第三章 研發應用方法與範圍
第三節 非破壞性檢測儀器架設
本研究透過超音波脈衝量測儀，測得混凝土隨熱損程度變化之波 速行為；採用由 ACS 公司所製造之 A1220M 乾點式超音波脈衝量測 儀，其附屬之探頭分別為 50 kHz 之剪力波探頭與 100 kHz 之壓力波 探頭，如圖 3. 15 所示，量測方式為乾點式，不需塗抹耦合劑即可於 不平整表面量測，另可經由剪、壓力探頭之震動方向異同，依直、間 接量測方式(圖 2. 34)相互校驗其波速之信、效度；如圖 3. 16 所示，
當剪力波探頭置於表面量測時，依震動方向異同，接收之波傳可為剪 力波或壓力波；當壓力波探頭置於表面量測時，其接收之波傳訊號皆 為剪力波，於波速量測即利用探頭振動之特性，互比二探頭間所量測 之剪、壓波速，可證固材波速之信、效度。並可藉由其主機功能，將 量測之原始數據取出，進行後續之資料分析(圖 3. 17)；並可搭配陣列 式探頭(圖 3. 18)於表面進行脈衝與回波接收，藉由 A1220M 之波傳資 料擷取，將量測成果透過軟體分析，研判固材之波傳資訊與其剖面影 像圖，解析內部之鋼筋或缺陷情形，為後續災後隧道之傷損判識應 用。
壓力波探頭 脈衝頻率 100 kHz
剪力波探頭 脈衝頻率 50 kHz 圖 3. 15 超音波脈衝主機及其探頭
(資料來源：本研究整理)
(a)
(b)
圖 3. 16 (a)剪力波探頭(b)壓力波探頭依不同量測之剪、壓波波傳方 向示意(L:縱波、T:橫波)
(資料來源：Acoustic Control Systems 公司)
圖 3. 17 波形圖與波傳資料擷取 (資料來源：本研究整理)
圖 3. 18 陣列式探頭 (資料來源：本研究整理) 第二項 聲射訊號擷取技術
依第二章第四節介紹之到達時間差法，在未知試體波速情況下，
最少須設置五個 AE 感應器 (AE sensor)，以獲得個別到達感應器之時 間差，在藉由統計方法求取空間座標 (xi, yi, zi)之裂源位置。本計畫使 用由 Physical Acoustics Corporation 生產，八個型號 S9225 之壓電式 感應器 (Piezoelectric transducer) 作為 AE 感應器如圖 3. 19，並將聲 射感應器利用黏膠貼附於試體表面上接收 AE 事件訊號，透過八個型 號 1220 C 之前置放大器 (Preamplifier)如圖 3. 20 篩選並放大高於門檻 值且頻率介於 100 ~ 1200 kHz 之訊號，將微小電壓變化紀錄於二進位 元 (Binary) 之資料檔案中，以得到較精確之定位。
本計畫之聲射訊號擷取系統，其接收訊號頻率最高可達每秒一千 萬次，為於系統穩定作業範圍內作業，擷取頻率設為每秒八百萬次，
即時間間隔 12.5 µ 秒。聲射事件的紀錄與否，端看設於八個 AE 感應 器中的觸發頻道 (Trigger channel)是否接收到高於 35 mV 的電壓門檻 值，如達到該電壓差值，則視為有效之 AE 事件，反之則為雜訊過濾 忽略之，一旦觸發後，同時八個頻道接收且紀錄該筆事件，稱此為一 AE 事件。
透過接收記讀之二進位元資料格式，使用試驗排程控制軟體 LabVIEW 8.5，轉換較易處理之字元 (ASCⅡ)資料格式，並以工程上 常用之程式語言 Fortran、C++及 Matlab R2007a 撰寫應用程式，來判 斷且過濾其波形之特徵，分別找出到達各個聲射感應器之壓力波的時 間，以到達時間差之三維定位法，求得微裂縫發生的位置，並以此依 據進行相關數據之分析探討。本試驗利用自行撰寫之程式語言即採用 統計方法，先行計算統計殘差值在 2 mm 內之聲射三維定位結果，依 聲射三維定位結果進行其他相關數據之分析探討，或進一步擷取更高 精度之聲源定位至所欲分析之精度，一般可到達 2 mm 之定位精度。
本計畫利用 LabVIEW 系統提供數位與類比訊號的轉換功能，經 由 PXI NI-6115 資料擷取介面卡同步接收微震事件而觸發的類比訊號，
並即時轉換為一般電腦所能接受的數位訊號，以做為資料傳遞之用，
並達到監控與量測效果(蔡升哲，2005)。其各項詳細規格與設定分述 如下:
NI-6115 規格 (4 analog inputs) Resolution : 12 bit
Maximum sampling rate : 10 MS/s Minimum sampling rate: 10 kS/s 同步化數據擷取:
係利用 RISI bus cables 將所有資料擷取介面卡並聯，以達到時脈 (Timing)和訊號(Signals)同步(Synchronization)的量測。
圖 3. 19 壓電式感應器 (型號：S9225) (資料來源：本研究整理)
圖 3. 20 前置放大器 (型號：1220C) (資料來源：本研究整理)
第三項 電子斑紋干涉術
在本計畫中電子斑紋干涉術乃以氦-氖雷射光作為光源，經過空 間濾波器擴散及雜訊濾除等作用後，光源經由分光鏡及反光鏡將兩道 高同調性光源照射於試體之粗糙表面，光源於表面漫射而產生黑、白 相間之斑紋干涉影像。當試體受外力作用後，於試體表面產生位移，
造成光程差之改變，干涉條紋亦產生改變，藉由影像擷取系統，並由 軟體作即時處理計算即可得具條紋之干涉影像，即可得知試體位移變 化 量 ， 進 而 探 討 試 體 在 試 驗 過 程 中 試 體 表 面 從 變 形 連 續 (Displacement continuity, DC)至變形不連續
(Displacement discontinuity, DD)。
電子斑紋干涉術之光場架設所需元件如下: (1)氦-氖雷射 (He-Ne
laser)、(2)空間濾波器 (Spatial filter)、(3) 分光鏡 (Beam Splitter)、(4) 反射鏡 (Mirror)、(5) 鏡頭 (Camera)、(6) 電荷耦合元件 (Charge Coupled device, CCD)、(7) 光學防震桌 (High-Performance Laboratory Anti-Vibration Optical Tables)。將上述六項元件設置於光學防震桌上，
藉由防震桌可過濾高頻振動，能獲得較佳之干涉影像以進行相關研析，
其試驗光場架設與元件佈設如圖 3. 21，以下分別敘述實驗光場內所 架設光學元件特性:
(1) 氦-氖雷射 (Hi-Ni laser)
氦 — 氖 雷 射 光 因 具 有 高 同 調 性 (Coherent Light) 及 高 指 向 性 (Parallel beam)等特性，且輸出較為穩定，本計畫採用輸出功率為 5 mW、波長為 632.8 nm，如圖 3. 22(a)與(b)為氦-氖雷射及其電源供應 器。
雷射性質簡介敘述如下:
(a) 同調性 (Coherent light):沿光軸傳播方向，在小於或等於相干長 度的距離範圍內之空間，任意兩點間的光場都是完全同調的，
意指光源中各點所發出的震動波具有相同相位，而氦-氖雷射 同調長度可達數公尺。
(b) 指向性 (Parallel beam):雷射為發散角極小之光束，幾乎成一直 線前進，會因繞射而在遠方徐徐擴大，以氦-氖雷射為例，光 束前進 100 m 後，直徑擴大 3.2 cm。
(2) 空間濾波器 (Spatial filter)
由透鏡及針孔所組成，於透鏡之焦點上放置一針孔，雷射光經由 透鏡後先聚焦於針孔上，然後擴散放大，雷射光經針孔後即可過濾雜 訊，一道平行的雷射光束，當光束經透鏡後聚焦於焦點上，可輕易通 過置於透鏡焦點上的針孔；而空間中其他光所產生的光雜訊，經過透 鏡後其繞射現象較大，無法通過透鏡焦點上的針孔而遭濾除，空間濾 波器便經由透鏡及針孔達到光束擴散及濾掉雜訊的功能，而本計畫所 採用之透鏡倍率為 40 倍，針孔孔徑為 10 μm，本計畫所採用之空間 濾波器如圖 3. 22(c)所示。
(3) 分光鏡 (Beam Splitter)
雷射光束經分光鏡，將分成兩道垂直之光束，一道穿過分光鏡，
另一道則經由分光鏡反射，兩道光分別投射至兩面反射鏡，本計畫所 採用之分光鏡直徑為 50 mm，如圖 3. 22(d)所示。
(4) 反光鏡 (Mirror)
反光鏡於本實驗中可將分光鏡所投射之雷射光束，反射到試體表 面，反光鏡投射於試體表面上之雷射光源即為非破壞檢測範圍，本計 畫所使用之反射鏡直徑為 50 mm，如圖 3. 22(e)所示。
(5) 鏡頭 (Camera)
鏡頭採用 Nikon 所生產之微距鏡 (Micro nikkor 60 mm F2.8D)，
如圖 3. 22(f)所示。
(6) 影像感測元件 (Charge Couple Device)
數位 CCD 型號為 sca640-70fm，影像解析度為 659 x 494 pixel，
擷取速率為 70 張/秒，如圖 3. 22 (g)所示，與鏡頭兩者以轉接環連結，
鏡頭擷取之影像，透過 CCD 與影像擷取卡之轉換，可將影像資料傳 輸至電腦，影像經 LabVIEW 處理分析後，可於螢幕顯示面內外位移 之干涉影像圖。
(7) 光學防震桌 (High-Performance Laboratory Anti-Vibration Optical Tables)
試驗中，光學儀器均架設於光學防震桌上，如圖 3. 22 (h)所示，
其主要目的為濾除外界所造成之干擾(自然共振頻率:垂直 1.2~1.5 Hz ； 水平 1.5~1.7 Hz)，濾除干擾及高頻震動後有助於在試驗進行
過程中獲得清晰影像並提高量測精度。
圖 3. 21 試驗光場架設與元件佈設 (資料來源：本研究整理)
(a) 氦-氖雷射 (Hi-Ni laser) (b) 電源供應器 (Power supplier)
(c) 空間濾波器 (Spatial filter) (d) 分光鏡 (Beam Splitter)
(e) 反光鏡 (Mirror) (f) 鏡頭 (Camera)
(g) 影像感測元件 CCD (h) 光學防震桌 圖 3. 22 電子斑紋干涉術光學元件
(資料來源：本研究整理)
第四項 導波量測儀設
導波量測儀設之架構為：震源、量測接收器與訊號擷取系統。目 前量測系統正在架設中，訊號擷取系統採用與聲射法相同之設備進行，
主要差異在於其開始訊號擷取之控制是由震源敲擊產生的震動啟動；
另方面正針對震源以及量測接收器進行調教測試中。在震源方面，由 於採用固定頻率之超音波震源其頻寬較窄，且能量較弱，波經過混凝 土之鋼筋保護層後之能量將相當微弱，因此，本研究預計採用可產生 較 大 頻 寬 之 敲 擊 式 震 源 。 經 文 獻 回 顧 可 大 致 鎖 定 目 標 是 產 生 50k-1MHz 的波，衝擊式震源之頻寬段與震源與敲擊物的接觸時間有 關，因此需經多種不同震源之測試。在規劃上，除參考敲擊回音法之 敲擊鋼珠球外，另尚規劃有多種手持及機械式敲擊器具進行測試 (如 圖 3. 23 所示)
而量測接收器需考量其可接收之頻寬以及其未來現場量測之便 利性，目前初步規劃使用由 Physical Acoustics Corporation 公司生產，
型號 S9225 和 WD FO79 之壓電式感應器 (Piezoelectric transducer) ， 如圖 3. 24 (a) 及 (b) 所示；以及由 PCB PIEZOTRONICS 所生產，型 號 393A03 之壓電式加速度規(以下稱加速度規)，如圖 3. 24 (c)所示，
並使用凡士林作為耦合劑(膏)來使感測器與試體表面緊密接觸。
在針對導波量測系統進行測試上，對於系統配對之比較上，由於
後續在導波的分析上將同時觀察其時間域、頻率域以及頻率-相位波 速域之特性，因此在評價上，將分別在此三個域上進行比較，以獲得 最佳之量測系統。
圖 3. 23 規劃測試用導波震源 (a) 內六角半板手
(b) 施密特錘(Schmidt Hammer) (c) 可調六角板手 (d) 敲擊鋼珠球 (e) CO2加壓之玩具槍(6 mm 塑膠彈) (f) 小鐵鎚
(資料來源：本研究整理)
圖 3. 24 規劃測試用量測接收器 (a) S9225 壓電式感應器 (b) WD FO79 壓電式感應器 (c) 393A03 壓電式加速度規 (資料來源：本研究整理)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(a) (b) (c)
第四節 破壞與非破壞性檢測之儀器校正