CN109765295B - 一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置，所述方法步骤包括：步骤S1：发射激光按照扫描路径扫描待检测混凝土；步骤S2：接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号；步骤S3：基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并精确定位微裂缝。与现有技术相比，本发明中超声波的激发方式为激光非接触式激发，相比于传统压电式激发超声波，无需在混凝土表面涂耦合剂，大大提高了检测效率。

Description

一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置

技术领域

本发明涉及混凝土缺陷快速检测领域，尤其是涉及一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置。

背景技术

微裂缝一般是指宽度小于0.2mm的裂缝，是裂缝最根源的形态，通常由施工、运营荷载及环境因素造成。外部荷载的增加或环境的进一步恶化，会促使微裂缝不断发展、张开，进而影响结构的使用功能。及时发现混凝土结构表面的微裂缝，对结构运维养护特别是防水性能要求较高的工程具有重要意义。

目前混凝土裂缝检测除了传统的肉眼观察手段外，还包括数码照相识别、超声、红外、雷达和CT等先进无损检测技术，主要适用于明显张开、宽度不小于0.2mm的裂缝，且要求表面干净、没有污浊物。对于表面有灰尘附着或未张开的微裂缝，无论是肉眼观察还是采用无损检测技术，都很难有效的识别检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法，包括：

步骤S1：发射激光按照扫描路径扫描待检测混凝土；

步骤S2：接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号；

步骤S3：基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并定位微裂缝。

所述步骤S3具体包括：

步骤S31：获取经过预处理的扫描路径上各入射点的超声波信号；

步骤S32：基于各入射点的超声波信号，获取其波前时间和振幅；

步骤S33：基于各超声波信号所对应的阵列入射点位置，判断是否存在相邻入射点的波前时间差达到设定时间间隔，且振幅差达到设定阈值，若为是，则判断存在微裂缝，且定位微裂缝的位置为此两个入射点之间。

所述设定时间间隔默认为10微秒，支持参数化配置。

所述设定阈值默认为1厘米，支持参数化配置。

所述步骤S2中，超声波信号的接收点宜位于扫描路径所在直线上。

一种实现所述的方法的检测装置，包括：

激光激发器，用于激发激光点源以发射激光；

光路控制模块，位于激光激发器和待检测混凝土之间，用于将激光激发器发射的激光聚焦并改变光路至待检测混凝土上，形成入射点阵列；

超声波接收模块，连接至待检测混凝土，用于接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号；

检测主机，与超声波接收模块连接，用于基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并定位微裂缝。

所述光路控制模块包括振镜、聚焦镜，以及用于调整所述振镜和聚焦镜的导轨，所述振镜、聚焦镜通过支架滑动连接于所述导轨上。

所述超声波接收模块包括依次连接的探头、信号放大器和示波器，所述示波器与检测主机连接。

所述激光激发器为高能量固体脉冲激光发射器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)超声波的激发方式为激光非接触式激发，相比于传统压电式激发超声波，无需在混凝土表面涂耦合剂，大大提高了检测效率。

2)利用超声波波形的突变进行微裂缝识别，可以提高微裂缝的检测能力。

3)采用波前时间和振幅的差值作为判据，可以降低检测的难度，并保证检测的准确度和精度。

4)配置在车载移动平台上，联合红外、数字图像等技术快速检测工民建、桥梁、隧道等结构表观病害，空间分辨率、定位精度、检测效率都明显高于传统检测技术。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为本发明组成的架构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为激光扫描区域和接收点布置示意图；

图5为超声波信号波形平铺示意图；

图6为激光超声检测隧道衬砌微裂缝示意图；

其中：1、激光激发器，2、光路控制模块，3、待检测混凝土，4、超声波接收模块，5、检测主机，6、车体，21、振镜，22、聚焦镜，23、导轨，41、探头，42、信号放大器，43、示波器，44、探头支座，61、车轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

针对传统压电式超声检测存在的超声波激发效率低、需结合耦合剂方可使用、为接触式检测等缺点，本申请提出了一种激光超声检测技术，利用光能、热能、机械能的转化，实现超声波的激发与接收，不仅具有可实现非接触式激发、多模式同时激发、频带宽等优点，还可以实现快速自动化检测，大幅提升了检测的精度和效率。本发明借鉴金属损伤探测领域的激光超声检测技术理念，将激光超声检测技术应用于混凝土微裂缝的检测中，由于金属为各向同性、均质材料，超声波检测信号干扰源极少，而混凝土为各向异性、非均质材料，超声波信号存在众多干扰，因此利用激光超声技术检测混凝土表面微裂缝需要进行创造性的发明劳动。

一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法，如图1所示，包括：

步骤S1：发射激光按照扫描路径扫描待检测混凝土；

步骤S2：接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号，其中，超声波信号的接收点位于扫描路径所在直线上；

步骤S3：基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并定位微裂缝，具体包括：

步骤S31：获取经过预处理的扫描路径上各入射点的超声波信号；

步骤S32：基于各入射点的超声波信号，获取其波前时间和振幅；

步骤S33：基于各超声波信号所对应的入射点位置，判断是否存在相邻入射点的波前时间差达到设定时间间隔，且振幅差达到设定阈值，若为是，则判断存在微裂缝，且定位微裂缝的位置为此两个入射点处。其中，优选的，设定时间间隔为10微秒，设定阈值为1厘米，并支持参数化配置。

为了实现上述方法，本申请提供一种检测装置，如图2和图3所示，包括：

激光激发器1，用于激发激光点源以发射激光，其中，激光激发器1采用能量较大的固体脉冲激光发射器，能量可以利用旋钮进行调节，满足不同情形下的需求，并在点源处配置水循环散热装置；

光路控制模块2，位于激光激发器1和待检测混凝土3之间，用于将激光激发器1发射的激光聚焦并改变光路至待检测混凝土3上的入射点阵列，其中，激光发射器1放置在距离光路控制系统2不小于0.5m处，防止激光器能量过大对定位精度产生影响；

超声波接收模块4，连接至待检测混凝土3，用于接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号；

检测主机5，即计算机，与超声波接收模块4连接，用于基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并定位微裂缝。

光路控制模块2包括振镜21、聚焦镜22，以及用于调整振镜21和聚焦镜22的导轨23，振镜21、聚焦镜22通过支架滑动连接于导轨23上，激光发射器1、振镜21和聚焦镜22、扫描区域需处在同一水平高度，以保证激光准确入射到扫描点阵列上。传播路径可以实现自动化控制，激光激发器1发射出的激光比较发散，而且难以控制路径，直接入射混凝土表面难以达到试验预期的效果，需要对光路进行调整，包括改变光路、聚焦。将振镜和聚焦镜连接在导轨上，用电脑编程控制，可按照指令自动移动，移动速度和间距都可任意调节。

聚焦镜22与待检混凝土3表面平行且距离为200mm，使激光垂直入射混凝土表面并使混凝土处在聚焦镜最佳焦距内。

振镜21和聚焦镜22通过移动平台安装在导轨23上，通过检测主机5控制平台沿着导轨23移动和振镜21转动来调整激光的传播路径，实现依次自动化扫描预定的扫描区域内的入射点阵列。

超声波接收模块4包括依次连接的探头41、信号放大器42和示波器43，示波器43与检测主机5连接。其中，探头41是中心频率500kHz的表面波探头，混凝土的物理力学性质较适合使用较低频率的探头，且低频率信号在传播过程中衰减较少。

本申请检测装置可以用于隧道衬砌微裂缝的检测，为了便于检测，提供一种含有的检测装置的检测车，如图6所示，包括检测装置以及用于装载并移动检测装置的车体6，车体6底部设有车轮61，其中，车轮61可以是和隧道中的轨道配合，这种可以在轨道上移动。

上述检测装置使用时，具体步骤如下：

1)在场外制作好试验的混凝土试件，尺寸为40cm*40cm*15cm，用特定尺寸的铁片在40cm*40cm的表面预制宽度为0.1mm的裂缝，在混凝土表面布置一排包含裂缝在内的等距点，一共15个点，每两点相距1cm，固定表面波探头位置，最右侧的点距离表面波探头位置4cm，试件及激发和接收点的布置如图4所示。

将混凝土试件的边缘点设定为全局坐标系的原点，从而计算15个测点和接收点的坐标。

2)按照顺序安装好试验仪器和装置，首先固定混凝土试件和导轨的位置，保持导轨和混凝土试件处于平行的位置，距离20cm左右，再将振镜和聚焦镜安装在导轨上，确认其可以沿着导轨自由滑动，并将聚焦镜位置对准混凝土试件上的激光扫描区域，待连接计算机后再对其位置进行精确调整，然后将激光发射器放在导轨的一端，保证激光入射路径与导轨平行，并连接好电源和水循环散热装置，防止因温度过高损坏电源，然后固定表面波探头位置，将表面波探头安装在支架上并固定在混凝土试件的预定接收位置，在混凝土试件与探头之间涂上一层耦合剂，以消除他们之间的空气影响，然后依次连接信号放大器、示波器、电脑。

3)通过计算机设定待检测混凝土结构表面的扫描区域，包括扫描区域的长、宽尺寸及激光点源的间距；扫描对象可以为工业民用建筑中的墙、柱、梁，也可以为交通桥隧工程中的混凝土结构等；

4)控制激光激发系统发射激光，按照步骤1)设定的路径和尺寸要求扫描待检测区域，在扫描区域内划定扫描点阵列，在距离点阵列一定距离处设置超声波接收点，将扫描区域边缘点坐标定义为全局坐标系的原点，在计算机内计算得到点阵列中每个扫描点的坐标以及接收点的坐标，单位精确到cm；

5)打开激光激发器电源，使激光依次扫描划定的扫描区域内的扫描点；

6)通过计算机连接激光激发装置和光路控制装置，自动调整光路控制装置的位置，保证激光传播路径在经过聚焦镜后垂直入射混凝土表面并对准划定的扫描区域；

7)在距离扫描区域一定距离处设置超声波信号接收点，将超声波接收装置固定在支座上，并对准混凝土试件上的预设接收点，然后连接信号放大器、示波器或数据采集卡以及计算机；

8)计算机依次记录、存储每个坐标点下探头接收到的超声波信号，然后对信号进行降噪、滤波等处理，根据信号波形自动调取小波变换、带通滤波等算法，剔除异常干扰源，减少信号噪声，把超声波信号转换为可以识别分析的超声波信号波形图；

9)计算机自动分析扫描区域内超声波信号波形图的规律，根据超声波信号的振幅、时间，从第一个点开始，逐点、两两对比，分析波前到达时间、振幅的差异，如果相邻两个测点波形信号波前时间差达到10μs，振幅差达到1cm，则判定该两点之间存在微裂缝，根据两点的坐标即可判断微裂缝存在的位置，精度为1cm。

即控制振镜21和聚焦镜22沿着导轨23移动，控制激光的传播路径和入射点，使激光依次在混凝土试件的一维点阵列上打点，激光在混凝土表面激发超声波，根据表面探头接收到的信号经过放大器和示波器传输至电脑中，记录下15个点的超声波信号，经过分析处理后得到的信号波形如图5所示，可以发现1～11号扫描点的信号明显，波形图振幅较大，12～15号扫描点信号平稳，波形图振幅很小，两者之间波形差异很大，因此根据试验结果可以判断微裂缝位置，微裂缝位于11号点和12号点之间，由于两点间隔1cm，因此裂缝定位精度在1cm以内，然后根据11号点和12号点的全局坐标即可计算裂缝在全局坐标系下的精确坐标，从而定位微裂缝位置。

Claims (5)

1.一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：发射激光按照扫描路径扫描待检测混凝土，

步骤S2：接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号，

步骤S3：基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否产生微裂缝并定位微裂缝；

所述步骤S3具体包括：

步骤S31：获取经过预处理的扫描路径上各入射点的超声波信号，

步骤S32：基于各入射点的超声波信号，获取其波前时间和振幅，

步骤S33：基于各超声波信号所对应的入射点位置，判断是否存在相邻入射点的波前时间差达到设定时间间隔，且振幅差达到设定阈值，若为是，则判断存在微裂缝，且定位微裂缝的位置为此两个入射点之间；

所述设定时间间隔为10微秒，并支持参数化配置；

所述设定阈值为1厘米，并支持参数化配置；

所述步骤S2中，超声波信号的接收点位于扫描路径所在直线上。

2.一种实现权利要求1所述的方法的检测装置，其特征在于，包括：

激光激发器（1），用于激发激光点源以发射激光；

光路控制模块（2），位于激光激发器（1）和待检测混凝土（3）之间，用于将激光激发器（1）发射的激光聚焦并改变光路至待检测混凝土（3）表面，形成入射点阵列；

超声波接收模块（4），连接至待检测混凝土（3），用于接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号；

检测主机（5），即计算机，与超声波接收模块（4）连接，用于基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并定位微裂缝，计算机自动分析扫描区域内超声波信号波形图的规律，根据超声波信号的振幅、时间，从第一个点开始，逐点、两两对比，分析波前到达时间、振幅的差异，如果相邻两个测点波形信号波前时间差达到10μs，振幅差达到1cm，则判定该两点之间存在微裂缝，根据两点的坐标即可判断微裂缝存在的位置，精度为1cm。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述光路控制模块（2）包括振镜（21）、聚焦镜（22），以及用于调整所述振镜（21）和聚焦镜（22）的导轨（23），所述振镜（21）、聚焦镜（22）通过支架滑动连接于所述导轨（23）上。

4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述超声波接收模块（4）包括依次连接的探头（41）、信号放大器（42）和示波器（43），所述示波器（43）与检测主机（5）连接。

5.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述激光激发器（1）为高能量固体脉冲激光发射器。

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