CN115201331A - 一种混凝土内部三维成像系统及方法 - Google Patents

一种混凝土内部三维成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混凝土内部三维成像系统及方法，在进行检测时，首先对指定深度Z的混凝土进行XY面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达某一聚焦点，对各激励器编号且计算激发时刻，通过平移接收器信号并将信号叠加，得到该聚焦点处的损伤程度，重复上述步骤可以得到任意点的损伤矩阵，改变激励波的波长，控制检测深度Z，实现混凝土不同深度的二维成像，从而生成混凝土内部三维成像。该方法不仅可以精准定位混凝土内的裂纹位置，还可以定位内部骨料钢筋位置，检测混凝土内部配筋是否锈蚀，混凝土覆盖或周边土体是否脱空，定位及检测速度快。

Description

一种混凝土内部三维成像系统及方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体的是一种混凝土内部三维成像系统及方法。
背景技术
近年来随着我国大规模基础建设的展开，工程质量事故时有发生，因此工程质量检测，尤其是混凝土结构工程无损检测显得越来越重要，对检测的要求也越来越高。目前的混凝土工程结构无损检测方法主要有回弹法、雷达法、冲击回波法、P波波速法及超声波法等。回弹法是一种常用的混凝土无损检测方法，但该方法检测深度浅，只能测得混凝土表面附近的平均强度，无法反映混凝土内部状况，而且回弹值分散性大，通常需要16个以上的有效回弹数据进行平均，作业效率低；雷达法对混凝土内部缺陷可以准确定位，但受钢筋等低电阻率物质的屏蔽影响大，尤其是钢筋密度较大时难以得到钢筋背后的电磁波影像，而且雷达无法提供强度方面的信息；冲击回波法可测得结构内部缺陷及构件的厚度，但其纵向分辨率低，检测精度受结构内部的钢筋和含水量影响大；超声波对穿测试，虽然可以得到材料整体的纵波速度，但无法应用于隧洞衬砌等无法对穿测试的结构物；P波速度法通常只能测得混凝土表层的P波速度，无法探测混凝土内部结构状况。虽然上述各种混凝土无损检测法各有所长，但共同的弱点是无法检测混凝土内部深处的力学性能，难以满足土木工程无损检测的要求。
发明内容
本发明提供了一种混凝土内部三维成像系统及方法，用以解决背景技术中提出的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种混凝土内部三维成像系统，包括：待检测混凝土试块、超声相控阵列、连接部和检测装置；所述连接部为楔块，多个所述楔块固定于待检测混凝土试块的底部，所述检测装置通过楔块与待检测混凝土试块连接；所述超声相控阵列固定于待检测混凝土试块的表面，包括多个换能器，多个所述换能器呈圆形或十字形排列，各所述换能器激励瑞利波或接收瑞利波。
所述检测装置包括信号发生器、测试探头、信号放大模块和示波器；所述信号发生器用于产生激励信号，形成入射波；多个所述测试探头固定于楔块表面，且通过排线与信号发生器、示波器连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块表面，形成振动波并输出给示波器；多个所述信号放大模块设置在信号发生器与测试探头、测试探头与示波器之间，用于对入射波和振动波进行能量放大；所述示波器连接信号发生器和信号放大模块，用于显示入射波和振动波。
进一步地，所述信号放大模块包括高压放大器和电压放大器，所述高压放大器的输入端与信号发生器连接，用于将入射波的能量放大；所述电压放大器的输入端连接测试探头，用于将振动波的能量放大。
进一步地，所述测试探头包括激励探头和接收探头；所述激励探头与高压放大器的输出端连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块的表面；所述接收探头与电压放大器的输入端连接，用于接收待检测混凝土试块中传输后的振动波。
进一步地，所述信号发生器、高压放大器和电压放大器的输出端均与示波器连接，所述示波器用于显示信号发生器产生的入射波、经高压放大器放大后的入射波和经电压放大器放大后的振动波。
进一步地，所述楔块设置有四个，固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头和接收探头均设置有两个，间隔布置且固定于楔块表面；各所述激励探头与信号发生器之间均设有一个高压放大器，各所述接收探头与示波器之间均设有一个电压放大器。
进一步地，所述楔块为斜楔块，包括斜楔和滑块，所述滑块固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头、接收探头均固定于斜楔表面，所述斜楔和滑块配合使用。
一种水下混凝土内部三维成像方法，基于如权利要求1-6所述的任意一种水下混凝土内部三维成像系统，包括如下几个步骤：
S1.垂直于水下待检测混凝土试块的表面放置24只换能器；其中，12只换能器激励瑞利波，12只换能器接收瑞利波；
S2.各换能器激励信号的波形为：
Figure BDA0003664675600000021
其中，N为正弦波周期数，f为激励频率，t为时间；调节激励频率f，根据已知的瑞利波速度c，计算瑞利波的波长λ＝c/f；
S3.对混凝土内部一点，计坐标(x，y，z)；其中，z为深度方向；瑞利波的影响深度主要集中在1/3波长范围内，因此计瑞利波沿z方向上的影响深度L＝λ/3；
在深度L上，进行xy面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达聚焦点(x0，y0)；将激励器依次编号为1至8，计第一个激励器激发的时刻为t0，第i个激励器的坐标为(xi，yi)，则第i个激励器的激发时刻为t0+Δti；其中，Δti的计算方式如下：
Figure BDA0003664675600000031
S4.将12只接收器的接收信号进行平移，第一只接收器的信号不平移，第i只接收器的信号平移Δti，将平移后的8条信号叠加，得到(x0，y0，L)处的检测信号；当聚焦点存在构造物或损伤时，会引起回弹波，回弹波在各平移后的信号中将处于同一相位，通过将平移后的信号叠加，可以放大损伤引起的回波；否则，接收信号中为噪声，通过平移后噪声相互叠加，不会产生明显的放大效；
将叠加后的检测信号最大峰值记为(x0，y0，L)处的损伤程度D；
S5.改变聚焦点坐标(x0，y0)，历遍L深度处的混凝土结构各点；改变S2中的激励频率f，重复步骤S2-3，获得混凝土内部任意一点的损伤程度矩阵D(x0，y0，L)，从而生成混凝土内部三维成像图。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种混凝土内部三维成像系统，将换能器圆形或十字形排列，方便检测混凝土中各种方向的裂纹。利用瑞利波，质点呈椭圆形振动，瑞利波传播远，可探测范围大。该装置无需正对混凝土方向设置，任何方向均可直接检测混凝土内部裂纹，自动生成三维图像，操作方便快捷。
本发明提供了一种混凝土内部三维成像方法，在进行检测时，首先对指定深度Z的混凝土进行XY面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达某一聚焦点，对各激励器编号且计算激发时刻，通过平移接收器信号并将信号叠加，得到该聚焦点处的损伤程度，重复上述步骤可以得到任意点的损伤矩阵，改变激励波的波长，控制检测深度Z，实现混凝土不同深度的二维成像，从而生成混凝土内部三维成像。当聚焦点存在构造物时，会引起回弹波，通过信号叠加可以放大回波。该方法不仅可以精准定位混凝土内的裂纹位置，还可以定位内部骨料钢筋位置，检测混凝土内部配筋是否锈蚀，混凝土覆盖或周边土体是否脱空，定位及检测速度快。
附图说明
图1为换能器圆形排列图；
图2为换能器十字形排列图；
图3为瑞利波的影响深度示意图；
图4为波束逐点聚焦示意图；
图5为接收及平移信号示意图；
图6为叠加信号示意图；
图7为混凝土内部三维成像系统结构图；
图中，1、待检测混凝土试块，2、楔块，3、信号发生器，4-1、高压放大器，4-2、电压放大器，5-1、激励探头，5-2、接收探头，6、示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例，请参照附图7，一种混凝土内部三维成像系统，包括：待检测混凝土试块1、超声相控阵列、连接部和检测装置。连接部为楔块2，多个楔块2固定于待检测混凝土试块1的底部，检测装置通过楔块2与待检测混凝土试块1连接。超声相控阵列固定于待检测混凝土试块的表面，包括多个换能器，多个换能器呈圆形或十字形排列(如图1-2所示)，各换能器激励瑞利波或接收瑞利波。
检测装置可以对放置在水下或水上混凝土试块内部的裂纹进行检测，包括信号发生器3、测试探头、信号放大模块和示波器6。信号发生器3的型号为Quantum 9520，用于产生激励信号，形成入射波。多个测试探头固定于楔块2表面，且通过排线与信号发生器3、示波器6连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块1表面，形成振动波并输出给示波器6。多个信号放大模块设置在信号发生器3与测试探头、测试探头与示波器6之间，用于对入射波和振动波进行能量放大。示波器6的型号为Tektronix MSO64，连接信号发生器3和信号放大模块，用于显示入射波和振动波。
上述结构中，信号放大模块包括高压放大器4-1和电压放大器4-2，高压放大器4-1型号为MX200，电压放大器4-2的型号为PXPA3；测试探头包括激励探头5-1和接收探头5-2，激励探头5-1的型号为Fuji AE1045SW，接收探头5-2的型号为Fuji AE1045SW。高压放大器4-1的输入端与信号发生器3连接，用于将入射波的能量放大，激励探头5-1与高压放大器4-1的输出端连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块1的表面。接收探头5-2与电压放大器4-2的输入端连接，用于接收待检测混凝土试块1中传输后的振动波。信号发生器3、高压放大器4-1和电压放大器4-2的输出端均与示波器6连接，示波器6用于显示信号发生器3产生的入射波、经高压放大器4-1放大后的入射波和经电压放大器4-2放大后的振动波。
本实施例中，楔块2设置有四个，固定于待检测混凝土试块1的底部，激励探头5-1和接收探头5-2均设置有两个，间隔布置且固定于楔块2表面。各激励探头与信号发生器之间均设有一个高压放大器，各接收探头与示波器之间均设有一个电压放大器。楔块5为斜楔块，包括斜楔和滑块，滑块固定于待检测混凝土试块1的底部，激励探头5-1、接收探头5-2均固定于斜楔表面，斜楔和滑块配合使用。
一种混凝土内部三维成像方法，包括如下几个步骤：
S1.垂直于水下待检测混凝土试块的表面放置24只换能器；其中，12只换能器激励瑞利波，12只换能器接收瑞利波，，布置方式为交替布置或随机布置(如图1-2所示)。
S2.各换能器激励信号的波形为：
Figure BDA0003664675600000051
其中，N为正弦波周期数，f为激励频率，t为时间；调节激励频率f，根据已知的瑞利波速度c，计算瑞利波的波长λ＝c/f。激励频率f在信号发生器中调节，电压的振动频率即为激励频率。
S3.对混凝土内部一点，计坐标(x，y，z)；其中，z为深度方向；瑞利波的影响深度主要集中在1/3波长范围内(如图3所示)，因此计瑞利波沿z方向上的影响深度L＝λ/3。在深度L上，进行xy面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达聚焦点(x0，y0)；图4为波束逐点聚焦示意图。
将激励器依次编号为1至8，计第一个激励器激发的时刻为t0，第i个激励器的坐标为(xi，yi)，则第i个激励器的激发时刻为t0+Δti；其中，Δti的计算方式如下：
Figure BDA0003664675600000052
S4.将12只接收器的接收信号进行平移，第一只接收器的信号不平移，第i只接收器的信号平移Δti，将平移后的8条信号叠加，得到(x0，y0，L)处的检测信号；当聚焦点存在构造物或损伤时，会引起回弹波，回弹波在各平移后的信号中将处于同一相位，通过将平移后的信号叠加，可以放大损伤引起的回波；否则，接收信号中为噪声，通过平移后噪声相互叠加，不会产生明显的放大效果(如图5-6所示)。
将叠加后的检测信号最大峰值记为(x0，y0，L)处的损伤程度D，从而生成混凝土内部三维成像。
S5.改变聚焦点坐标(x0，y0)，历遍L深度处的混凝土结构各点；改变S2中的激励频率f，重复步骤S2-3，获得混凝土内部任意一点的损伤程度矩阵D(x0，y0，L)。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，包括：待检测混凝土试块、超声相控阵列、连接部和检测装置；
所述连接部为楔块，多个所述楔块固定于待检测混凝土试块的底部，所述检测装置通过楔块与待检测混凝土试块连接；所述超声相控阵列固定于待检测混凝土试块的表面，包括多个换能器，多个所述换能器呈圆形或十字形排列，各所述换能器激励瑞利波或接收瑞利波；
所述检测装置包括信号发生器、测试探头、信号放大模块和示波器；所述信号发生器用于产生激励信号，形成入射波；多个所述测试探头固定于楔块表面，且通过排线与信号发生器、示波器连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块表面，形成振动波并输出给示波器；多个所述信号放大模块设置在信号发生器与测试探头、测试探头与示波器之间，用于对入射波和振动波进行能量放大；所述示波器连接信号发生器和信号放大模块，用于显示入射波和振动波。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述信号放大模块包括高压放大器和电压放大器，所述高压放大器的输入端与信号发生器连接，用于将入射波的能量放大；所述电压放大器的输入端连接测试探头，用于将振动波的能量放大。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述测试探头包括激励探头和接收探头；所述激励探头与高压放大器的输出端连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块的表面；所述接收探头与电压放大器的输入端连接，用于接收待检测混凝土试块中传输后的振动波。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述信号发生器、高压放大器和电压放大器的输出端均与示波器连接，所述示波器用于显示信号发生器产生的入射波、经高压放大器放大后的入射波和经电压放大器放大后的振动波。
5.根据权利要求4所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述楔块设置有四个，固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头和接收探头均设置有两个，间隔布置且固定于楔块表面；各所述激励探头与信号发生器之间均设有一个高压放大器，各所述接收探头与示波器之间均设有一个电压放大器。
6.根据权利要求5所述的一种水下混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述楔块为斜楔块，包括斜楔和滑块，所述滑块固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头、接收探头均固定于斜楔表面，所述斜楔和滑块配合使用。
7.一种混凝土内部三维成像方法，基于如权利要求1-6所述的任意一种水下混凝土内部三维成像系统，其特征在于，包括如下几个步骤：
S1. 垂直于水下待检测混凝土试块的表面放置24只换能器；其中，12只换能器激励瑞利波，12只换能器接收瑞利波；
S2. 各换能器激励信号的波形为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，N为正弦波周期数，f为激励频率，t为时间；调节激励频率f，根据已知的瑞利波速度c，计算瑞利波的波长λ=c/f；
S3. 对混凝土内部一点，计坐标（x，y，z）；其中，z为深度方向；瑞利波的影响深度主要集中在1/3波长范围内，因此计瑞利波沿z方向上的影响深度L=λ/3；
在深度L上，进行xy面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达聚焦点(x0，y0)；将激励器依次编号为1至8，计第一个激励器激发的时刻为t0，第i个激励器的坐标为（xi，yi），则第i个激励器的激发时刻为t0+Δti；其中，Δti的计算方式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
S4. 将12只接收器的接收信号进行平移，第一只接收器的信号不平移，第i只接收器的信号平移Δti，将平移后的8条信号叠加，得到(x0，y0，L)处的检测信号；当聚焦点存在构造物或损伤时，会引起回弹波，回弹波在各平移后的信号中将处于同一相位，通过将平移后的信号叠加，可以放大损伤引起的回波；
将叠加后的检测信号最大峰值记为(x0，y0，L)处的损伤程度D；
S5. 改变聚焦点坐标（x0，y0），历遍L深度处的混凝土结构各点；改变S2中的激励频率f，重复步骤S2-3，获得混凝土内部任意一点的损伤程度矩阵D（x0，y0，L），从而生成混凝土内部三维成像。
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