CN110133105A - 一种水浸混凝土强度的非接触式无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水浸混凝土强度的非接触式无损检测方法，属于无损检测技术领域。本发明针对水利、海洋、桥梁工程中广泛存在的水浸混凝土结构，通过压电陶瓷探头，利用水耦作用，在水下通过发射接收模式，在混凝土工件表面激励瑞利波；通过希尔伯特变换，提取响应信号的波速和首波波峰；通过K‑means聚类算法，利用实验室测量的训练集样本，训练分类器；将水下实测的波速和波峰输入分类器，智能识别被检混凝土工件的强度。本发明为水下混凝土结构的无损检测和在线监测提供了新方法，为水下混凝土结构的安全评估提供依据，对保障重大基础设施的结构安全具有重要作用。

Description

一种水浸混凝土强度的非接触式无损检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种混凝土强度的水下无损检测方法。
背景技术
《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL228-2013)中规定“面板混凝土强度等级不应低于C25”。《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)中规定“坝体最大主压应力，不应大于混凝土的允许压应力值”。可见，混凝土强度是反应混凝土材料性能的重要指标，是评价混凝土结构安全与否的重要依据。
在水利、海洋、桥梁工程中，存在大量浸没于水下的混凝土结构，由于受到水体淘刷、腐蚀等作用，水下混凝土的强度发生衰减，甚至低于设计和规范要求值，从而加剧了结构失效破坏的风险。现行水下混凝土结构的安全评估多依靠机器人、载人潜水器或潜水员进行目视检查，尚不能获得混凝土的材料参数。为此，十分需要开发一种水下无损检测方法，在不破坏原有结构完整性的前提下，定期检测水下混凝土的强度，保障工程结构的可靠运行，避免突发结构失效导致的灾难性后果。
然而，由于被测结构浸没于水中，以回弹法为代表的诸多水上检测方法不再适用。同时，由于水浸混凝土的孔隙水饱和度高，在将检测参数换算为混凝土强度时，需要开发专门的换算准则。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种水浸混凝土强度的非接触式无损检测方法和一种基于K-means聚类算法的混凝土强度智能识别方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术手段：
一种水浸混凝土强度的非接触式无损检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、通过压电陶瓷探头作为换能器探头，利用水耦作用，在水下通过发射接收模式，在混凝土工件表面激励瑞利波；
步骤(2)、通过希尔伯特变换，提取响应信号的波速和首波波峰；
步骤(3)、通过K-means聚类算法，利用实验室测量的训练集样本，训练分类器；
步骤(4)、将水下实测的波速和波峰输入分类器，智能识别被检混凝土工件的强度。
进一步的，本发明的检测方法，步骤(1)还包括确立换能器入射倾角，减少混凝土中剪切波的发生：
根据斯内尔定理选取临界角θcr：
其中c1为纵波在水中的速度，c2L为纵波在混凝土中的波速。
进一步的，本发明所提出的检测方法，其特征在于，
步骤(1)中，包括确立激励信号的时域波形，具体为：
根据共振频率选取激励信号的中心频率，最大化瑞利波在混凝土工件表面的入射和传播，在混凝土工件表面布置两个换能器，通过发射接收模式，测试结构的共振频率；首先将线性正弦扫频输入激励换能器：
其中φ0为初始相位，f0为初始频率，f1为截止频率，t0为初始时刻，t1为截止时刻；
对接收换能器获得的波形做FFT，获得响应信号的频谱；
选取最大波峰对应的频率fc作为中心频率，通过汉宁窗调制5周期的正弦函数，形成激励信号：
核算激励波的波长是否小于被测工件厚度的1/20，保证在混凝土内激励出瑞利波。
进一步的，本发明所提出的检测方法，步骤2)中，测试瑞利波的波速和最大幅值，具体为：
设置两个换能器的间距为L，将激励信号输入，通过水耦合换能器与混凝土工件，在混凝土结构表面激励波形大致相同的瑞利波；同样的，通过水耦作用在接收换能器获得响应信号；
对激励信号、响应信号分别进行希尔伯特变换，获得信号包络线：
计激励信号波峰与首波波峰的时间差为Δt，则波速为：
更改换能器间距、换能器距混凝土工件的距离、激励的电压、测线的位置参数，反复测量瑞利波的波速和幅值，将波速和波峰的平均值记为本次检测值。
进一步的，本发明所提出的检测方法，步骤(3)中，是在实验室环境下，采用检测系统训练分类器测试不同强度的混凝土工件在水浸条件下瑞利波的波速和幅值，将测得的一系列波速和幅值绘制成散点图。
进一步的，本发明所提出的检测方法，所述检测系统包括：计算机、信号发生器、功率放大器、电荷放大器、数字滤波器、数字示波器，其中由计算机生成数字波形，通过信号发生器转化为调制电信号，经功率放大器放大电信号电压，由激励换能器将电信号转化为混凝土工件表面的瑞利波，通过接收换能器将瑞利波再次转换回电信号，电荷放大器放大电信号电压，数字滤波器将调制电信号转为数字信号并滤除噪声，最终由数字示波器存储电信号电压。
本发明采用以上技术方案，对比已有技术具有以下技术效果：
本发明为水下混凝土结构的无损检测和在线监测提供了新方法，为水下混凝土结构的安全评估提供依据，对保障重大基础设施的结构安全具有重要作用，具有实际的应用价值。
附图说明
图1是本发明的系统连接图。
图2是检测信号频率谱示意图。
图3是混凝土中的超声波信号示意图。
图4是基于K-means算法的分类过程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明的方法步骤如下：
步骤1)：确立换能器入射倾角
为减小倾斜入射的纵波在混凝土内由于模态转换而引起剪切波，根据斯内尔定理选取临界角θcr：
其中c1为纵波在水中的速度，建议值1480m/s；c2L为纵波在混凝土中的波速，建议根据表1取值。通过此步骤可以减少混凝土中剪切波的发生，简化接收信号的波形。
表1混凝土强度等级与瑞利波波速换算表
原混凝土强度等级 纵波建议值(m/s)
C15 2900
C20 3200
C25 3500
C30 3800
C40 4100
步骤2)：检测系统布置
采用压电陶瓷制作水耦换能器探头，检测系统包括：计算机、安捷伦33250 A信号发生器、Pintek HA-405功率放大器、东华DH-5863电荷放大器、Krohn-Hite 3384数字滤波器、安捷伦DSO7034B数字示波器。系统连接如图1所示。
步骤3)：确立激励信号的时域波形
由于混凝土工件的几何尺寸、内部构造、边界条件不同，对不同频率激励的响应不同，存在共振现象。为此，需要根据共振频率选取激励信号的中心频率，最大化瑞利波在混凝土工件表面的入射和传播。本发明在混凝土工件表面布置两个换能器，通过发射接收模式，测试结构的共振频率。首先将线性正弦扫频输入激励换能器：
其中
φ0为初始相位，取0；f0为初始频率，取10kHz；f1为截止频率，取250kHz；t0为初始时刻，取0s；t1为截止时刻，取0.1s。
对接收换能器获得的波形做FFT，获得响应信号的频谱如图2所示。
选取最大波峰对应的频率作为中心频率，通过汉宁窗调制5周期的正弦函数，形成激励信号：
同时，为保证在混凝土内激励出瑞利波，需核算激励波的波长是否远小于被测工件的厚度(小于工件厚度的1/20)。
步骤3)：测试瑞利波的波速和最大幅值
设置两个换能器的间距为L，将激励信号输入，通过水耦合换能器与混凝土工件，在混凝土结构表面激励波形大致相同的瑞利波；同样的，通过水耦作用在接收换能器获得响应信号，如图3所示。
对激励信号响应信号分别进行希尔伯特变换，获得信号包络线：
计激励信号波峰与首波波峰的时间差为Δt，则波速为
更改换能器间距、换能器距混凝土工件的距离、激励的电压、测线的位置等参数，并根据上述方法，反复测量瑞利波的波速和幅值，将波速和波峰的平均值记为本次检测值。
步骤4)：基于K-means聚类算法的分类器实现
在实验室环境下，通过图1中的检测系统，测试不同强度的混凝土工件在水浸条件下瑞利波的波速和幅值，将测得的一系列波速和幅值绘制成散点图。
以两种不同强度等级的混凝土为例，检测获得的波速、幅值散点图如图4中的(a)所示，其中横轴代表首波波峰，纵轴代表波速。
随机选择平面上的两个点代表两类混凝土的质心，如图4中的(b)中的叉号和十字。
分别计算样本中所有点到这两个质心的距离，将距离质心距离最小的样本标记为该质心所对应的分类，如图4中的(c)中的菱形样本被分为了圆形和三角形。
对当前标记为圆形和三角形的样本分别求解新的质心，如图4中的(d)所示，圆形样本的质心(叉号)和三角形样本的质心(十字)位置已经发生了变动。
通过重复上述迭代过程，质心的位置和分类结果发生了变化，如图4中的(e)所示，并最终得到样本的分类如图4中的(f)所示。
步骤5)：基于分类器的混凝土强度识别
将步骤3中的检测值输入经步骤4训练完成的分类器中，输出混凝土强度的识别结果。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水浸混凝土强度的非接触式无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、通过压电陶瓷探头作为换能器探头，利用水耦作用，在水下通过发射接收模式，在混凝土工件表面激励瑞利波；
步骤(2)、通过希尔伯特变换，提取响应信号的波速和首波波峰；
步骤(3)、通过K-means聚类算法，利用实验室测量的训练集样本，训练分类器；
步骤(4)、将水下实测的波速和波峰输入分类器，智能识别被检混凝土工件的强度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，
步骤(1)还包括确立换能器入射倾角，减少混凝土中剪切波的发生：
根据斯内尔定理选取临界角θcr：
其中c1为纵波在水中的速度，c2L为纵波在混凝土中的波速。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，
步骤(1)中，包括确立激励信号的时域波形，具体为：
根据共振频率选取激励信号的中心频率，最大化瑞利波在混凝土工件表面的入射和传播，在混凝土工件表面布置两个换能器，通过发射接收模式，测试结构的共振频率；首先将线性正弦扫频输入激励换能器：
其中φ0为初始相位，f0为初始频率，f1为截止频率，t0为初始时刻，t1为截止时刻；
对接收换能器获得的波形做FFT，获得响应信号的频谱；
选取最大波峰对应的频率fc作为中心频率，通过汉宁窗调制5周期的正弦函数，形成激励信号：
核算激励波的波长是否小于被测工件厚度的1/20，保证在混凝土内激励出瑞利波。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，
步骤2)中，测试瑞利波的波速和最大幅值，具体为：
设置两个换能器的间距为L，将激励信号输入，通过水耦合换能器与混凝土工件，在混凝土结构表面激励波形大致相同的瑞利波；同样的，通过水耦作用在接收换能器获得响应信号；
对激励信号、响应信号分别进行希尔伯特变换，获得信号包络线：
计激励信号波峰与首波波峰的时间差为Δt，则波速为：
更改换能器间距、换能器距混凝土工件的距离、激励的电压、测线的位置参数，反复测量瑞利波的波速和幅值，将波速和波峰的平均值记为本次检测值。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，
步骤(3)中，是在实验室环境下，采用检测系统训练分类器测试不同强度的混凝土工件在水浸条件下瑞利波的波速和幅值，将测得的一系列波速和幅值绘制成散点图。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述检测系统包括：计算机、信号发生器、功率放大器、电荷放大器、数字滤波器、数字示波器，其中由计算机生成数字波形，通过信号发生器转化为调制电信号，经功率放大器放大电信号电压，由激励换能器将电信号转化为混凝土工件表面的瑞利波，通过接收换能器将瑞利波再次转换回电信号，电荷放大器放大电信号电压，数字滤波器将调制电信号转为数字信号并滤除噪声，最终由数字示波器存储电信号电压。
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