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混凝土单面测厚仪
混凝土单面测厚仪是指应用应力波(俗称冲击回波)技术在单一面上进行厚度测试的一类无损检测仪器。混凝土单面测厚仪区别与常规超声波厚度检测仪的主要表现为单面测试、不需要耦合剂，但是混凝土单面测厚仪需要配置稳定的信号激发源。混凝土单面测厚仪主要应用于公路路面、隧道衬砌、挡土墙等混凝土结构厚度检测。

1. 应用范围
混凝土单面测厚仪区别于楼板测厚仪主要在于其检测方式，其应用了冲击回波单面检测技术。“混凝土单面测厚仪”顾名思义即可实现单面检测，即在混凝土结构单一面上就能完成厚度检测，与通常所使用的楼板测厚仪、超声波测厚仪有实质性差异。正是由于单面检测这一特点，混凝土单面测厚仪被广泛应用于公路路面、梁板、隧道衬砌、车间地坪、挡土墙、防洪堤坝混凝土以及机场跑度等“隐蔽性”工程厚度检测，以及桥梁、高层建筑主题等高空结构的混凝土厚度检测。下图为混凝土厚度检测现场示例图。

2. 冲击回波测厚原理
冲击回波法是一种基于应力波传播特性的无损检测法，其原理是利用机械方式冲击混凝土表面产生应力波，该应力波会在结构中传播，因为波阻抗的差异，应力波会被内部缺陷和外部表面反射，来回反射的应力波会形成一种特殊模态，在激发点附近由接收换能器接收回波信号并将信号通过快速傅里叶变换转换至频域中，通过分析主频大小评定结构厚度和内部缺陷情况。下图1为冲击回波法测试混凝土厚度原理示意图。与传统超声波检测技术比较，冲击回波检测技术优势主要体现在单面检测、检测厚度大、不需要耦合剂。此外，冲击回波检测结果受混凝土结构材料组分和内部结构状况差异的影响小。

图1 冲击回波测试技术原理
机械波在介质中传播并在某个界面反射，界面与机械波传播起点厚度为h，则波速Vp与频率f满足如下关系式：
(1)
其中上式(1)中β为形状系数，不同形状物体具有不同形状系数，系数参考标准见附录表1，仪器中已默认为测试板状构建，系数为0.96，若测试其他形状构建可依据附录中表1换算。
利用测厚仪可以将上述机械波进行实时记录，并同时对其进行傅里叶频谱变换，谱图中的主频为冲击表面、缺陷界面及其它界面之间的多次反射产生瞬态共振所致，通过对主频的提取和波速测试即可以根据上式(1)确定混凝土结构的厚度或缺陷位置。因此，应用冲击回波法测试混凝土厚度，仅需要两个重要的参量，即主频和波速。频谱图主频是反映信号本质特征的重要参数，对特定的型号对应特定的主频，仪器通过记录波形即可以自动进行频谱变换并自动识别主频；波速测试是进行厚度测试第一步，通常有两种方法。
(1)时差测试波速
时差法测试波速是一种常见的波速测试手段，但要求仪器分辨率高，并且需要双通道采集。基本原理如图2所示。将2个传感器距离固定，在2个传感器位置点形成的直线上确定一个信号激发点，并记录距离差；测试仪器自动记录读取两个传感器采集信号的首波时间，并读取时间差，距离差与时间差的比值即为波速。
(a)
(b)

图2 时差法测试波速原理：(a) 传感器与信号激发位置；(b) 时差分辨
(2)厚度测试波速
标准厚度测试波也是常见波速测试方法之一。其方法是用一块已知厚度的混凝土标准块(钻孔取芯或施工过程中留样)进行冲击回波测试并用仪器记录信号获取信号主频，根据公式(1)计算出波速。该方法仅需一个信号采集通道，但往往会增加钻孔取芯工序。
(a)
(b)

图3 已知厚度测试波速：(a) 已知厚度混凝土块；(b) 频谱图

3. 影响测试精度的因素
影响冲击回波法测厚的测试误差因素有多个方面，总结有三个主要因素。
(1) 信号激发源
冲击回波法要求机械冲击产生应力波，从而迫使被测试构件共振，其共振信号由传感器接收。很显然，不同厚度混凝土的共振所需的激发能量有不同。公司研发团队通过模拟敲击过程发现，激发能量的大小由敲击球跟测试面接触时间控制，而接触时间可由冲击球的直径、发射脉宽来控制。下图为模拟直径20mm钢球敲击体积为60×30×100 cm的混凝土时应力波传播情况。

依据上述研究，混凝土单面测厚仪的信号激发源要求激发可控，并且可以实现连续性调节才能满足测试要求。目前常见混凝土单面测厚仪信号激发源采用手动的手锤敲击，也正是导致其测试误差极大的关键原因。公司研发团队通过大量理论计算、模拟以及现场实验，开发了一类以电磁高效转换可控的自动信号激发器，并将信号激发器与传感器集成化，构成一个独立的可实现扫描式检测的检测小车。下图为扫描检测小车。

(2) 测试面粗糙度
冲击回波法测试采集信号实际为共振振动信号，因此信号接收传感器许采用加速度传感。与常见超声传感器耦合不同，加速度传感器不需要耦合剂，这也是冲击回波法应用于厚度测试的一个优势。但是，加速度传感器要求与接触面接触良好，并且要求刚性接触，因此通常要就测试面平整。通常情况下，普通的混凝土路面即能满足粗糙度要求，测试面粗糙度越小，测试精度越高。
(3) 仪器智能识别
仪器智能识别设计测试主机信号处理功能，其最终目的是要求准确识别共振信号主频并自动计算厚度。自动识别能力越高，测试精度越高，仪器操作性更强。下图为混凝土单面测厚仪测试界面，该仪器采用了快速傅里叶变换以及主频识别算法，可以快速、自动、准确的实现厚度测量。

4. 一般性能特点与参数
(1) 性能特点
◆独立发射通道，输出稳定信号，保障波速测试
◆配置双通道信号采集，时差法测试波速，无需钻孔取芯测试
◆单面检测，无需耦合剂，检测方便、快捷
◆ 配置扫描检测小车，测试效率高，单人即可操作
◆7寸高亮真彩液晶触屏，实时显示波形和频谱图，直接读取厚度值
(2) 性能参数
操作系统：嵌入式系统，简洁流畅
控制系统：MCU
操作模式：按键与触摸独立式操作
显示模式：7”TFT高亮度真彩液晶
通信方式：USB高速传输
通信速度：1MB/s
通道数量：1发射2接收
检测方式：扫描式检测，单人操作
供电模式：内置8.0Ah可充锂电
测试厚度：10~120cm
测试精度：幅度精度优于0.1%；频率精度优于0.1%
测试方式：手动/自动/信号触发
输入信号类型：机械振动
传感器类型：高灵敏度加速度传感器
缓存：256K
存储介质：4GB高速存储卡
声时精度：0.5μs
采样频率：25Hz~1.25MHz共8档可调
放大增益：50~92dB共8档可调
发射脉宽：1~200μs连续可调
工作环境：温度－10~50°C；湿度<90%RH
主机尺寸：236×85×69mm
主机重量：1.3Kg
防护箱尺寸：415×310×140mm
防护箱重量：2.1Kg