CN107607614A - 一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置，包括感应加热电源、线圈、激光发射器、激光接收屏、光位置传感器及分析装置，感应加热电源与线圈连接；线圈设置在距离钢结构的保护层表面预设距离处；激光发射器及激光接收屏分别设置在线圈及保护层表面之间区域的两侧，激光发射器朝向激光接收屏；激光接收屏上铺设有光位置传感器；激光接收屏与分析装置连接。该装置利用钢结构有缺陷及无缺陷处受涡流加热时温度变化不同的现象，可在不损伤钢结构本身及钢结构的保护层的情况下，对保护层内的钢结构的表面进行缺陷检测，同时由于光热偏转效应极为敏感，能检测较小的温度变化，可以减小涡流加热的功率，大大降低设备的重量和能耗。

Description

一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及安全监测技术领域，具体地说，涉及一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置及方法。

背景技术

钢结构主要包括钢筋、型钢、拉索、钢桥面板、钢筋混凝土结构、钢管混凝土结构等，是土木工程常见的建筑材料和工程项目。因为其质量轻、刚度大、产量高，在土木工程领域得到了广泛地应用。

但由于焊接不合格、施工工艺差、原材料缺陷、锈蚀腐蚀严重等原因，造成钢结构在原材料阶段、建设期或运营期间存在缺陷，截面不完整，无法保证结构的承载能力和安全可靠，造成不必要的人员伤亡和经济损失。然而，由于钢结构的表面通常都有一层保护层，使肉眼无法直接观察到钢结构表面的缺陷。

由此，为了对钢筋混凝土结构实施更好地管理和维护，从新的技术角度提出内部钢结构损伤的检测方案是十分有必要的。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置，该装置利用钢结构有缺陷及无缺陷处受涡流加热时温度变化不同的现象，可在不损伤钢结构本身及钢结构的保护层的情况下，对保护层内的钢结构的表面进行缺陷检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置，包括感应加热电源、线圈、激光发射器、激光接收屏、光位置传感器及分析装置，其中：

所述感应加热电源与所述线圈连接；

所述线圈设置在距离钢结构的保护层表面预设距离处；

所述激光发射器及所述激光接收屏分别设置在所述线圈及所述保护层表面之间区域的两侧，所述激光发射器朝向所述激光接收屏；

所述激光接收屏上铺设有所述光位置传感器；

所述激光接收屏与所述分析装置连接。

优选地，所述分析装置包括放大器、模数转换器及处理器，其中：

所述放大器的输入端与所述激光接收屏的输出端连接；

所述模数转换器的输入端与所述放大器的输出端连接；

所述处理器的输入端与所述模数转换器的输出端连接。

优选地，还包括冷却系统，其中：

所述冷却系统用于为所述感应加热电源及所述线圈降温。

优选地，还包括第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置，其中：

所述线圈安装在上述驱动装置上，所述驱动装置用于控制所述线圈沿所述保护层表面移动，移动过程中所述线圈与所述保护层表面的距离保持预设距离；

所述激光发射器安装在所述第二驱动装置上，所述激光发射器与线圈相对固定设置；

所述激光接收屏安装在所述第三驱动装置上，所述激光接收屏与所述激光发射器相对固定设置。

一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测方法，采用如权利要求1所述的钢结构缺陷检测装置实施检测，包括以下步骤：

开启所述感应加热电源，通过所述线圈加热所述线圈所在位置对应的钢结构，加热时长为预设时长；

开启所述激光发射器，发出激光穿过所述线圈与所述钢结构之间区域照射在所述激光接收屏上；

所述光位置传感器采集所述激光在所述激光接收屏上的位置信号；

所述分析装置基于所述位置信号判断所述线圈所在位置对应的所述钢结构的表面是否存在缺陷。

优选地，所述分析装置包括放大器、模数转换器及处理器，所述分析装置基于所述位置信息判断所述线圈所在位置对应的所述钢结构的表面是否存在缺陷包括：

所述放大器放大所述位置信号；

所述模数转换器将所述位置信号转换为位置电信号；

所述处理器基于所述位置电信号判断所述线圈所在位置对应的所述钢结构的表面是否存在缺陷。

优选地，采用的所述钢结构缺陷检测装置还包括第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置，所述线圈安装在上述驱动装置上，所述驱动装置用于控制所述线圈沿所述保护层表面移动，移动过程中所述线圈与所述保护层表面的距离保持预设距离，所述激光发射器安装在所述第二驱动装置上，所述第二驱动装置与所述第一驱动装置相对固定设置，所述激光接收屏安装在所述第三驱动装置上，所述第三驱动装置与所述第一驱动装置相对固定设置；在实施检测的过程中，开启所述第一驱动装置、所述第二驱动装置及所述第三驱动装置，控制所述线圈、所述激光发射器及所述激光接收屏沿所述保护层表面移动。

优选地，所述钢结构缺陷检测方法的原理为：

所述感应加热电源向所述线圈通电，所述线圈在所述线圈对应的所述钢结构的区域产生涡流，所述钢结构被加热，所述钢结构通过热传递加热所述线圈与所述钢结构之间区域的空气，所述激光发射器发射到所述激光接收屏上的空气通过被加热的空气发生折射，所述光电位置传感器可采集激光在所述激光接收屏上的位置，当所述线圈对应的所述钢结构的表面出现缺陷时，所述线圈与所述线圈对应的所述钢结构的表面的距离会发生变化，所述钢结构的表面被加热的温度也会相应发生变化，导致空气被加热的温度也发生改变，进而改变空气的折射率，从而使激光照射在所述激光接收屏上的位置发生改变，因此可以根据激光照射在所述激光接收屏上的位置判断所述钢结构的表面是否存在缺陷。

综上所述，本技术方案提供了一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置，包括感应加热电源、线圈、激光发射器、激光接收屏、光位置传感器及分析装置，其中：感应加热电源与线圈连接；线圈设置在距离钢结构的保护层表面预设距离处；激光发射器及激光接收屏分别设置在线圈及保护层表面之间区域的两侧，激光发射器朝向激光接收屏；激光接收屏上铺设有光位置传感器；激光接收屏与分析装置连接。该装置利用钢结构有缺陷及无缺陷处受涡流加热时温度变化不同的现象，可在不损伤钢结构本身及钢结构的保护层的情况下，对保护层内的钢结构的表面进行缺陷检测，同时由于光热偏转效应极为敏感，能检测较小的温度变化，可以减小涡流加热的功率，大大降低设备的重量和能耗。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置的结构示意图；

图2为本发明公开的一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明公开的一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构5缺陷检测装置的结构示意图，包括感应加热电源3、线圈2、激光发射器1、激光接收屏6、光位置传感器7及分析装置8，其中：

感应加热电源3与线圈2连接；

线圈2设置在距离钢结构5的保护层4表面预设距离处；

激光发射器1及激光接收屏6分别设置在线圈2及保护层4表面之间区域的两侧，激光发射器1朝向激光接收屏6；

激光接收屏6上铺设有光位置传感器7；

激光接收屏6与分析装置8连接。

在本技术方案中：感应加热电源3产生的交变电流通过线圈2产生交变磁场，交变磁场进而在线圈2附近产生交变的涡旋电场。金属结构(即被检测的钢结构5)置于涡旋电场中，钢结构5内部将产生交变的电流，也就是涡流。涡流使钢结构5内部的原子高速、无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而加热被检测钢结构5。通过被检测的钢结构5的保护层4传热，热能流入与被检测钢结构5表面的介质(空气)中时，空气的温度发生变化，从而使空气的折射率也发生变化。折射率一般是温度和压强的函数，因检测时钢结构5附近的空气的压强基本相等，因此忽略压强的影响，可得折射率为：

其中，表示折射率的温度系数，式中n是折射率，r是位置坐标，t是时间，n₀是加热前折射率，△n是加热后折射率变化量，△T是温度变化量。

线圈2置于钢结构5表面有缺陷和无缺陷处时，线圈2与钢结构5表面的距离不同，因此涡流加热钢结构5的热效率也不同，所产生的热量的大小不同，空气介质温度不同，折射率也就不同。

由于钢结构5缺陷的存在，使得被测钢结构5表面距离到线圈2的距离不同，涡流加热效率不同，所产生的热量的大小不同，空气介质温度不同，折射率也就不同。若是由于钢筋锈蚀或其他原因产生的钢结构5缺陷，缺陷越大，钢结构5表面存在缺陷处的空气的折射率与钢结构5表面不存在缺陷处的空气的折射率相差越大。激光发射器1与激光接收屏6分别安装在钢结构5表面与线圈2之间的区域的两侧，激光发射器1向激光接收屏6发射激光，激光会穿过线圈2与钢结构5表面之间区域的空气，并发生折射。有缺陷处的钢结构5表面与线圈2之间的空气的温度与无缺陷处的钢结构5表面与线圈2之间的空气的温度不同，因此折射率也不同，激光穿过两种不同温度的空气后，照射在激光接收屏6上的位置也不同，由设置在激光接收屏6上的光位置传感器7采集激光照射在激光接收屏6上的位置信息，分析装置8可以根据此位置信息判断钢结构5的表面是否存在缺陷。需要注意的是，为了便于对比有缺陷处和无缺陷处的折射率的差别，对被测钢结构5表面各处加热相同的时间，即预设时长，具体时间长短可由检测人员决定。

在本技术方案中，为保证检测的准确，激光发射器1与激光接收屏6的位置相对固定，为了便于检测，激光发射器1发出的激光与钢结构5表面的保护层4的表面平行。为了准确体现出钢结构5表面存在缺陷与不存在缺陷两种情况下钢结构5表面与线圈2之间的距离不同，从而使两处的空气的温度不同，可以以钢结构5的保护层4表面为基准设置线圈2，使线圈2与保护层4的表面保持预设距离。在分析钢结构5表面是否存在缺陷时，可预先通过实验得到钢结构5表面不存在缺陷时激光照射在激光接收屏6上的位置，即标准位置，由标准位置与检测时得到位置信息进行比较，若两位置不同，则说明检测处的钢结构5表面存在缺陷。此外，还可对同一段钢结构5的多个位置进行检测，采集每个位置的激光照射在激光接收屏6上的位置信息，找出与其他位置信息存在明显差异的位置信息，从而钢结构5上存在缺陷的位置。

综上所述，本技术方案提供了一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构5缺陷检测装置，包括感应加热电源3、线圈2、激光发射器1、激光接收屏6、光位置传感器7及分析装置8，其中：感应加热电源3与线圈2连接，线圈2设置在距离钢结构5的保护层4表面预设距离处，激光发射器1及激光接收屏6分别设置在线圈2及保护层4表面之间区域的两侧，激光发射器1朝向激光接收屏6，激光接收屏6上铺设有光位置传感器7，激光接收屏6与分析装置8连接。该装置利用钢结构5有缺陷及无缺陷处受涡流加热时温度变化不同的现象，可在不损伤钢结构5本身及钢结构5的保护层的情况下，对保护层内的钢结构5的表面进行缺陷检测，同时由于光热偏转效应极为敏感，能检测较小的温度变化，可以减小涡流加热的功率，大大降低设备的重量和能耗，且由于空气折射率的变化受空气温度的改变影响较大，当钢结构5表面出现细微缺陷引起空气温度产生微小变化时，本装置也可精确的检测出激光照射在激光接收屏6上的位置的变化，从而判断出钢结构5表明存在缺陷，与现有的检测方法相比，灵敏度高，还可极大地缩短对钢结构5加热的时间。

为进一步优化上述技术方案，分析装置8包括放大器、模数转换器及处理器，其中：

放大器的输入端与光位置传感器7的输出端连接；

模数转换器的输入端与放大器的输出端连接；

处理器的输入端与模数转换器的输出端连接。

放大器接收激光接收屏6发出的信号后将信号进行放大便于后续对信号的处理；模数转换器将接收到的模拟信号转换为数字信号使得处理器可以直接对信号进行分析，本技术方案中的处理器可以为电脑、平板、智能手机等能够实现分析功能的电子设备。

为进一步优化上述技术方案，钢结构5缺陷检测装置还包括冷却系统，冷却系统用于为感应加热电源3及线圈2降温。

冷却系统可以采用水冷或空冷的形式对感应加热电源3及线圈2降温，避免温度过高导致设备停机或损坏，提高了整个装置的持续工作能力，进而提高检测的效率。

为进一步优化上述技术方案，钢结构5缺陷检测装置还包括还包括第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置，其中：

线圈2安装在上述驱动装置上，驱动装置用于控制线圈2沿保护层4表面移动，移动过程中线圈2与保护层4表面的距离保持预设距离；

激光发射器1安装在第二驱动装置上，激光发射器1与线圈2相对固定设置；

激光接收屏6安装在第三驱动装置上，激光接收屏6与激光发射器1相对固定设置。

第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置可分别为三个不同的驱动装置，也可是同一个驱动装置。驱动装置可以是安装有驱动电机的滑轨，导轨沿着钢结构5保护层4的表面设置，保证线圈2在移动过程中与保护层4表面的距离保持预设距离，打开驱动电机可使线圈2、激光发射器1及激光接收屏6沿着导轨移动，从而实现快速的对钢结构5的不同位置的缺陷检测，提高检测效率。

如图2所示，为本发明公开的一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构5缺陷检测方法的流程图，本钢结构5缺陷检测方法采用上述的钢结构5缺陷检测装置实施检测，包括以下步骤：

S101、开启感应加热电源3，通过线圈2加热线圈2所在位置对应的钢结构5，加热时长为预设时长；

S102、开启激光发射器1，发出激光穿过线圈2与钢结构5之间区域照射在激光接收屏6上；

S103、光位置传感器7采集激光在激光接收屏6上的位置信号；

S104、分析装置8基于位置信号判断线圈2所在位置对应的钢结构5的表面是否存在缺陷。

钢结构5缺陷检测方法的原理为：感应加热电源3向线圈2通电，线圈2在线圈2对应的钢结构5的区域产生涡流，钢结构5被加热，钢结构5通过热传递加热线圈2与钢结构5之间区域的空气，激光发射器1发射到激光接收屏6上的空气通过被加热的空气发生折射，光电位置传感器7可采集激光在激光接收屏6上的位置，当线圈2对应的钢结构5的表面出现缺陷时，线圈2与线圈2对应的钢结构5的表面的距离会发生变化，钢结构5的表面被加热的温度也会相应发生变化，导致空气被加热的温度也发生改变，进而改变空气的折射率，从而使激光照射在激光接收屏6上的位置发生改变，因此可以根据激光照射在激光接收屏6上的位置判断钢结构5的表面是否存在缺陷。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测装置，其特征在于，包括感应加热电源、线圈、激光发射器、激光接收屏、光位置传感器及分析装置，其中：

所述感应加热电源与所述线圈连接；

所述线圈设置在距离钢结构的保护层表面预设距离处；

所述激光发射器及所述激光接收屏分别设置在所述线圈及所述保护层表面之间区域的两侧，所述激光发射器朝向所述激光接收屏；

所述激光接收屏上铺设有所述光位置传感器；

所述激光接收屏与所述分析装置连接。

2.如权利要求1所述的钢结构缺陷检测装置，其特征在于，所述分析装置包括放大器、模数转换器及处理器，其中：

所述放大器的输入端与所述激光接收屏的输出端连接；

所述模数转换器的输入端与所述放大器的输出端连接；

所述处理器的输入端与所述模数转换器的输出端连接。

3.如权利要求1所述的钢结构缺陷检测装置，其特征在于，还包括冷却系统，其中：

所述冷却系统用于为所述感应加热电源及所述线圈降温。

4.如权利要求1所述的钢结构缺陷检测装置，其特征在于，还包括第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置，其中：

所述线圈安装在上述驱动装置上，所述驱动装置用于控制所述线圈沿所述保护层表面移动，移动过程中所述线圈与所述保护层表面的距离保持预设距离；

所述激光发射器安装在所述第二驱动装置上，所述激光发射器与线圈相对固定设置；

所述激光接收屏安装在所述第三驱动装置上，所述激光接收屏与所述激光发射器相对固定设置。

5.一种基于涡流加热偏转光谱的钢结构缺陷检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的钢结构缺陷检测装置实施检测，包括以下步骤：

开启所述感应加热电源，通过所述线圈加热所述线圈所在位置对应的钢结构，加热时长为预设时长；

开启所述激光发射器，发出激光穿过所述线圈与所述钢结构之间区域照射在所述激光接收屏上；

所述光位置传感器采集所述激光在所述激光接收屏上的位置信号；

所述分析装置基于所述位置信号判断所述线圈所在位置对应的所述钢结构的表面是否存在缺陷。

6.如权利要求5所述的钢结构缺陷检测方法，其特征在于，所述分析装置包括放大器、模数转换器及处理器，所述分析装置基于所述位置信息判断所述线圈所在位置对应的所述钢结构的表面是否存在缺陷包括：

所述放大器放大所述位置信号；

所述模数转换器将所述位置信号转换为位置电信号；

所述处理器基于所述位置电信号判断所述线圈所在位置对应的所述钢结构的表面是否存在缺陷。

7.如权利要求5所述的钢结构缺陷检测方法，其特征在于，采用的所述钢结构缺陷检测装置还包括第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置，所述线圈安装在上述驱动装置上，所述驱动装置用于控制所述线圈沿所述保护层表面移动，移动过程中所述线圈与所述保护层表面的距离保持预设距离，所述激光发射器安装在所述第二驱动装置上，所述第二驱动装置与所述第一驱动装置相对固定设置，所述激光接收屏安装在所述第三驱动装置上，所述第三驱动装置与所述第一驱动装置相对固定设置；在实施检测的过程中，开启所述第一驱动装置、所述第二驱动装置及所述第三驱动装置，控制所述线圈、所述激光发射器及所述激光接收屏沿所述保护层表面移动。

8.如权利要求5所述的钢结构缺陷检测方法，其特征在于，所述钢结构缺陷检测方法的原理为：

所述感应加热电源向所述线圈通电，所述线圈在所述线圈对应的所述钢结构的区域产生涡流，所述钢结构被加热，所述钢结构通过热传递加热所述线圈与所述钢结构之间区域的空气，所述激光发射器发射到所述激光接收屏上的空气通过被加热的空气发生折射，所述光电位置传感器可采集激光在所述激光接收屏上的位置，当所述线圈对应的所述钢结构的表面出现缺陷时，所述线圈与所述线圈对应的所述钢结构的表面的距离会发生变化，所述钢结构的表面被加热的温度也会相应发生变化，导致空气被加热的温度也发生改变，进而改变空气的折射率，从而使激光照射在所述激光接收屏上的位置发生改变，因此可以根据激光照射在所述激光接收屏上的位置判断所述钢结构的表面是否存在缺陷。