CN113406211B - 一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置及方法 - Google Patents

一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置及方法，该方法包括：(S1)对超声波在剪力墙水平接缝的传播速度进行标定；(S2)进行大范围快速超声波检测，采用B扫描成像算法获取待检测的剪力墙水平接缝的B扫描图像，并根据B扫描图像判断待检测的剪力墙水平接缝是否具有异常区域；(S3)若待检测的剪力墙水平接缝存在异常区域，则采用C扫描成像算法获取异常区域的C扫描图像，并根据C扫描图像确定缺陷的量化信息；步骤(S3)中，超声波发射模块以及超声波接收显示模块分别置于剪力墙的两侧，二者通过蓝牙信号进行同步。利用蓝牙技术进行信号同步，实现了发射和接收模块相分离，降低了现场检测工作量，可应用于大面积预制剪力墙的检测。

Description

一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置及方法
技术领域
本发明涉及建筑无损检测技术领域，尤其涉及一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置及方法。
背景技术
近年来，装配式混凝土结构得到了大力推广，预制剪力墙结构是其中主推的一种形式。与现浇混凝土结构不同，预制剪力墙底部存在水平接缝，一般用水泥基灌浆料填实，宽度较小(一般为20mm)。预制剪力墙底部水平接缝中没有箍筋，灌浆料是纵筋的主要约束，且接缝处位于每一楼层的最大地震剪力位置，接缝是装配整体式混凝土结构的关键受力部位。受施工环境和人为因素的影响，接缝中通常存在灌浆料不密实或孔洞等缺陷，可造成接缝承载能力下降，甚至对结构的整体受力性能产生不利影响。
针对预制剪力墙底部水平接缝质量检测，并考虑接缝狭长的特征，发明专利《一种预制剪力墙底部水平接缝灌浆缺陷的检测方法》(专利号：ZL201710546923.0)介绍了一种基于小直径、高频率换能器的超声检测方法，通过在整条水平接缝上设置测点来确定接缝中存在的缺陷及其大小，但该方法全部采用对测的方式，测点多、工作量大、检测效率低。为了提高检测效率，发明专利《水平接缝施工质量快速检测方法》(申请号：CN201811465965)介绍了一种基于干耦合换能器的同侧检测方法，利用内嵌软件自动计算超声波传播速度，可在现场快速确定缺陷位置，但该方法无法实现缺陷面积的定量化。同时，常规超声检测仪器为超声波发射、信号同步、超声波接收和数据存储一体化设计，发射和接收探头使用探头线与仪器进行连接，现场操作不方便，特别是对测法检测时在现场难以实现。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种预制剪力墙水平接缝质量快速定量化超声检测装置及方法，利用分离式检测装置，先采用同侧B扫描成像快速确定缺陷疑似区域，再采用异侧C扫描成像定量化缺陷面积，实现接缝质量的快速精细化检测。
为实现上述目的本发明提供了一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其包括：
(S1)对超声波在剪力墙水平接缝的传播速度进行标定；
(S2)进行大范围快速超声波检测，采用B扫描成像算法获取待检测的剪力墙水平接缝的B扫描图像，并根据B扫描图像判断待检测的剪力墙水平接缝是否具有异常区域；
(S3)若待检测的剪力墙水平接缝存在异常区域，则采用C扫描成像算法获取异常区域的C扫描图像，并根据C扫描图像确定缺陷的量化信息；
采用C扫描成像算法对异常区域进行探测的过程中，超声波发射模块以及超声波接收显示模块分别置于剪力墙的两侧，二者通过蓝牙信号进行同步，信号延迟为固定延迟，软件处理时进行补偿。
本发明的进一步改进在于，步骤(S1)具体包括：
(S11)开启超声波发射模块和超声波接收显示模块的电源，添加耦合剂，将发射探头和接收探头置于对应的测点，利用激发单元使得发射探头在水平接缝中激励超声纵波；同步单元驱动发射探头发射超声波的同时，驱动蓝牙发射单元发出同步信号；
(S12)超声波接收显示模块中接收探头接收超声波信号，同时蓝牙接收单元接收同步信号，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据采集与处理单元；
(S13)基于平测法，通过数据采集与处理单元内嵌软件自动标定水平接缝中超声纵波传播平均速度
Figure BDA0003187279740000031
其中d为接缝厚度，N为标定所选测点数，ti表示第i个测点处纵波传播声时，li表示第i个测点处激发单元和接收探头的换能器之间的距离；并将平均速度值
Figure BDA0003187279740000032
保存至数据采集与处理单元。
本发明的进一步改进在于，步骤(S13)中，发射探头和接收探头之间的距离li利用激光测距单元进行自动测量。
本发明的进一步改进在于，步骤(S2)具体包括：
(S21)在水平接缝表面沿长度方向等间距选取激发点j＝1,2,3,…,K，在同侧取对应的接收点j'＝1',2',3',…,K'，激发点中相邻测点间距为l/2，检测时发射探头和接收探头间距固定为l，超声波实际传播距离
Figure BDA0003187279740000033
(S22)调整发射电压和信号放大器增益，采集不同测点处的超声波信号，通过滤波算法滤除杂波干扰和表面波，然后通过B扫描成像算法获取B扫描图像，其中横坐标为超声波传播距离
Figure BDA0003187279740000034
tj为j点处超声波传播声时，纵坐标为不同的测点位置；
(S23)通过B扫描图像判断水平接缝内部质量，具体步骤为：观察传播距离值lr附近，若该位置存在纵波直达波信号极大值V，表明接缝内部无缺陷；若纵波直达波信号距离大于lr或幅值低于极大值V的10％，则表明接缝在激发点j或接收点j'附近存在质量问题，将以激发点j和接收点j'中点为圆心、半径为1.75l的长度范围标为异常区域。
本发明的进一步改进在于，步骤(S21)中，参数l的取值范围是25mm～200mm。
本发明的进一步改进在于，步骤(S23)中，极大值V表示接缝无缺陷情形下直达波信号幅值。
本发明的进一步改进在于，步骤(S3)具体包括：
(S31)在步骤(S23)所标定的水平接缝异常区域中等间距选取Q条测线，每条测线沿水平方向等间距选取M个测点，测线间距为Ll，每条测线上测点间距为Lp，激发点编号为Pnm，异侧接收点编号为P′nm，其中n＝1，2，3…，Q，m＝1，2，3，…M；
(S32)调整发射电压和信号放大器增益，采集不同测点处的超声波信号，通过滤波算法滤除杂波干扰和表面波，然后通过C扫描成像算法获取C扫描图像，其中x横坐标为扫描区域长度，y纵坐标为扫描区域宽度，z坐标表示测点处波形；
(S33)通过C扫描图像实现缺陷定量化；提取直达波幅值，在x-y平面内投影计算缺陷面积，利用直达波后面的缺陷波计算缺陷的深度
Figure BDA0003187279740000041
其中td为直达波传播时间，tf为缺陷波传播时间。
本发明还包括一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置，用于执行上述的剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其包括：
超声波发射模块，包括激发单元、发射探头、同步单元、蓝牙发射单元；所述激发单元用于驱动所述发射探头发出超声波，并与所述同步单元连接；所述同步单元在所述发射探头发出超声波的同时，驱动所述蓝牙发射单元发出同步信号；
超声波接收显示模块，包括接收探头、信号放大器、A/D转换器、数据采集与处理单元、蓝牙接收单元以及显示单元；其中，所述接收探头依次通过信号放大器、A/D转换器与所述数据采集与处理单元连接，用于接收并处理超声波发射模块发出的超声波信号；所述数据采集与处理单元还与蓝牙接收单元连接，用于接收同步信号，并根据同步信号与超声波信号到达的时间差判断超声波信号的传输时间。
本发明的进一步改进在于，激发单元的发射电压的可调范围是50V～1000V，激发频率范围是250kHz～1MHz；所述发射探头为中心频率500kHz的直探头，直径为10mm。
本发明的进一步改进在于，所述信号放大器的增益是可调的，最大增益为60dB；所述蓝牙发射单元和所述蓝牙接收单元之间的有效距离是20m。
在本发明的较佳实施方式中，本发明提供的装置具有以下技术效果：
1)利用蓝牙技术进行信号同步，实现了发射和接收模块相分离，现场操作灵活、方便，降低了现场检测工作量，可应用于大面积预制剪力墙的检测；
2)检测结果通过B扫描和C扫描技术进行现场成像，结果直观，提高了接缝质量现场评估的速度；
3)实现了大面积快速检测和局部定量化检测，提高了缺陷的检测效率和识别精度。
附图说明
图1是本发明中的超声波发射模块的结构框图；
图2是本发明中的超声波接收显示模块的结构框图；
图3为本发明中平测法测点布置和超声波传播路径示意图；
图4和图5为对测法测点布置和超声波传播路径示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
如图1、2所示，本发明的实施例包括一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置，该装置包括配合使用的超声波发射模块1以及超声波接收显示模块2。二者采用分离式结构，采用蓝牙信号进行无线同步，可应用在大面积的剪力墙两侧，进行C扫描成像。
如图1所示，超声波发射模块1包括激发单元12、发射探头13、同步单元14、蓝牙发射单元15。激发单元12用于驱动发射探头13发出超声波，并与同步单元14连接。同步单元14用于在发射探头13发出超声波的同时，驱动蓝牙发射单元15发出同步信号。此外，超声波发射模块1还包括一个电源11，电源11用于分别向激发单元12以及蓝牙发射单元15供电。
如图2所示，超声波接收显示模块2包括接收探头22、信号放大器25、A/D转换器26、数据采集与处理单元28、蓝牙接收单元27以及显示单元29。
接收探头22依次通过探头线23、接头24、信号放大器25、A/D转换器26与数据采集与处理单元28连接，用于接收并处理超声波发射模块1发出的超声波信号。数据采集与处理单元28还与蓝牙接收单元27连接，用于接收同步信号，并根据同步信号与超声波信号到达的时间差判断超声波信号的传输时间。此外，超声波接收显示模块2还包括一个电源21，电源21用于向超声波接收显示模块2中的有源器件供电。
在一个具体实施例中，激发单元12的发射电压的可调，其可调范围是50V～1000V，激发频率范围是250kHz～1MHz；发射探头13为中心频率500kHz的直探头，直径为10mm。
在一个具体实施例中，信号放大器25的增益是可调的，其最大增益为60dB；蓝牙发射单元15和蓝牙接收单元27之间的有效距离是20m。
本实施例中，数据采集与处理单元28可以自动采集、存储不同测点处的超声波信号进行B扫描或C扫描成像，采样频率50MHz，数据存储容量为20G。
本发明的实施例还包括一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，采用上述的装置进行实现；该方法包括以下步骤：
(S1)对超声波在剪力墙水平接缝的传播速度进行标定。本步骤具体包括：
(S11)开启超声波发射模块1和超声波接收显示模块2的电源，添加耦合剂，将发射探头13和接收探头22置于对应的测点，利用激发单元12使得发射探头13在水平接缝中激励超声纵波，在同步单元14驱动发射探头发射超声信号的同时，同步单元14也驱动蓝牙发射单元15发射同步信号。
(S12)超声波接收显示模块2中的接收探头22接收超声波信号，同时蓝牙接收单元27接收同步信号。超声信号经过接收探头22转换后成为电信号，经过信号放大模块25放大后，A/D转换器26将模拟信号转换为数字信号供数据采集与处理单元28进行处理。数据采集与处理单元28根据同步信号与超声信号到达的时间差判断超声波的传播时间。蓝牙信号的收发之间存在一定的延迟，信号延迟为固定延迟，软件处理时进行补偿。
(S13)基于平测法，通过数据采集与处理单元内嵌软件自动标定水平接缝中超声纵波传播平均速度
Figure BDA0003187279740000071
其中d为接缝厚度，N为标定所选测点数，ti表示第i个测点处纵波传播声时，li表示第i个测点处激发单元12和接收探头22的换能器之间的距离；并将平均速度值
Figure BDA0003187279740000072
保存至数据采集与处理单元28。
可选地，所述步骤S13中，所述数据采集与处理单元中的内嵌软件基于Python语言开发，具有超声波速自动标定、滤波、B扫描成像和C扫描成像等功能，可在工程现场快速给出检测结果。
在步骤(S1)中，发射探头13和接收探头22之间的距离li利用激光测距单元进行自动测量。激光测距单元可设置在超声波接收显示模块2上，并与数据采集与处理单元28连接，以便自动采集距离数据。在超声波发射模块1上可设置与激光测距单元适配的棱镜或标靶。激光测距的测量精度可达0.1mm。
(S2)进行大范围快速超声波检测，采用B扫描成像算法获取待检测的剪力墙水平接缝的B扫描图像，并根据B扫描图像判断待检测的剪力墙水平接缝是否具有异常区域。如图3所示，本步骤具体包括：
(S21)在水平接缝表面沿长度方向等间距选取激发点j＝1,2,3,…,K，在同侧取对应的接收点j'＝1',2',3',…,K'，激发点中相邻测点间距为l/2，检测时发射探头和接收探头间距固定为l，超声波实际传播距离
Figure BDA0003187279740000081
(S22)调整发射电压和信号放大器增益，采集不同测点处的超声波信号，通过滤波算法滤除杂波干扰和表面波，然后通过B扫描成像算法获取B扫描图像，其中横坐标为超声波传播距离
Figure BDA0003187279740000082
tj为j点处超声波传播声时，纵坐标为不同的测点位置；
(S23)通过B扫描图像判断水平接缝内部质量，具体步骤为：观察B扫描图像中传播距离值lr以及临近区域，若该位置存在纵波直达波信号极大值V，表明接缝内部无缺陷；若纵波直达波信号距离大于lr或幅值低于极大值V的10％，则表明接缝在激发点j或接收点j'附近存在质量问题，将以激发点j和接收点j'中点为圆心、半径为1.75l的长度范围标为异常区域。
步骤(S21)中，参数l的取值范围是25mm～200mm。
步骤(S23)中，极大值V表示接缝无缺陷情形下直达波信号幅值。
(S3)若待检测的剪力墙水平接缝存在异常区域，则采用C扫描成像算法获取异常区域的C扫描图像，并根据C扫描图像确定缺陷的量化信息。采用C扫描成像算法对异常区域进行探测的过程中，超声波发射模块以及超声波接收显示模块分别置于剪力墙的两侧，二者通过蓝牙信号进行同步。如图4、5所示，本步骤具体包括：
(S31)在步骤(S23)所标定的水平接缝异常区域中等间距选取Q条竖向的测线，每条测线沿水平方向等间距选取M个测点，测线间距为Ll，每条测线上测点间距为Lp，激发点编号为Pnm，异侧接收点编号为P′nm，其中n＝1,2,3…,Q，m＝1,2,3,…M；
(S32)调整发射电压和信号放大器增益，采集不同测点处的超声波信号，通过滤波算法滤除杂波干扰和表面波，然后通过C扫描成像算法获取C扫描图像，其中x横坐标为扫描区域长度，y纵坐标为扫描区域宽度，z坐标表示测点处波形；
(S33)通过C扫描图像实现缺陷定量化；提取直达波幅值，在x-y平面内投影计算缺陷面积，利用直达波后面的缺陷波计算缺陷的深度
Figure BDA0003187279740000091
其中td为直达波传播时间，tf为缺陷波传播时间。缺陷面积可以通过内嵌软件自动、快速计算，缺陷尺寸和深度的识别精度可达毫米级。
可选地，超声波遇到缺陷时，会发生反射、散射和绕射等现象，传播距离变长，信号幅值降低，步骤(S2)和(S3)中可据此来判断检测对象是否存在缺陷。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于包括：
(S1)对超声波在剪力墙水平接缝的传播速度进行标定；
(S2)进行大范围快速超声波检测，采用B扫描成像算法获取待检测的剪力墙水平接缝的B扫描图像，并根据B扫描图像判断待检测的剪力墙水平接缝是否具有异常区域；
(S3)若待检测的剪力墙水平接缝存在异常区域，则采用C扫描成像算法获取异常区域的C扫描图像，并根据C扫描图像确定缺陷的量化信息；
采用C扫描成像算法对异常区域进行探测的过程中，超声波发射模块以及超声波接收显示模块分别置于剪力墙的两侧，二者通过蓝牙信号进行同步；
步骤(S2)具体包括：
(S21)在水平接缝表面沿长度方向等间距选取激发点j＝1,2,3,L,K，在同侧取对应的接收点j'＝1',2',3',L,K'，激发点中相邻测点间距为l/2，检测时发射探头和接收探头间距固定为l，超声波实际传播距离
Figure FDA0003772504390000011
(S22)调整发射电压和信号放大器增益，采集不同测点处的超声波信号，通过滤波算法滤除杂波干扰和表面波，然后通过B扫描成像算法获取B扫描图像，其中横坐标为超声波传播距离
Figure FDA0003772504390000012
tj为j点处超声波传播声时，纵坐标为不同的测点位置；
(S23)通过B扫描图像判断水平接缝内部质量，具体步骤为：观察传播距离值lr附近，若该位置存在纵波直达波信号极大值V，表明接缝内部无缺陷；若纵波直达波信号距离大于lr或幅值低于极大值V的10％，则表明接缝在激发点j或接收点j'附近存在质量问题，将以激发点j和接收点j'中点为圆心、半径为1.75l的长度范围标为异常区域。
2.根据权利要求1所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于，步骤(S1)具体包括：
(S11)开启超声波发射模块和超声波接收显示模块的电源，添加耦合剂，将发射探头和接收探头置于对应的测点，利用激发单元使得发射探头在水平接缝中激励超声纵波，同步单元驱动发射探头发射超声波的同时，驱动蓝牙发射单元发出同步信号；
(S12)超声波接收显示模块中接收探头接收超声波信号，同时蓝牙接收单元接收同步信号，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据采集与处理单元；
(S13)基于平测法，通过数据采集与处理单元内嵌软件自动标定水平接缝中超声纵波传播平均速度
Figure FDA0003772504390000021
其中d为接缝厚度，N为标定所选测点数，ti表示第i个测点处纵波传播声时，li表示第i个测点处激发单元和接收探头的换能器之间的距离；并将平均速度值
Figure FDA0003772504390000022
保存至数据采集与处理单元。
3.根据权利要求2所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于，步骤(S13)中，发射探头和接收探头之间的距离li利用激光测距单元进行自动测量。
4.根据权利要求1所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于，步骤(S21)中，参数l的取值范围是25mm～200mm。
5.根据权利要求1所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于，步骤(S23)中，极大值V表示接缝无缺陷情形下直达波信号幅值。
6.根据权利要求1所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于，步骤(S3)具体包括：
(S31)在步骤(S23)所标定的水平接缝异常区域中等间距选取Q条测线，每条测线沿水平方向等间距选取M个测点，测线间距为Ll，每条测线上测点间距为Lp，激发点编号为Pnm，异侧接收点编号为P'nm，其中n＝1,2,3L,Q，m＝1,2,3,LM；
(S32)调整发射电压和信号放大器增益，采集不同测点处的超声波信号，通过滤波算法滤除杂波干扰和表面波，然后通过C扫描成像算法获取C扫描图像，其中x横坐标为扫描区域长度，y纵坐标为扫描区域宽度，z坐标表示测点处波形；
(S33)通过C扫描图像实现缺陷定量化；提取直达波幅值，在x-y平面内投影计算缺陷面积，利用直达波后面的缺陷波计算缺陷的深度
Figure FDA0003772504390000031
其中td为直达波传播时间，tf为缺陷波传播时间。
7.一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置，用于执行权利要求1至6中任意一种 所述的剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测方法，其特征在于包括：
超声波发射模块，包括激发单元、发射探头、同步单元、蓝牙发射单元；所述激发单元用于驱动所述发射探头发出超声波，并与所述同步单元连接；所述同步单元在所述发射探头发出超声波的同时，驱动所述蓝牙发射单元发出同步信号；
超声波接收显示模块，包括接收探头、信号放大器、A/D转换器、数据采集与处理单元、蓝牙接收单元以及显示单元；其中，所述接收探头依次通过信号放大器、A/D转换器与所述数据采集与处理单元连接，用于接收并处理超声波发射模块发出的超声波信号；所述数据采集与处理单元还与蓝牙接收单元连接，用于接收同步信号，并根据同步信号与超声波信号到达的时间差判断超声波信号的传输时间。
8.根据权利要求7所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置，其特征在于，激发单元的发射电压的可调范围是50V～1000V，激发频率范围是250kHz～1MHz；所述发射探头为中心频率500kHz的直探头，直径为10mm。
9.根据权利要求7所述的一种剪力墙水平接缝缺陷快速定量化超声检测装置，其特征在于，所述信号放大器的增益是可调的，最大增益为60dB；所述蓝牙发射单元和所述蓝牙接收单元之间的有效距离是20m。
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