CN101907606A - 一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器和超声波接收器分别设置在所述预检测钢管混凝土柱的两侧，超声波钢管混凝土柱质量检测方法包括如下步骤：发射和接收超声波：所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波；滤波处理：对接收的超声波信号进行滤波处理；HHT变换：对经过滤波处理的超声波信号进行HHT变换，即(经验模态分解与Hilbert谱分析)；质量检测：根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。

Description

一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法及检测系统，尤其涉及一种经过滤波处理和HHT变换的超声波钢管混凝土柱质量检测方法及检测系统。

背景技术

传统的超声检测法主要有：首波声时法、首波幅值法、波形识别法和首波频率法等。工程中经常以首波声时法为主，同时综合考虑首波幅值、首波波形和首波频率来对钢管混凝土的浇筑质量做出评价。实际检测结果表明，在对钢管混凝土进行质量检测时，超声检测测得的超声波信号经常会由于含有噪声信号和波形畸变导致首波声时的难以辨读和首波幅值、波形、频率的误判，最终导致钢管混凝土柱的损伤识别效果较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法及超声波钢管混凝土柱质量检测系统，克服现有技术的首波声时难以判读，波形受到噪声信号影响以致特征不明显的缺点。

本发明的技术方案是：提供一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器和超声波接收器分别设置在所述预检测钢管混凝土柱的两侧，超声波钢管混凝土柱质量检测方法包括如下步骤：

发射和接收超声波：所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波；

滤波处理：对接收的超声波信号进行滤波处理；

HHT变换：对经过滤波处理的超声波信号进行HHT(Hilbert HuangTranslate，简称“HHT”)变换，即(经验模态分解与Hilbert谱分析)；

质量检测：根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。

本发明的进一步技术方案是：在滤波处理步骤中，包括在滤波前先对超声波信号末尾进行补零延拓。

本发明的进一步技术方案是：在滤波处理步骤中，补零长度设置为相位延迟时间的长度。

本发明的进一步技术方案是：在滤波处理步骤中，还包括在滤波完成之后再在超声波信号前端截掉相应的数据长度。

本发明的进一步技术方案是：在质量检测步骤中，包括钢管混凝土脱层位置的确定。

本发明的进一步技术方案是：在质量检测步骤中，包括钢管混凝土内含杂物位置的确定。

本发明的进一步技术方案是：在质量检测步骤中，包括钢管混凝土中心孔洞位置的确定。

本发明的技术方案是：构建一种超声波钢管混凝土柱质量检测系统，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器和超声波接收器分别设置在所述预检测钢管混凝土柱的两侧，还包括将所述超声波接收器接收的超声波进行滤波处理的滤波单元，对所述滤波单元滤波后的超声波信号进行HHT变换的HHT变换单元，根据HHT变换后的超声波信号检测钢管混凝土柱质量的质量检测单元。

本发明的进一步技术方案是：还包括对所述超声波接收器接收的超声波信号进行预处理的预处理单元，所述预处理单元在滤波前先对超声波信号末尾进行补零延拓，在滤波完成之后再在超声波信号前端截掉相应的数据长度。

本发明的进一步技术方案是：补零长度设置为相位延迟时间的长度。

本发明的技术效果是：本发明一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法及检测系统，通过对所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波进行滤波处理后再进行HHT变换后，根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量评估。本方法可靠性强，检测准确，方便实用。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明滤波前的超声波波形图。

图3为本发明滤波后的超声波波形图。

图4为本发明滤波前的超声波Hilbert能量谱图。

图5为本发明滤波后的超声波Hilbert能量谱图。

图6为本发明滤波前波形图对比。

图7为本发明无损与脱层的一阶固有模态波形对比图。

图8为本发明无缺陷位置的能量谱图。

图9为本发明脱层缺陷位置的能量谱图。

图10为本发明无损与含杂物的一阶固有模态波形对比图。

图11为本发明含杂物缺陷位置的能量谱图。

图12为本发明无损与内含孔洞的一阶固有模态波形对比图。

图13为本发明内含孔洞缺陷位置的能量谱图。

图14本为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：本发明提供一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器和超声波接收器分别设置在所述预检测钢管混凝土柱的两侧，超声波钢管混凝土柱质量检测方法包括如下步骤：

步骤100：发射和接收超声波，即，所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波。

步骤200：滤波处理，即，对接收的超声波信号进行滤波处理。具体处理过程如下：超声波检测仪的原始信号为45KHz的窄带信号，超声波接收器接收到的超声波信号中混入了低频和高频的噪声信号的干扰，本发明中具体实施例中，采用基于matlab软件的kaiser窗带通数字滤波器来将超声信号中的噪声信号过滤掉，将带通数字滤波器的上下限频率设为10KHz和80KHz。在进行信号的滤波时，滤波得到的信号将会产生整体相延迟，同时导致原始信号末尾的数据信息丢失，为了消除这一影响，在滤波前先对信号末尾进行补零延拓，补零长度设置为相位延迟时间的长度，在滤波完成之后再在信号前端截掉相应的数据长度，最终得到滤波前后的波形图及其相应的Hilbert能量谱图，图2为滤波前的超声波波形图，图3为滤波后的超声波波形图，图4为滤波前的超声波Hilbert能量谱图，图5为滤波后的超声波Hilbert能量谱图。由此可以看到，经过滤波后的波形明显变得光滑，不再有毛刺，方便了首波声时的判读；同时由滤波前后的Hilbert能量谱图对比可以看出，带通数字滤波器很好的过滤掉了低频噪声信号。

步骤300：HHT变换，即，对经过滤波处理的超声波信号进行HHT变换，即(经验模态分解与Hilbert谱分析)。

具体过程如下：

一、HHT变换方法。

黄氏变换(Hilbert Huang Translate，简称HHT)新方法，即经验模态分解与Hilbert谱分析方法。这一方法创造性地提出了固有模态函数(IntrinsicMode Function，简称IMF)的新概念以及将任意信号分解为固有模态函数方法——经验模态分解法(the Empirical Mode Decomposition，简称EMD)，这样赋予了瞬时频率合理的定义、物理意义和求法，初步建立了以瞬时频率为表征信号交变的基本量，以固有模态函数为基本时域信号的新时频分析方法体系。作为一个崭新的时频分析方法，HHT完全独立于傅立叶变换。此方法的关键部分是经验模态分解，经验模态分解能够进行非线性、非平稳信号线性化和平稳化处理，保留信号本身特性。任何复杂的数据都可以在固有时间范围内被直接抽取能量，从而产生一组固有模态函数集合，使它具有很好的Hilbert变换特性。随后通过Hilbert变换，固有模态函数产生出瞬时频率和瞬时振幅，瞬时振幅在频率-时间平面上的分布就是Hilbert谱，表现为能量-频率-时间三者之间的分布关系。这种分解同样可以看作是固有模态函数的数据扩展。于是固有模态函数可以作为表述线性或非线性数据的基础，它是完整的并且几乎是正交的，最重要的是它具有很好的适应性。

二、经验模态分解法。

经验模态分解法的基本思路是用波动上、下包络的平均值去确定“瞬时平衡位置”，进而提取出固有模态函数。上、下包络线是由三次样条函数对极大值点和极小值点进行拟合得到的。

经验模式分解过程的基本过程可概括如下：

(1)寻找信号x(t)所有局部极大值和局部极小值，为更好保留原序列的特性，局部极大值定义为时间序列中的某个时刻的值，它只要满足既大于前一时刻的值也大于后一时刻的值即可。局部极小值的提取同理，即该时刻的值满足既小于前一时刻的值也小于后一时刻的值。使用三次样条函数进行拟合，获得上包络线xmax(t)和下包络线xmin(t)；

(2)计算上、下包络线的均值m(t)＝[x_max(t)+x_min(t)]/2；

(3)用原信号x(t)减去均值m(t)，得到第一个组件h(t)＝x(t)-m(t)；由于原始序列的差异，组件h(t)不一定就是一个IMF，如果h(t)不满足固有模态函数两个条件：整个数据范围内，极值点和过零点的数量相等或者相差一个；在任意点处，所有极大值点形成的包络线和所有极小值点形成的包络线的平均值为零。就把h(t)当成原始信号，重复(1)-(3)，直到满足条件为止，这时满足固有模态函数条件的h(t)作为一个IMF，令I₁(t)＝h(t)，至此第一个IMF已经成功的提取了。由于剩余的r(t)＝x(t)-I₁(t)仍然包含具有更长周期组件的信息，因此可以把它看成新的信号，重复上述过程，依次得到第二个I2(t)，第三个I3(t)，…，当r(t)满足单调序列或常值序列条件时，终止筛选过程，可以认为完成了提取固有模态函数的任务，最后的r(t)称为余项，它是原始信号的趋势项。由此可得x(t)的表达式即原始序列是由n个IMF与一个趋势项组成。如上所述，整个过程就像筛选过程，根据时间特性把固有模态函数从信号中提取出来。

三、超声波信号的HHT变换。

频率是个极其重要的物理量，定义为信号周期倒数，其物理含义显而易见。对于正弦信号，它的频率为恒值。但是对于大部分信号，它的频率是随时间变化的函数，故提出瞬时频率概念。瞬时频率即表征信号在局部时间点上瞬态频率特性，整个持续期上的瞬时频率反映了信号频率的时变规律。

对于随机时间序列X(t)，对其进行Hilbert变换，可以得到Y(t)如下：

$Y\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\mathrm{PV}\left({\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{X\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}\right)---\left(1\right)$

其中，PV为柯西主值(Cauchy principal value)。该式表示Y(t)是X(t)与

的卷积。通过这个定义，X(t)和Y(t)组成了一个共轭复数对，于是可以得到一个解析信号Z(t)如下：

Z(t)＝X(t)+iY(t)＝a(t)e^iθ(t)        (2)

其中，

$\left\{\begin{array}{c}a\left(t\right)={[X^2\left(t\right)+Y^2\left(t\right)]}^{1/2}\\ \mathrm{\θ}\left(t\right)=\arctan \left(\frac{Y\left(t\right)}{X\left(t\right)}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，a(t)为解析信号的幅值，θ(t)为解析信号的相位角。

从理论上讲，虚部的定义方法有很多种。但是Hilbert变换为其提供了一个唯一的虚部值，这就使得其结果成为一个解析函数。得到了相位，就可以得到瞬时频率，因为瞬时频率就是相位导数。

$w=\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

对固有模态函数进行Hilbert变换后，可以用下面方式表示信号：

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j\left(t\right)\exp \left(i{\∫w}_i\left(t\right)\mathrm{dt}\right)---\left(5\right)$

由于r_n信号中的能量很小，此处将其忽略。

由希尔伯特变换得出的振幅和频率都是时间的函数，如果用三维图形表达幅值、频率和时间之间的关系，或者把振幅用灰度的形式显示在频率-时间平面上，就可以得到Hilbert谱H(w，t)，H(w，t)表示振幅，它是时间与频率的函数。

如果将H(w，t)对时间积分，则得到Hilbert边际谱h(w)：

h(w)＝∫_TH(w，t)dt      (6)

边际谱提供了对每个频率的总振幅的量测，表达了整个时间长度内累积的振幅。另外，作为希尔伯特边际谱的附加结果，可以得到如式(7)定义的Hilbert瞬时能量IE(t)：

IE(t)＝∫_wH²(w，t)dw    (7)

瞬时能量提供了信号能量随时间的变换情况。将振幅的平方对时间积分，可以得到Hilbert能量谱ES(w)：

ES(w)＝∫_TH²(w，t)dt    (8)

Hilbert能量谱提供了对于每个频率的能量的量测，表达了每个频率在整个时间长度内所累积的能量。

步骤400：质量检测，即，根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。

具体过程如下：

以下实施例中，钢管混凝土柱中钢管直径为219mm，取超声波在混凝土中的传播速度为4400m/s，以面波形式在钢管中传播的速度为2900m/s。则可算得超声波穿过核心混凝土到达接收端的时间t₁＝0.219÷4400＝49.8μs，以面波形式沿钢管传播到达接收端的时间t₂＝0.219×π÷2÷2900＝118.6μs。

一、钢管混凝土脱层位置的确定。

图6为滤波前波形图对比，图7为无损与脱层的一阶固有模态波形对比图。对比图6和图7可以看到结合滤波处理的固有模态分解结果很好的抑制了噪声的影响，分析结果表明，在无缺陷位置，有较多能量的超声波直接穿过核心混凝土到达了接收端，可看到在50μs左右开始有明显波形；在存在脱层缺陷的位置，只有很少的能量的超声波直接穿过空气层入射到混凝土中，绝大多数能量都以面波形式绕钢管传播到达接收端，以至在120μs左右处才开始有明显波形。

图8为无缺陷位置的能量谱图，图9为脱层缺陷位置的能量谱图。对比图8和图9可以看到脱层缺陷位置的能量谱图的能量幅值明显要比无缺陷位置的要高，且高频区的能量幅值也比无缺陷位置的高频区能量幅值要大，这是因为大部分能量沿着钢管传播，衰减得较少。

二、钢管混凝土内含杂物位置的确定。

对比图10中的两条波形曲线可以看到，无缺陷位置的超声波信号的在50μs处开始有明显的波形，而内含杂物位置的超声波信号则一直到80μs左右处才开始出现明显的波形。

对比图8和图11可以看到含杂物缺陷位置处的能量谱图的峰值明显要比无缺陷位置处的能量谱图的峰值小，这是因为超声波在杂物与混凝土的边界面上有一部分能量由于反射而损失掉，没有直接传递到接收端。

三、钢管混凝土中心孔洞位置的确定。

在中心孔洞直径约1.5cm位置处采用对测法测得超声波信号，其一阶固有模态波形如图12中虚线所示。对比图12中的两条波形曲线可以看到，内含孔洞位置的超声波信号的一阶固有模态波形的首波到达时间比无损位置的稍微晚了一点。此外，可以看到两条曲线之间在整个采样时间范围内都存在明显的相位差，内含孔洞位置的一阶固有模态波形总比无损位置的要先到达波峰位置。

图13为内含孔洞缺陷位置的能量谱图，对比图8和图13可见，无缺陷位置的能量谱图与内含孔洞缺陷位置的能量谱图两者之间在形状和能量分布上差别不大，可见当孔洞直径较小时，孔洞的存在对超声波信号的能量谱影响较小，可能无法识别出区别。若孔洞较大，则无缺陷位置的能量谱图与内含孔洞缺陷位置的能量谱图两者之间在形状和能量分布上差别较大。

本发明一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，通过对所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波进行滤波处理后再进行HHT变换后，根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。本方法可靠性强，检测准确，方便实用。

如图14所示，本发明的具体实施方式：构建一种超声波钢管混凝土柱质量检测系统，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器2和超声波接收器3分别设置在所述预检测钢管混凝土柱1的两端，还包括将所述超声波接收器3接收的超声波进行滤波处理的滤波单元5，对所述滤波单元5滤波后的超声波信号进行HHT变换的HHT变换单元6，根据HHT变换后的超声波信号检测钢管混凝土柱1质量的质量检测单元7。

本发明的HHT变换单元6的具体处理过程见超声波钢管混凝土柱质量检测方法的步骤300，即，HHT变换步骤中HHT变换的具体处理过程。

本发明的质量检测单元7的具体处理过程见超声波钢管混凝土柱质量检测方法的步骤400：质量检测，即，根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。

本发明的优选实施方式是：本发明还包括对所述超声波接收器接收的超声波信号进行预处理的预处理单元4，所述预处理单元4在滤波前先对超声波信号末尾进行补零延拓，在滤波完成之后再在超声波信号前端截掉相应的数据长度。本发明的具体实施例中，补零长度设置为相位延迟时间的长度。

本发明一种超声波钢管混凝土柱质量检测系统，通过对所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波进行滤波处理后再进行HHT变换后，根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。本方法可靠性强，检测准确，方便实用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器和超声波接收器分别设置在所述预检测钢管混凝土柱的两侧，超声波钢管混凝土柱质量检测方法包括如下步骤：

发射和接收超声波：所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收所述超声波发生器发射的经钢管混凝土柱的超声波；

滤波处理：对接收的超声波信号进行滤波处理；

HHT变换：对经过滤波处理的超声波信号进行HHT变换，即(经验模态分解与Hilbert谱分析)；

质量检测：根据HHT变换后的超声波信号进行钢管混凝土柱质量检测。

2.根据权利要求1所述的一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，在滤波处理步骤中，包括在滤波前先对超声波信号末尾进行补零延拓。

3.根据权利要求2所述的一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，在滤波处理步骤中，补零长度设置为相位延迟时间的长度。

4.根据权利要求3所述的一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，在滤波处理步骤中，还包括在滤波完成之后再在超声波信号前端截掉相应的数据长度。

5.根据权利要求1所述的一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，在质量检测步骤中，包括钢管混凝土脱层位置的确定。

6.根据权利要求1所述的一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，在质量检测步骤中，包括钢管混凝土内含杂物位置的确定。

7.根据权利要求1所述的一种超声波钢管混凝土柱质量检测方法，其特征在于，在质量检测步骤中，包括钢管混凝土中心孔洞位置的确定。

8.一种应用超声波钢管混凝土柱质量检测方法的超声波钢管混凝土柱质量检测系统，包括检测钢管混凝土柱质量的超声波检测仪，将超声波检测仪的超声波发生器和超声波接收器分别设置在所述预检测钢管混凝土柱的两侧，其特征在于，还包括将所述超声波接收器接收的超声波进行滤波处理的滤波单元，对所述滤波单元滤波后的超声波信号进行HHT变换的HHT变换单元，根据HHT变换后的超声波信号检测钢管混凝土柱质量的质量检测单元。

9.根据权利要求8所述的超声波钢管混凝土柱质量检测系统，其特征在于，还包括对所述超声波接收器接收的超声波信号进行预处理的预处理单元，所述预处理单元在滤波前先对超声波信号末尾进行补零延拓，在滤波完成之后再在超声波信号前端截掉相应的数据长度。

10.根据权利要求9所述的超声波钢管混凝土柱质量检测系统，其特征在于，补零长度设置为相位延迟时间的长度。

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