CN113358698A - 一种钢管混凝土脱空检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢管混凝土脱空检测系统，包括用于采集检测面温度数据的红外热像仪；还包括用于感应加热的电源和线盘，线盘用于在钢管表面产生电涡流的形式加热钢管混凝土；以及装有钢管混凝土脱空检测软件的计算机，所述软件能够控制加热的启停和温度数据的记录，以及脱空缺陷特征提取程序，所述程序提取从热像仪得到的红外热图进行热源反演和温度预测，并将实验得到的热图数据与预测得到的热图数据进行作差来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，从而判断是否存在脱空。本发明还公开了一种脱空检测方法，采用该方法进行检测，可对20mm及以内钢管下的脱空缺陷进行定量识别，操作方便，检测效率高。
Description
技术领域
本发明涉及装配式建筑领域以及热仿真技术领域，尤其是利用热仿真技术来检测钢管混凝土脱空情况的方法。
背景技术
钢管混凝土结构被广泛用于装配式建筑、道路桥梁、核电站等工程中，该结构是一种由外侧钢管和内填混凝土组合而成的受力体系。因受施工操作工艺、混凝土收缩徐变、荷载长期作用、钢管内衬钢筋导致填充不密实等因素影响，钢管内壁与混凝土粘结界面处会产生脱粘或空洞现象，从而削弱整体结构的承载能力。因此，对钢混组合结构脱空损伤进行有效检测成为了工程应用中的实际需求。由此需要一种检测手段来定量检测脱空的分布和大小，为工程检测的质量评定提供依据。
目前常用的脱空检测方法有中子法、超声法、冲击回波法、热成像法4种。针对于超声检测方法具有穿透力强、灵敏度高、可检测脱空深度等优点，但也有存在需要耦合剂和布局网格，无法确定缺陷大小，操作人员技能要求较高等缺点。中子法通常用在检测精度要求较高的工程领域，但该方法检测效率较低。冲击回波法的检测成本低，但漏检率较高，一般用于低成本、精度要求不高的场合。脉冲热成像方法具有非接触，单次检测面积大，检测效率高，对检测人员技能要求不高等特点，但当前基于热成像脱空检测方法的加热方式使加热功率受到较大限制，导致较深和较小脱空缺陷识别难度较大，因此一般检测深度在10mm及以内的定性检测，且由于缺陷边缘的热模糊效应，存在无法判断缺陷形状和大小等问题。
发明内容
本发明需解决的问题是针对现有热成像技术用于脱空检测存在检测深度较小、无法定量检测等不足，设计了一种可用于壁厚在20mm及以下钢管混凝土脱空缺陷的检测系统；本发明使用简单，可单人实现检测，对操作人员要求不高，可对钢管混凝土的脱空缺陷进行定量测量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的一方面，提供了一种钢管混凝土脱空检测系统，包括用于采集检测面温度数据的红外热像仪；也包括用于感应加热的电源和线盘，所述线盘用于在钢管表面产生电涡流的形式加热钢管混凝土；还包括装有钢管混凝土脱空检测软件的计算机，所述软件能够控制加热的启停和温度数据的记录，以及脱空缺陷特征提取程序，所述程序提取从热像仪得到的红外热图进行热源反演和温度预测，并将实验得到的热图数据与预测得到的热图数据进行作差来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，从而判断是否存在脱空。
所述加热电源包括滤波电路、逆变电路、控制电路；所述控制电路用于控制电源的启停，以及快速搜索输出回路的谐振频率从而达到较大的有功功率输出；所述电源达到额定功率输出的响应时间小于5ms，加热期间保持加热功率恒定。
所述加热线盘采用电磁感应加热方式，可实现较大面积的加热；线盘内部布局铁氧体磁芯，用于增大磁通量和电磁转换效率；所述线盘内部还设计有多组线圈，相邻线圈之间的绕线方向相反，以降低线盘的内阻；所述线盘还配有控制按钮、把手及铝合金壳体，方便单人操作。
所述加热线盘配合所述加热电源可实现较大的加热功率密度，从而使单个检测区域的检测时间小于60s，以及可检测壁厚在20mm及以下钢管混凝土的脱空缺陷。
本发明的另一方面还提供一种钢管混凝土脱空检测方法，采用上述钢管混凝土脱空检测系统，包括以下步骤：
步骤1：将钢管混凝土表面划分成若干个线盘大小的检测区域；
步骤2：将热像仪固定在检测区域的正前方；
步骤3：通过所述加热线盘对检测区域进行加热，通过所述红外热像仪对检测区域的温度进行采集，记录下整个检测过程检测面的温度变化，具体温度数据按如下步骤进行采集：
步骤101：通过所述线盘上的控制按钮控制所述脱空检测软件开启热像仪记录，采集检测区域表面的初始温度；
步骤102：将加热线盘移到检测区域的中央并紧贴检测面，通过所述线盘上的控制按钮进行加热，期间避免热像仪抖动；
步骤103：当达到设定的加热时间后，迅速移除线盘，使热像仪能观测到整个检测区域，等待设定的冷却时间后，所述脱空检测软件停止热像仪数据采集；
步骤4：设置所述脱空检测软件的实验参数，包括钢管和混凝土厚度、比热容、导热系数、密度，以及加热时间、冷却时间进行离线分析；通过所述软件中的脱空缺陷特征提取程序来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，以及缺陷的大小和形状。
所述加热时间和冷却时间与钢管厚度有关，由热仿真得到；加热时间应大于热量从钢管表面传递到钢管与混凝土交界面的时间；冷却时间应大于加热停止时刻到热量到达脱空处被反射到钢管表面的时间。
所述脱空缺陷特征提取程序包含有热源反演程序，所述程序按如下步骤执行：
步骤201：根据钢管混凝土的实际物性参数建立无缺陷传热模型，参数包括钢管和混凝土的厚度、导热系数、比热容、密度；所述模型由上下两层材料构成，上层为厚度h1(0＜h1≤20mm)的钢管，下层为厚度h2的混凝土；
步骤202：将加热线盘看作由一系列点热源的组合，从而可将热源的加热效果描述为
其中，N表示点热源个数，T′是(x,y)处单位点热源在时刻t的温度场，qi是每个点热源的功率，T是(t,x,y)处被叠加后的温升，Δxi和Δyi分别为各点距(x,y)的偏移量；
步骤203：将热源加热效果离散化后，建立温升、热源功率分布和单位点热源的温度场之间的关系为T＝T″*Q，其中T为所有点热源引起的温升矩阵，T″为单位点热源在所有(x,y)处的温度场组成的矩阵，Q为需计算的热源功率分布；
步骤204：求解方程组T＝T″*Q，采用正则化迭代算法，即将逆问题转换成正问题求解；
步骤205：温升矩阵T由实验数据得到，T″由传热模型仿真得到，Q的初始值取加热完毕时刻的实验数据作为热源功率分布的近似值，通过迭代算法让Q值不断的逼近真值，当小于一定误差的Q值作为最终的热源功率分布。
所述脱空缺陷特征提取程序还包含有预测钢管表面温度分布程序，所述程序按如下步骤执行：
步骤301：将得到的热源功率分布带入到步骤201中的传热模型来预测任意时刻钢管表面的温度分布；
步骤302：选取实验数据中最后一帧热图与同一时刻的仿真预测热图作差，若作差后的热图均匀分布，可认为两者近似相等，即不存在脱空缺陷，若作差后的热图出现某个部位或区域数值整体偏高则视为温度异常，即存在脱空缺陷。
本发明的有益效果：
1、加热电源和加热线盘的设计可实现单次大面积加热，以及提升功率密度，从而增加脱空检测深度和检测效率；
2、结合脱空缺陷特征提取算法可有效预测无脱空缺陷条件下钢管表面的温度分布，将预测的温度分布与同一时刻的实验得到的温度分布作差来消除电磁加热带来的非均匀性干扰和背景干扰；
3、通过加热时间参数的优化可增强脱空缺陷温度异常信号的信噪比，冷却时间参数的优化可有效抑制缺陷边缘热量的横向扩展以降低热模糊效应，参数优化的目的兼顾检测效率的提高；
4、可实现20mm及以下钢管内壁脱空缺陷的定量检测，即缺陷的形状和大小；
5、单次检测区域的检测时间小于60秒。
附图说明
图1a是一种钢管混凝土脱空检测系统的结构示意图；
图1b是图1a中是红外热像仪固定示意图；
图2是加热线盘内部结构示意图；
图3a是根据方形钢管混凝土一侧制作的样品结构示意图；
图3b是脱空缺陷分布示意图；
图4是脱空缺陷特征提取效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1a和图1b所示，一种钢管混凝土脱空检测系统，包括用于采集检测面温度数据的红外热像仪4；也包括用于感应加热的电源2和线盘3，还包括用于辅助检测的支架5，热像仪4固定在支架5上，并位于当前检测面的正前方；支架5的滑动旋钮52可使横杆53上下移动，以便一次性检测多个区域；支架5固定有3个磁力座51，确保检测期间不发生抖动。所述线盘3由铁氧体磁芯30、高频励磁线31、线槽32、铝合金外壳33组成，见图2，当线盘通电时，在钢管表面以电涡流的形式加热钢管混凝土6。还包括装有钢管混凝土脱空检测软件的计算机1，所述软件能够控制加热的启停和温度数据的记录，以及脱空缺陷特征提取程序，所述程序提取从热像仪得到的红外热图进行热源反演和温度预测，并将实验得到的热图数据与预测得到的热图数据进行作差来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，从而判断是否存在脱空。
如图3a，根据传热理论，钢管62、混凝土61与空气之间的物性参数存在较大差异，如比热容、导热系数；当钢管混凝土6被加热时，钢管表面的热量由钢管表面向内传播，当存在脱空时，由于脱空缺陷内空气的导热性能很低，从而阻碍热量的传播，导致热量聚集，使钢管表面的温度比无脱空情况下高。
为提高检测效率，进行了大量重复实验，并对检测过程中相关参数进行了优化，包括针对不同钢管厚度的加热时间和冷却时间，以及对加热电源2的响应时间进行了优化。
为简化仿真难度，需保证所述加热电源启动到达到稳定功率输出的时间尽量短，且输出功率保持不变，从而在仿真时可近似认为热源在加热过程中保持不变。
所述加热线盘配合所述加热电源可实现较大的加热功率密度，从而使单个检测区域的检测时间小于60S，以及可检测20mm及以下钢管内壁的脱空缺陷。
一种钢管混凝土脱空检测方法，包括如下步骤：
步骤1：将钢管混凝土表面划分成若干个线盘大小的检测区域；
步骤2：将热像仪固定在检测区域的正前方；
步骤3：通过所述加热线盘对检测区域进行加热，通过所述红外热像仪对检测区域的温度进行采集，记录下整个检测过程检测面的温度变化，具体温度数据按如下步骤进行采集：
步骤101：通过所述线盘上的控制按钮控制所述脱空检测软件开启热像仪记录，采集检测区域表面的初始温度；
步骤102：将加热线盘移到检测区域的中央并紧贴检测面，通过所述线盘上的控制按钮进行加热，期间避免热像仪抖动；
步骤103：当达到设定的加热时间后，迅速移除线盘，使热像仪能观测到整个检测区域，等待设定的冷却时间后，所述脱空检测软件停止热像仪数据采集；
步骤4：设置所述脱空检测软件的实验参数，包括钢管和混凝土厚度、比热容、导热系数、密度，以及加热时间、冷却时间进行离线分析；通过所述软件中的脱空缺陷特征提取程序来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，以及缺陷的大小和形状。
本实施例中，所述脱空缺陷特征提取程序配置有热源反演程序，所述程序设计思路按如下步骤执行：
步骤201：根据钢管混凝土的实际物性参数建立无缺陷传热模型，参数包括钢管和混凝土的厚度、导热系数、比热容、密度；所述模型由上下两层材料构成，上层为厚度h1(0＜h1≤20mm)的钢管，下层为厚度h2的混凝土；
步骤202：将加热线盘看作由一系列点热源的组合，从而可将热源的加热效果描述为
其中，N表示点热源个数，T′是(x,y)处单位点热源在时刻t的温度场，qi是每个点热源的功率，T是(t,x,y)处被叠加后的温升，Δxi和Δyi分别为各点距(x,y)的偏移量；
步骤203：将热源加热效果离散化后，建立温升、热源功率分布和单位点热源的温度场之间的关系为T＝T″*Q，其中T为所有点热源引起的温升矩阵，T″为单位点热源在所有(x,y)处的温度场组成的矩阵，Q为需计算的热源功率分布；
步骤204：求解方程组T＝T″*Q，采用正则化迭代算法，即将逆问题转换成正问题求解；
步骤205：温升矩阵T由实验数据得到，T″由传热模型仿真得到，Q的初始值取加热完毕时刻的实验数据作为热源功率分布的近似值，通过迭代算法让Q值不断的逼近真值，将小于一定误差的Q值作为最终的热源功率分布。
所述脱空缺陷特征提取程序还配置有预测钢管表面温度分布程序，所述程序设计思路按如下步骤执行：
步骤301：将得到的热源功率分布带入到传热模型来预测任意时刻钢管表面的温度分布；
步骤302：选取实验数据中最后一帧热图与同一时刻的仿真预测热图作差，若作差后的热图均匀分布，可认为两者近似相等，即不存在脱空缺陷，若作差后的热图出现某个部位或区域数值整体偏高则视为温度异常，即存在脱空缺陷。
为验证本发明对20mm及以下壁厚的钢管混凝土进行脱空检测的效果，设计一下实验进行验证：制备一个20mm、10mm厚的钢管混凝土样品，并将样品检测面划分成6个检测区域，编号为1—6；采用聚乙烯塑料模拟脱空缺陷，制作6个尺寸为10cm×10cm×0.5cm的脱空缺陷；其中20mm壁厚的钢管混凝土缺陷的编号为63、64、65(10mm壁厚的钢管混凝土3个缺陷图中未示出)，见图3b。
通过本发明的钢管混凝土脱空检测装置对试样的6个区域进行检测和数据分析，得到如图4所述的20mm壁厚的钢管混凝土脱空缺陷检测结果，可清晰的看出1、2、5号检测区无脱空缺陷，而3、4、6号检测区域存在脱空缺陷；其中64和65号脱空边缘清晰，可观察到脱空的形状，但63号脱空缺陷由于在检测区域边缘，且因线盘的设计导致该位置加热不足，导致轮廓不太清晰，但也可判断出存在脱空缺陷；在1、2、5、6号区域的检测结果中存在带状深色条纹，这是由于钢管混凝土内加强筋的存在导致的；其次，脱空缺陷的尺寸大小可通过前期的尺寸标定来确定。
Claims (8)
1.一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：采用钢管混凝土脱空检测系统：所述钢管混凝土检测系统包括用于采集检测面温度数据的红外热像仪、用于感应加热的电源和线盘，所述电源输出交流电到线盘上，通过线盘在钢管表面形成电涡流来加热钢管混凝土；
还包括装有钢管混凝土脱空检测软件的计算机，所述钢管混凝土脱空检测软件能够控制加热电源的启停和温度数据的采集，以及脱空缺陷特征提取程序，所述脱空缺陷特征提取程序提取从热像仪得到的红外热图进行热源反演和温度预测，并将实验得到的热图数据与预测得到的热图数据进行作差来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，从而判断是否存在脱空，具体包括以下步骤：
步骤1：将钢管混凝土表面划分成若干个线盘大小的检测区域；
步骤2：将热像仪固定在检测区域的正前方；
步骤3：通过所述线盘对检测区域进行加热，通过所述红外热像仪对检测区域的温度进行采集，记录下整个检测过程检测面的温度变化，具体温度数据按如下步骤进行采集：
步骤101：通过所述线盘上的控制按钮控制所述钢管混凝土脱空检测软件开启热像仪记录，采集检测区域表面的初始温度；
步骤102：将线盘移到检测区域的中央并紧贴检测面，通过所述线盘上的控制按钮进行加热；
步骤103：当达到设定的加热时间后，迅速移除线盘，使红外热像仪能观测到整个检测区域，等待设定的冷却时间后，所述钢管混凝土脱空检测软件停止热像仪数据采集；
步骤4：设置所述钢管混凝土脱空检测软件的实验参数，包括钢管和混凝土厚度、比热容、导热系数、密度，以及加热时间、冷却时间进行离线分析；通过所述软件中的脱空缺陷特征提取程序来提取脱空缺陷产生的温度异常特征，以及缺陷的大小和形状。
2.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述加热时间和冷却时间与钢管厚度有关，由热仿真得到；加热时间应大于热量从钢管表面传递到钢管与混凝土交界面的时间；冷却时间应大于加热停止时刻到热量到达脱空处被反射到钢管表面的时间。
3.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述脱空缺陷特征提取程序包括热源反演程序和钢管表面温度分布预测程序，用于消除感应加热线盘加热的强烈非均匀性和背景干扰。
4.根据权利要求3所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述热源反演程序按如下步骤执行：
步骤201：根据钢管混凝土的实际物性参数建立无缺陷传热模型，参数包括钢管和混凝土的厚度、导热系数、比热容、密度；所述无缺陷传热模型由上下两层材料构成，上层为厚度h1(0＜h1≤20mm)的钢管，下层为厚度h2的混凝土，其中0＜h1≤20mm；
步骤202：将加热线盘看作由一系列点热源的组合，从而可将热源的加热效果描述为
其中，N表示点热源个数，T′是(x，y)处单位点热源在时刻t的温度场，qi是每个点热源的功率，T是(t，x，y)处被叠加后的温升，Δxi和Δyi分别为各点距(x，y)的偏移量；
步骤203：将热源加热效果离散化后，建立温升、热源功率分布和单位点热源的温度场之间的关系为T＝T″*Q，其中T为所有点热源引起的温升矩阵，T″为单位点热源在所有(x，y)处的温度场组成的矩阵，Q为需计算的热源功率分布；
步骤204：求解方程组T＝T″*Q，采用正则化迭代算法，即将逆问题转换成正问题求解；
步骤205：温升矩阵T由实验数据得到，T″由传热模型仿真得到，Q的初始值取加热完毕时刻的实验热图作为热源功率分布的近似值，通过所述正则化迭代算法可使Q值不断的逼近真值，将小于一定误差的Q值作为最终的热源功率分布。
5.根据权利要求4所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述钢管表面温度分布预测程序按如下步骤执行：
步骤301：将得到的热源功率分布带入到无缺陷传热模型来预测任意时刻钢管表面的温度分布；
步骤302：选取实验数据中最后一帧热图与同一时刻的仿真预测热图作差，若作差后的热图均匀分布，则不存在脱空缺陷；若作差后的热图出现某个部位或区域数值整体偏高，则存在脱空缺陷。
6.根据权利要求5所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述步骤302中可选取实验数据中的多帧热图与相对应时刻的仿真预测热图作差，再将作差后的结果进行叠加，可有效提高脱空缺陷温度异常特征与背景的对比度。
7.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述线盘采用电磁感应加热方式，可实现较大面积的加热；线盘内置铁氧体磁芯，用于增大磁通量和电磁转换效率；所述线盘内部还设计有多组由高频励磁线绕制的线圈，相邻线圈之间的绕线方向相反，以降低线盘的内阻。
8.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于：所述用于感应加热的电源由滤波电路、逆变电路、控制电路组成；所述控制电路用于控制电源的启停，以及快速搜索输出回路的谐振频率从而达到最大的有功功率输出；所述电源达到额定功率输出的响应时间小于5ms，加热期间保持加热功率恒定。
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