CN111089899A - 一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，包括脉冲信号发生接收器、机械平台、控制系统；所述机械平台上具有用于沿外墙滚动的轱辘，机械平台上固定设置空气耦合激发换能器和空气耦合接收换能器，所述空气耦合激发换能器和空气耦合接收换能器可相对于机械平台转动，调整各自指向，从而改变两者与被检对象之间的夹角θ；所述控制系统分别与脉冲信号发生接收器、空气耦合激发换能器、空气耦合接收换能器电连接。本发明巧妙设计了手持式的机械平台，检测缺陷深度范围更广，能够检测饰面层到基体之间任何位置处的缺陷，检测灵敏度高，缺陷识别率高。

Description

一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统及方法，属于既有建筑物外墙外保温系统检测技术领域。
背景技术
目前既有建筑外墙外保温系统检测与评估技术尚不成熟，无法满足实际工程现场检测的需求。现场检测主要依据《建筑围护结构节能现场检测技术规程》(DG/TJ 08-2038-2008)对外墙外保温系统的性能进行检测，包括红外热成像法测量热工缺陷、钻心取样法测试保温层厚度等。工程现场对于外墙外保温系统内部的质量检测，多采用红外热成像法和敲击法。红外热成像法只适用于外保温系统饰面层与保温层之间大尺寸缺陷的定性检测，无法定量检测保温层与基体之间的异常；敲击法的打击力度和判断准则均未有定量化的标准，全凭检测人员的经验，检测结果受检测人员主观因素影响较大。传统的接触式超声检测装置需要在换能器与被检测对象之间添加耦合剂，检测效率低，且存在检测盲区，只能应用于保温层与墙体基层之间缺陷的检测，无法检测外保温系统中饰面层与保温层之间缺陷。
非接触式空气耦合超声检测装置不需要添加耦合剂，且不存在检测盲区，但是市场上常用的空气耦合超声换能器是基于压电陶瓷材料制作而成，中心频率通常在100kHz以上，主要应用于单层的金属结构或复合材料质量检测。由于高频超声波在外墙外保温系统这类多层结构中衰减严重，工业上的空气耦合超声检测方法无法直接应用于外保温系统无损检测。因此，目前尚缺乏成熟的外墙外保温系统超声检测方法。
发明内容
本发明旨在提出一种非接触式、检测速度快、识别分辨率高的超声检测系统和方法，空气耦合激发换能器和空气耦合接收换能器与外保温系统之间实现可变夹角，利用空气耦合激发换能器和脉冲信号发射接收器在外保温系统中激发Lamb波；当Lamb波在外保温系统中传播时，将向周围空气中产生漏Lamb波，采用空气耦合接收换能器和信号采集系统对漏Lamb 波信号进行采集，基于信号处理系统，采用动态滤波技术、Hilbert变换、时频分析等信号处理技术对Lamb波信号的波形幅值、传播速度、频率分布等特征进行分析，确定外保温系统是否存在缺陷及其大小，对外保温系统的质量进行安全性评估。
本发明采取以下技术方案：
一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，包括脉冲信号发生接收器1、机械平台6、控制系统；所述机械平台6上具有用于沿外墙滚动的轱辘10，机械平台6上固定设置空气耦合激发换能器2和空气耦合接收换能器5，所述空气耦合激发换能器2和空气耦合接收换能器5可相对于机械平台6转动，调整各自指向，从而改变两者与被检对象之间的夹角θ；所述控制系统分别与脉冲信号发生接收器1、空气耦合激发换能器2、空气耦合接收换能器5电连接。
优选的，还包括信号放大器7、数据采集与处理系统8，所述控制系统采用便携式计算机9，所述空气耦合接收换能器5、信号放大器7、数据采集与处理系统8、便携式计算机9、脉冲信号发生接收器1依次电连接。
优选的，所述脉冲信号发生接收器1、空气耦合激发换能器2、信号放大器7、空气耦合接收换能器5、信号采集与处理系统8通过数据线与便携式计算机9连接。
优选的，空气耦合激发换能器2和空气耦合接收换能器5的材料是一种具有低声阻抗率和强压电活性的新型力电转换材料，低频情形下 (20kHz-100kHz)可以做到小尺寸(直径范围为25mm-55mm)。
优选的，数据采集与处理系统8具有实时显示、存储原始波形和信号后处理结果的功能。
优选的，所述机械平台6包括横向支架12，横向支架12上设有一对可期平移的双轴位移平台14，所述双轴位移平台14上设有一旋转平台13，空气耦合激发换能器2和空气耦合接收换能器5与各自旋转平台13固定连接，并可随旋转平台13转动，调整两者指向和两者与被检对象之间的夹角θ。
进一步的，横向支架12上固定设有把手16，用于手持式操作。
一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测方法，采用权上述任意一项所述既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，
S1：在既有建筑外墙外保温系统布置检测区域，清理检测区域表面，设定检测路径和区域，发射换能器对应的位置设置为坐标零点建立x-y坐标系；
S2：根据外墙外保温系统类型，确定各层介质厚度、密度和材料常数，通过固体力学理论和传输矩阵法计算Lamb波各模态在外保温系统中的频散曲线和波结构，选择对应频率的导波模态用于外保温系统质量检测，根据导波传播速度和Snell定律计算其入射角θ；
S3：选择空气耦合换能器的频率和脉冲信号发射接收器的发射电压，调整空气耦合超声激发和接收换能器的与被检对象之间角度均为θ，连接系统；
S4：开启脉冲信号发射接收器，通过空气耦合激发换能器在外保温系统中激发超声波，通过空气耦合接收换能器接收信号，保存至数据采集与处理系统进行显示；
S5：在检测区域中沿x方向移动机械平台，同时利用数据采集与处理系统采集时域信号，基于小波变换实时显示信号时间-频率图和时间-空间分布；
S6：在时间-空间分布图中观察检测区域是否存在缺陷，如若存在缺陷，在缺陷附近设定矩形检测区域，分别沿x、y方向移动机械平台进行C扫描，通过数据采集与处理系统存储不同位置处的时域信号；
S7：采用动态滤波对采集信号进行后处理，利用Hilbert变换提取不同位置处Lamb波信号的能量值，在控制系统上进行成像，定量表征缺陷在 x和y方向的位置和尺寸。
进一步的，步骤S2中：Rayleigh波可对饰面层与保温层之间的缺陷进行检测，A0模态Lamb波对整个外保温系统是缺陷进行检测。步骤S3中： Lamb波的频率和发射电压根据外墙外保温系统的类型和材料种类确定，空气耦合换能器的中心频率包括20kHz、50kHz、75kHz和100kHz，对应的直径分别为55.0mm、38.1mm、30.0mm和25.4mm，脉冲信号发生接收器的最大发射电压为380V；步骤S6中：当沿x方向的外保温系统扫描路径上存在空鼓、开裂、脱落等缺陷时，Lamb波的激发、传播和接收将发生改变，信号的能量值变小；通过在软件中设置信号能量阈值为正常信号能量值的90％，当信号能量值小于阈值时，说明该检测区域存在缺陷，检测装置将自动报警；步骤S7中：首先采用滤波技术消除环境噪声和杂波影响，提取Lamb 波能量值，建立扫描区域中不同位置(x,y)处的Lamb波能量矩阵，通过融合处理进行二维成像。
本发明的有益效果在于：
1)实现缺陷的定量判别；
2)巧妙设计了手持式的机械平台，机械平台上设置轱辘，可以沿墙面滚动，同时在机械平台上通过旋转平台带动空气耦合激发换能器和空气耦合接收换能器转动，并根据不同的待测墙面，调节两者与墙面法向之间的夹角θ；
3)检测缺陷深度范围更广，能够检测饰面层到基体之间任何位置处的缺陷，检测灵敏度高，缺陷识别率高；
4)采用动态滤波技术提取导波信号实现定量化检测，检测精度高；
5)采用非接触式检测，不存在检测盲区，操作方便灵活，检测效率高。
附图说明
图1是本发明既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统的示意图。
图2是机械平台结构示意图。
图3本发明的检测流程示意图。
图4是C扫描检测路径示意图。
图5是无机保温砂浆外保温系统的示意图。
图中，1-脉冲信号发生接收器、2-空气耦合激发换能器、3-外墙外保温系统、4-吸隔声材料、5-空气耦合接收换能器、6-机械平台、7-信号放大器、8-数据采集系统和、9-便携式计算机；10-轱辘，11.竖向支架、12. 横向支架，13.旋转平台，14.双轴位移平台，15.换能器固定支架，16.把手；17-饰面层、18-抗裂保护层、19-保温层、20-界面层、21-找平层、22-基层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
参见图2，机械平台6由轱辘10、竖向支架11、横向支架12、旋转平台13、双轴位移平台14、换能器固定支架15和把手16组成。通过移动双轴位移平台14可以沿水平方向和垂直方向分别调整换能器的位置，旋转平台13可以调整换能器相对于垂直方向的角度。机械平台6带有两个轱辘10，操作人员通过把手16可以对建筑物外墙进行大范围扫描。
参见图5，图5是无机保温砂浆外保温系统的示意图。图中,17为饰面层、18为抗裂保护层、19为保温层、20为界面层、21为找平层、22为基层。
本发明为外墙外保温系统粘结质量的安全性评估与整治提供技术支撑。该方法基于Lamb波在外保温系统这类多层结构中的传播理论设置检测参数。
具体检测时，结合图1-图4，包括以下步骤：
S1：在既有建筑外墙外保温系统布置检测区域，清理检测区域表面，设定检测路径和区域，发射换能器对应的位置设置为坐标零点建立x-y坐标系；
S2：根据图5所示无机保温砂浆外保温系统，确定外保温系统中各层介质厚度、密度和材料常数等参数，通过固体力学理论和传输矩阵法计算 Lamb波各模态在外保温系统中的群速度频散曲线，选择50kHz的A0模态用于外保温系统质量检测，利用导波的传播速度和snell定律计算A0模态与饰面层法向之间的夹角θ；
需要说明的是，θ确定的原理是已知的，其具体的确定过程，本领域技术人员按照上述方式即可实现，具体计算过程在此不进行赘述。
S3：选择空气耦合换能器的频率和脉冲信号发射接收器的发射电压，调整空气耦合超声激发和接收换能器与外保温系统中饰面层法向之间的角度均为θ，设置换能器之间水平距离为40～60mm，距离外保温系统垂直距离为4～6mm，信号放大器的增益为40～60dB，连接系统；
S4：开启脉冲信号发射接收器，向空气耦合激发换能器发射Hanning 窗调制的5周期正弦脉冲在外保温系统中激发超声波，通过空气耦合接收换能器接收信号，保存至数据采集与处理系统进行显示，注意微调换能器角度，确保接收信号的信噪比最高；
S5：在检测区域中沿x方向移动机械平台，同时利用数据采集与处理系统采集时域信号，基于小波变换实时显示信号时间-频率图和时间-空间分布，为了提高信号的信噪比，每个位置处的信号采用64次平均；
S6：在时间-空间分布图中观察检测区域是否存在缺陷，如若存在缺陷，在缺陷附近设定矩形检测区域，分别沿x、y方向移动机械平台，按图4所示路径进行C扫描，通过数据采集与处理系统存储不同位置处的时域信号；
S7：采用动态滤波技术对采集信号进行后处理，利用Hilbert变换提取不同位置处A0模态信号的能量值，在便携式电脑上基于C++语言的检测软件进行C成像，定量表征缺陷在x和y方向的位置和尺寸。
图5中无机保温砂浆外保温系统3由10-饰面层、11-抗裂保护层、12- 保温层、13-界面层、14-找平层、15-基层组成。
当A0模态Lamb波在无机保温砂浆外保温系统中的传播路径上不存在缺陷时，移动机械平台时，信号能量保持不变；当缺陷位于激发或者接收换能器处或者位于激发和接收换能器之间时，信号能量变小，缺陷尺寸越大，信号能量越小。
检测流程如图1和3所示。在检测过程中，首先根据多层结构中声传播理论和Snell定律，计算空气耦合超声在外保温系统中激发Lamb波的入射角θ，通过便携式计算机9发出控制命令给机械平台6调整空气耦合激发换能器2和接收换能器5与被检对象之间的角度均为θ，机械平台具有轱辘，可以手动沿着外保温系统饰面层移动进行扫描；然后调整脉冲信号发生接收器1的激发电压和频率，使得空气耦合激发换能器2在空气中产出超声脉冲，当脉冲信号传播至外保温系统表面时，一部分能量会透射至外保温系统内部，形成Lamb波；当Lamb波在外保温系统中传播时，由于其与空气之间存在阻抗差，一部分能量透射至周围空气中形成漏Lamb波，通过信号放大器7进行信号放大后，利用空气耦合激发换能器5将声压信号转化为电压信号，存储在数据采集与处理系统8中进行信号处理，由便携式计算机9中基于C++语言的系统软件完成对整个检测系统的控制和检测结果的实时显示，实现对外保温系统空鼓、开裂、脱落等缺陷的检测，并对比设计指标和安全性要求，完成外保温系统的安全性评估。
上述便携式计算机9中基于C++语言的检测软件主要功能包括超声信号多次平均采集、动态滤波技术、设定阈值自动读取超声波传播声时和能量、 Hilbert变换、时频分析、外保温系统缺陷信号判读与分析、C扫描成像等，可以对既有建筑外墙外保温系统缺陷进行定位检测，并对缺陷尺寸进行定量识别。

Claims (9)

1.一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：
包括脉冲信号发生接收器(1)、机械平台(6)、控制系统；
所述机械平台(6)上具有用于沿外墙滚动的轱辘(10)，机械平台(6)上固定设置空气耦合激发换能器(2)和空气耦合接收换能器(5)，所述空气耦合激发换能器(2)和空气耦合接收换能器(5)可相对于机械平台(6)转动，调整各自指向，从而改变两者与被检对象之间的夹角θ；
所述控制系统分别与脉冲信号发生接收器(1)、空气耦合激发换能器(2)、空气耦合接收换能器(5)电连接。
2.如权利要求1所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：还包括信号放大器(7)、数据采集与处理系统(8)，所述控制系统采用便携式计算机(9)，所述空气耦合接收换能器(5)、信号放大器(7)、数据采集与处理系统(8)、便携式计算机(9)、脉冲信号发生接收器(1)依次电连接。
3.如权利要求1所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：所述脉冲信号发生接收器(1)、空气耦合激发换能器(2)、信号放大器(7)、空气耦合接收换能器(5)、信号采集与处理系统(8)通过数据线与便携式计算机(9)连接。
4.如权利要求1所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：空气耦合激发换能器(2)和空气耦合接收换能器(5)的材料是一种具有低声阻抗率和强压电活性的新型力电转换材料。
5.如权利要求1所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：数据采集与处理系统(8)具有实时显示、存储原始波形和信号后处理结果的功能。
6.如权利要求1所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：所述机械平台(6)包括横向支架(12)，横向支架(12)上设有一对可期平移的双轴位移平台(14)，所述双轴位移平台(14)上设有一旋转平台(13)，空气耦合激发换能器(2)和空气耦合接收换能器(5)与各自旋转平台(13)固定连接，并可随旋转平台(13)转动，调整两者指向和两者与被检对象之间的夹角θ。
7.如权利要求6所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：横向支架(12)上固定设有把手(16)，用于手持式操作。
8.一种既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测方法，其特征在于：采用权利要求1-7中任意一项所述既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测系统，其特征在于：
S1：在既有建筑外墙外保温系统布置检测区域，清理检测区域表面，设定检测路径和区域，发射换能器对应的位置设置为坐标零点建立x-y坐标系；
S2：根据外墙外保温系统类型，确定各层介质厚度、密度和材料常数，通过固体力学理论和传输矩阵法计算Lamb波各模态在外保温系统中的频散曲线和波结构，选择对应频率的导波模态用于外保温系统质量检测，根据导波传播速度和Snell定律计算其入射角θ；
S3：选择空气耦合换能器的频率和脉冲信号发射接收器的发射电压，调整空气耦合超声激发和接收换能器与被检对象之间的角度均为θ，连接系统；
S4：开启脉冲信号发射接收器，通过空气耦合激发换能器在外保温系统中激发超声波，通过空气耦合接收换能器接收信号，保存至数据采集与处理系统进行显示；
S5：在检测区域中沿x方向移动机械平台，同时利用数据采集与处理系统采集时域信号，基于小波变换实时显示信号时间-频率图和时间-空间分布；
S6：在时间-空间分布图中观察检测区域是否存在缺陷，如若存在缺陷，在缺陷附近设定矩形检测区域，分别沿x、y方向移动机械平台进行C扫描，通过数据采集与处理系统存储不同位置处的时域信号；
S7：采用动态滤波对采集信号进行后处理，利用Hilbert变换提取不同位置处Lamb波信号的能量值，在控制系统上进行成像，定量表征缺陷在x和y方向的位置和尺寸。
9.如权利要求8所述的既有建筑外墙外保温系统非接触式超声检测方法，其特征在于：
步骤S2中：Rayleigh波可对饰面层与保温层之间的缺陷进行检测，A0模态Lamb波对整个外保温系统是缺陷进行检测。
步骤S3中：Lamb波的频率和发射电压根据外墙外保温系统的类型和材料种类确定，空气耦合换能器的中心频率包括20kHz、50kHz、75kHz和100kHz，对应的直径分别为55.0mm、38.1mm、30.0mm和25.4mm，脉冲信号发生接收器的最大发射电压为380V；
步骤S6中：当沿x方向的外保温系统扫描路径上存在空鼓、开裂、脱落等缺陷时，Lamb波的激发、传播和接收将发生改变，信号的能量值变小；通过在软件中设置信号能量阈值为正常信号能量值的90％，当信号能量值小于阈值时，说明该检测区域存在缺陷，检测装置将自动报警；
步骤S7中：首先采用滤波技术消除环境噪声和杂波影响，然后提取Lamb波能量值，建立扫描区域中不同位置(x,y)处的Lamb波能量矩阵，通过融合处理进行二维成像。
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