CN112903828A - 基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，按照以下步骤实施：S1、在待测隧道底板表面进行网格划分；S2、采用直径5‑20mm的钢球从距离底板表面5cm以上处，依次敲击每一个网格交点；S3、在距离每个网格交点水平距离3cm、垂直距离3cm的空间范围内，采用空气耦合传感器接收每个网格交点处的冲击回波；S4、采用快速傅里叶变换提取每个网格交点冲击回波的信号主频，并将信号主频按网格点位置存放同一个矩阵C内；S5、根据网格交点的水平方向坐标x构建数组X，根据网格交点的竖直方向坐标y构建数组Y；S6、绘制(X，Y，C)构成的云图，通过云图进行缺陷位置及深度的成像判定。解决了现有底板内部损伤检测方法干扰大的问题。

Description

基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法

技术领域

本发明属于隧道底板结构检测技术领域，具体涉及一种基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法。

背景技术

底板结构是隧道的重要支护体系，与表面损伤相比，底板内部损伤具有更高的隐蔽性和危害性，对其进行快速准确的检测对降低隧道维护成本，提高底板结构耐久性与可靠性，保障隧道正常运营功能至关重要。

目前用于隧道底板损伤快速评估的主要有数字图像提取法及探地雷达法等，数字图像提取法对隧道底板的表面裂缝的扫描检测较为有效，但该方法对底板内部缺陷，如分层剥离、背后空洞等的检测并不适用。探地雷达可对底板厚度、底板背后空洞等进行有效的检测，然而当在复杂浅表层结构下对损伤目标进行雷达波探测时，会遇到目标反射波能量弱、分辨能力低、信噪比低等问题。特别地，当底板结构中钢筋网较密时，反射雷达波的信号强度会急剧下降，从而对底板内部损伤的判断造成极大干扰。

在传统的冲击回波成像方法中，成像的标准是基于每个测点的主频并形成云图从而判断其缺陷位置等信息，经试验验证等发现由于检测时混凝土材料特性差异、敲击位置、敲击力度多种因素的干扰，检测信号的主频并不是固定不变的，往往在其理论频率值附近波动，具有较大的随机性，这使得基于主频指标的成像云图分布与真实缺陷不一定对应，对缺陷的信息判断产生了一定的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，以解决现有底板内部损伤检测方法干扰大的问题。

本发明采用以下技术方案：基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，按照以下步骤实施：

S1、在待测隧道底板表面进行网格划分，网格交点即为敲击位置点；

S2、采用直径5-20mm的钢球从距离底板表面5cm以上处，依次敲击每一个网格交点；

S3、在距离每个网格交点水平距离3cm、垂直距离3cm的空间范围内，采用空气耦合传感器接收每个网格交点处的冲击回波；

S4、采用快速傅里叶变换提取每个网格交点冲击回波的信号主频，并将信号主频按网格点位置存放同一个矩阵C内；

S5、根据网格交点的水平方向坐标x构建数组X，根据网格交点的竖直方向坐标y构建数组Y；

S6、绘制(X，Y，C)构成的云图，以网格横纵编号为云图横纵坐标，云图颜色代表损伤指标Pb值的大小，通过云图进行缺陷位置及深度的成像判定；

成像判定方法为：

若损伤指标Pb值接近于1，则测点处无缺陷；

若损伤指标Pb值接近于0，则测点处存在缺陷；

其中，损伤指标Pb为：

式中，max|X₁|为冲击回波信号经快速傅里叶变换后得到的信号主频的对应幅值；max|X₂|为冲击回波信号经滤波后频谱峰值频率对应的幅值。

进一步的，待测隧道底板表面上网格的水平间距、竖直间距均不小于待测隧道底板宽度的1/10。

进一步的，S3中，采集冲击回波信号的装置为数据采集系统，其包括：

空气耦合传感器，用于接收每个网格交点处的冲击回波；

放大器，与空气耦合传感器输出端连接，用于接收冲击回波并将信号放大；

数据采集卡，与放大器的输出端连接，用于接收放大后的冲击回波信号，并对数据进行模数转换处理后将其传输到电脑。

本发明的有益效果是：

1.采取空气耦合传感器，不需要密贴待测结构表面，加快数据采集速度。

2.通过绘制云图，缺陷信息可直观显示，减少人工判别难度。

3.通过数据采集系统可扩展至多个通道，并可布置在隧道检测车上，可以加快数据采集速度。

4.本发明的方法简单可行，实用性较强，效果良好。

附图说明

图1为本发明基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法中涉及装置的结构示意图；

图2为本发明基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法的底板平面网格划分示意图；

图3(1)和图3(2)分别为本发明基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法的平面板和曲面板的底板结构横断面示意图；

图4是本发明实施例中采用频率值获得的平面板云图；

图5是本发明实施例中采用频率值获得的曲面板云图；

图6(a)和图6(b)分别是本发明实施例中的平面板和曲面板的检测峰值频率统计图；

图7是本发明实施例中采用Pb值获得的平面板检测云图；

图8是本发明实施例中采用Pb值获得的曲面板检测云图。

其中，1.钢球，2.钢球运动方向，3.底板，4.检测车，5.数据采集系统，6.空气耦合传感器，7.放大器，8.数据采集卡，9.波形示波器，10.数据处理系统，11.钢球敲击点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在传统的冲击回波成像方法中，成像的标准是基于每个测点的主频并形成云图从而判断其缺陷位置等信息，经试验验证等发现由于检测时混凝土材料特性差异、敲击位置、敲击力度多种因素的干扰，检测信号的主频并不是固定不变的，往往在其理论频率值附近波动，具有较大的随机性，这使得基于主频指标的成像云图分布与真实缺陷不一定对应，对缺陷的信息判断产生了一定的干扰。

如图1所示，本发明基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法中涉及装置的结构包括底板3，其上方有一检测车4，检测车4的上方设置有数据采集系统5和数据处理系统10，检测时，将一钢球1按照箭头2所示方向敲击底板3。该数据采集系统5包括：空气耦合传感器6，用于接收每个网格交点处的冲击回波，麦克风即为空气耦合传感器的一种；放大器7，与所述空气耦合传感器6输出端连接，用于接收所述冲击回波并将信号放大；数据采集卡8，与所述放大器7的输出端连接，用于接收放大后的冲击回波信号，并对数据进行模数转换处理后将其传输到电脑。波形示波器9与所述数据采集卡8集成一体。

本发明基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法的方法按照以下步骤实施：

S1、如图2所示，在待测隧道底板结构表面进行网格划分。图3(1)和图3(2)分别为本发明基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法的平面板和曲面板的底板结构横断面示意图。对平面板采用间距5×5cm的正方形网格，曲面板由于表面面积较大采用6×6cm的正方形网格。网格的交点即为敲击位置点。网格间距的大小决定着最终成像的分辨率，网格划分越精细成像分辨率越高，检测效果越好，但由于检测点的增长使得检测效率下降，选取适当的网格间距既能有效的检测出缺陷信息又能提高检测效率。待测隧道底板表面上网格的水平间距、竖直间距均不小于待测隧道底板宽度的1/10。

S2、采用直径5-20mm的钢球从距离底板表面5cm以上处按顺序敲击每一个网格交点。

S3、钢球冲击底板结构，会产生各种波在底板内部传播。在每个网格交点水平距离3cm、垂直距离3cm的立体空间范围内，不需要紧密贴靠在底板结构表面，采用空气耦合传感器接收冲击回波，并将采集到的数据存储至电脑。

S4、利用数据分析系统采用快速傅里叶变换提取每个网格交点的冲击回波信号主频，并将各个信号主频按网格点位置存放于同一个矩阵C内。

S5、根据所述网格交点的水平方向坐标x构建数组X，根据所述网格交点的竖直方向坐标y构建数组Y；一般水平间距和竖直间距分别不小于待测隧道底板长、宽尺寸的1/10。

S6、绘制(X，Y，C)构成的云图，以网格横纵编号为云图横纵坐标，云图颜色代表Pb值的大小，通过所述云图进行缺陷位置及深度的成像判定；基于此在云图中直观地显示缺陷的位置及深度信息。

其中，成像判定的方法为：

若损伤指标Pb值接近于1，则测点处无缺陷；

反之，若损伤指标Pb值接近于0，则测点处存在缺陷；

其中，所述损伤指标Pb为：

式中，max|X₁|为冲击回波信号经快速傅里叶变换后得到的信号主频的对应幅值；max|X₂|为冲击回波信号经滤波后频谱峰值频率对应的幅值。

利用峰值频率形成的二维检测云图基本达到了检测板内部缺陷情况的目的，但同时发现了一些问题。在实际检测中当人为施加敲击作用时，其力度很难保持每次都一致，因而小球与板的接触时间也有着细微的变化，当小球敲击接触时间不同时实际检测中会使频谱峰值频率发生一定量的偏移，同时麦克风与敲击点相对位置也并不能保证每次敲击时都完全一致，再加上环境噪声的不断变化，这些多重因素最终导致实际检测时在同一处进行敲击检测时其峰值频率并不是固定不变的，而是在其理论真实峰值频率值附近某一范围内波动的，因而在待检测隧道底板的无缺陷处其云图的颜色分布并不单一，由于检测的随机性导致了云图颜色分布的不均匀性，当内部某一缺陷其理论主频率接近波动范围时，在实际检测缺陷位置未知的情况下，因为其峰值频率对应的云图颜色与无缺陷处云图颜色很难区分，很容易忽略这两个缺陷的存在。因此本发明就这一问题进行成像判定指标的改进从而优化冲击回波的最终检测成像结果。

成像判定改进的方法为：若测点处无缺陷则其Pb值应当接近于1，反之若测点处存在缺陷则其对应的峰值频率不在滤波器通带范围之内因而经滤波后主频的幅值与原频谱主频幅值相比会变低，因而Pb值会接近于0，缺陷处主频越接近滤波器通带范围Pb值相对越大，相反的若缺陷处主频距通带范围越远则Pb值越接近于0。

实施例：

S1、在待测隧道底板表面进行网格划分，一个是平面板，其网格点数为19×19＝361个；另一个是曲面板，其网格点数为19×40＝760个；

S2、采用直径5mm的钢球从距离底板表面10cm处按顺序敲击每一个网格交点；

S3、在距离每个网格交点水平距离3cm、垂直距离3cm的空间范围内，采用空气耦合传感器接收每个网格交点处的冲击回波；

采用PCB麦克风接收传输信号，通过PC端的LabVIEW实现不同数据采集通道顺次切换，即时显示采样信号的波形。采用基于PC端的LabVIEW自主开发的虚拟仪器，它能够实现控制多路转换器，实现不同数据采集通道顺次切换，采样信号的波形即时显示，对采样信号进行平均降噪处理等功能。示波器采用由英国PicoTech公司生产的PicoScope示波器，它能够通过USB线连接到PC端从而将信号传输到电脑。信号接收器采用由美国PCB公司生产的测试麦克风(PCB378C01)，直径6.3mm，频率响应范围3Hz-80kHz，灵敏度4mV/Pa。

S4、对采集到的冲击回波进行MATLAB加窗和快速傅里叶变换(FFT)，记录每个网格交点的峰值频率。

具体的，平面板的厚度为20cm，由平均值法测得其冲击回波板厚主频在8500Hz到8700Hz之间；

曲面板的峰值频率如表1所示：

表1曲面板峰值频率记录

S5、建立指定网格水平间距的数组X及竖直间距的数组Y；

S6、绘制(X，Y，C)构成的云图，通过云图的颜色判断底板底部缺陷的位置。

S6.1、分别绘制平面板和曲面板的云图，如图4、图5所示。

从图4可以看出，在平面板中预埋的4块缺陷处均表现出了不同于其他完好部分的云图特征，其中a、b缺陷埋深深度为5cm，c、d缺陷预埋深度为15cm，由云图可知a、b处云图对应频率在3500Hz左右，证明该处缺陷埋深较浅共振模式为弯曲模态，而c、d处云图对应频率为13000Hz左右，对应其冲击回波模态，由此能够推测出c、d两块缺陷的大致深度。此外由于混凝土板浇筑时振捣不密实以及钢筋的影响发现多个未预埋缺陷处测点云图发生变化，证明这些测点处内部混凝土存在一定的空隙或裂缝。

由图5可得，对于3#、4#、5#、6#、8#、9#、10#缺陷检测效果明显，其中5#、6#颜色为蓝色对应低频的弯曲模态，其他几块缺陷颜色为红色频率较高发生了冲击回波模态，3#缺陷颜色最深对应的频率最高因为其埋深为215mm引起的冲击回波模态频率更高。此外试验发现1#、2#缺陷检测效果一般，在实际检测中内部缺陷未知的情况下很有可能忽略其存在，1#可能原因是发生了位置的偏移，而2#缺陷由于尺寸较小埋深较浅其引起的弯曲模态频率也更高，导致频率值与板的厚度频率十分接近而难以分辨。我们发现7#缺陷处并未有对应的冲击回波频率，在云图中发现其左下方出现一块红色损伤区域，证明7#缺陷确实由于混凝土浇捣等因素发生了损坏而位置偏移。由于曲衬砌上表面有7个异形凹陷的铆接口中白色区域为铆接口位置，该处没有测点数据，值得注意的是，在每个铆接口位置附近均发生了云图颜色的变化，该处频率与其它完好处相比频率较低，因为这些铆接口内部均预埋了接口套筒，可能的原因是由于套筒埋深较浅引发了弯曲模态，另一个可能的原因是由于敲击时在这些位置处发生了P波的绕射现象导致其主频率变低。

S6.2、由于存在上述缺陷，所以进行成像判定指标的改进，从而优化冲击回波的最终检测成像结果。

对平面板和曲面板的检测峰值频率进行统计结果如图6(a)-(b)所示。

由图6(a)-(b)统计结果判定其无缺陷处频率波动范围，或直接根据冲击回波公式可计算出无缺陷全厚度下的冲击回波频率，平面板为8500Hz到9000Hz，曲面板为5200Hz到6000Hz。当对曲面板进行检测时，考虑峰值频率的随机性，峰值频率的值落在5200Hz～6000Hz之间时即认为该测点下部无缺陷。

考虑到在有缺陷区域信号中也包含有板全厚对应冲击回波频率，但其能量往往更小，而在无缺陷区域板全厚对应的冲击回波频率能量更大。本发明基于信号中全厚冲击回波频率幅值与信号自身最大频率比值建立新的损伤指标Pb如下：

基于对检测信号波动范围进行统计后引入带通滤波器其通带范围与在信号波动范围保持一致，引入经典IIR巴特沃斯滤波器。

以曲面板检测信号为例，滤波器通带频率为5200Hz～6000Hz，阻带频率为2000Hz～9000Hz，通带内波动Rp＝3dB，阻带衰减Rs＝20，获得曲面板上某一无缺陷处和3#缺陷处滤波前后频谱；当无缺陷时域信号经滤波器滤波后其主频和对应的幅值几乎没变，而主频两侧的较低峰值的幅值逐渐衰减为0，而3#缺陷的峰值频率为9241Hz，其时域信号经滤波后，原来的主频9241Hz已经衰减到很小，而主频变为落在通带范围内的5702Hz。此时经计算后无缺陷处Pb＝0.98，而3#缺陷处的Pb值为0.33。

基于改进后的判定指标对两块板进行检测成像，结果如图7和图8所示。对于平面板成像结果，与传统成像结果相比在网格坐标4-9和17-19处发现两处新的缺陷，可能由于模型制作时振捣不充分导致的内部产生空隙。对于曲面板结果，改进后的成像颜色区分度更高，缺陷处和无缺陷处更易辨别，无缺陷处的Pd值是接近1或等于1的，因此颜色对应为黄色，而之前由于缺陷频率比较接近无缺陷处频率波动范围而导致检测效果不明显的1#、2#缺陷也更加易于区分。可见对成像判定指标改进之后，成像结果的辨识度更优，无缺陷处的云图对应于Pd值为1的颜色，而有缺陷处的云图颜色更接近于Pd为0，同时缺陷频率与无缺陷处频率波动范围越远辨识度越高。改进后的成像方法有效地提高了缺陷位置的辨识度。

本发明一种基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，采取空气耦合传感器，不需要密贴待测结构表面，加快数据采集速度；通过绘制云图，缺陷信息可直观显示，减少人工判别难度；通过数据采集系统可扩展至多个通道，并可布置在隧道检测车上，可以加快数据采集速度；方法简单可行，实用性较强，效果良好。

Claims (3)

1.基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

S1、在待测隧道底板表面进行网格划分，网格交点即为敲击位置点；

S2、采用直径5-20mm的钢球从距离底板表面5cm以上处，依次敲击每一个网格交点；

S3、在距离每个网格交点水平距离3cm、垂直距离3cm的空间范围内，采用空气耦合传感器接收每个网格交点处的冲击回波；

S4、采用快速傅里叶变换提取每个网格交点冲击回波的信号主频，并将信号主频按网格点位置存放同一个矩阵C内；

S5、根据所述网格交点的水平方向坐标x构建数组X，根据所述网格交点的竖直方向坐标y构建数组Y；

S6、绘制(X，Y，C)构成的云图，以网格横纵编号为云图横纵坐标，云图颜色代表损伤指标Pb值的大小，通过所述云图进行缺陷位置及深度的成像判定；

所述成像判定方法为：

若损伤指标Pb值接近于1，则测点处无缺陷；

若损伤指标Pb值接近于0，则测点处存在缺陷；

其中，所述损伤指标Pb为：

式中，max|X₁|为冲击回波信号经快速傅里叶变换后得到的信号主频的对应幅值；max|X₂|为冲击回波信号经滤波后频谱峰值频率对应的幅值。

2.如权利要求1所述的基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，其特征在于，所述待测隧道底板表面上网格的水平间距、竖直间距均不小于待测隧道底板宽度的1/10。

3.如权利要求1或2所述的基于空气耦合冲击回波的隧道底板裂缝缺陷无损检测方法，其特征在于，所述S3中，采集所述冲击回波信号的装置为数据采集系统(5)，其包括：

空气耦合传感器(6)，用于接收每个网格交点处的冲击回波；

放大器(7)，与所述空气耦合传感器(6)输出端连接，用于接收所述冲击回波并将信号放大；

数据采集卡(8)，与所述放大器(7)的输出端连接，用于接收放大后的冲击回波信号，并对数据进行模数转换处理后将其传输到电脑。

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