因为仅实施基于脉冲的飞行时间测量。而且可能在建筑行业和其他应 用中实现低成本和可靠应用，这是因为该耐用装置具有简单的结构。
以下参考实例对本发明进行详细说明。其中图1示出根据本发明的装置的第一实例，其具有可定位的超声压力波传感器；图2示出根据本发明的装置的第二实例，其具有固定安装在两个位置处的两个超 声压力波传感器；图3示出另一实例，其具有固定安装在两个位置处的两个超声压力波传感器以及 矩形外壳；图4示出另一实例，其具有固定安装在两个位置处的两个超声压力波传感器，其 中该装置直接设置在材料表面上；以及图5示出另一实例，其具有超声吸收和散射壁。
具体实施例方式在图1示出的实例中，正超声波传感器试验压头设置在装置上，以作为超声波压 力传感器Tx，其可在听觉上产生和探测宽带脉冲信号。其附接至前端单元2的外壳，该前端 单元2在一侧具有开口并填充有液体，其中有源传感器表面位于液体中。前端单元连接到 固定的转换棱柱体3且位于表面上。在这方面，液体和转换棱柱体的表面直接接触。样本4置于外壳5中，该外壳5在一侧具有开口，其中在这种样本材料的情况下， 该外壳5也可以是固化和/或硬化的。超声压力波传感器Tx可以是压电试验压头，例如人造或天然聚焦浸没试验压头。 在这方面，本发明中使用的活性装置-超声波压力传感器Tx应设置在前端单元2的液体 中。这种液体仅允许压力波在其内透射，且通常为水，但原则上也可使用其他液体。不同金 属可作为前端单元2的外壳的材料，例如构造钢，但也可使用其他固体，例如玻璃纤维增强 塑料(GRP)或碳纤维增强塑料(CRP)。超声压力波传感器Tx可沿环形线移动，使得其可发射超声波且还能在该处进行 探测的中心与转换棱柱体A的基部边缘的中心之间的几何距离保持相等。超声压力波传感 器Tx可锁定在至少两个位置Tl和T2。关联的角位Θ1和θ 2分别对应于临界角，压力波或剪切波与转换棱柱体3的耦合的最大反射角为45°。已知液体中的两个入射角Θ1和 θ 2仅取决于转换棱柱体3的材料特性。用于转换棱柱体3的典型材料是结构钢，但根据应 用也可采用其他固体材料。根据本发明的装置，各个超声压力波传感器Tx的有源表面应设置在位置Tl、Τ2 处，以便在各种情况下，其与表面A的中心之间的距离都相等。包括超声压力波传感器Tx的前端单元2通过密封的快速夹持连接或螺钉连接Kl 和Κ2以不漏流体的方式固定连接到转换棱柱体3，以便在液体和棱柱体材料之间形成直接 的、最优化的声耦合。但这种连接可以被解除，以便(如果需要)不同的前端单元2可与具 有不同尺寸和不同材料的不同转换棱柱体3组合。压力波(位置Tl)和剪切波(位置1 分别产生在前端液体和转换棱柱体3之间 的界面的位置A处(取决于超声压力波传感器Tx的位置)，所述压力波或剪切波以相对于 入射轴呈45°角折射进转换棱柱体3。在这方面，必须强调的是入射临界角的准确观察数 据在所述情况下不是绝对必须的(与角度计设置相反)。因为大多数明显聚焦的超声波束 在入射临界角“附近”的波部分以45°的“正确”角度折射进转换棱柱体3中。在穿过水/棱柱体界面A之后，各个波(压力波或剪切波)以垂直方式入射到转 换棱柱体3的表面B上，所述表面与样本4的可选地固化和/或硬化材料直接接触。各个 波形式的反射和透射在这个界面处发生。现在，必须区分出超声波的两条路线路线1在B处透射的一部分继续穿过材料且在外壳5的背侧界面C处被全反射。此后， 波再次返回，再次(部分地)穿过转换棱柱体3的表面B，且在表面A处(部分地)折射回 前端单元2中所包含的液体中，从而作为压力波，且可被超声压力波传感器Tx在位置Tl或 T2处探测到，从而作为回声信号。样本4的材料的有效声速(均勻分布在贯穿样本4的路径BC上)可由具有路线 Tx-A-B-C-B-A-Tx的反射的超声波的回声的飞行时间计算，且前端单元2中的路径(TxA)、 转换棱柱体3中的路径(AB)以及样本中的路径(AB)都是已知的，且液体和棱柱体材料中 的声速也是已知的。材料的有效声吸收又可通过探测到的回声的振幅(通过与已知参考样本进行比 较)来计算。所以可同时确定材料的参数和反射体积特性。用于样本4的外壳5固定连接到转换棱柱体(K3和K4)，其中固化或硬化材料与转 换棱柱体3的表面B直接接触。这种连接同样可被解除，以便不同棱柱体可连接到不同外 tJXi 5 ο图1和2中所示实例中的外壳5是成棱柱的构造。但外壳的尖端被剪切掉，使得 路径BCl和BC2在各种情况下都与路径BC的长度相等，并获得梯形形状。因此还可探测到 波的分散部分，该分散部分实际上并没有在表面A处以45°角折射，且因此实际上并未以 垂直方式在表面B处穿过界面。但这些分散部分以部分垂直的方式入射到外壳5的表面Cl 和C2处，且在上述位置被全反射。利用这些回声可进一步提高信噪比。因为从外壳5的表面C、Cl和C2反射回的部分不仅在表面B处透射，而且也被部 分地反射，多重反射以适度材料阻尼发生在表面B和C之间，且还可在超声压力波传感器Tx 所处的位置被探测到(例如Tx-A-B-C-B-C-B-A-Tx)。这些多重回声使额外测量称为可能，其进一步增加了所测定材料参数的精度。路线2在表面B反射的超声波的一部分反射回表面A，且在该处作为压力波(部分地)折 射回前端单元2中包含的液体中，且最终在超声波传感器Tx的位置处被探测到。可通过表 面B处反射的超声波的振幅(通过与在空气中的全反射比较)、液体的已知材料参数和形成 转换棱柱体的材料以及材料密度(其又产生于外壳5中的已知样本体积的确定质量)确定 振幅反射系数，且可以由所述振幅反射系数确定样本4的区域中靠近表面的声阻抗以及最 终的声速。因为返回进转换棱柱体3中的波部分不仅在界面A处透射，而且也在界 面D的方向上部分地反射，所以以与上述透射情况类似的方式发生多重反射(例如 Tx-A-B-A-D-A-B-A-Tx)，从而致使可以确定其他测量值以及更为精确的材料参数。在位置Tl处，产生在转换棱柱体3中的压力波沿指定路线透射。波的一部分在B 处被反射，且另一部分透射。剪切波以相同的方式从位置T2被发射、反射和透射。在图2所示实例中，两个类似的超声压力波传感器Tx已经固定安装到前端单元2 中。在这方面，其中一个传感器固定安装在位置Tl处，而另一传感器固定安装在位置T2处。 因此例如没有必要取代根据图1所示实例中(必要存在)的一个超声压力波传感器Tx。根 据图2中所示实例所示的实施方式，可以实现非常接近于实时的更耐用、更快且更可重复 进行的测量。因此填充了液体的前端单元2还可具有更简单且成本更低的构造。除了无需变化超声压力波传感器Tx的位置之外，所述实施方式的说明和用于根 据图1的实例的可操作性也可应用于本实例。位于位置Tl和Τ2处的两个超声压力波传感 器Tx可被操作和用于以交替方式测试样本4。根据图1和2，本实例中的样本4的外壳5构造为棱柱形状并具有梯形形式，以便 还能探测透射穿过表面B的波的分散部分。但通过表面Cr反射的超声波形成了来源于外 壳5的背侧的反射的主要部分。因此外壳5的棱柱几何形状可选地还可由简单的几何形状 替换，例如已经为标准化的长方体形式的矩形。在这方面，唯一重要的是，外壳5的表面C 与表面B平行，且它们之间的距离是已知的。除了外壳5构造为矩形(示于图3中)之外，可根据图1或2中所示实例来构造
直ο实施方式1中描述了仅压力波或剪切波的声速可通过路线2由振幅反射系数而不 是阻尼确定。但可替换地，该路线仅依赖于样本4的表面。因此，测量不仅可在实验室样本 上实施，而且也可在工地中使用的实际建筑元件上实施。为此，仅需要将转换棱柱体3直接 设置在材料表面上，并必须观察到足够良好且稳定的声耦合。如果存在以已知距离来自第 二界面C的反射，则也可确定材料的透射性质，类似于根据图1所述实例中描述的步骤。根 据图4的实例可根据需要与根据图1或2所述的实施方式组合。因为表面B和C之间的大距离和/或样本4的材料中的低声速，例如固化 或硬化，所以根据路线I(Tx-A-B-C-B-A-Tx)的反射的声波进入超声压力波传感器Tx 相对滞后。因此发生与多重回声序列叠加，其在Dl处由棱柱体3的侧面产生(例 如Tx-A-B-A-Dl-A-B-A-Tx)或在D2处由前端单元2的顶部外壳侧面产生(例如 Tx-A-D2-A-Tx)。为了抑制或消除这些干涉反射波，表面Dl和D2构造为声吸收(图5中所示实例)。入射超声波以所有方向广泛地散射，且不再反射作为相干光束，这是因为结构化 了面对转换棱柱体3的内部的表面，例如表面的曲折图案。而且，广泛地散射的部分通过位 于结构化、锯齿状表面(例如造型粘土)背面的高吸收材料被减弱。在这方面，吸收材料的 作用基于两种机制。一种是界面处的有效声阻抗差在空气中反射的情况下被显著降低，以 便更少的波部分被散射回或被反射。现在，更有力地穿透进吸收材料的波部分在很大程度 上被分散，以致在吸收材料6的(光滑)背壁处不再发生显著反射。在这方面，可单独形成 或与结构化表面和/或吸收材料一起形成吸收材料6。结构化表面Dl可通过棱柱体表面的直接机械加工来形成。以流动冲洗方式涂布 吸收材料且任选地封装。对声音可渗透的材料，即具备低声阻抗(例如丙烯酸玻璃)可用 于锯齿状表面D2以及前端单元2的左上角处的相关的外壳。根据应用，声音吸收和可选地散射表面Dl和D2可一起使用，或彼此独立使用。与图示相反，不是绝对必须结构化整个表面或为Dl和D2处提供吸收材料。足以 将其限制在表面区域，该表面区域可反射声波，特别是干扰探测的声波。本实施方式可根据需要与图1至4中所示的其他实例组合。
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权利要求
1.一种利用超声波对样本进行非破坏性试验的装置，其中至少一个超声压力波传感器 (Tx)设置在前端单元( 处，在这方面，所述前端单元( 填充有液体且所述前端单元(2) 的开口侧设置在固态的转换棱柱体C3)的表面(A)的一侧上，以便液体和表面(A)接触；在 这方面，转换棱柱体(3)具有另一表面(B)，该表面(B)上设置要被测试的样本；其中所述前端单元( 处的至少一个或两个超声压力波传感器(Tx)可位于至少两个位置 (T1，T2)处，以便它们与所述转换棱柱体(3)的表面(A)的中心之间的距离相等，所述表面 位于所述样本(4)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述样本(4)容纳在外壳(5)中，该外壳 (5)能够连接到所述转换棱柱体( 且构造为矩形、长方体或棱柱体。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述转换棱柱体(3)的第三表面(D) 和/或所述前端单元O)的外壳的表面(D2)，构造为借助于吸收材料(6)吸收和/或散射 超声波，所述前端单元( 的外壳的表面(拟)远离所述转换棱柱体( 的表面(A)相对设 置。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于吸收材料涂布到所述转换棱柱体(3)的第 三表面⑶和/或所述前端单元(2)的外壳的表面(D2)，所述前端单元⑵的外壳的表面 (D2)远离所述转换棱柱体(3)的表面(A)相对设置。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于所述转换棱柱体(3)的第三表面(D) 和/或所述前端单元O)的外壳的表面(D2)以结构化方式构造，所述前端单元O)的外壳 的表面(拟)远离所述转换棱柱体(3)的表面(A)相对设置。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于设计且设置外壳(5)尺寸，以便反射超声波 的表面(C，C1，C2)分别与所述转换棱柱体(3)的表面⑶的中心之间具有相等的距离。
7.根据前述权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述超声压力波传感器(Tx)的 孔径设置在所述前端单元( 所包含的液体中。
8.根据前述权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述超声压力波传感器(Tx)为 相同类型。
9.根据前述权利要求中任一所述的装置，其特征在于超声压力波传感器(Tx)的有源 表面设置在位置(T1、T2)处，以便距离所述表面(A)的中心的距离在各种情况下都相等。
10.根据前述权利要求中任一所述的装置，其特征在于选择位置(Tl、Τ2)，以便压力波 可在各种情况下均以45°角入射进入所述转换棱柱体(3)。
全文摘要
本发明涉及一种对样本进行非破坏性试验的装置。这些样本可由关键材料形成，该关键材料在制造期间(例如硬化或固化)改变它们的性质。在根据本发明的装置中，至少一个超声压力波传感器(Tx)设置在前端单元处。前端单元填充有液体且前端单元的开口侧设置在转换棱柱体的表面(A)的一侧上，转换棱柱体为固体形式，以便液体和表面(A)解除。转换棱柱具有另一表面(B)，要被测试的样本位于该表面上。至少一个超声压力波传感器(Tx)可设置在前端单元处，或设置在前端单元的至少两个位置(T1，T2)处，以便所述位置与转换棱柱体的表面(A)的中心之间的距离相等，所述表面位于样本上。
文档编号G01N29/07GK102144159SQ200980134408
公开日2011年8月3日 申请日期2009年9月1日 优先权日2008年9月3日
发明者弗兰克·舒伯特, 阿卜杜勒马利克·布哈耶拉 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司
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