CN113093289A - 埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，包括：信号发生模块、功率放大模块、发射线圈、磁电传感器阵列、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA处理与控制模块以及上位机，发射线圈用于产生激励磁场；磁电传感器阵列用于接收二次感应磁场信号；信号调理模块用于处理磁电传感器阵列输出的信号；多通道数据采集模块用于采集调理后的信号，经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号；FPGA处理与控制模块用于控制发射波形产生、A/D采集和信号检测；上位机使用算法对采集数据进行反演计算，并实时显示检测结果。本发明使用磁电传感器实现了对二次磁场信号的直接测量，可以获得更高的信噪比，提升探测精度。
Description
技术领域
本发明属于金属检测技术领域，具体为一种埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置。
背景技术
随着科技的进步和人们生活水平的提高，人们对建筑的安全、空间利用率等方面的要求也越来越高。在安全性方面，钢筋混凝土结构因其在使用寿命、强度、造价等方面的优势，是我国目前最为常见的建筑形式。在钢筋混凝土结构中，混凝土抗压能力较强，主要用于承受应力；而钢筋主要承受拉力，提高建筑弹性形变能力和抗剪切性，弥补混凝土抗拉能力低下和容易开裂及脆断的缺陷。而为了保证建筑的空间利用率，许多电线电缆、管道等也都选择埋入墙体结构内部。但在后续施工时，如果没有建筑图纸，墙面内钢筋、线缆和管道等往往对施工造成影响，甚至引发事故，造成人员伤害与财产损失。如果能在施工前进行有效的无损、非接触式探测，得到墙面内钢筋、线缆和管道等内埋设施的布置方式，则能有效地防止相关事故的发生。同时，《混凝土结构工程施工质量验收规范》 (GB50204-2015)明确规定了必须进行钢筋保护层厚度和钢筋尺寸、间距的检测，以作为结构实体检验的内容。因此对墙内的钢筋、电线电缆、管道等金属体进行检测是非常必要的。
以混凝土内钢筋参数检测为例，目前在针对建筑结构内部钢筋和混凝土保护层厚度的检测方法中，主要有直接测量法、雷达法和电磁感应法。直接法是指对检测区域钢筋混凝土进行剔凿后，直接测量钢筋的直径、间距和保护层厚度等，但在检测过程会对混凝土结构造成破坏。雷达法和电磁感应法都属于无损检测方法，雷达法通过天线向检测区域发送高频电磁波，接收电磁波在不同介质分界面上产生的回波信号，从而实现对钢筋无损检测。雷达法虽然可以对检测区域成像，但是保护层厚度的检测不够精确，价格也较昂贵，且对工作环境要求较严格，不能在潮湿的混凝土表面工作。电磁感应法可分为瞬变电磁法和谐变电磁法，都是向发射线圈通入变化的电流进而向检测区域的发射变化的电磁波，混凝土内部的钢筋根据电磁感应原理产生涡流，以产生相应的二次感应磁场，不同物质产生的二次感应磁场特性不同，通过接收产生的二次磁场就可以实现钢筋的反演定位和保护层厚度检测。不同之处在于瞬变电磁法通入发射线圈的是方波电流，检测二次场随时间的衰减特性；而谐变电磁法通入发射线圈的是谐波电流，检测的是二次场频谱特性。但现有的基于电磁感应原理的仪器大多使用线圈来接收二次磁场，体积较大，导致仪器空间分辨率低，钢筋的定位易产生偏差，多次测量才能确定钢筋角度和走向，且对钢筋直径和保护层厚度检测误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，解决了传统电磁感应方法对埋入结构内部的金属体定位精度不高、空间分辨率低、检测误差大的问题，并且可以进一步识别金属体种类。
实现本发明目的的技术方案为：一种埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，包括：信号发生模块、功率放大模块、发射线圈、磁电传感器阵列、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA处理与控制模块以及上位机，所述信号发生模块用于产生不同波形、不同频率的发射信号；所述功率放大模块用于放大信号发生模块输出的信号，增大发射信号强度；所述发射线圈用于在放大后的信号下产生激励磁场；所述磁电传感器阵列用于接收二次感应磁场信号；所述信号调理模块用于处理磁电传感器阵列输出的信号；所述多通道数据采集模块用于采集调理后的信号，经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA 处理与控制模块用于控制发射波形产生、A/D采集和信号检测；所述上位机使用算法对采集数据进行反演计算，并实时显示检测结果。
优选地，所述磁电传感器阵列包括无磁框架以及设置在框架中的若干磁电传感器。
优选地，所述磁电传感器敏感方向为长度方向，且磁电传感器长度方向垂直于发射线圈所在平面。
优选地，所述磁电传感器阵列与发射线圈一体化布置，且磁电传感器阵列关于发射线圈对称布置，对称位置的两磁电传感器反向串联差分输出。
优选地，所述磁电传感器阵列设置在发射线圈中心。
优选地，所述磁电传感器阵列置于发射线圈外部。
优选地，所述磁电传感器包括敏感单元以及设置于敏感单元两侧的永磁体。
优选地，所述敏感单元采用磁致伸缩/压电复合磁电材料。
优选地，所述信号发生模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA 处理与控制模块集成在一块电路板上，并封装在机箱内。
优选地，所述信号发生模块产生的波形为方波或者正弦波。
本发明与现有技术相比为，其显著优点为：
(1)本发明使用磁电传感器可实现对二次磁场(B)信号的直接测量，与传统线圈传感器通过测量二次感应电压来得到磁场的变化率(dB/dt)参数相比，可以获得更高的信噪比，提升探测精度；
(2)本发明使用的磁电传感器体积较小，减小了仪器重量，且便于设计传感器阵列，提高钢筋的定位精度和仪器的分辨率，具备成像能力；
(3)本发明可以检测出建筑结构内金属体的走向，以及金属体位置的偏移角度。
附图说明
图1为示意图高分辨率混凝土钢筋无损检测装置架构示意图。
图2为磁电传感器阵列结构。
图3为本发明探测原理示意图与探测结果示意图。
图4为收发一体化模式磁电传感器阵列-发射线圈布置示意图。
图5为收发一体化模式下磁电传感器差分连接示意图。
图6为本发明的方法流程图。
图7为收发分置模式磁电传感器阵列-发射线圈布置示意图。
附图标记：1、磁电传感器；2、底座；3、无磁框架；4、发射线圈；5、金属体；6、一次场；7、二次场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，包括：信号发生模块、功率放大模块、发射线圈、磁电传感器阵列、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA处理与控制模块以及上位机，所述信号发生模块用于产生不同波形、不同频率的发射信号；所述功率放大模块用于放大信号发生模块输出的信号，增大发射信号强度；所述发射线圈用于在放大后的信号下产生激励磁场；所述磁电传感器阵列用于接收二次感应磁场信号；所述信号调理模块用于处理磁电传感器阵列输出的信号；所述多通道数据采集模块用于采集调理后的信号，经过A/D 转换将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA处理与控制模块用于控制发射波形产生、A/D采集和信号检测；所述上位机使用算法对采集数据进行反演计算，并实时显示检测结果。
进一步的实施例中，所述磁电传感器阵列包括无磁框架以及设置在框架中的若干磁电传感器。
进一步的实施例中，所述磁电传感器敏感方向为长度方向，且磁电传感器长度方向垂直于发射线圈所在平面。
进一步的实施例中，所述磁电传感器阵列与发射线圈一体化布置，且磁电传感器阵列关于发射线圈对称布置，对称位置的两磁电传感器反向串联差分输出。
进一步的实施例中，所述磁电传感器阵列设置在发射线圈中心。
进一步的实施例中，所述磁电传感器阵列置于发射线圈外部。
在某些实施例中，所述磁电传感器阵列和发射线圈通过同轴屏蔽线缆与机箱内各模块连接，线缆长度可调节
在某些实施例中，所述磁电传感器尺寸一般在厘米级或毫米级，阵列间距最小可达毫米级。
进一步的实施例中，所述磁电传感器包括敏感单元以及设置于敏感单元两侧的永磁体。
进一步的实施例中，所述敏感单元采用磁致伸缩/压电复合磁电材料。
进一步的实施例中，所述信号发生模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA处理与控制模块集成在一块电路板上，并封装在机箱内。
进一步的实施例中，所述信号发生模块产生的波形为方波或者正弦波。
本发明的工作原理为：
步骤1，装置连接完成，上电，装置启动；
步骤2，上位机选择设置瞬变电磁探测模式和谐变电磁探测模式下的工作参数，FPGA处理与控制模块控制信号发生电路产生相应信号经功率放大模块后送入发射线圈，以产生一次磁场。
在瞬变电磁探测模式下，信号发生器产生方波信号，经过功率放大模块后送入发射线圈。方波高低电平交替变化，待测区域内的金属体产生感应涡流和二次场信号。在信号由高电平转为低电平后，启动信号调理模块和数据采集模块，将采集的数据送FPGA处理与控制模块进行瞬态叠加和抽样叠加，最后送入上位机；在信号由低电平转为高电平后，停止采集。在每个测点位置可重复发射-采样过程。
在谐变电磁探测模式下，信号发生器产生正弦波信号，经过功率放大模块后送入发射线圈。待测区域内的金属体产生感应涡流和二次场信号，磁电传感器感应二次场信号后，产生微弱的电压信号，经过信号调理模块和数据采集模块，送 FPGA处理与控制模块进行数字正交锁相解调，最后送入上位机。在每个测点位置，可发射由低频到高频连续变化的宽频带正弦波信号。
步骤3，埋入结构内部的金属体在一次磁场的激励下产生涡流以及二次感应磁场，使用磁电传感器阵列探测二次场信号，在FPGA处理与控制模块控制下，经信号调理模块、数据采集模块后送入上位机。每一个测点自动切换使用两种探测模式，两种工作模式所得数据分别存储、显示，使用数据联合反演。
步骤4，定位。上位机将各磁电传感器采集到的信号实时显示，由于钢筋、线缆、管道等均可近似为为长圆柱体，因此当某一列或某一排传感器输出信号大于其他传感器输出信号时，即证明其下方存在金属体或其他异常体。通过上位机界面的测量结果判断其位置、走向和偏转角，实现金属体的定位，定位后可对钢筋位置进行标记。
步骤5，上位机使用反演算法进行金属体直径与保护层厚度检测。上位机界面实时显示当前测点金属体直径与保护层厚度检测值，并实时保存。
步骤6，重复步骤2至步骤5，可对检测区域进行完整测量。
本发明采用一种小尺寸、高灵敏度、宽频带的磁场传感器替代接收线圈，就可以在很大程度上提高仪器性能。磁电传感器作为一种新型磁传感器，灵敏度更高，体积更小，可提高定位精度。并且相较于磁阻传感器、磁通门传感器等其他磁场传感器，磁电传感器带宽可达100kHz，可接收宽频带内的二次场信号，实现精细化频谱扫描，提高检测精度。
实施例一
图1为埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置架构示意图，包括信号发生模块、功率放大模块、发射线圈、磁电传感器阵列、信号调理模块、多通道数据采集模块、通讯接口以及电源。所述信号发生模块用于产生不同波形、不同频率的发射电流；所述功率放大模块用于放大信号发生模块输出的信号，增大发射信号强度；所述发射线圈用于产生激励磁场；所述磁电传感器阵列用于接收二次感应磁场信号；所述信号调理模块用于处理磁电传感器阵列输出的信号，包括滤波、放大等；所述多通道数据采集模块用于采集信号调理模块的输出的信号，经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA处理与控制模块用于控制发射波形产生、A/D采集和信号检测；所述上位机使用算法对采集数据进行反演计算，并实时显示检测结果。
所述磁电传感器阵列包括无磁框架以及设置在框架中的若干磁电传感器，磁电传感器阵列固定于框架无磁框架上，磁电传感器位置、数量可随检测需求变化。
为避免框架对磁电传感器的带来影响，磁传感器立方体框架采用塑料板或者亚克力板等无磁材料。
所述磁电传感器为磁致伸缩/压电复合磁电材料设计，频率响应范围为 1Hz-100kHz，磁场测量能力可达pT级，且自带由永磁体施加的偏置磁路。所述磁电传感器尺寸一般在厘米级或毫米级，阵列间距最小可达毫米级。
所述信号发生模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、通讯接口集成在一块电路板上，可以减小装置体积。将电路板封装在高强度塑料机箱内，以保护内部电路。
所述磁电传感器阵列和发射线圈通过同轴屏蔽线缆与机箱内各模块连接，以减小信号传输过程中带来的噪声干扰，提高信噪比。线缆长度可调节，可以适应各种工作场景。
所述上位机可以实现系统控制、数据处理、数据显示、数据保存、数据回放等功能。
图2为所述的磁电传感器阵列结构示意图，为在某些实施例中常用的上下差分式5×5阵列。其中包括：磁电传感器1、底座2、无磁框架3。磁电传感器固定于无磁框架上，多个无磁框架固定于底座上，磁电传感器位置数量可随测量需求变化。
图3左侧为本发明探测原理图，向发射线圈通入时变的电流，从而在空间激发交变磁场，处于场内的金属体会产生涡流和二次场，通过磁电传感器采集二次感应磁场信号，实现对钢筋直径以及保护层厚度进行测量。示意图中下方为两各平行的同质长异常体，由于磁电传感器尺寸较小，磁电传感器阵列间距相对密集，可直接根据磁电传感器输出结果判断其位置和间距。图3右侧为探测结果示意图，可通过磁电传感器探输出电压峰值判断异常体的具体位置。
如图4所示，在本实施例中，所述磁电传感器阵列可与发射线圈一体化布置，磁电传感器阵列关于发射线圈对称布置，由磁场分布原理可知，对称位置的两磁电传感器所处区域激励磁场大小相等，差分后可对消一次场干扰，在一定程度上减小环境噪声。
图5为收发一体化模式下磁电传感器差分连接示意图，上下两个传感器反向串联差分输出，即可对消一次场。
图6为本发明还提供的一种基于磁电传感器阵列的混凝土钢筋高分辨率的检测方法流程图，具体步骤为:
本发明还提供了一种基于磁电传感器阵列的混凝土钢筋高分辨率的检测方法，具体步骤为：
步骤1，装置连接完成，上电，装置启动；
步骤2，上位机选择设置瞬变电磁探测模式和谐变电磁探测模式下的工作参数，FPGA处理与控制模块控制信号发生电路产生相应信号经功率放大模块后送入发射线圈，产生一次场。
步骤3，埋入结构内部的金属体在一次磁场的激励下产生涡流以及二次感应磁场，使用磁电传感器阵列探测二次场信号，在FPGA处理与控制模块控制下，经信号调理模块、数据采集模块后送入上位机。每一个测点自动切换使用两种探测模式，两种工作模式所得数据分别存储、显示，使用数据联合反演。
步骤4，定位。上位机将各磁电传感器采集到的信号实时显示，由于钢筋、线缆、管道等均可近似为为长圆柱体，因此当某一列或某一排传感器输出信号大于其他传感器输出信号时，即证明其下方存在金属体或其他异常体。通过上位机界面的测量结果判断其位置、走向和偏转角，实现金属体的定位，定位后可对钢筋位置进行标记。
步骤5，上位机使用反演算法进行金属体直径与保护层厚度检测。上位机界面实时显示当前测点金属体直径与保护层厚度检测值，并实时保存。
步骤6，重复步骤2至步骤5，可对检测区域进行完整测量。
在瞬变电磁探测模式下，信号发生器产生方波信号，经过功率放大模块后送入发射线圈。方波高低电平交替变化，待测区域内的金属体产生感应涡流和二次场信号。在信号由高电平转为低电平后，启动信号调理模块和数据采集模块，将采集的数据送FPGA处理与控制模块进行瞬态叠加和抽样叠加，最后送入上位机；在信号由低电平转为高电平后，停止采集。在每个测点位置可重复发射-采样过程，得到瞬变电磁探测模式下的探测数据。
在谐变电磁探测模式下，每个测点位置，信号发生器产生由低频到高频连续变化的宽频带正弦波信号，经过功率放大模块后送入发射线圈。待测区域内的金属体产生感应涡流和二次场信号，磁电传感器感应二次场信号后，产生微弱的电压信号，经过信号调理模块和数据采集模块，送FPGA处理与控制模块进行数字正交锁相解调，最后送入上位机。
实施例二
本实施例系统架构、方法步骤与实施例1相同，区别在于磁电传感器阵列布置上。
如图7所示，在本实施例中，磁电传感器阵列可与发射线圈分离式布置，磁电传感器阵列置于发射线圈外部，间隔一定距离，以减小激励磁场干扰。
本实施例的布置方案相较实施例一中的收发一体化布置模式，所需磁电传感器相较降低一倍，可降低检测成本。
综上，本发明提出的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置及方法，功能包括金属体定位，金属体直径测量、保护层厚度测量和金属体类型识别。装置包括信号发生模块、发射线圈、磁电传感器阵列、信号调理模块、多通道数据采集模块、通讯接口以及上位机。所述信号发生模块用于产生不同频率的发射电流；所述发射线圈用于产生激励磁场；所述磁电传感器阵列用于接收二次感应磁场信号；所述信号调理模块用于处理磁电传感器阵列输出的信号，包括滤波、低噪声放大等；所述多通道数据采集模块用于采集信号，经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号；所述通讯接口用于将数据传输至上位机进行处理；所述上位机使用算法对采集数据进行反演计算，并实时显示检测结果。
Claims (10)
1.一种埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，包括：信号发生模块、功率放大模块、发射线圈、磁电传感器阵列、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA处理与控制模块以及上位机，所述信号发生模块用于产生不同波形、不同频率的发射信号；所述功率放大模块用于放大信号发生模块输出的信号，增大发射信号强度；所述发射线圈用于在放大后的信号下产生激励磁场；所述磁电传感器阵列用于接收二次感应磁场信号；所述信号调理模块用于处理磁电传感器阵列输出的信号；所述多通道数据采集模块用于采集调理后的信号，经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA处理与控制模块用于控制发射波形产生、A/D采集和信号检测；所述上位机使用算法对采集数据进行反演计算，并实时显示检测结果。
2.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述磁电传感器阵列包括无磁框架以及设置在框架中的若干磁电传感器。
3.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述磁电传感器敏感方向为长度方向，且磁电传感器长度方向垂直于发射线圈所在平面。
4.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述磁电传感器阵列与发射线圈一体化布置，且磁电传感器阵列关于发射线圈对称布置，对称位置的两磁电传感器反向串联差分输出。
5.根据权利要求4所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述磁电传感器阵列设置在发射线圈中心。
6.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述磁电传感器阵列置于发射线圈外部。
7.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述磁电传感器包括敏感单元以及设置于敏感单元两侧的永磁体。
8.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述敏感单元采用磁致伸缩/压电复合磁电材料。
9.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述信号发生模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、FPGA处理与控制模块集成在一块电路板上，并封装在机箱内。
10.根据权利要求1所述的埋入结构内部金属体参数的高分辨率无损检测装置，其特征在于，所述信号发生模块产生的波形为方波或者正弦波。
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