CN108226295B - 一种超声波混凝土裂缝深度检测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土构件养护领域，具体涉及一种基于超声波的混凝土裂缝深度检测装置改进及其检测方法。基于超声波的混凝土裂缝深度检测装置包括超声波混凝土裂缝检测器和配套设备，裂缝检测装置改进为，将换能器固定到检测装置内部形成尺状装置，配合以新检测方法检测裂缝。本发明提供新型检测装备及检测技术方法，同时能直接生成裂缝形态打印图，且对于如检测车达不到的地方、不方便人员进入的地方也可以简易、安全操作，更加实用并且节约成本。

Description

一种超声波混凝土裂缝深度检测装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及混凝土构件养护领域，具体涉及一种超声波混凝土裂缝深度检测装置及其工作方法。

背景技术

在混凝土构件裂缝检测领域，现有混凝土裂缝深度检测装置构造复杂，检测步骤繁琐，完成一条裂缝检测至少需要三个人协同检测，测得数据还需要经过数据后处理，整个检测过程消耗大量人力、物力，且现有检测装置的检测方法即超声波平测法只能检测垂直裂缝，不能检测倾斜裂缝，而现有工程中混凝土构件很多裂缝都为倾斜的，现有装置既不能检测倾斜角度也不能检测倾斜裂缝深度，无法获得具体裂缝形态，且已有技术对于这项难题研发的新方法如找裂缝端点的三角法或圆弧法，过程繁琐，需要大量的试测工作，实际可行性低。

现有混凝土裂缝深度检测装置构造复杂，检测步骤繁琐，完成一条裂缝检测至少需要三个人协同检测，其中一人手持换能器，不断调节换能器的位置，一人手持裂缝处理装置调节测裂缝，一人负责记录声时数据，测得数据还需要经过数据后处理，整个检测过程消耗大量人力、物力，且现有检测装置检测方法即超声波平测法只能检测垂直裂缝，一些检测检测斜裂缝新方法，需要大量试测工作，而现有工程中混凝土构件很多裂缝都为倾斜的，现有装置既不能方便检测倾斜角度也不能快速检测倾斜裂缝深度，无法获得具体裂缝形态，现有超声波检测装置对于一些特殊环境如钢筋混凝土箱形梁内部黑暗处、大型混凝土构件顶部处、双幅桥内侧翼缘处的检测束手无策。因此如何设计一种简便、安全、实用、可操作性强的既可以检测裂缝垂直裂缝深度又可以检测倾斜裂缝深度及倾角，且可以克服诸多特殊环境的的混凝土裂缝检测工具，成为我们当前要解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波混凝土裂缝深度检测装置及其工作方法，可在任何地点，任何位置，简便观测混凝土裂缝深度。

具体技术方案如下：

一种超声波混凝土裂缝深度检测装置，包括混凝土裂缝检测装置、配套连接设备、配套数据传输设备；所述混凝土裂缝检测器包括裂缝检测装置本体、半埋入装置内部的换能器，所述换能器包括发射端、接收端，所述裂缝检测装置表面有控制面板、显示屏，内部有数据采集系统、打印机、打印机出纸孔、电池插孔、接线口；所述配套连接设备包括位于连接杆前端的检测装置固定卡槽、位于配套连接杆顶部的外置广角摄像头底座、卡槽，连接杆伸出部分和连接杆本体通过伸缩螺旋连接，连接杆背侧有线夹、底部有扶手；所述配套数据传输设备包括数据连接线、显示器、数据处理设备。

所述超声波混凝土裂缝深度检测装置换能器固定在裂缝检测装置底部，换能器发射端在裂缝检测装置左端，接收端在裂缝检测装置右端，将换能器半埋入裂缝检测装置。

所述超声波混凝土裂缝深度检测装置有打印器连接到内部打印接口处，安装小型打印机连接到内部系统预留的打印接口，在裂缝检测后即可读取裂缝形态图像。

所述配套连接设备与检测装置通过连接杆前端卡槽连接到检测装置中部，将检测装置固定到连接杆前端卡槽固定连接处。

一种超声波混凝土裂缝深度检测装置的工作方法，具体包含如下步骤：

步骤一，首先判断是垂直裂缝还是倾斜裂缝，将所述裂缝检测装置换能器接收端内边缘跨缝置于裂缝右侧边缘，装置垂直于裂缝放置，测得声时t₁，再将所述裂缝检测装置换能器发射端内边缘跨缝置于裂缝左侧边缘，装置垂直于裂缝放置，测得声时t₂；若t₁＝t₂，判断为垂直裂缝；若t₁≠t₂，判断为倾斜裂缝,

其中,t₁—判断裂缝走向时第一次检测超声波传播时间，t₂—判断裂缝走向时第二次检测超声波传播时间；

步骤二，所述裂缝检测装置得到t₁＝t₂，裂缝为垂直，采用正方形联测法，裂缝检测过称如下，对于正方形上下两边，先将检测装置放在正方形的上边，再将检测装置放在正方形下边，两次检测位置互相平行且垂直于裂缝放置，具体位置为裂缝平分检测装置，且两次分别检测时换能器发射端和接收端在裂缝两侧对称放置，分别测得声时t₃、t₄，再将检测装置分别置于正方形的另两边，顺序不做要求，测得声时t₅、t₆，并已知检测装置长度为L，计算超声波在混凝土内的波速；

求平均值以使结果更加精确，波速为

计算混凝土裂缝深度；

对所述裂缝分成若干段，每段采用同样上述方法测得h_i，结果通过数据传输装置输送给打印机，通过绘制不同位置裂缝深度得到最终裂缝形态图，

其中，t₃—垂直裂缝第一次检测超声波传播时间，t₄—垂直裂缝第二次检测超声波传播时间，t₅—垂直裂缝第三次检测超声波传播时间，t₆—垂直裂缝第四次检测超声波传播时间，L—换能器发射端内边缘与接收端内边缘距离，V₁—不跨缝检测超声波在裂缝一侧传播速度，V₂—不跨缝检测超声波在裂缝另一侧传播速度，V—不跨缝检测超声波传播平均速度，h₁—位于正方形检测区域上边的裂缝深度，h₂—位于正方形检测区域下边的裂缝深度；

步骤三，所述裂缝检测检测装置得到t₁≠t₂，裂缝为倾斜，若t₁＜t₂；判断为向左倾斜裂缝；若t₁＞t₂，判断为向右倾斜裂缝，通过以下计算得到裂缝深度h_i及裂缝倾斜角度θ：

L₁＝V·t₁L₂＝V·t₂

其中，L₁—判断裂缝走向时第一次检测超声波传播距离，L₂—判断裂缝走向时第二次检测超声波传播距离，

S₁+S₃＝L₂

S₂ ²＝L²+S₃ ²-2L·S₃·cosθ

S₁ ²＝L²+S₃ ²-2L·S₃·cos(180-θ)

其中，S₁—判断裂缝走向第二次检测时裂缝端点至换能器接收端距离，S₂—判断裂缝走向第一次检测时裂缝端点至换能器发射端距离，S₃—判断裂缝走向第一次检测时裂缝端点至换能器接收端距离及第二次检测时裂缝端点至换能器发射端距离，h_i—各段裂缝时某一段裂缝深度，θ—裂缝倾斜角度；

再根据h_i＝S₃·sinθ求得斜裂缝深度h_i，每段采用同样上述方法测得h_i，结果通过数据传输装置输送给打印机，通过绘制不同位置裂缝深度得到最终裂缝形态图。

与现有技术相比，本方法的有益效果是：

(1)本发明采用的混凝土裂缝检测装置结构十分简单、造价降低、设计简单合理，将换能器固定半埋式安装到裂缝检测装置内部，将裂缝检测装置设计成单手可持的尺状检测装置，单人即可完成混凝土裂缝检测装置，不需要其余工作人员手持换能器不断调节位置。

(2)本发明采用的混凝土裂缝检测装置操作十分简便，能够快速的检测混凝土裂缝深度，尤其检测步骤大为减少，对于垂直裂缝检测，现有混凝土裂缝检测基本需要多次测量同一分区裂缝，通过多次调节换能器之间的相对位置求得裂缝深度，本发明大幅度减少了检测次数，对于每一分段垂直裂缝检测仅需四次测量即可。

(3)现有技术基本都为测量混凝土垂直裂缝深度，或者测量倾斜裂缝需要大量数据采集工作，经过复杂的后处理才将裂缝深度求出，本发明测量倾斜裂缝对于每一分段仅需两次测量，即可测得裂缝是否倾斜、倾斜角度，避免了大量的试测工作。

(4)本发明经过检测后可以生成形态图，通过内置小型打印机将裂缝形态图直观的表示给测量人员，使结果能够快速的展现出来，为构件的分析、处理加快速度。

(5)本发明不需要大型的机械设备，更不需要桥梁检测车装备就可以检测一些特殊情况下的裂缝，仅需要简单的安装即可组装成检测装备，本发明采用混凝土裂缝深度检测装备不受混凝土构件位置和环境的限制，适用于大型混凝土构件和所处环境较为恶劣的混凝土构件裂缝检测，比如箱梁内部阴暗处、构建未知较高处、转角操作空间较小处，仅通过调节伸缩装置就可以调节连接杆与检测装置的位置，即可完成检测任务。

(6)本发明采用的裂缝图像数据采集装置简便、易于操控，通过数据线将裂缝检测装置、广角摄像头、与显示屏、数据处理装置连接，可以实时的观测检测情况，以及立即进行数据分析，得到可靠的数据。

附图说明

图1为本发明装置三视图；

图2为本发明配套装备示意图；

图3为本发明内部运行流程图；

图4为本发明检测步骤图；

图5为t2测量检测装置位置；

图6为t1测量检测装置位置；

图7为正方形联测法检测轨迹示意图；

图8为正方形联测法垂直裂缝检测示意图；

图9为斜裂缝判断裂缝走向第一次检测示意图；

图10为斜裂缝判断裂缝走向第二次检测示意图。

图中，1-检测装置本体，2-显示屏，3-控制面板，4-换能器T发射端，5-换能器R接收端，6-打印机出纸孔，7-电池插孔，8-接线口，9-外置广角摄像头底座，10-外置广角摄像头卡槽，11-检测装置固定卡槽，12-伸缩螺旋，13-线夹，14-连接杆伸出部分，15-连接杆本体，16-连接杆扶手。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图所限。

本发明包括混凝土裂缝检测器、配套连接设备，另还有配套数据传输设备；图1为本发明检测装置三视图，如图1所示，所述混凝土裂缝检测装置包括检测装置本体1、显示屏2、控制面板3、R、T换能器4、5、内置小型化打印机及打印机出纸孔6、内置电池及电池插孔7、内置处理器及接线口8，图2为本发明配套连接设备，配套连接设备包括外置广角摄像头底座9、外置广角摄像头卡槽10、检测装置固定卡槽11、调节连接杆伸缩部分的伸缩螺旋12、连接线固定线夹13、连接杆伸出部分14、连接杆本体15、连接杆扶手16、外置广角摄像头；所述配套数据传输设备包括数据连接线、显示器、数据处理设备。

除装置自身数据处理系统外，还可以将混凝土裂缝检测装置与数据处理装置、显示器相连接。如图1所示，所述混凝土裂缝检测装置有预留接线口8可以连接显示器，所述显示器与数据处理装置在操作空间大，相对安全处连接处理数据，也可以保存数据留待处理。

在裂缝检测过程中，外置连接显示器可以实时显示出裂缝情况以及摄影图片情况。

在对采集的信息直接进行数据处理过程中，可以及时分析情况，推断裂缝的情况，在对于短时间内判断混凝土裂缝情况而对构件承载力做出判断有很大意义。

后期通过数据处理装置将数据分类处理，尤其将特殊裂缝归类处理，分析是否由于某种缺陷造成。

本实例中，所采用的混凝土裂缝检测装置可采用现场安装拆卸工作，如图2所示，通过简单的调节连接杆伸出部分14、混凝土检测装置本体1位置等即可以完成混凝土裂缝的检测以及图像的采集工作，构造非常简单，不受混凝土构件和环境的限制，适用于大型混凝土构件和所处环境较为恶劣的混凝土裂缝深度检测。

实际使用过程中，对于混凝土裂缝深度检测时，对于混凝土裂缝检测装置是否摆正与外置广角摄像头相对位置应该着重注意，在混凝土裂缝检测装置本体1安装到图2中检测装置固定卡槽内11的过程中，应该首先确认卡槽11是否干净，最好在使用前对卡槽11进行清理，在把卡片放入卡槽11后，其位置应该摆正，使混凝土裂缝检测装置方向与卡槽11横向方向垂直，保证混凝土裂缝检测装置在移动过程中平稳，尤其在测量过程中不要抖动，在一组摄影完成后再进行混凝土裂缝检测装置的调整、连接杆的调整等工作。

本实例中，图2顶部外置广角摄像头装置可以旋转，在测量裂缝宽度时，使外置广角摄像头针对裂缝检测装置中心，能够清晰的拍摄裂缝检测装置上的数值与裂缝的实际情况。

检测过程中，使图1中混凝土裂缝检测装置本体1方向保持与裂缝垂直，调节图2顶部的广角摄像头方向，使外置广角摄像头能够在像素允许范围内检测范围更大，使外置广角摄像头对混凝土裂缝的检测不受环境因素影响，适合于全天候检查，因而检测效率大幅度提升。

本发明工作时，具体步骤如下：

步骤一、判断混凝土裂缝是垂直的还是倾斜，如图5、9所示，将上述基于超声波检测混凝土裂缝装置换能器信号接收端5的左侧边缘置于裂缝右侧边缘，读取声时t₁，进一步如图6、10所示，再将上述基于超声波检测混凝土裂缝装置换能器信号发射端4的右侧边缘置于裂缝左侧边缘，读取声时t₂，比较两次声时大小，若两次声时相等，则为垂直裂缝，若两次声时不相等，则为倾斜裂缝，且若t₁＜t₂，判断为裂缝向左侧倾斜，若t₁＞t₂，判断为裂缝向右倾斜。

步骤二、若判断混凝土裂缝是垂直的，将裂缝分成若干段，每段采用正方形裂缝联测法，如图7所示，即在每一段裂缝的顶部和底部分别测量一次，要求两次测量时基于超声波检测混凝土裂缝装置应垂直于裂缝表面相距换能器接收端和发射端的圆心距离，如图8所示，装置的换能器应该对称于裂缝布置，两次测量分别声时为t₃、t₄，再测得将裂缝检测装置的换能器接收端5和发射端4分别置于前两次检测的发射端4和接收端5，测得两次裂缝检测声时为t₅、t₆，这样形成一个正方形检测区域。

步骤三、进行下一裂缝分段声时检测，依次应用正方形联测法检测所有分段，注意除第一段以外，其余裂缝分段不需检测正方形的上边，即除第一分段裂缝外，其余分段裂缝只需检测缝尾跨缝声时。

步骤四、每采集完一次数据点击一次记录，所有数据收集完成后点击计算生成裂缝。点击图1控制面板3中打印按钮，打印机生成裂缝形态图。

步骤五、若判断裂缝为倾斜的，且判断出裂缝的倾斜方向，进行如下操作，按步骤一得到的数据为准，操控图1中的控制面板3中按钮，点击记录，一区段测量完后点击计算生成裂缝深度，点击记录进行下一区段数据测量，所有区段测量完成后，点击打印按钮，打印机生成裂缝形态图

步骤六、本实例拟测量桥梁内侧翼缘以下空间裂缝深度，混凝土裂缝检测装置与配套检测设备连接，即将图1中检测装置与图2连接设备结合，将裂缝检测装置卡到连接杆卡槽11内，先将连接杆端部卡槽11的卡簧打开将检测装置安装在卡槽11内，关闭卡簧，将检测装置卡紧在卡槽11内部，将连接杆上长度调节螺旋12调松，根据待检测桥梁翼缘高度调节螺旋12，使混凝土裂缝检测装置能够到裂缝最高点位置。

步骤七、将组合好的裂缝检测装置探进桥梁内侧翼缘以下空间内，双手承托连接杆使连接杆端部摄影机正对着右幅桥梁内侧翼缘结构面，进行多组测量、拍摄、摄影工作。

步骤八、将摄影机与数据处理装置、显示器相连接。所述摄影机在拍摄杆中有预留线路可以连接显示器，所述显示器与数据处理装置操作空间大，保存数据留待处理。

Claims (4)

1.一种超声波混凝土裂缝深度检测装置的工作方法，其特征在于，所述超声波混凝土裂缝深度检测装置包括混凝土裂缝检测装置、配套连接设备、配套数据传输设备；所述混凝土裂缝检测器包括裂缝检测装置本体、半埋入装置内部的换能器，所述换能器包括发射端、接收端，所述裂缝检测装置本体表面有控制面板、显示屏，内部有数据采集系统、打印机、打印机出纸孔、电池插孔、接线口；所述配套连接设备包括位于连接杆前端的检测装置固定卡槽、位于配套连接杆顶部的外置广角摄像头底座、卡槽，连接杆伸出部分和连接杆本体通过伸缩螺旋连接，连接杆背侧有线夹、底部有扶手；所述配套数据传输设备包括数据连接线、显示器、数据处理设备，具体包含如下步骤：

步骤一，首先判断是垂直裂缝还是倾斜裂缝，将所述换能器接收端内边缘跨缝置于裂缝右侧边缘，装置垂直于裂缝放置，测得声时t₁，再将所述换能器发射端内边缘跨缝置于裂缝左侧边缘，装置垂直于裂缝放置，测得声时t₂；若t₁＝t₂，判断为垂直裂缝；若t₁≠t₂，判断为倾斜裂缝,

其中,t₁—判断裂缝走向时第一次检测超声波传播时间，t₂—判断裂缝走向时第二次检测超声波传播时间；

步骤二，所述混凝土裂缝检测装置得到t₁＝t₂，裂缝为垂直，采用正方形联测法，裂缝检测过程 如下，对于正方形上下两边，先将检测装置放在正方形的上边，再将检测装置放在正方形下边，两次检测位置互相平行且垂直于裂缝放置，具体位置为裂缝平分检测装置，且两次分别检测时换能器发射端和接收端在裂缝两侧对称放置，分别测得声时t₃、t₄，再将检测装置分别置于正方形的另两边，顺序不做要求，测得声时t₅、t₆，并已知检测装置长度为L，计算超声波在混凝土内的波速；

求平均值以使结果更加精确，波速为

计算混凝土裂缝深度；

对所述裂缝分成若干段，每段采用同样上述方法测得h_i，结果通过数据传输装置输送给打印机，通过绘制不同位置裂缝深度得到最终裂缝形态图，

其中，t₃—垂直裂缝第一次检测超声波传播时间，t₄—垂直裂缝第二次检测超声波传播时间，t₅—垂直裂缝第三次检测超声波传播时间，t₆—垂直裂缝第四次检测超声波传播时间，L—换能器发射端内边缘与接收端内边缘距离，V₁—不跨缝检测超声波在裂缝一侧传播速度，V₂—不跨缝检测超声波在裂缝另一侧传播速度，V—不跨缝检测超声波传播平均速度，h₁—位于正方形检测区域上边的裂缝深度，h₂—位于正方形检测区域下边的裂缝深度；

步骤三，所述混凝土裂缝检测装置得到t₁≠t₂，裂缝为倾斜，若t₁＜t₂；判断为向左倾斜裂缝；若t₁＞t₂，判断为向右倾斜裂缝，通过以下计算得到裂缝深度h_i及裂缝倾斜角度θ：

L₁＝V·t₁ L₂＝V·t₂

其中，L₁—判断裂缝走向时第一次检测超声波传播距离，L₂—判断裂缝走向时第二次检测超声波传播距离，

S₁+S₃＝L₂

S₂ ²＝L²+S₃ ²-2L·S₃·cosθ

S₁ ²＝L²+S₃ ²-2L·S₃·cos(180-θ)

其中，S₁—判断裂缝走向第二次检测时裂缝端点至换能器接收端距离，S₂—判断裂缝走向第一次检测时裂缝端点至换能器发射端距离，S₃—判断裂缝走向第一次检测时裂缝端点至换能器接收端距离及第二次检测时裂缝端点至换能器发射端距离，h_i—各段裂缝时某一段裂缝深度，θ—裂缝倾斜角度；

再根据h_i＝S₃·sinθ求得斜裂缝深度h_i，每段采用同样上述方法测得h_i，结果通过数据传输装置输送给打印机，通过绘制不同位置裂缝深度得到最终裂缝形态图。

2.根据权利1要求所述的超声波混凝土裂缝深度检测装置的工作方法，其特征在于，所述超声波混凝土裂缝深度检测装置换能器固定在裂缝检测装置底部，换能器发射端在裂缝检测装置左端，接收端在裂缝检测装置右端，将换能器半埋入裂缝检测装置。

3.根据权利1要求所述的超声波混凝土裂缝深度检测装置的工作方法，其特征在于，所述超声波混凝土裂缝深度检测装置有打印器连接到内部打印接口处，安装小型打印机连接到内部系统预留的打印接口，在裂缝检测后即可读取裂缝形态图像。

4.根据权利1要求所述的超声波混凝土裂缝深度检测装置的工作方法，其特征在于，所述配套连接设备与检测装置通过连接杆前端卡槽连接到检测装置中部，将检测装置固定到连接杆前端卡槽固定连接处。

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