CN118150692B - 一种混凝土缺陷检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混凝土检测领域，尤其涉及一种混凝土缺陷检测方法及系统，本发明将混凝土表面划分为若干区域，对各区域进行超声波测试，计算超声波信号稳定性表征值，划分信号反馈类别，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，包括，敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷，或，对混凝土表面各区域进行硬度测试，计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，敲击混凝土表面各区域获取振动信号，计算缺陷强度表征值，识别缺陷区域，本发明通过划分信号反馈类别，对混凝土缺陷检测采取不同的方式，提高了混凝土检测的可靠性。

Description

一种混凝土缺陷检测方法及系统
技术领域
本发明涉及混凝土检测领域，尤其涉及一种混凝土缺陷检测方法及系统。
背景技术
混凝土缺陷检测是确保混凝土结构安全和耐用性的重要环节。混凝土在施工过程中可能会因为多种原因产生缺陷，这些缺陷如果不被及时发现和处理，可能会影响结构的完整性和使用寿命。
中国专利公开号：CN116448763A，公开了一种混凝土缺陷智能检测系统及方法。系统包括相互配合的移动式检测装置和自行走自定位投影装置。所述移动式检测装置包括第一行走模块，第一定位模块，第一通信模块和检测模块，可实现缺陷的近距离智能检测；所述自行走自定位投影装置包括第二行走模块，第二定位模块，第二通信模块和标识模块，可实现缺陷自动标识和快速定位；上述两个装置通过通信模块实现信息交互。所述系统和方法避免了传统混凝土缺陷检测工作中人工检测方式在识别、标记和检测等工序上所存在的操作困难等问题，为混凝土缺陷检测提供了便利。
但是，现有技术中还存在以下问题，
现有技术中，未考虑混凝土内部均匀性的问题，通过判断混凝土内部是否均匀，可以对混凝土是否存在缺陷进行初次判断，从而对混凝土缺陷检测选择不同的检测方式，由于未考虑混凝土内部均匀性的问题，且对混凝土缺陷的检测方式过于单一，造成对混凝土缺陷的检测可靠性较低。
发明内容
为此，本发明提供一种混凝土缺陷检测方法及系统，用以克服现有技术中，未考虑混凝土内部均匀性的问题，且对混凝土缺陷的检测方式过于单一，造成对混凝土缺陷的检测可靠性较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种混凝土缺陷检测方法，其包括：
步骤S1，将混凝土表面划分为若干区域，对各区域通过超声波检测仪进行超声波测试，根据超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值；
步骤S2，根据所述超声波信号稳定性表征值划分信号反馈类别；
步骤S3，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，包括，
以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
或，对混凝土表面各区域进行硬度测试，通过图像采集单元获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像，以计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面各区域获取振动信号，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域。
进一步地，所述步骤S1中，根据公式（1）计算超声波信号稳定性表征值，
公式（1）中，W表示超声波信号稳定性表征值，fi表示第i区域超声波信号的频率，fe表示超声波信号的平均频率，Ai表示第i区域超声波信号的幅值，Ae表示超声波信号的平均幅值，n表示区域数量，n为大于1的正整数。
进一步地，所述步骤S2中，将所述超声波信号稳定性表征值与预设超声波信号稳定性表征值对比阈值进行对比，
若所述超声波信号稳定性表征值大于预设超声波信号稳定性表征值对比阈值，则划分信号反馈类别为非稳定信号类别；
若所述超声波信号稳定性表征值小于或等于预设超声波信号稳定性表征值对比阈值，则划分信号反馈类别为稳定信号类别。
进一步地，所述步骤S3中，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，
若信号反馈类别为稳定信号类别，则以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
若信号反馈类别为非稳定信号类别，则对混凝土表面各区域进行硬度测试，通过图像采集单元获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像，计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面各区域获取振动信号，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域。
进一步地，所述步骤S3中，提取音频信号中音频频率，将音频频率与预设音频频率对比阈值进行对比，
若音频频率小于预设音频频率对比阈值，则判定混凝土存在缺陷。
进一步地，所述步骤S3中，对混凝土表面进行硬度测试的过程包括，
在混凝土表面各区域持续预设时长施加预设压力。
进一步地，所述步骤S3中，根据公式（2）计算缺陷强度表征值，
公式（2）中，E表示缺陷强度表征值，P表示各区域图像的相似性，P0表示预设相似性阈值，Az表示各区域振动信号的幅值，Az0表示预设振动信号的幅值阈值。
进一步地，所述步骤S3中，将各区域缺陷强度表征值与预设缺陷强度表征值对比阈值进行对比，
若区域的缺陷强度表征值小于预设缺陷强度表征值对比阈值，则识别所述区域为缺陷区域。
进一步地，所述步骤S1中，将混凝土表面划分为若干区域，其中，各区域大小相等。
进一步地，一种混凝土缺陷检测系统，包括，
数据采集模块，包括用以获取超声波信号的超声波检测仪，用以获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像的图像采集单元，用以获取振动信号的振动检测单元；
分类模块，其与所述数据采集模块连接，用以根据超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值，根据所述超声波信号稳定性表征值划分信号反馈类别；
分析模块，其分别与所述数据采集模块以及分类模块连接，包括音频分析单元以及图像分析单元，
所述音频分析单元用以根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
所述图像分析单元用以计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域。
与现有技术相比，本发明将混凝土表面划分为若干区域，对各区域进行超声波测试，计算超声波信号稳定性表征值，划分信号反馈类别，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，包括，敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷，或，对混凝土表面各区域进行硬度测试，计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，敲击混凝土表面各区域获取振动信号，计算缺陷强度表征值，识别缺陷区域，本发明通过划分信号反馈类别，对混凝土缺陷检测采取不同的方式，提高了混凝土检测的可靠性。
尤其，本发明通过超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值，在均匀的混凝土结构中，超声波信号的频率通常保持稳定，因为混凝土内部材料的均匀性导致超声波在整个结构中以相似的速度传播，从而产生稳定的频率，而在不均匀的混凝土结构中，由于存在空洞、裂缝或其他不均匀性，超声波传播的速度会发生变化，这会导致信号的频率发生变化，在均匀的混凝土结构中，超声波信号的幅值通常保持相对稳定，因为超声波能够以相似的强度传播并受到相似的衰减，在不均匀的混凝土结构中，当超声波遇到空洞或裂缝时，会发生反射或衍射，导致信号的幅值发生变化，通过获取超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值，可以对超声波内部均匀性作出较为可靠的表征，且为后续提供数据支持。
尤其，本发明通过音频信号判断混凝土是否存在缺陷，在混凝土内部均匀时，对混凝土表面进行敲击，可以获取音频信号，若混凝土内部存在缺陷，如，混凝土结构疏松，疏松的混凝土内部有空隙或气泡，敲击时声音会被这些空隙吸收或产生回音，导致声音频率降低，结构密实的混凝土内部没有明显的空隙或气泡，声音能够更好地传播，产生清晰的敲击声，声音频率较高，通过音频信号可以较为可靠的对混凝土是否存在缺陷作出可靠判断。
尤其，本发明通过各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，通过硬度测试前后各区域图像相似性，可以对混凝土结构是否疏松作出表征，当混凝土结构较为疏松时，其硬度较低，混凝土表面易通过施加压力而产生缺陷，当产生的缺陷越多时，硬度测试前后各区域图像相似性越低，而振动信号可以较为可靠的判断混凝土内部是否存在裂缝，空洞等缺陷，将各区域图像相似性和各区域振动信号结合，可提升对混凝土检测的准确性，使混凝土检测结果更可靠。
附图说明
图1为发明实施例的混凝土缺陷检测方法步骤图；
图2为发明实施例的划分信号反馈类别逻辑判定图；
图3为发明实施例的混凝土是否存在缺陷逻辑判定图；
图4为发明实施例的混凝土缺陷检测系统结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
请参阅图1-图4所示，图1为发明实施例的混凝土缺陷检测方法步骤图，图2为发明实施例的划分信号反馈类别逻辑判定图，图3为发明实施例的混凝土是否存在缺陷逻辑判定图，图4为发明实施例的混凝土缺陷检测系统结构图，本发明的混凝土缺陷检测方法，包括：
步骤S1，将混凝土表面划分为若干区域，对各区域通过超声波检测仪进行超声波测试，根据超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值；
步骤S2，根据所述超声波信号稳定性表征值划分信号反馈类别；
步骤S3，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，包括，
以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
或，对混凝土表面各区域进行硬度测试，通过图像采集单元获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像，以计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面各区域获取振动信号，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域。
具体而言，本发明对超声波检测仪的具体结构不作限定，包括超声波发射器以及超声波接收器，可以获取超声波信号，此为现有技术，不再赘述。
具体而言，本发明对图像采集单元的具体结构不作限定，可以为工业CCD相机，其可以获取混凝土表面图像，此为现有技术，不再赘述。
具体而言，本发明对获取振动信号的具体方式不作限定，可以选用振动传感器，此为现有技术，不再赘述。
具体而言，本发明对获取音频信号的具体方式不作限定，可以选用音频采集设备获取音频信号，此为现有技术，不再赘述。
具体而言，本发明通过图像分析软件获取图像相似性，可以选用MATLAB，此为现有技术，不再赘述。
具体而言，所述步骤S1中，根据公式（1）计算超声波信号稳定性表征值，
公式（1）中，W表示超声波信号稳定性表征值，fi表示第i区域超声波信号的频率，fe表示超声波信号的平均频率，Ai表示第i区域超声波信号的幅值，Ae表示超声波信号的平均幅值，n表示区域数量，n为大于1的正整数。
具体而言，本发明通过超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值，在均匀的混凝土结构中，超声波信号的频率通常保持稳定，因为混凝土内部材料的均匀性导致超声波在整个结构中以相似的速度传播，从而产生稳定的频率，而在不均匀的混凝土结构中，由于存在空洞、裂缝或其他不均匀性，超声波传播的速度会发生变化，这会导致信号的频率发生变化，在均匀的混凝土结构中，超声波信号的幅值通常保持相对稳定，因为超声波能够以相似的强度传播并受到相似的衰减，在不均匀的混凝土结构中，当超声波遇到空洞或裂缝时，会发生反射或衍射，导致信号的幅值发生变化，通过获取超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值，可以对超声波内部均匀性作出较为可靠的表征，且为后续提供数据支持。
具体而言，所述步骤S2中，将所述超声波信号稳定性表征值与预设超声波信号稳定性表征值对比阈值进行对比，
若所述超声波信号稳定性表征值大于预设超声波信号稳定性表征值对比阈值，则划分信号反馈类别为非稳定信号类别；
若所述超声波信号稳定性表征值小于或等于预设超声波信号稳定性表征值对比阈值，则划分信号反馈类别为稳定信号类别。
在本实施例中，预设超声波信号稳定性表征值对比阈值在[0.1,0.2]的范围内选取。
具体而言，所述步骤S3中，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，
若信号反馈类别为稳定信号类别，则以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
若信号反馈类别为非稳定信号类别，则对混凝土表面各区域进行硬度测试，通过图像采集单元获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像，计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面各区域获取振动信号，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域。
具体而言，所述步骤S3中，提取音频信号中音频频率，将音频频率与预设音频频率对比阈值进行对比，
若音频频率小于预设音频频率对比阈值，则判定混凝土存在缺陷。
在本实施例中，预设音频频率对比阈值Y0为实验预先测得，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击不存在缺陷的混凝土，进行若干次实验，计算平均音频频率Ye，设Y0=a×Ye，a为音频频率系数，0.9＜a＜1.1。
具体而言，本发明通过音频信号判断混凝土是否存在缺陷，在混凝土内部均匀时，对混凝土表面进行敲击，可以获取音频信号，若混凝土内部存在缺陷，如，混凝土结构疏松，疏松的混凝土内部有空隙或气泡，敲击时声音会被这些空隙吸收或产生回音，导致声音频率降低，结构密实的混凝土内部没有明显的空隙或气泡，声音能够更好地传播，产生清晰的敲击声，声音频率较高，通过音频信号可以较为可靠的对混凝土是否存在缺陷作出可靠判断。
具体而言，所述步骤S3中，对混凝土表面进行硬度测试的过程包括，
在混凝土表面各区域持续预设时长施加预设压力。
在本实施例中，预设时长在[10s，20s]的范围内选取，预设压力F0为实验预先测得，对不存在缺陷的混凝土表面施加不断增大的压力，直至混凝土表面出现缺陷，记录当前施加的压力值，进行若干次实验，获取平均压力值Fe，设F0=b×Fe，b为压力系数，0.8＜b＜0.9。
具体而言，对混凝土表面施加压力的具体方式不做限定，例如，可采用小型压力机或其他压力设备对混凝土表面施加可控的压力，此为现有技术，不再赘述。
具体而言，所述步骤S3中，根据公式（2）计算缺陷强度表征值，
公式（2）中，E表示缺陷强度表征值，P表示各区域图像的相似性，P0表示预设相似性阈值，Az表示各区域振动信号的幅值，Az0表示预设振动信号的幅值阈值。
在本实施例中，P0在[0.95,1]的范围内选取，Az0为实验预先测得，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击不存在缺陷的混凝土表面，获取平均振动幅值Aze，设Az0=c×Aze，c为振动幅值系数，0.9＜c＜1.1。
在本实施例中，预设敲击力度Fa=d×F0，d为敲击力度系数，0.3＜d＜0.5，预设敲击频率在[10s/次，20s/次]的范围内选取。
具体而言，本发明通过各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，通过硬度测试前后各区域图像相似性，可以对混凝土结构是否疏松作出表征，当混凝土结构较为疏松时，其硬度较低，混凝土表面易通过施加压力而产生缺陷，当产生的缺陷越多时，硬度测试前后各区域图像相似性越低，而振动信号可以较为可靠的判断混凝土内部是否存在裂缝，空洞等缺陷，将各区域图像相似性和各区域振动信号结合，可提升对混凝土检测的准确性，使混凝土检测结果更可靠。
具体而言，所述步骤S3中，将各区域缺陷强度表征值与预设缺陷强度表征值对比阈值进行对比，
若区域的缺陷强度表征值小于预设缺陷强度表征值对比阈值，则识别所述区域为缺陷区域。
在本实施例中，预设缺陷强度表征值对比阈值在[1.9,2]的范围内选取。
具体而言，所述步骤S1中，将混凝土表面划分为若干区域，其中，各区域大小相等。
具体而言，还提供混凝土缺陷检测系统，包括，
数据采集模块，包括用以获取超声波信号的超声波检测仪，用以获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像的图像采集单元，用以获取振动信号的振动检测单元；
分类模块，其与所述数据采集模块连接，用以根据超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值，根据所述超声波信号稳定性表征值划分信号反馈类别；
分析模块，其分别与所述数据采集模块以及分类模块连接，包括音频分析单元以及图像分析单元，
所述音频分析单元用以根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
所述图像分析单元用以计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域。
具体而言，本发明对分类模块以及分析模块的具体结构不作限定，可以由逻辑部件以及通信部件构成，通信部件用以收发数据，逻辑部件包括现场可编程部件、计算机以及计算机中的微处理器，此为现有技术，不再赘述。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混凝土缺陷检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，将混凝土表面划分为若干区域，对各区域通过超声波检测仪进行超声波测试，根据超声波信号的频率以及幅值计算超声波信号稳定性表征值；
步骤S2，根据所述超声波信号稳定性表征值划分信号反馈类别；
步骤S3，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，包括，
以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
或，对混凝土表面各区域进行硬度测试，通过图像采集单元获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像，以计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面各区域获取振动信号，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域；
所述步骤S1中，根据公式（1）计算超声波信号稳定性表征值，
；公式（1）中，W表示超声波信号稳定性表征值，fi表示第i区域超声波信号的频率，fe表示超声波信号的平均频率，Ai表示第i区域超声波信号的幅值，Ae表示超声波信号的平均幅值，n表示区域数量，n为大于1的正整数；
所述步骤S2中，将所述超声波信号稳定性表征值与预设超声波信号稳定性表征值对比阈值进行对比，
若所述超声波信号稳定性表征值大于预设超声波信号稳定性表征值对比阈值，则划分信号反馈类别为非稳定信号类别；
若所述超声波信号稳定性表征值小于或等于预设超声波信号稳定性表征值对比阈值，则划分信号反馈类别为稳定信号类别；
所述步骤S3中，根据信号反馈类别，选定对混凝土缺陷的检测方式，
若信号反馈类别为稳定信号类别，则以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面，获取音频信号，根据音频信号判断混凝土是否存在缺陷；
若信号反馈类别为非稳定信号类别，则对混凝土表面各区域进行硬度测试，通过图像采集单元获取硬度测试前混凝土表面图像以及硬度测试后混凝土表面图像，计算硬度测试前后混凝土表面图像中各区域图像相似性，以预设敲击力度以及预设敲击频率敲击混凝土表面各区域获取振动信号，根据各区域图像相似性结合各区域振动信号计算缺陷强度表征值，根据所述缺陷强度表征值识别缺陷区域；
所述步骤S3中，根据公式（2）计算缺陷强度表征值，
；公式（2）中，E表示缺陷强度表征值，P表示各区域图像的相似性，P0表示预设相似性阈值，Az表示各区域振动信号的幅值，Az0表示预设振动信号的幅值阈值。
2.根据权利要求1所述的混凝土缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，提取音频信号中音频频率，将音频频率与预设音频频率对比阈值进行对比，
若音频频率小于预设音频频率对比阈值，则判定混凝土存在缺陷。
3.根据权利要求1所述的混凝土缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，对混凝土表面进行硬度测试的过程包括，
在混凝土表面各区域持续预设时长施加预设压力。
4.根据权利要求1所述的混凝土缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，将各区域缺陷强度表征值与预设缺陷强度表征值对比阈值进行对比，
若区域的缺陷强度表征值小于预设缺陷强度表征值对比阈值，则识别所述区域为缺陷区域。
5.根据权利要求1所述的混凝土缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，将混凝土表面划分为若干区域，其中，各区域大小相等。
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