CN100395547C - 混凝土灌注桩质量检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土灌注桩质量检测系统，它包括超声波发射装置和数据处理系统，其特征在于还包括超声波接受装置、数据采集器和深度计数编码器，其中超声波接受装置是由多个超声波换能器形成的接收换能器组；数据采集装置是由I/O接口电路、同步电路、放大衰减电路、多通道A/D采集板所组成；深度计数编码器用来控制换能器组在导管中的准确位置，以保证测量精度和提高检测效率。其积极效果是，测量效率高，提高了粘滞性复合材料的质量检测精度，消除了几何扩散和透射波、反射波以及发射和接收耦合条件对计算衰减量的影响，对声波速度变化不大的缺陷能比较灵敏地检测出来。

Description

混凝土灌注桩质量检测系统

技术领域

本发明属于超声波检测仪器，尤其涉及检测混凝土灌注桩浇注质量的超声波检测系统。

背景技术

目前，混凝土灌注桩跨孔超声波CT检测仪(或称速度CT检测仪)采用单发单收工作方式，即在一孔内固定点发射超声波，在另一孔一定深度范围内按一定间隔逐点接收超声波，测量波的初至时间，通过专用CT软件获得孔间剖面的速度重建图像(称之为速度CT)，以此了解桩体是否存在诸如夹泥、断桩、扩颈、缩颈、空洞、离析等缺陷。目前速度CT检测仪器用在混凝土灌注桩工程质量检测中主要存在以下问题：

(1)灌注桩所用的混凝土材料是典型的具有粘滞性的复合材料，在浇注过程中形成的各种缺陷不但在速度上有所不同，而且对超声波呈现出不同程度的的吸收衰减作用，这种吸收衰减作用主要体现在接收波形信号的幅度变化和频谱变化上。有些缺陷，象离析、蜂窝状气孔、桩头低强区等，声波速度变化不大，特别是在缺陷范围较小时，检测精度相对较低，采用速度CT有时会漏检。

(2)这种检测仪器，采用单道接收逐点移动测量方式，测量效率低，还容易产生移动深度误差从而出现虚假异常。

发明内容

为了克服速度CT仪存在的不足，本发明提供一种满足CT测量方式的检测精度高、测量效率高的混凝土灌注桩质量检测系统。

本项发明解决其技术问题所采用的技术方案包括超声波发射装置、超声波接收装置、深度计数编码器、数据采集器和数据处理系统。其中：

(1)超声波发射装置是由超声波发生器和置于灌注桩导管中的发射头组成的超声波发射源。

(2)超声波接受装置是由多个超声波换能器等间隔串接固定在管壳中，形成的接收换能器组，一次发射多道同时接收，使之满足CT测量要求且保持接收信号良好的一致性。

(3)深度计数编码器用来控制换能器组在导管中的准确位置，其控制准确位置的精度为2mm，测量时换能器的提升或下降速度最高可达5m/s而不丢失数据。

(4)数据采集器是由I/O接口电路、同步电路、放大衰减电路、多通道A/D采集板共同组成，用于采集超声波信号，经放大、衰减、A/D转换成为数字信号，输出到工业控制微机系统进行处理。

(5)数据处理系统执行以下过程

根据设定的初至阈值和分析时间窗的区间，自动识别，读取初至时间t_i，同时进行快速傅氏变换(FFT)，计算形心频率f_s和方差σ_S ²，形成走时数据文件和形心频率数据文件，再由目前常用的代数重建算法(ART)或联合迭代重建算法(SIRT)进行速度层析成像反演和衰减层析成像反演，形成反演结果数据文件，进行图形显示或存储打印。

本发明的有益效果是：

(1)由于采用了多通道CT数据采集系统，将目前的单发单收跨孔测量方式成为单发多收跨孔CT测量方式，一次可测出多个点，并由孔口深度计数编码器自动控制深度，测量效率大大提高，可在10分钟内完成一对100m长的桩内CT检测。

(2)采用波速CT和衰减CT相结合对水泥混凝土工程质量进行综合评定，提高了粘滞性复合材料的质量检测精度，大大优于单一参数的质量评定方法。

(3)由于基于入射波频谱和接收波频谱参量的衰减CT，消除了几何扩散和透射波、反射波以及发射和接收耦合条件对计算衰减量的影响，对声波速度变化不大的缺陷如离析、蜂窝状气孔、柱头低强区等都能比较灵敏地检测出来。

附图说明

图1是本发明系统原理框图。

图2是速度与频谱CT处理程序流程图

具体实施方式

参照图1、图2，说明本发明实施例的系统组成和工作原理过程。

图1中，工业微机系统6用于数据处理和处理结果的显示打印。超声波发射机3产生高压脉冲，激励发射换能器1产生超声波，超声波发射换能器1放入混凝土桩的预埋导管A中，向桩体介质辐射超声波，在本实施例中用四个接收换能器间隔10cm组装在管壳中，构成超声波换能器组2，用绳放入另一混凝土桩的预埋导管B中接收超声波；并在孔口安置由滑轮控制的深度编码器4，将换能器的提升深度坐标生成坐标文件存入微机系统5。

本实施例设计了多通道信号采集器5，它由I/O接口电路、同步电路、放大衰减电路、多通道A/D采集板共同组成。其中一路I/O接口电路用于微机系统6向超声波发射机3发送发射指令，与此同时触发同步电路产生同步信号，同时多通道A/D采集板开始采样，另一路I/O接口电路用于微机系统6向程控放大衰减电路发出接收指令，每个程控放大衰减电路接收到换能器组的多路信号后经放大衰减处理输送给多通道A/D采集板，经多通道A/D采集板形成数字信号，由微机系统6以数据文件存入存储器，供CT处理软件调用。

微机系统6处理过程如图2所示，首先读取存储测点数据，判断坐标文件是否正确。正确时，设定自动识别初至阈值和分析时间窗的区间，读取初至时间t_i，进行快速傅氏变换，计算形心频率f_s和方差σ_S ²，计算时：

设入射波频谱为S(f)，接收信号频谱为R(f)，则入射波频谱的形心频率f_S和方差σ_S ²分别为：

$f_S=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{fS}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}S\left(f\right)\mathrm{df}},$ ${\mathrm{\σ}}_S^2=\frac{{\∫}_0^{\∞}{(f-f_S)}^{2}S\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}S\left(f\right)\mathrm{df}}$

接收信号频谱的形心频率为：

$f_R=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{fR}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_0^{\∞}R\left(f\right)\mathrm{df}}$

介质吸收衰减系数α₀满足如下关系： ${\∫}_{l_j}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{dl}=(f_S-f_R)/{\mathrm{\σ}}_S^2$

上式即为由频谱参数进行衰减层析成像的基本公式。形成走时数据文件和形心频率数据文件；再由目前常用的ART(代数重建算法)或SIRT(联合迭代重建算法)进行速度层析成像反演和衰减层析成像反演，形成反演结果数据文件，进行图形显示或存储打印。

在本实施例中超声波发射换能器为柱状增压式压电晶体超声波传感器，可根据测试精度要求，采用不同主频的传感器。

一体化超声波换能器组是由多个柱状增压式压电晶体超声波传感器按固定间隔组合在一起，实现高效CT方式测量。

多通道A/D采集板：采用KS2024型多道24位、20M采集速率数字采集卡。

孔口深度编码器：安装在孔口滑轮中，由光电计数器和相应电路组成，控制换能器组在导管中准确位置。

Claims (2)

1.一种混凝土灌注桩质量检测系统，它包括超声波发射装置和数据处理系统，其特征在于还包括超声波接受装置、数据采集器和深度计数编码器，其中：

(1)超声波接受装置是由多个超声波换能器等间隔串接固定在管壳中，形成的接收换能器组，一次发射多道同时接收，使之满足CT测量要求且保持接收信号良好的一致性；

(2)数据采集器是由I/O接口电路、同步电路、放大衰减电路、多通道A/D采集板所组成，  用于采集超声波信号，经放大、衰减、A/D转换成为数字信号，输出到工业控制微机系统进行处理；

(3)深度计数编码器，深度计数编码器用来控制换能器组在导管中的准确位置，其控制准确位置的精度为2mm，测量时换能器的提升或下降速度最高可达5m/s而不丢失数据。

2.如权利要求1所述的混凝土灌注桩质量检测系统，其特征在于所述的数据处理系统根据设定的初至阈值和分析时间窗的区间，自动识别，读取初至时间t_i，进行快速傅氏变换，计算形心频率f_s和方差σ_S ²，形成走时数据文件和形心频率数据文件，再由目前常用的代数重建算法或联合迭代重建算法进行速度层析成像反演和衰减层析成像反演，形成反演结果数据文件，进行图形显示或存储打印。

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