CN110988143A - 一种隧道混凝土管片缺陷检测方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道混凝土管片缺陷检测方法及设备，涉及隧道混凝土管片缺陷检测领域，包括以下步骤：(1)确定探测区域，并对探测区域进行网格划分；(2)确定所有扫描点位；(3)采集数据信号；(4)对数据信号进行数据处理，并分析各扫描点位是否具有缺陷；所述采集数据信号的方法具体包括，将数据采集装置放置在探测区域表面；数据采集装置的每列探头依次发射脉冲信号；其余列探头接收回波信号；其中，所述数据采集装置的探头大于两列，每列探头的个数大于等于两个，提高了混凝土超声无损检测时声速标定的准确性，提高了信噪比，大大降低了时域回波信号分析的困难。

Description

一种隧道混凝土管片缺陷检测方法及设备
技术领域
本发明涉及隧道混凝土管片缺陷检测领域，尤其涉及一种隧道混凝土管片缺陷检测方法及设备。
背景技术
随着我国经济持续稳定向前发展，国家对基础设施建设力度日渐加强，高速(客运专线)/重载铁路和高速公路分别是铁路、公路陆路交通发展的主方向，新建铁路、公路隧道的等级、规模、数量逐年递增。在隧道工程中，混凝土是建筑物主要的结构材料之一，混凝土是一种多相复合体系，各相随机地交织在一起，形成极为复杂的内部结构，混凝土的损坏是不可避免的，包括物理过程，如冻融循环、火、水的侵蚀以及化学过程，如碳化、钢筋锈蚀等，在混凝土内部出现蜂窝或空洞等缺陷，降低混凝土构件的承载能力，导致隧道结构安全问题。因此对于混凝土的无损检测尤为关键。目前应用于混凝土无损检测的方法主要有超声波法、电磁法、红外等。由于超声波对混凝土的穿透能力强，且探测精度高，因此广泛应用于混凝土内部缺陷检测。
目前传统超声波无损检测技术主要是利用单对独立探头来发射和接收超声波信号，通过分析时域回波信号，利用波形异常来判断是否存在内部缺陷。在实际应用中存在几方面的问题：1.单对探头自激发自接收模式在实际检测中很难采集足够多道数据，信号叠加度不够，信噪比低，且非常耗时，检测效率低下；2.单探头在多个不同位置进行自激发自接收，随机误差率较高，会对探测声信号的一致性造成影响，降低成像精度；3.传统超声波检测技术未专门针对混凝土材料高各向异性以及强衰减作用，对回波信号进行优化处理，导致信号干扰严重、聚焦散乱，分辨率低下不能满足当今混凝土构件无损检测精度需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提高混凝土超声无损检测时声速标定的准确性，提高信噪比，降低时域回波信号分析的困难，以达到提高探测效率，提升缺陷判断的准确率的目的。
本发明提供的一种隧道混凝土管片缺陷检测方法，包括以下步骤，
(1)确定探测区域，并对探测区域进行网格划分，通常情况下单元格尺寸为5cm*5cm；
(2)确定所有扫描点位；
(3)采集数据信号，沿着第一条水平网格线从左至右逐格移动，依次在每个点位上进行扫描，重复该过程，直至区域内所有点位扫描完毕；
(4)对数据信号进行数据处理，并分析各扫描点位是否具有缺陷；
所述采集数据信号的方法具体包括，
将数据采集装置放置在探测区域表面；
数据采集装置的每列探头依次发射脉冲信号；
其余列探头接收回波信号；
其中，所述数据采集装置的探头大于两列，每列探头的个数大于等于两个。
更进一步的，还包括对有缺陷的点位进行标记。
更进一步的，所述数据处理的方法具体包括瞬时幅值提取、散射角衰减控制和时间增益补偿，以显著提升信号的精度。
更进一步的，所述瞬时幅值提取具体为，将希尔伯特变换应用于成像算法中。
更进一步的，所述时间增益补偿具体为，在回波信号中引入e指数形式的信号放大系数。
更进一步的，分析各扫描点位是否具有缺陷的方法具体包括，
计算各扫描点位的理论峰值；
将各扫描点位测出的特征峰值频率值与理论峰值进行比较；
若特征峰值频率值有明显变化则该探测区域具有缺陷，否则则没有。
更进一步的，通过对混凝土内部声速进行标定，计算各扫描点位的理论峰值，具体包括，
分别记录回波信号到达各接收探头的时间；
获取接收探头之间的距离；
根据回波信号到达各接收探头的时间和接收探头之间的距离，标定各扫描点位的内部声速。
更进一步的，所述数据采集装置为阵列式超声波探头，由4x4个接触耦合式超声波探头组成，且每列探头独立作为发射探头，其余列均为接收探头。
本申请还提出了一种隧道混凝土管片缺陷检测设备，包括数据采集装置，所述数据采集装置为阵列式超声波探头，所述探头大于等于两列，每列探头的数目大于等于2。
更进一步的，所述数据采集装置的探头有4列，每列探头有4个，使得一轮发射可获取3道数据。
通过采用以上技术方案，本发明的有益效果是：利用多个超声探头阵列进行异位接收、得到多道数据的叠加，并针对混凝土材料特性加入一系列数据优化处理手段，解决了传统混凝土超声无损检测中声速标定不够准确，信噪比低，时域回波信号分析困难的问题，提高了探测效率，提升了缺陷判断的准确率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明隧道混凝土管片缺陷检测方法的流程图；
图2为阵列式超声探头结构示意图；
图3为单道信号瞬时振幅提取的前后对比图；
图4为回波信号频谱图。
具体实施方式
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明的方法主要包括信号采集、信号优化处理以及缺陷定位三个阶段，具体步骤如图1所示，包括：
(1)在开始数据采集前首先确定探测区域，并根据探测水平分辨率需求在待测面上进行网格划分，通常情况下单元格尺寸为5cm*5cm；
(2)确定所有扫描点位。然后按照沿着第一条水平网格线从左至右逐格移动，依次在每个点位上进行扫描，重复该过程，直至区域内所有点位扫描完毕；
(3)采集信号；
(4)对采集的信号进行数据处理，并分析该探测区域是否具有缺陷。
其中，使用数据采集装置完成信号的采集，所述数据采集装置由异位接收超声波探头阵列构成，采用的是阵列式超声波异位接收探头，其数据采集端是由多个超声波探头构成的矩阵式信号发射接收装置。与传统超声波单对探头不同，本装置采用阵列式异位发射接收模式，即整列探头作为发射端发射信号，每列探头按次序轮流发射，其余列的探头均作为接收端来接收信号。由于发射列与接收列不是同一列探头，为一发射多接收模式，因而一次发射即可产生多道偏移数据，其具体结构如图2所示：阵列式由4x4个接触耦合式超声波探头组成，各探头之间的距离为1cm，每列探头轮流作为发射端，发射超声脉冲数字信号，其余列均为接收端，独立接收回波信号，一轮发射可获取3道数据。因此，能够大大压制噪声，提高信噪比，并且在探测的同时即可自动完成点位下方内部声速标定，较传统方式效率大大提高。
其信号参数如下表所示：
参数名称 数值
信号频率 50～150KHz
脉冲周期数 1～6
采样频率 30MHz～200MHz
探测深度 50～1500mm
探测精度 10mm
在数据处理方面，本发明专门针对了混凝土材料的特殊性，如高各向异性、强衰减等加入了瞬时幅值提取、散射角衰减控制、时间增益补偿等相应的信号优化模块，使得能显著提升信号精度。
通常，混凝土内部缺陷会引起周边区域声阻抗的变化，从而产生反射回波，这一变化体现在信号波形上就是瞬时振幅的改变，因而只要找到回波信号振幅变化点就可以计算出信号到达的准确时间。
但是探头接收到的原始信号中不仅包含了振幅信息，同时也带有相位信息，这会对信号准确到达时间判定造成一定程度的影响，因此相对于包含相位信息的全波形来说，瞬时振幅响应信号能够更简洁，更直接的反映出信号能量的变化，对于提高成像精度是非常有利的。在本发明中，通过将希尔伯特变换应用于成像算法中得到瞬时振幅响应信号；
则第(e,r)道信号的瞬时振幅时间序列为：
Figure BDA0002341141560000061
则基于瞬时振幅信号的时间平移因子tSHIFT,Hib的表达式为：
Figure BDA0002341141560000062
其中
Figure BDA0002341141560000063
为第(e,r)道信号最大振幅出现的时刻。
瞬时振幅响应信号如图3所示，左图为单道原始信号波形，右图为瞬时振幅提取后的幅值信号波形图。
由于超声波在混凝土介质中传播，晶粒散射和介质吸收等原因，会出现能量逐渐衰减的现象，能量衰减会使得回波信号的幅度呈指数衰减。同样，相同反射系数的声反射界面，由于深度的不同，换能器阵列接收到的回波信号将不同，于是也就不能真实地反映所检测样本的质量情况。为了解决这一问题，我们通过信号处理的方式，对信号进行后期处理，引入e指数形式的信号放大系数，以补偿在介质内部传播过程中的信号能量衰减，由此极大地增强了整个被测样本体积中深层缺陷检测和显示的性能。
本发明还提出对具有缺陷的扫描点位进行标记，其方法具体为，将阵列式超声探头置于管片上表面，信号发射探头将宽频超声波脉冲发射到混凝土管片内部，超声波在传播过程中由于界面存在，会在管片下底面发生反射，回波信号会被阵列式探头中的接收探头采集并记录下来。对于超声波来说，混凝土管片上下表面均存在较大声阻抗，大部分声场能量会被限制在管片内部，当输入声场频带较宽时，受边界共振效应的影响，其中某一频率成分的振动能量的衰减会远小于其他频率，则会使得回波信号的频谱曲线存在明显的特征峰值频率，如图4所示。理论分析可知，当某一频率组分对应的波长等于管片厚度的2倍时，该频率会在频谱曲线中形成峰值，则理论特征峰值频率f与管片厚度H,管片混凝土内部声速V存在如下线性关系：
f＝H/2V
对于内部结构均匀无缺陷的管片，该特征峰值频率会比较稳定(具体数值需在检测前进行现场标定)。当管片内部存在空洞、脱层、裂缝及包含其他块状杂质区时，会导致该区域声场共振发生改变，进而使得特征峰值频率数值发生明显的变化，因此，利用这一特性将各测点测出的特征峰值频率值与理论峰值进行比较，即可快速准确地判断该测点下方是否存在异常。
由于理论峰值频率与管片内部混凝土声速直接相关，因此在缺陷检测前首选需要确定检测目标的内部声速，将发射探头与至少两个接收探头放置在目标体表面，发射探头激发尖峰脉冲，分别记录脉冲到达各接收探头的时间，假定到达时间分别为T0,T1。两个接收探头之间的距离为Δs，则内部声速为：
V＝Δs/(T1-T0)
常规超声波探头标定声速需要在测试之前单独进行，而由于本发明中的阵列式探头本身就是由一列发射探头与三列接收探头共同构成，且探头之间的距离固定，因此，利用缺陷探测数据中三列探头直达波到达的时间，即可快速标定每个测试点位的内部声速，能同时计算出3个速度取平均值，降低系统误差，提高声速标定精度：
Figure BDA0002341141560000081
本发明提供了一种隧道混凝土管片缺陷检测的新型阵列式超声频谱法，并在新算法的基础上增加了针对混凝土材料特殊性的数据优化处理模块，提高了信号信噪比,可精确获得缺陷水平位置信息，满足了工程混凝土构件无损检测的精度要求。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)确定探测区域，并对探测区域进行网格划分；
(2)确定所有扫描点位；
(3)采集数据信号；
(4)对数据信号进行数据处理，并分析各扫描点位是否具有缺陷；
所述采集数据信号的方法具体包括，
将数据采集装置放置在探测区域表面；
数据采集装置的每列探头依次发射脉冲信号；
其余列探头接收回波信号；
其中，所述数据采集装置的探头大于两列，每列探头的个数大于等于两个。
2.根据权利要求1所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：还包括对有缺陷的扫描点位进行标记。
3.根据权利要求1所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：所述数据处理的方法具体包括瞬时幅值提取、散射角衰减控制和时间增益补偿。
4.根据权利要求3所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：所述瞬时幅值提取具体为，将希尔伯特变换应用于成像算法中。
5.根据权利要求3所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：所述时间增益补偿具体为，在回波信号中引入e指数形式的信号放大系数。
6.根据权利要求1所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：分析各扫描点位是否具有缺陷的方法具体包括，
计算各扫描点位的理论峰值；
将各扫描点位测出的特征峰值频率值与理论峰值进行比较；
若特征峰值频率值与理论峰值相比，具有明显变化则该探测区域具有缺陷，否则则没有。
7.根据权利要求6所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：通过对混凝土内部声速进行标定，计算各扫描点位的理论峰值，具体包括，
分别记录回波信号到达各接收探头的时间；
获取接收探头之间的距离；
根据回波信号到达各接收探头的时间和接收探头之间的距离，标定各扫描点位的内部声速。
8.根据权利要求1所述的隧道混凝土管片缺陷检测方法，其特征在于：所述数据采集装置为阵列式超声波探头，由4x4个接触耦合式超声波探头组成，且每列探头独立作为发射探头，其余列均为接收探头。
9.一种隧道混凝土管片缺陷检测设备，包括数据采集装置，其特征在于：所述数据采集装置为阵列式超声波探头，所述探头大于等于两列，每列探头的数目大于等于2。
10.根据权利要求9所述的隧道混凝土管片缺陷检测设备，其特征在于：所述数据采集装置的探头有4列，每列探头有4个。
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