CN113049423A - 基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统和方法。其中，系统包括：激励信号产生装置、多普勒测振仪和控制装置，其中，激励信号产生装置作用于双钢板剪力墙的外表面，用于产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使应力波在双钢板剪力墙中传播；多普勒测振仪，用于采集双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度；控制装置与多普勒测振仪连接，用于获取多普勒测振仪所采集到的若干待检测点的振动速度信号，并根据若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。本申请可以实现双钢板混凝土结构健康状态的高效检测，具有检测操作简单，灵敏度高等特点。

Description

基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统和方法

技术领域

本申请属于结构工程技术领域，尤其涉及一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统和检测方法。

背景技术

双钢板剪力墙由于结合了钢和混凝土材料的优点，具有良好的力学性能，被广泛应用于国内外超高层建筑和国防工程。然而，在混凝土的收缩徐变、温度变化、锈蚀和复杂荷载等诸多因素的作用下，双钢板剪力墙容易产生脱空等损伤，显著降低构件的正常使用性能和极限承载力，严重威胁着双钢板剪力墙的安全与耐久性。因此，双钢板剪力墙的损伤监测十分重要。

传统的无损检测技术(Nondestructive Testing，简称：NDT)，如超声检测法、射线法、光纤法等，已被广泛地应用于实际工程中。然而，目前缺乏针对双钢板剪力墙(尤其是已完成阶段性施工或竣工工程)损伤的高效非接触式检测方法和系统。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统，以实现双钢板混凝土结构健康状态的高效检测，具有检测操作简单，灵敏度高等特点。

本申请的第二个目的在于提出一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统，包括：激励信号产生装置、多普勒测振仪和控制装置，其中，

所述激励信号产生装置作用于双钢板剪力墙的外表面，用于产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使所述应力波在所述双钢板剪力墙中传播；

所述多普勒测振仪，用于采集所述双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号；

所述控制装置与所述多普勒测振仪连接，用于获取所述多普勒测振仪所采集到的所述若干待检测点的振动速度信号，并根据所述若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

本申请第二方面实施例提出了一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法，包括：

通过激励信号产生装置产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使所述应力波在所述双钢板剪力墙中传播；

通过多普勒测振仪采集所述双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号，并根据所述若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

根据本申请实施例的技术方案，可通过作用于双钢板剪力墙的外表面上的激励信号产生装置产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使应力波在双钢板剪力墙中传播，通过多普勒测振仪采集双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号，并通过控制装置根据若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。由此，本申请通过多普勒测振仪识别钢-混凝土界面剥离损伤对表面波在双钢板剪力墙中传播特性的影响，实现双钢板混凝土结构健康状态的高效检测，具有检测操作简单，灵敏度高等特点。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统的结构框图；

图2为本申请实施例的基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统的示例图；

图3为本申请实施例的多普勒效应的测振原理示例图；

图4(a)和(b)为本申请实施例的Rayleigh波及Lamb波的理论频散曲线的示例图；

图5为本申请实施例提供的一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法的流程图。

附图标记：

10：基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统；100：激励信号产生装置；200：多普勒测振仪；300：控制装置；1：钢板；2：混凝土；3：压电陶瓷驱动器；4：待检测点列；a：双钢板-混凝土的组合构件；b：信号发生器；c：可伸缩自动力锤；d：多普勒测振仪；e：控制器；I、II、III：连接导线。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统和检测方法。

图1为本申请实施例所提供的一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统的结构框图。如图1所示，该基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统10可以包括：激励信号产生装置100、多普勒测振仪200和控制装置300。

其中，激励信号产生装置100可作用于双钢板剪力墙的外表面上。激励信号产生装置100可用于产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使应力波在双钢板剪力墙中传播。多普勒测振仪200用于采集双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度。控制装置300可与多普勒测振仪200连接，控制装置300可用于获取多普勒测振仪200所采集到的若干待检测点的振动速度信号，并根据若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

也就是说，本申请实施例激励信号产生装置产生特定频率的激励信号以激发应力波，当钢-混凝土界面层出现损伤时，钢板中应力波透射到空气中的能量会远小于向混凝土中传递的能量大小，钢板与混凝土之间的应力波的反射及透射过程将发生显著变化，通过分析钢板表面波特性的变化实现对钢板和混凝土之间的界面损伤的识别。本申请采用激光多普勒仪采集钢板表面的振动信号，实现对该类结构的非接触式、高效的无损检测。

需要说明的是，由于双钢板剪力墙中的钢板厚度的不同，则用于产生激励信号的激励信号产生装置也会不同。作为一种示例，对于钢板厚度较小的双钢板剪力墙，可将压电陶瓷驱动器粘贴于双钢板剪力墙中钢板的外表面，在信号发生器和电压放大器输入的电压激励下产生高频振动；对于钢板厚度较大的双钢板剪力墙，采用自动力锤敲击构件表面，作为激励信号。

具体而言，在本申请实施例中，如图2所示，该激励信号产生装置100可包括：信号发生器b、电压放大器(图2中未示出)和压电陶瓷驱动器3。其中，信号发生器b用于产生目标频率的电压信号；电压放大器(图2中未示出)与信号发生器b连接，用于对信号发生器b产生的电压信息进行放大处理；压电陶瓷驱动器3与电压放大器(图2中未示出)连接，并设置于双钢板剪力墙中钢板1的外表面，压电陶瓷驱动器3用于基于电压放大器(图2中未示出)输出的脉冲电压产生第一频率振动，使得振动以应力波的形式在双钢板剪力墙中传播。其中，该压电陶瓷驱动器可为PZT压电陶瓷片。

也就是说，对于薄钢板双钢板剪力墙，可将压电陶瓷驱动器粘贴于双钢板剪力墙中钢板的外表面，在信号发生器和电压放大器输入的电压激励下产生高频振动，这样，通过采用多普勒测振仪测量双钢板剪力墙中钢板的表面振动速度，对采集的时域信号进行振动特性分析，实现对双钢板混凝土损伤的非接触式高效识别。

在本申请其他实施例中，如图2所示，该激励信号产生装置100可包括：可伸缩自动力锤c。其中，可伸缩自动力锤c用于敲击双钢板剪力墙中钢板1的外表面以产生所述目标频率的激励信号。也就是说，对于厚钢板双钢板剪力墙，可采用可伸缩自动力锤敲击双钢板剪力墙的外表面，作为激励信号。这样，通过采用多普勒测振仪测量双钢板剪力墙中钢板的表面振动速度，对采集的时域信号进行振动特性分析，实现对双钢板混凝土损伤的非接触式高效识别。

在本申请实施例中，多普勒测振仪可为激光多普勒测振仪。激光多普勒测振仪是利用激光多普勒效应对物体振动进行测量，可用于对表面进行非接触式振动测量。作为一种示例，多普勒测振仪可包括激光器、干涉仪和探测器。其中，如图3所示，激光器用于发出氦氖激光；干涉仪用于将激光器发出的激光由分光镜分成测量光束和参考光束；其中，参考光束直接被反射至探测器，测量光束聚焦到钢板表面待测区域，待测区域内的物体振动引起测量光多普勒频移；探测器用于收集参考光束和钢板表面待测区域反射回的反射光束，并根据参考光束与反射光的干涉信号确定钢板表面待测区域内各待检测点的振动速度信号。

在本申请实施例中，在得到多普勒测振仪所采集到的所述若干待检测点的振动速度信号之后，控制装置可根据所述若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行正演分析以判断应力波属性，并根据所述应力波属性判断所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

需要说明的是，由于Rayleigh波是一种常见的表面波，形成于均匀半无限空间，在半无限均匀介质中传播时，Rayleigh波不出现频散现象(即相速度不随频率变化而变化)。Lamb波是通过在板之间多次反射所形成的波，其相速度依赖于激发模式，具有明显的频散特性。如图4(a)所示，在Rayleigh波的理论频散曲线中，基础模态在低频区域仍有一定的相速度，频散现象不显著；如图4(b)所示，在Lamb波的理论频散曲线中，基础模态的相速度从较低的值开始、随频率增加而增加，具有明显的频散现象，并逐渐趋于稳定，收敛于Rayleigh波波速。

基于上述特性，在本申请实施例中，可基于F-K变换的正演分析对若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行分析，获得对应的频散图像；提取频散图像中的基础模态，并将基础模态分别与Rayleigh波和Lamb波的理论频散曲线对比；若基础模态与Rayleigh波的理论值一致，则判定双钢板剪力墙不存在界面剥离损伤；若基础模态与Lamb波的理论值一致，则判定双钢板剪力墙存在界面剥离损伤。

也就是说，对于双钢板剪力墙，在构件的无损区域，应力波接近满足Rayleigh波的形成条件，因而呈现出Rayleigh波的频散特性；而在界面剥离损伤区域，钢板与混凝土分离，此处近似满足Lamb波的形成条件，因而应力波将呈现Lamb波的频散特性。因此，构件的界面损伤区域和无损区域中应力波的频散特性的显著差异，可作为识别界面损伤缺陷的判定准则。

可选地，在本申请一些实施例中，在确定双钢板剪力墙存在界面剥离损伤时，可生成损伤详细信息，并将该损伤详细信息提供给用户，并发出警报信息。

根据本申请实施例的基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统，通过作用于双钢板剪力墙的外表面上的激励信号产生装置产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使应力波在双钢板剪力墙中传播，通过多普勒测振仪采集双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号，并通过控制装置根据若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。由此，本申请通过多普勒测振仪识别钢-混凝土界面剥离损伤对表面波在双钢板剪力墙中传播特性的影响，实现双钢板混凝土结构健康状态的高效检测，具有检测操作简单，灵敏度高等特点。

为了实现上述实施例，本申请还提出一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法。

图5为本申请实施例提供的一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法的流程图。如图5所示，该基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法包括如下步骤。

在步骤501中，通过激励信号产生装置产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使应力波在双钢板剪力墙中传播。

在步骤502中，通过多普勒测振仪采集双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号。

在步骤503中，根据若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

可选地，根据若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行正演分析以判断应力波属性，并根据应力波属性判断双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。作为一种示例，基于F-K变换的正演分析对若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行分析，获得对应的频散图像；提取频散图像中的基础模态，并将基础模态分别与Rayleigh波和Lamb波的理论频散曲线对比；若基础模态与Rayleigh波的理论值一致，则判定双钢板剪力墙不存在界面剥离损伤；若基础模态与Lamb波的理论值一致，则判定双钢板剪力墙存在界面剥离损伤。

需要说明的是，前述对基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法，此处不再赘述。

根据本申请实施例的基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法，可通过作用于双钢板剪力墙的外表面上的激励信号产生装置产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使应力波在双钢板剪力墙中传播，通过多普勒测振仪采集双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号，并通过控制装置根据若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。由此，本申请通过多普勒测振仪识别钢-混凝土界面剥离损伤对表面波在双钢板剪力墙中传播特性的影响，实现双钢板混凝土结构健康状态的高效检测，具有检测操作简单，灵敏度高等特点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测系统，其特征在于，包括：激励信号产生装置、多普勒测振仪和控制装置，其中，

所述激励信号产生装置作用于双钢板剪力墙的外表面，用于产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使所述应力波在所述双钢板剪力墙中传播；

所述多普勒测振仪，用于采集所述双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号；

所述控制装置与所述多普勒测振仪连接，用于获取所述多普勒测振仪所采集到的所述若干待检测点的振动速度信号，并根据所述若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激励信号产生装置包括：信号发生器、电压放大器和压电陶瓷驱动器，其中，

所述信号发生器，用于产生所述目标频率的电压信号；

所述电压放大器与所述信号发生器连接，用于对所述信号发生器产生的电压信息进行放大处理；

所述压电陶瓷驱动器与所述电压放大器连接，并设置于所述双钢板剪力墙的外表面，所述压电陶瓷驱动器用于基于所述电压放大器输出的脉冲电压产生第一频率振动。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器粘贴于所述双钢板剪力墙的外表面上。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激励信号产生装置包括：

可伸缩自动力锤，用于敲击双钢板剪力墙的外表面以产生所述目标频率的激励信号。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制装置具体用于：

根据所述若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行正演分析以判断应力波属性，并根据所述应力波属性判断所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制装置具体用于：

基于F-K变换的正演分析对所述若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行分析，获得对应的频散图像；

提取所述频散图像中的基础模态，并将所述基础模态分别与Rayleigh波和Lamb波的理论频散曲线对比；

若所述基础模态与所述Rayleigh波的理论值一致，则判定所述双钢板剪力墙不存在界面剥离损伤；

若所述基础模态与所述Lamb波的理论值一致，则判定所述双钢板剪力墙存在界面剥离损伤。

7.一种基于激光多普勒效应的双钢板剪力墙检测方法，其特征在于，包括：

通过激励信号产生装置产生目标频率的激励信号以激发应力波，以使所述应力波在所述双钢板剪力墙中传播；

通过多普勒测振仪采集所述双钢板剪力墙表面中若干待检测点的振动速度信号，并根据所述若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述若干待检测点的振动速度信号进行频散特性分析，以确定所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤，包括：

根据所述若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行正演分析以判断应力波属性，并根据所述应力波属性判断所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行正演分析以判断应力波属性，并根据所述应力波属性判断所述双钢板剪力墙是否存在界面剥离损伤，包括：

基于F-K变换的正演分析对所述若干待检测点的振动速度信号的时域信号进行分析，获得对应的频散图像；

提取所述频散图像中的基础模态，并将所述基础模态分别与Rayleigh波和Lamb波的理论频散曲线对比；

若所述基础模态与所述Rayleigh波的理论值一致，则判定所述双钢板剪力墙不存在界面剥离损伤；

若所述基础模态与所述Lamb波的理论值一致，则判定所述双钢板剪力墙存在界面剥离损伤。

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