CN112557500A - 水下弹性波全波场无损检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下弹性波全波场无损检测系统，该系统包括：激发组件用于对水下的待测结构体表面施加冲击力以激发弹性波场；力传感器用于测量激发组件的冲击力信息；检测组件用于感测待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，以及待测结构体表面水的压力波场信息；数据分析模块用于对冲击力信息、弹性波全波场信息以及压力波场信息进行反演分析，获取待测结构体对应的损伤模型。本发明能够无损地检测水下结构体内部缺陷，其危险性小，检测效率高。

Description

水下弹性波全波场无损检测系统及方法

技术领域

本发明涉及水下工程检测领域，具体涉及一种水下弹性波全波场无损检测系统及方法。

背景技术

我国是一个水利工程大国，不仅有三峡大坝等举世闻名的大工程，更有千千万万座中小型水库、水闸、输水管涵和隧洞等，除此之外，还有各种港口和跨江、跨海大桥等大型基础设施。随着运行年限的增加，这些设施不可避免地会出现各种病害，工程检测就像医生对病人体检一样，通过对工程进行检测，可以为工程的维修保养提供基础数据。由于这些设施的全部或部分是建在水下，或在水下运行，因此，水下无损检测是保障这些工程健康运行的必不可少的技术手段。

目前水下结构体的检测主要是通过潜水员水下探摸、水下机器人拍照或者声呐扫描等手段进行的。其中，潜水员水下探摸，是通过潜水员的观察和触摸了解结构体的表面状况，危险性大，效率低；水下机器人由于受载荷限制，目前只能搭载摄影设备进行水下摄影；声呐扫描是通过换能器向水中发射一束声波，然后接收来自于结构体表面的反射波从而把握结构体的位置和形状。由此可见，上述现行检测手段一般只能提供结构体的表观特征，无法提供结构体内部病害状况，要想了解结构体内部状况只能通过复杂的水下作业对结构体取芯，成本高，效率低，而且会对结构体造成损伤。因此，急需一种能够探测到结构体内部状况的水下无损检测方法与设备。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何测量水下结构体内部缺陷的问题。本发明的一方面，提供了一种水下弹性波全波场无损检测系统，所述系统包括：

激发组件，用于对水下的待测结构体表面施加冲击力以激发弹性波场；

力传感器，用于测量所述激发组件的冲击力信息；

检测组件，用于感测所述待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，以及所述待测结构体表面水的压力波场信息；

数据分析模块，用于对所述冲击力信息、弹性波全波场信息以及压力波场信息进行反演分析，获取所述待测结构体对应的损伤模型。

优选地，所述激发组件包括壳体、电磁式击打装置、安装座、橡胶波纹管以及砧台；

所述电磁式击打装置安装于所述安装座上，所述橡胶波纹管的一端连接所述安装座，另一端连接所述砧台；所述电磁式击打装置可击打所述砧台，以将所述电磁式击打装置的撞击力传至待测检测体表面；

其中，所述壳体、安装座、橡胶波纹管、砧台组成一个密封空间，所述电磁式击打装置位于所述密封空间内。

优选地，所述壳体呈上端封闭、下端开口的筒状；所述安装座呈圆形并位于所述壳体内，沿所述安装座的边缘等间隔地设有三个支腿，相邻两个所述支腿之间对应的圆心角为120°；其中一个所述支腿上设有X方向标记；在初始状态下，所述三个支腿的端部概与所述砧台的底端齐平。

优选地，所述砧台的底部为半球形锤顶，所述半球形锤顶内部设有水泵，所述半球形锤顶的边缘设有进水孔，所述半球形锤顶的底部设有喷水孔，所述水泵连通所述进水孔和喷水孔。

优选地，所述检测组件包括三分量振动传感器和水声换能器，所述三分量振动传感器用于感测所述待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，所述水声换能器用于接收所述待测结构体表面水的压力波场。

优选地，所述系统还包括橡胶隔振板，所述橡胶隔振板中心为圆孔，所述壳体安装于所述圆孔上，且所述支腿与砧台部分地伸出于所述圆孔；

所述检测组件的数量为三个，分别位于所述三个支腿的外侧，该三个检测组件等间隔设于所述橡胶隔振板上，且相邻两个所述检测组件之间对应的圆心角为120°；其中，所述检测组件的底部概与支腿的端部齐平，所述三分量振动传感器的X分量方向与所述设有X方向标记的支腿方向相一致。

优选地，所述支腿呈上粗下细的锥状；

所述电磁式击打装置包括撞击式电磁铁，所述力传感器安装于所述撞击式电磁的动铁芯上；

所述壳体上安装有方位传感器，所述方位传感器对应于所述设有方向标记的支腿的方位；

所述壳体的上端安装有起吊环。

优选地，所述系统还包括控制组件，所述控制组件与一个计算机电连接；

所述控制组件电连接所述激发组件和检测组件，用于控制所述激发组件和检测组件的运行；

所述计算机配置为设置系统参数，向所述控制组件发送控制指令，以使得所述控制组件能够根据所述控制指令控制所述激发组件的冲击力。

优选地，所述系统还包括数据转换组件，所述数据转换组件分别与所述控制组件、力传感器、检测组件、方位传感器、计算机电连接；

所述数据转换组件包括多个信号调理电路和多通道模数转换模块，所述冲击力信息、弹性波全波场信息、压力波场信息以及所述方位传感器测得的方位信息分别经过一个所述信号调理电路调理后，输入到所述多通道模数转换模块以转换成数字信号，之后传输至所述计算机进行存储并显示。

本发明的另一方面，还提供了一种水下弹性波全波场无损检测方法，所述方法包括：

步骤S1：建立水下的待测结构体的反演理论模型；

步骤S2：测量所述待测结构体对应的弹性波全波场波动分布；

步骤S3：利用三维数字仿真计算所述反演理论模型对应的理论波动场分布；

步骤S4：根据所述弹性波全波场波动分布与所述理论波动场分布的差，调整所述反演理论模型；

步骤S5：重复执行所述步骤S3至S4，直至所述弹性波全波场波动分布与所述理论波场分布的差小于设定阈值，以此时的所述反演理论模型作为待测结构体对应的损伤模型。

本发明的优点是：

本发明提供的水下弹性波全波场无损检测系统及方法，能够直接对水下待测结构体表面激发弹性波场，弹性波具有很强的穿透力，探测深度大，弹性波不经过待测结构体表面的反射直接进入待测结构体内部，能够无损地检测水下结构体内部缺陷，其危险性小，检测效率高。并且利用反演分析技术以获取待测结构体对应的损伤模型，该方式检测结果定量化，具有更高的检测精度。

附图说明

图1是本发明的一种水下弹性波全波场无损检测系统的主要结构示意图。

图2是本发明的激发组件的主要结构示意图。

图3是本发明的激发组件的分解结构示意图。

图4是本发明的检测组件和橡胶隔振板的结构示意图。

图5是本发明的橡胶隔振板的结构示意图。

图6是本发明另一实施例的水下弹性波全波场无损检测系统的主要结构示意图。

图7是本发明的水下弹性波全波场无损检测系统使用转台示意图。

图8是本发明的一种水下弹性波全波场无损检测方法主要步骤示意图。

具体实施方式

请参阅附图1，图1示例性示出了水下弹性波全波场无损检测系统的主要结构。如图1所示，本发明实施例提供的水下弹性波全波场无损检测系统可以包括：激发组件10，用于对水下的待测结构体表面施加冲击力以激发弹性波场。力传感器20，用于测量激发组件10的冲击力信息。检测组件30，用于感测待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，以及待测结构体表面水的压力波场信息。数据分析模块40，用于对冲击力信息、弹性波全波场信息以及压力波场信息进行反演分析，获取待测结构体对应的损伤模型。即数据分析模块40可反演分析测量得到的信息，得到反映待测结构体内部缺陷的物性参数。

请参阅附图2和3，图2和3示例性示出了激发组件的主要结构。如图2 所示，激发组件10包括壳体11、电磁式击打装置12、安装座13、橡胶波纹管 14以及砧台15。电磁式击打装置12安装于安装座13上，橡胶波纹管14的一端连接安装座13，另一端连接砧台15。电磁式击打装置12可击打砧台15，以将电磁式击打装置12的撞击力传至待测检测体表面。其中，壳体11、安装座 13、橡胶波纹管14、砧台15组成一个密封空间，电磁式击打装置12位于密封空间内。需要说明的是，激发组件10能够直接对位于水下的待测结构体表面激发弹性波，如此，弹性波场不是由水中入射到待测结构体内部，而是由位于待测结构体表面的激发点直接进入待测结构体内部，可大大提高测量精度。

具体地，壳体11呈上端封闭、下端开口的筒状。壳体11的上端安装有起吊环16。安装座13呈圆形并位于壳体11内。沿安装座13的边缘等间隔地设有三个支腿17，该三个支腿17位于同一个虚拟圆(未示出)的圆周上，相邻两个支腿17之间对应的圆心角为120°，即相邻两个支腿17之间对应的该虚拟圆形的圆心角为120°。其中一个支腿17上设有X方向标记。在初始状态下，三个支腿17的端部概与砧台15的底端齐平。

更为具体地，支腿17呈上粗下细的锥状。电磁式击打装置12包括撞击式电磁铁121，力传感器20安装于撞击式电磁铁121的动铁芯上。可通过该力传感器20测量动铁芯的冲击力。在壳体11上安装有方位传感器18，该方位传感器18对应于设有X方向标记的支腿17的方位。

橡胶波纹管14可以是高弹性的橡胶波纹管14。橡胶波纹管14使得砧台 15在力学上成为独立于其他部分的单元，既能够防止水进入壳体11内使电路受损，又能够做相对运动。在激发时，撞击式电磁铁121的动铁芯底端撞击砧台15，通过砧台15把动铁芯的冲击力传至待测结构体的表面，并且可以通过调节撞击式电磁铁121的通电时间和通电电压控制动铁芯的击打力度。

砧台15是由上端的连接部151和底端的半球形锤顶152组成，连接部151 和半球形锤顶152为一体成型。连接部151连接橡胶波纹管14，连接部151的上端面为一个平面，撞击式电磁铁121的动铁芯可击打该平面。半球形锤顶152 内部设有小型的水泵153，边缘设有进水孔154，底部设有喷水孔155，水泵 153连通进水孔154和喷水孔155。在待测结构体表面有淤泥时，可以启动水泵153，使水由喷水孔155喷出，以清洗掉待测结构体表面上为淤泥。

检测组件30可以包括三分量振动传感器301和水声换能器302。由三分量振动传感器301和水声换能器302构成全波场检波器。三分量振动传感器301 用于感测待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，水声换能器302用于接收待测结构体表面水的压力波场。检测组件30的底部概与支腿17的端部齐平。三分量振动传感器301的X分量与激发组件10上的X方向标记的方向相一致。即，三分量振动传感器301的X分量方向与设有X方向标记的支腿17方向相一致。

需要说明的是，本发明提供的水下弹性波全波场无损检测系统可以设置多个检测组件30，以构成全波场检波器阵列。激发组件10位于该阵列的中心。该多个检测组件30可以叠加在一起使用以提高信噪比，又可以单独使用提高检测的空间分辨率。

参阅附图4和5进一步地，本发明提供的水下弹性波全波场无损检测系统还可以包括橡胶隔振板50。橡胶隔振板50将检测组件30和激发组件10连接构成一个整体。请参阅附图4和5，该橡胶隔振板50概呈三角形。橡胶隔振板 50中心为圆孔51，壳体11可安装于圆孔51上，并且支腿17与砧台15部分地伸出于圆孔51。本实施例中，检测组件30的数量为三个，分别位于三个支腿17的外侧。该三个检测组件30等间隔设于橡胶隔振板50上，即该三个检测组件30可以位于一个虚拟圆的圆周上，相邻两个检测组件30之间对应的该虚拟圆的圆心角为120°，砧台15的半球形锤顶152位于该虚拟圆的圆心。更为具体地，该三个检测组件50分别对应位于橡胶隔振板30的顶角处

参阅附图6，图6示例性示出了另一实施例的水下弹性波全波场无损检测系统的主要结构。该实施例中，水下弹性波全波场无损检测系统还可以包括控制组件60和数据转换模块70。控制组件60与一个计算机电80连接。控制组件60分别电连接激发组件10和检测组件30控制组件，该控制组件60可用于控制激发组件10和检测组件30的运行。计算机80可以配置为设置系统参数，向控制组件60发送控制指令，以使得控制组件60能够根据控制指令控制激发组件10的冲击力。值得注意的是，控制组件60可以包括控制撞击式电磁铁121 通电电压和通电时间的电磁铁控制模块和控制数据转换模块70工作的数据采控制模块。即控制组件60可以设置成即能够控制激发组件10，也能够控制数据转换。

数据转换组件70分别与控制组件60、力传感器20、方位传感器18、检测组件30、计算机80电连接。数据转换组件70包括多个信号调理电路和多通道模数转换模块。冲击力信息、弹性波全波场信息、压力波场信息以及方位传感器测得的方位信息分别经过一个信号调理电路调理后，输入到多通道模数转换模块以转换成数字信号，之后传输至计算机80进行存储并显示。即，对于冲击力信息、弹性波全波场信息、压力波场信息、方位信息分别有相应的信号调理电路进行调理，之后输入到多通道模数转换模块转换成数字信号，最后传输至计算机80进行存储和显示。

需要说明的是，计算机80可以是普通的个人计算机，通过网口或USB接口与控制组件60、数据转换组件70进行通信。在此情况下，数据分析模块40 可以集成于该计算机，即该计算机80还可以实现数据分析模块40的功能。

参阅附图7，图7示例性示出了水下弹性波全波场无损检测系统的使用状态。如图7所示，使用本发明对水下待测结构体进行检测时，只需用船舶或其他水上平台用绳索90将由激发组件10、力传感器20、方位传感器18、检测组件30以及橡胶隔振板50组成的水下模块沉放到待测结构体表面，然后在船舶或水上平台上操作计算机即可。作业水深仅受电缆长度限制，一般情况下可达百米。

具体地，①把通过将激发组件10、力传感器20、方位传感器18、检测组件30以及橡胶隔振板50组装在一起构成水下模块；②用多芯电缆91通过水密封接口将激发组件10和检测组件30连接到由控制组件60和数据转换组件 70构成的控制盒上；③用绳索90拴在起吊环16上，由船舶或其他水面作业平台把水下模块沉放至水下待待测结构体的表面；④启动水泵153对砧台15处的待测结构体表面进行冲洗，冲洗完后再一次调整水下模块使砧台15的半球形锤顶152与待测结构体表面紧密接触；⑤通过计算机80发出检测指令，激发组件10的撞击式电磁铁121撞击砧台15，并通过砧台15的半球形锤顶152 对结构物表面施加冲击力从而激发弹性波；⑥撞击式电磁铁121撞击砧台15 的同时，力传感器20输出一脉冲信号，启动检测组件30工作，同时，该脉冲信号的幅值被换算成冲击力信息，与水下模块的方位信号和检测组件30输出的波形信号一起由数据转换组件70传送至计算机80并被记录与显示出来。由于数据分析模块40集成于该计算机80，该计算机80即可根据测量的信息进行反演分析，获取待测结构体对应的损伤模型。

参阅附图8，图8示例性示出了一种水下弹性波全波场无损检测方法主要步骤。如图8所示，本发明实施例提供的水下弹性波全波场无损检测方法可以包括：

步骤S1：建立水下的待测结构体的反演理论模型。具体地，可以根据待测结构体的设计资料建立反演理论模型。

步骤S2：测量待测结构体对应的弹性波全波场波动分布。

步骤S3：利用三维数字仿真计算反演理论模型对应的理论波动场分布。

步骤S4：根据弹性波全波场波动分布与理论波动场分布的差，调整反演理论模型。

具体地，根据测量的待测结构体的弹性波全波场波动分布与基于反演理论模型计算的理论波动场分布的差，调整反演理论模型，使得反演理论模型计算的理论波动场分布与实际测量的待测结构体的弹性波全波场波动分布相接近。

步骤S5：重复执行步骤S3至S4，直至弹性波全波场波动分布与理论波场分布的差小于设定阈值，以此时的反演理论模型作为待测结构体对应的损伤模型。

具体地，阈值设定的越小越好，阈值越小，输出的反演理论模型越能够放映待测结构体的实际情况。

综上所述，本发明提供的水下弹性波全波场无损检测系统及方法，能够直接在水下待测结构体表面激发弹性波场，弹性波具有很强的穿透力，探测深度大，弹性波不经过待测结构体表面的反射直接进入待测结构体内部，能够无损地检测水下结构体内部缺陷，其危险性小，检测效率高。并且利用反演分析技术以获取待测结构体对应的损伤模型，该方式检测结果定量化，具有更高的检测精度。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述系统包括：

激发组件，用于对水下的待测结构体表面施加冲击力以激发弹性波场；

力传感器，用于测量所述激发组件的冲击力信息；

检测组件，用于感测所述待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，以及所述待测结构体表面水的压力波场信息；

数据分析模块，用于对所述冲击力信息、弹性波全波场信息以及压力波场信息进行反演分析，获取所述待测结构体对应的损伤模型。

2.如权利要求1所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述激发组件包括壳体、电磁式击打装置、安装座、橡胶波纹管以及砧台；

所述电磁式击打装置安装于所述安装座上，所述橡胶波纹管的一端连接所述安装座，另一端连接所述砧台；所述电磁式击打装置可击打所述砧台，以将所述电磁式击打装置的撞击力传至待测检测体表面；

其中，所述壳体、安装座、橡胶波纹管、砧台组成一个密封空间，所述电磁式击打装置位于所述密封空间内。

3.如权利要求2所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述壳体呈上端封闭、下端开口的筒状；所述安装座呈圆形并位于所述壳体内，沿所述安装座的边缘等间隔地设有三个支腿，相邻两个所述支腿之间对应的圆心角为120°；其中一个所述支腿上设有X方向标记；在初始状态下，所述三个支腿的端部概与所述砧台的底端齐平。

4.如权利要求3所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述砧台的底部为半球形锤顶，所述半球形锤顶内部设有水泵，所述半球形锤顶的边缘设有进水孔，所述半球形锤顶的底部设有喷水孔，所述水泵连通所述进水孔和喷水孔。

5.如权利要求3所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述检测组件包括三分量振动传感器和水声换能器，所述三分量振动传感器用于感测所述待测结构体表面在X、Y和Z三个方向的弹性波全波场信息，所述水声换能器用于接收所述待测结构体表面水的压力波场。

6.如权利要求5所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述系统还包括橡胶隔振板，所述橡胶隔振板中心为圆孔，所述壳体安装于所述圆孔上，且所述支腿与砧台部分地伸出于所述圆孔；

所述检测组件的数量为三个，分别位于所述三个支腿的外侧，该三个检测组件等间隔设于所述橡胶隔振板上，且相邻两个所述检测组件之间对应的圆心角为120°；其中，所述检测组件的底部概与支腿的端部齐平，所述三分量振动传感器的X分量方向与所述设有X方向标记的支腿方向相一致。

7.如权利要求6所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述支腿呈上粗下细的锥状；

所述电磁式击打装置包括撞击式电磁铁，所述力传感器安装于所述撞击式电磁的动铁芯上；

所述壳体上安装有方位传感器，所述方位传感器对应于所述设有方向标记的支腿的方位；

所述壳体的上端安装有起吊环。

8.如权利要求7所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述系统还包括控制组件，所述控制组件与一个计算机电连接；

所述控制组件电连接所述激发组件和检测组件，用于控制所述激发组件和检测组件的运行；

所述计算机配置为设置系统参数，向所述控制组件发送控制指令，以使得所述控制组件能够根据所述控制指令控制所述激发组件的冲击力。

9.如权利要求8所述的水下弹性波全波场无损检测系统，其特征在于，所述系统还包括数据转换组件，所述数据转换组件分别与所述控制组件、力传感器、检测组件、方位传感器、计算机电连接；

所述数据转换组件包括多个信号调理电路和多通道模数转换模块，所述冲击力信息、弹性波全波场信息、压力波场信息以及所述方位传感器测得的方位信息分别经过一个所述信号调理电路调理后，输入到所述多通道模数转换模块以转换成数字信号，之后传输至所述计算机进行存储并显示。

10.一种水下弹性波全波场无损检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：建立水下的待测结构体的反演理论模型；

步骤S2：测量所述待测结构体对应的弹性波全波场波动分布；

步骤S3：利用三维数字仿真计算所述反演理论模型对应的理论波动场分布；

步骤S4：根据所述弹性波全波场波动分布与所述理论波动场分布的差，调整所述反演理论模型；

步骤S5：重复执行所述步骤S3至S4，直至所述弹性波全波场波动分布与所述理论波场分布的差小于设定阈值，以此时的所述反演理论模型作为待测结构体对应的损伤模型。

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