非破壞性試驗儀器與設備

第一項 超音波脈衝量測

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. 20 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. 28)相互校驗其波速之信、效度；如圖 3. 21 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. 22)；並可搭配陣列 式探頭(圖 3. 23)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。

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圖 3. 20超音波脈衝主機及其探頭

壓力波探頭 脈衝頻率 100 kHz

剪力波探頭 脈衝頻率 50 kHz (資料來源：本研究整理)

(a)

(b)

圖 3. 21(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)

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圖 3. 22波形圖與波傳資料擷取 (資料來源：本研究整理)

圖 3. 23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. 24，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. 25 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

101 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，

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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. 24壓電式感應器 (型號：S9225) (資料來源：本研究整理)

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圖 3. 25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

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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. 26：

圖 3. 26試驗光場架設與元件佈設 (資料來源：本研究整理)

第四項 導波量測

導波量測儀設之組成為：震源、量測接收器與訊號擷取系統，分

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別說明如下。

(1) 震源方面

固定頻率之超音波震源之頻寬較窄、能量較弱，震波經過混凝 土保護層後，能量消散至相當微弱。一般來說，敲擊震源之產生方 式有兩種，分別為衝擊式 (Impact Type) 與可控制激發式 (Controlled Excitation Type)。本研究採用敲擊鋼珠錘以產生較大頻寬之衝擊式震 源，以 Sharma & Mukherjee (2010) 於 50~150 kHz 處作探討；衝擊 式震源之頻寬段與為震源及敲擊物之接觸時間有關，而本研究以直 徑 7 mm 之敲擊鋼珠錘為之，其敲擊之接觸時間大小，主要受控於敲 擊器之尺寸、質量、受測物質量與受測物之表面狀況。其所擊發產 生之接觸時間大約為 22~29 µs，如圖 3. 27 所示。

圖 3. 27敲擊鋼珠(採用直徑 7 mm) (資料來源：本研究整理)

(2) 接收器方面

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一般應力波檢測應用於土層探測或道路鋪面檢測，其接收器之 型式為低頻加速度計(規)，其頻寬一般約小於 1 kHz 以下。而應用於 鋼筋混凝土上，因鋼筋混凝土結構之波速較快，其中混凝土適用之 接收頻寬一般介於 10 ~ 200 kHz 左右，接收器型式為加速度計、寬 頻位移計或其他偏高頻聲射接收器等 (Bowen, B.R.1992；Rosenblad et al.1995；Willcocks et al.2011；許慧如，2015；張宏毅，2017)。本 試驗之接收器採用由 Physical Acoustics Corporation 公司生產，型號 WD FO79，頻寬為 100 ~ 900 kHz 之寬頻接收器，如圖 3. 28 ~ 圖 3.

29；而接受器與試體之耦合材料採用由 PCB 公司所製型號為 080A24 之蜜蠟，使接收器與試體表面緊密接觸，如圖所示。

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圖 3. 28壓電式感應器(型 號：WD FO79)

圖 3. 29型錄說明 圖 3. 30蜜蠟(PCB型號：

080A24)

(資料來源：本研究整理) (3) 訊號擷取系統

訊號擷取系統採用如圖 3. 31 PXI NI-6115 資料擷取介面卡同步 作接收觸發之類比訊號，其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。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，達到量測效果。且同時透過型號為 1220 C 之前置放大器 (Preamplifier)(圖 3. 32)，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

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元 (Binary) 之資料檔案中，於 LabVIEW 轉換為易於處理之字元 (ASCII) 資料格式，其設定之接收訊號頻率最高可達每秒一千萬次，

導波量測以欲探目標頻率 (50~150 Hz) 作擷取頻率設定為每秒二百 萬次。

圖 3. 31擷取介面器 圖 3. 32前置放大器(型號：1220C) (資料來源：本研究整理)

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最高溫度(Tmax,℃)：400、530、600、800 持溫時間(t_e,min)：8 (黃崑瑭，2016)