CN115479530B - 一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，将混凝土内埋藏的被检钢筋脉冲涡流检测的感应电压时域信号绘制于双对数坐标系下，对检测信号起始直线段进行直线拟合；然后将感应电压曲线与拟合直线作比，提取感应电压衰减到拟合直线70％的分离点时间作为检测特征量，来确定混凝土内埋藏钢筋的直径；并通过与被检钢筋同批次的标准钢筋检测信号，对特征量进行标定，消除钢筋电磁参数对直径检测结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种检测混凝土内埋藏钢筋直径的脉冲涡流检测方法。
背景技术
在建筑领域，钢筋混凝土由于其优秀的耐压强度和抗拉强度而得到广泛应用，建筑物的结构稳定性及力学性能受混凝土中钢筋的公称直径、位置、数量以及保护层厚度影响，在评估施工质量、预测建筑物寿命等方面非常重要，因此需要对钢筋混凝土的参数进行检测和评估。
目前在建筑领域中，常用电磁感应法检测混凝土中钢筋的参数，电磁感应法检测钢筋可以采用直流、正弦交流、脉冲信号等激励方式，在目标区域内产生磁场使钢筋磁化，从而在钢筋内部产生涡流，进而产生二次磁场，通过传感器检测磁场的扰动估算钢筋参数。目前常见的检测设备已经可以对钢筋的位置和保护层厚度进行测量，但由于缺少直接的电磁场理论研究，仍不能准确测量钢筋直径。
脉冲涡流法是一种非接触的电磁无损检测方法。激励线圈通入脉冲激励电流，产生脉冲强磁场，变化的磁场在钢筋内感应出瞬态涡流场，此涡流场又在检测线圈两端感应出电压信号。通过测量感应电压的衰减过程，来确定钢筋的位置，检测钢筋的直径。脉冲涡流法施加的是脉冲激励，可产生瞬态强磁场，其最大的优势是穿透能力强，对钢筋直径、钢筋外混凝土厚度等参数的变化检测灵敏度更高。且混凝土为非导电和非导磁材料，不会干扰脉冲涡流场的分布和检测信号。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，可准确无损地对混凝土内埋藏的钢筋进行定位和直径检测。
本发明检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，具体步骤如下：
步骤一：标准钢筋电磁常数的标定
选取与被检钢筋同规格的钢筋作为标准钢筋，利用信号特征量对钢筋电磁常数值进行标定：
A、设计环形跑道形线圈探头，置于标准钢筋正上方，对标准钢筋实施脉冲涡流检测，采集得到的标准钢筋感应电压时域信号u0(t)存储于计算机，由计算机将标准钢筋感应电压时域信号u0(t)绘制在双对数坐标系中，得到绘制于双对数坐标系中的感应电压测量曲线ulog0(t)。
B、对步骤A中得到的感应电压测量曲线上起始直线段进行最小二乘法直线拟合，得到双对数坐标系下起始段感应电压拟合直线。
C、将感应电压测量曲线与拟合直线作比，确定感应电压衰减到拟合直线x％的时间点，定义为分离点时间T0；将T0作为标准钢筋的检测特征量，与标准钢筋的直径d0的平方成正比关系：
式中，C0为与钢筋电导率、磁导率两个电磁参数相关的常数。
D、根据上式，依据标准钢筋的检测特征量T0对钢筋电磁常数C0进行标定：
步骤二：确定待检测钢筋的位置。
步骤三：被检钢筋直径的检测
本发明采用分离点时间信号特征量Tj来确定被检钢筋的直径变化，具体步骤如下：
步骤1：当线圈探头位于第j根被检钢筋上方时，检测线圈两端感应电压时域信号uj(t)，绘制在双对数坐标系中，得到第j根被检钢筋的感应电压测量曲线ulogj(t)。
步骤2：利用直线方程uLj＝kjlog10t+aj对第j根被检钢筋感应电压测量曲线上起始直线段进行最小二乘法拟合；然后将感应电压曲线与拟合直线作比ulogj(t)/uLj(t)，提取感应电压衰减到拟合直线x％的分离时间点Tj作为特征量存储于计算机中。
步骤3：根据式(1)，依据分离时间点检测特征量Tj解析出第j根被检钢筋的直径：
代入步式(2)所示标定的钢筋电磁常数C0，计算出第j根被检钢筋的直径：
本发明优点在于：
1、本发明检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，实现混凝土内埋藏钢筋的直径的准确无损检测，穿透能力更强；且根据各信号特征量与被检钢筋电磁参数、直径之间的定量关系，利用信号特征量可准确解析出被检钢筋的电磁参数、直径等信息。
2、本发明检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，将混凝土内埋藏的被检钢筋脉冲涡流检测的感应电压时域信号绘制于双对数坐标系下，对检测信号起始直线段进行直线拟合，然后提取分离时间点为检测特征量。检测信号在双对数坐标系下直线段的特征明显，容易判断，特征量的提取易于操作；提取过程只须对双对数坐标系下信号曲线进行简单的直线拟合，信号处理速度快，能加快混凝土内埋藏钢筋脉冲涡流连续扫查的检测速度。
3、本发明检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，削弱了被检钢筋电磁参数造成的检测结果误差。不同牌号的被检钢筋的电导率、磁导率数值大小存在差异。本发明中选取与被检钢筋同规格、同批次的钢筋作为标准钢筋，利用信号特征量对钢筋电磁参数进行标定，然后利用标定后的电磁参数值计算得到被检钢筋的直径。检测过程中并未使用电导率、磁导率的绝对数值，它可以是一个未知的参数，保证了直径检测结果可不受被检钢筋电磁参数的影响，从而提高该方法现场应用时的检测精度。
附图说明
图1是脉冲涡流电磁无损检测系统的结构图。
图2是跑道型线圈探头的剖面结构图。
图3是钢筋直径脉冲涡流检测流程图。
图4是本发明的感应电压检测信号直线段检测特征量的提取曲线图。
图5是采用本发明方法对不同直径钢筋的感应电压检测信号提取的检测特征量对比图。
图6是感应电压的差值曲线图。
图7是不同探头偏心距离下脉冲涡流检测信号曲线图。
图中：
1-线圈探头 2-计算机 3-DA数模转换器 4-功率放大电路
5-数据采集卡 101-线圈骨架 102-激励线圈 103-检测线圈
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，实现过程中所用到脉冲涡流电磁无损检测系统，本发明基于信号特征量提取的钢筋位置和直径脉冲涡流检测方法，实现过程中所用到脉冲涡流电磁无损检测系统进行感应电压时域信号采集。脉冲涡流电磁无损检测系统包括线圈探头1、计算机2、DA数模转换器3、功率放大电路4和数据采集卡5。其中，线圈探头1为环形跑道形，用于进行连续扫查时获取感应电压时域信号，并发送给计算机2进行存储。线圈探头1由线圈骨架101、激励线圈102和检测线圈103组成；线圈骨架101横截面为环形跑道型，其直道长度约等于2倍的弯道半径。线圈骨架101设置在激励线圈102的中心部位，激励线圈102的外部为检测线圈103；或者线圈骨架101设置在检测线圈103的中心部位，检测线圈103的外部为激励线圈102。计算机2能够实现信号采集、处理、结果显示、数据存储等功能，对接收的离散信号数据进行处理，获得混凝土内钢筋的位置和直径等信息。钢筋可以是常见的圆钢或者螺纹钢筋，埋藏于混凝土内。功率放大器用来实现信号放大。数据采集卡5用来采集检测线圈103两端的感应电压时域信号。DA数模转换器3用来将计算机输出的激励数字信号转变成模拟信号。
上述脉冲涡流检测系统进行感应电压时域信号采集步骤为：
1、将线圈探头1中激励线圈102的两端接功率放大电路的输出端，检测线圈103的两端接数据采集卡5中AD模数转换器的输入端。
2、由计算机2输出持续脉宽为10～1000ms，幅值为0.1～1V的激励数字信号；经DA数模转换器3后，变成持续脉宽为10～1000ms，幅值为0.1～1V的激励模拟信号，输出给功率放大电路4；经功率放大电路4放大功率后，输出持续脉宽为10～1000ms，幅值为0.1～10A的脉冲激励电流给激励线圈102；同时，通过数据采集卡5采集检测线圈103两端的感应电压时域信号u(t)，单位V，并将采集得到的感应电压时域信号u(t)存储到计算机2内。
上述脉冲涡流检测系统进行钢筋位置和直径脉冲涡流检测方法，如图3所示，具体步骤如下：
步骤一：标准钢筋电磁常数的标定
在本发明中，计算机对标准钢筋感应电压时域信号u0(t)进行分析，利用脉冲涡流检测信号特征量对钢筋电磁参数进行标定的过程，称为电磁参数标定步骤，Electromagnetic Parameter Calibration Procedure，EPCP。一般而言，相同牌号、相同批次的钢筋，金属微观组织接近，其电导率σ和磁导率μ数值接近。因此，本发明中选取与被检钢筋同规格的钢筋作为标准钢筋，利用信号特征量对钢筋电磁常数值进行标定，具体如下：
EPCP-1：将线圈探头1置于标准钢筋正上方，让线圈探头1的长道方向沿标准钢筋轴线方向放置，使线圈探头1偏心距离(线圈探头1的长道方向中轴线偏离钢筋轴线的距离)为0，并使线圈探头1底面与标准钢筋表面的距离保持为实际混凝土层厚度h，保证检测过程中探头和钢筋距离相对稳定。
步骤EPCP-2：利用脉冲涡流电磁无损检测系统对标准钢筋实施脉冲涡流检测，按照SAP步骤采集得到的标准钢筋感应电压时域信号u0(t)，存储在计算机2中，由计算机2将标准钢筋感应电压时域信号u0(t)绘制在双对数坐标系中，如图4所示，双对数坐标系中横轴表示对检测时间取以10为底的对数，即log10t，单位ms，纵坐标表示对感应电压取以10为底的对数，即log10(u0(t))，单位V，最终得到绘制于双对数坐标系中的感应电压测量曲线ulog0(t)。
步骤EPCP-3：对步骤EPCP-2中得到的感应电压测量曲线上起始直线段(起始段信号随时间以幂函数方式衰减，绘制于双对数坐标系中表现为一段直线。)，进行最小二乘法直线拟合，如图4所示，得到双对数坐标系下起始段感应电压拟合直线。
uL0＝k0log10t+a0 (1)
步骤EPCP-4：将感应电压测量曲线与拟合直线作比ulog(t)/uL(t)，如图4所示，找到感应电压衰减到拟合直线70％(该值可以从10％-80％区间任意选取)的时间点，定义为分离点时间T0，即
ulog(T0)/uL(T0)＝0.7 (2)
上述分离点时间T0作为标准钢筋的检测特征量，与标准钢筋的直径d0的平方成正比关系：
式(3)中，C0为与钢筋电导率、磁导率两个电磁参数相关的常数，定义为钢筋电磁常数；当钢筋材质相同时，钢筋电磁常数C0为固定参数。
步骤EPCP-5：根据式(3)，可依据标准钢筋的检测特征量T0对钢筋电磁常数C0进行标定：
步骤二：确定待检测钢筋的位置
当不确定混凝土内埋藏的钢筋的位置时，需要利用脉冲涡流连续扫查检测信号确定钢筋的实际位置。具体步骤如下：
步骤1：通过设计图或者施工经验确定建筑物中主体钢筋的走向，使线圈探头1的长道方向沿钢筋轴线方向放置，以跑道型线圈探头1的半径r为步长设置检测点，由线圈探头1在混凝土外层沿埋藏钢筋垂直方向，朝一个方向进行连续脉冲涡流扫查。
步骤2：对每一检测点实施一次前述感应电压时域信号采集步骤，得到各个检测点处的感应电压时域信号。
步骤3：设时间段t内相邻三个检测点中，中间检测点采集到的感应电压时域信号为um(t)，前一检测点感应电压时域信号为um-1(t)，后一检测点感应电压时域信号为um+1(t)。在线性坐标系中绘制感应电压的差值曲线um(t)-um-1(t)，并确定差值曲线的峰值时刻t0，如图5所示；随后分别提取相邻三个检测点的感应电压时域信号在t0时刻的电压幅值为Vm-1、Vm和Vm+1，作为对应的信号特征量存储到主机内，如图6所示，为不同探头偏心距离下脉冲涡流检测信号曲线图。
步骤4：如果信号特征量同时满足Vm>Vm-1和Vm>Vm+1，则说明中间检测点位于被检钢筋正上方，将感应电压时域信号um(t)和当前点的位置信息存储于计算机中，然后实施步骤三，利用信号特征量确定被检钢筋的直径；否则，继续执行步骤二，在混凝土外实施连续脉冲涡流扫查检测。
步骤三：被检钢筋直径的检测
本发明采用分离点时间信号特征量Tj来确定被检钢筋的直径变化，具体步骤如下：
步骤1：当线圈探头位于第j根被检钢筋上方时，检测线圈两端感应电压时域信号uj(t)，绘制在双对数坐标系中，得到第j根被检钢筋的感应电压测量曲线ulogj(t)。
步骤2：按照EPCP-3和EPCP-4步骤，利用直线方程uLj＝kjlog10t+aj对第j根被检钢筋感应电压测量曲线上起始直线段进行最小二乘法拟合；然后将感应电压曲线与拟合直线作比ulogj(t)/uLj(t)，提取感应电压衰减到拟合直线70％的分离时间点Tj作为特征量存储于计算机内存中。
步骤3：根据式(3)，可依据分离时间点检测特征量Tj解析出第j根被检钢筋的直径：
代入步骤EPCP中式(4)所示标定的钢筋电磁常数C0，计算出第j根被检钢筋的直径：
计算出第j根被检钢筋的直径后，将直径检测结果与钢筋的位置信息对应起来，保存到计算机中。
实施例1
下面给出一个用本发明中提取的双对数坐标系下信号特征量对钢筋直径实施脉冲涡流检测的实例。
现有直径分别为21.7mm、31.5mm、38.7mm的3根螺纹钢筋。将直径为21.7mm的钢筋作为标准钢筋用于钢筋电磁常数C0的标定，记为Q0；将31.5mm和38.7mm的钢筋作为被检测钢筋，分别记为Q1和Q2。线圈探头下沿与被检测钢筋表面的提离距离为25.0mm。
按照本发明提出的SAP步骤对3根钢筋实施脉冲涡流检测，得到双对数坐标系下感应电压时域检测信号如图7所示，采样率为50kS/s。然后按照EPCP步骤，对标准钢筋Q0的检测信号起始直线段进行直线拟合，提取分离点时间T0作为检测信号的检测特征量，利用其信号特征对钢筋电磁常数C0进行标定。在完成标定后，再根据步骤三检测被测钢筋的直径。对3根钢筋的检测信号起始直线段进行直线拟合得到三条直线如图7所示，图7中三条曲线的分离时间点分别为T0＝0.0191ms，T1＝0.0363ms，T2＝0.0552ms。利用得到的检测特征量，代入式(6)中，可求得1号被检测钢筋直径为：2号被检测钢筋直径为：/>实际上两根被测钢筋的直径分别为31.5mm、38.7mm。因此检测结果的相对误差分别为：ε1＝(31.5-30.0)/31.5＝4.76％，ε2＝(38.7-36.9)/38.7＝4.65％，误差均小于5％。可见利用本发明中检测特征量检测钢筋直径，可以准确识别被检钢筋的直径规格，满足实际工程应用中的精度要求，验证了本发明中方法检测钢筋直径的可行性和可靠行。
Claims (6)
1.一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，其特征在于：步骤设计为：
步骤一：标准钢筋电磁常数的标定
选取与被检钢筋同规格的钢筋作为标准钢筋，利用信号特征量对钢筋电磁常数值进行标定：
A、设计环形跑道形线圈探头，置于标准钢筋正上方，对标准钢筋实施脉冲涡流检测，采集得到的标准钢筋感应电压时域信号u0(t)存储于计算机，由计算机将标准钢筋感应电压时域信号u0(t)绘制在双对数坐标系中，得到绘制于双对数坐标系中的感应电压测量曲线ulog0(t)；
B、对步骤A中得到的感应电压测量曲线上起始直线段进行最小二乘法直线拟合，得到双对数坐标系下起始段感应电压拟合直线；
C、将感应电压测量曲线与拟合直线作比，确定感应电压衰减到拟合直线x％的时间点，定义为分离点时间T0；将T0作为标准钢筋的检测特征量，与标准钢筋的直径d0的平方成正比关系：
式中，C0为与钢筋电导率、磁导率两个电磁参数相关的常数；
D、根据上式，依据标准钢筋的检测特征量T0对钢筋电磁常数C0进行标定：
步骤二：确定待检测钢筋的位置；
步骤三：被检钢筋直径的检测
本发明采用分离点时间信号特征量Tj来确定被检钢筋的直径变化，具体步骤如下：
步骤1：当线圈探头位于第j根被检钢筋上方时，检测线圈两端感应电压时域信号uj(t)，绘制在双对数坐标系中，得到第j根被检钢筋的感应电压测量曲线ulogj(t)；
步骤2：利用直线方程uLj＝kj log10t+aj对第j根被检钢筋感应电压测量曲线上起始直线段进行最小二乘法拟合；然后将感应电压曲线与拟合直线作比ulogj(t)/uLj(t)，提取感应电压衰减到拟合直线x％的分离时间点Tj作为特征量存储于计算机中；
步骤3：根据式(1)，依据分离时间点检测特征量Tj解析出第j根被检钢筋的直径：
代入步式(2)所示标定的钢筋电磁常数C0，计算出第j根被检钢筋的直径：
。
2.如权利要求1所述一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，其特征在于：步骤1中，线圈探头的长道方向沿标准钢筋轴线方向放置，使线圈探头长道方向中轴线偏离钢筋轴线的距离为0，并使线圈探头底面与标准钢筋表面的距离保持为实际混凝土层厚度。
3.如权利要求1所述一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，其特征在于：步骤1中，x在10％-80％区间任意选取。
4.如权利要求1所述一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，其特征在于：步骤二中，待检测钢筋的位置确定方法为：
a、采用线圈探头的长道方向沿钢筋轴线方向放置，以跑道型线圈探头的半径r为步长设置检测点，由线圈探头在混凝土外层沿埋藏钢筋垂直方向，朝一个方向进行连续脉冲涡流扫查；
b、采集每一检测点的感应电压时域信号；
c、设时间段t内相邻三个检测点中，中间检测点采集到的感应电压时域信号为um(t)，前一检测点感应电压时域信号为um-1(t)，后一检测点感应电压时域信号为um+1(t)；在线性坐标系中绘制感应电压的差值曲线um(t)-um-1(t)，并确定差值曲线的峰值时刻t0；随后分别提取相邻三个检测点的感应电压时域信号在t0时刻的电压幅值为Vm-1、Vm和Vm+1，作为对应的信号特征量存储到计算机内；
d、若信号特征量同时满足Vm>Vm-1和Vm>Vm+1，则表示中间检测点位于被检钢筋正上方，否则，返回步骤a，在混凝土外实施连续脉冲涡流扫查检测。
5.如权利要求1所述一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，其特征在于：线圈探头直道长度约等于2倍的弯道半径，包括线圈骨架、激励线圈和检测线圈；线圈骨架设置在激励线圈的中心部位，激励线圈102的外部为检测线圈；或者线圈骨架设置在检测线圈的中心部位，检测线圈的外部为激励线圈。
6.如权利要求1所述一种检测钢筋直径的脉冲涡流信号特征量提取方法，其特征在于：感应电压时域信号采集方法为：
(1)将线圈探头中激励线圈的两端接功率放大电路的输出端，检测线圈的两端接数据采集卡中AD模数转换器的输入端；
(2)由计算机输出持续脉宽为10～1000ms，幅值为0.1～1V的激励数字信号；经DA数模转换器后，变成持续脉宽为10～1000ms，幅值为0.1～1V的激励模拟信号，输出给功率放大电路；经功率放大电路放大功率后，输出持续脉宽为10～1000ms，幅值为0.1～10A的脉冲激励电流给激励线圈；同时，通过数据采集卡采集检测线圈两端的感应电压时域信号u(t)，并将采集得到的感应电压时域信号u(t)存储到计算机内。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3535117C1 (de) * | 1985-10-02 | 1986-12-18 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München | Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen von in nichtmagnetischen Materialien verlegten ferromagnetischen Gegenstaenden |
| WO1990006488A1 (en) * | 1988-12-08 | 1990-06-14 | Protovale (Oxford) Limited | Instrument for measuring reinforcing bars |
| CN104266579A (zh) * | 2014-10-08 | 2015-01-07 | 北京航空航天大学 | 一种对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法 |
| CN113251911A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-13 | 浙江浙能技术研究院有限公司 | 一种基于电磁涡流检测的无接触式球形金属导体特性参数测量方法 |
-
2022
- 2022-08-16 CN CN202210981998.2A patent/CN115479530B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 脉冲涡流无损检测系统的设计及应用;陈建明;白利芳;彭辉;;技术与市场;20170115(第01期);71 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115479530A (zh) | 2022-12-16 |
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