CN1828286A - 一种用超声波检测结构混凝土缺陷的定量判断并直观显示的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用超声波检测结构混凝土缺陷的定量判断并直观显示的方法。本发明利用计算机图形学和程序设计等方面的基础理论及实用技术，将超声波波形数字化，经过计算机分析处理，计算出有关参数数值，利用参数值寻求对应混凝土质量变化范围，再将参数值赋予模拟量，实现混凝土缺陷图形显示及定量分析，并逐步实现了混凝土缺陷检测的智能化和定量化。

Description

一种用超声波检测结构混凝土缺陷的定量判断并直观显示的方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土质量检测技术，具体地说，涉及一种用超声波检测结构混凝土缺陷的定量判断并直观显示的方法。

背景技术

组成混凝土的基本原材料是水泥、砂子和石子，在搅拌和浇筑、震捣过程中，都直接影响混凝土的质量。因此，每个操作环节都应按照标准规范进行，否则就会出现质量问题其内部可能存在不密实或孔洞，其外部形成蜂窝麻面、裂缝和损伤层等缺陷。这些缺陷的存在会影响结构的承载能力和耐久性。由于超声脉冲波的穿透力较强，尤其是用于检测混凝土，这一特点更为突出，而且超声检测设备较简单，操作较方便，所以广泛应用于结构混凝土缺陷检测。

但是，目前采用超声脉冲波检测混凝土缺陷技术，只是利用声脉冲在技术条件相同(混凝土原材料、配合比、龄期和测试距离一致)的混凝土中传播的速度、接收波的幅度和频率(又称三参数)，来判断混凝土的内部缺陷，这仅仅是一个定性的分析技术。若想判断内部缺陷性质、范围，以及推定强度变化区域就无能为力了。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种可实现混凝土缺陷图形显示及定量分析的超声波检测结构混凝土缺陷的方法。

本发明的技术方案是，一种用超声波检测结构混凝土缺陷的定量判断并直观显示的方法，其特征是由超声仪通过换能器采集结构混凝土缺陷超声信号，应用计算机图形学和程序设计技术，将混凝土缺陷区的超声信号波波形数字化，并由计算机计算出选定的超声波波形参数数值，由参数值的变化得到对应混凝土缺陷范围，通过不同混凝土质量所对应的参数特征值，实现混凝土缺陷定量分析，再将各参数值赋予模拟量，实现混凝土缺陷图形显示。

上述换能器频率范围在50～250kHz，2～5MHz采样频率为最佳频率。

上述超声波波形参数与混凝土质量的对应关系是：

①声时：超声波脉冲信号，通过被测混凝土所需时间，混凝土质量越好，通过的时间越短；

②声速：超声波在混凝土中传播的速度，混凝土质量越好，传播的速度越快；

③首波幅度：接收波第一个前半周波幅度即为首波幅度，首波幅度的大小可以反映超声波在混凝土中的衰减，混凝土质量好则衰减小，首波幅度就大；

④基波频率：是对超声波信号采样得到的数据进行傅里叶分析得到基波、二次谐波；超声波经过缺陷介质传播后，基波频率降低；

⑤基波幅度：即为基波频率分量的强度；

⑥基波相位：基波分量的相位角；同一超声波信号通过不同介质的物体传播时，到达接收端的基波相位不同；

⑦基波功率：功率谱反映了信号功率在频域内的分布情况，其中一次谐波的功率即为基波功率；

⑧最大相关值：两个信号在某个观测点的最大相似值即为最大相关值；

⑨相关和：两个信号在所有观测点的相关值加起来即为相关和；用来考察这两个信号波形在整体上的相似程度。

上述声速与混凝土强度间的测强曲线为：

$f_{\mathrm{cu}}^c=a\×v^b\×\mathrm{\η}$

式中：f_cu ^c-混凝土推定强度；

v-超声波声速；

a，b

a，b-回归系数；

η-修正系数。

上述各参数值赋予模拟量是指单一颜色深浅或不同颜色。

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1本发明方法示意图；

图2混凝土缺陷模拟图象显示图；

具体实施方式

由混凝土超声检测仪通过换能器采集超声波数据，超声仪产生高压脉冲作用于发射换能器压电晶片后，激励振动产生超声波脉冲，经过被测介质传播后由接收换能器接收下来，再经放大、滤波，送至A/D转换器的信号输入端。同时将发射脉冲整形延时，送至A/D转换板的同步触发信号输入端，采集到超声接收信号。

超声仪具有数据通讯接口，与计算机连接，实现接收波形的传输。

每个缺陷区是由多个超声测点的波形来描述的，而每幅波形又直接反映了该点混凝土质量。一幅接收波形采集1024个点，根据不同的采样频率其时间间隔不同。如采样频率为2MHz，相当于0.5μs[1μs＝10^-6s]采集一个点。选用灵敏度高、噪声信号小的换能器，其频率范围为50～100kHz，以2～5MHz采样频率为最佳频率。

采用波形信号处理系统软件，对所采集的数据或事先存于磁盘中的数据文件进行多种计算分析。该软件包括数据预处理、超声波传播速度计算、接收波的首波计算；信号的最大值、最小值和平均值计算；频谱分析、功率谱和相关分析等。为实时检测声速和首波幅度，软件设计有单向循环比较算法、双向循环比较算法，以及在屏幕上通过光标操作直接从采样波形上读取声速和首波幅度的方法。利用快速付里叶变换技术，可方便地获得频谱、功率谱、相关谱及接收波频率等计算。

将每个测点波形数据文件按检测的顺序拷贝到数据库中，该数据文件的排列与结构的测点布置一致，以满足缺陷模拟成象位置的准确性。

对每一个测点的波形，记录和分析了以下参数：

①声时：超声波脉冲信号，通过被测混凝土所需时间，符号用t表示，单位为微秒(μs)；混凝土质量越好，通过的时间越短。

②声速：超声波在混凝土中传播的速度，符号用v表示， $v=\frac{l}{t}$ 单位为千米/秒(km/s)；混凝土质量越好，传播的速度越快。

③首波幅度：接收波第一个前半周波幅度即为首波幅度，首波幅度的大小可以反映超声波在混凝土中的衰减，混凝土质量好则衰减小，首波幅度就大。其单位为分贝(dB)。

④基波频率：是对超声波信号采样得到的数据进行傅里叶分析，即采用变换式： $F\left(\mathrm{\ω}\right)=2\mathrm{\π}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-n{\mathrm{\ω}}_1)$ 进行运算的，得到基波、二次谐波等。基波频率就是式中的ω₁。一般超声波经过缺陷介质传播后，基波频率降低(亦即接收的ω₁比发射波的ω₁小)。

⑤基波幅度：即为基波频率分量的强度，单位为分贝(dB)。

⑥基波相位：基波分量的相位角。同一超声波信号通过不同介质的物体传播时，到达接收端的基波相位可能有所不同。

⑦基波功率：可将超声波视为功率有限信号f(t)，从f(t)中截取 $\left|t\right|\≤\frac{T}{2}$ 的一段，得到一个截短函数f_t(t)，它的傅里叶变换为 $F_T\left(\mathrm{\ω}\right){=\∫}_{-\∞}^{\∞}{f}_T\left(t\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt},$ 则

功率谱(ω)反映了信号功率在频域内的分布情况。其中一次谐波的功率即为基波功率。

⑧最大相关值：相关概念是从两个信号波形的相似性引入的。如x(t)和y(t)是能量有限信号，则它们的相关函数定义为：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)y^{*}(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ 这两个信号在某个观测点的最大相似值即为最大相关值。

⑨相关和：两个信号在所有观测点的相关值加起来即为相关和。这个参数比较重要，可用来考察这两个信号波形在整体上的相似程度。软件中将各测点的接收波形分别与发射波形进行相关运算，经过缺陷的接收波相关和较小，说明它相对发射波变化较大。

不同介质的超声波参数是不同的，粗骨料多的混凝土试件，超声波速度偏高，均匀性好的混凝土首波和基波幅度略偏高。因此，我们可以利用参数变化来判断缺陷范围，同时进行定量分析。本发明对振捣密实的混凝土、未振捣疏松的混凝土、砂率和骨灰比较大的混凝土试件进行测试和分析处理。其结果见下表：

试件	换能器及采样频率	参数	声速	首波幅度	基波幅度	基波功率	最大相关	强度
									密实混凝土	50kHz，2MHz	平均值	5.10	27.6	25.5	28.9	1.00	51.2
最大值	5.30	34.5	34.6	30.8	1.00	58.5
							最小值	4.60			0.00	0.10	0.60	0.00	39.9
离差	0.10	6.60	5.80	5.10	0.10	3.2
							Cv(％)	1.96			23.9	22.7	17.6	10.0	6.25
疏松混凝土	50kHz，2MHz	平均值	4.70	27.9	25.0	29.1										1.00	43.2
							最大值	5.30	38.6	34.8	30.9	1.00	56.3
		最小值	3.90	0.00	-5.3	0.60								0.00	25.6
							离差	0.30	8.50	8.7	5.30	0.10	6.7
		Cv(％)	6.40	30.5	34.8	18.2								10.0	15.5
							砂率较大的混凝土	50kHz，2MHz	平均值	4.20	32.6	29.5	32.0			1.00	32.4
最大值	4.50	37.2	34.7	30.9	1.00	38.1
									最小值	3.90	18.1	20.4	28.9	1.00	26.6
离差	0.10	4.10	3.4	0.40	0.00	2.6
									Cv(％)	2.38	12.6	11.5	1.25	/	8.02
骨灰比较大的混凝土	50kHz，2MHz	平均值	5.20	29.9	27.4	30.1										1.00	54.7
							最大值	5.50	39.1	34.4	30.9	1.00	63.4
		最小值	5.10	15.6	19.2	27.3								1.00	50.7
							离差	0.10	4.00	3.20	0.70	0.00	3.40
		Cv(％)	1.92	13.4	11.7	2.32								/	6.21

超声波检测仪采集的波形信号，传输到计算机经过转换后成数值量文件存入数据库中。经过声学参数预处理后，形成按区段测试(或构件)的数据库，最后调用数据库中文件进行图象生成显示。其主要流程如图1所示。

当获得被测对象各点超声波信号后，进行信号处理分析，按各种参数数值赋值一种模拟量(单一颜色深浅或不同颜色)，这样可以直观地把缺陷显示出来。

本实施方实案采用多种参数，如声速、首波幅度、基波频率、基波功率、基波幅度等等，将多种参数分别赋以模拟量，如图2所示。模拟图象显示可以直观了解被测对象质量情况。由图2可以看出：横坐标为测点号，纵坐标为声时、首波幅度、基波相位、基波幅度、基波功率……，除基波相位变化较大外，其余参数相对变化不大，可以说明这些测点质量比较均匀。

每个超声波测点波形，都要进行参数的分析计算，而这些参数与混凝土质量存在着较好的相关关系。

Q＝f{t，v，A，P，F(ω)，(ω)，R_XY(τ)…}

式中：Q-混凝土质量(强度、密实度、缺陷等)；

t-超声波声时；

v-超声波声速；

A-首波幅度；

P-首波频率；

F(ω)-基波频率；

(ω)-基波功率；

R_XY(τ)-最大相关值。

超声波声速与混凝土强度有很好的相关性，因而可以通过一定数量试件试验后，用回归分析和误差分析方法，计算出声速与强度间的拟合曲线，为减少测试误差，该曲线随时可以进行修正。本实施方案求出的测强曲线为：

$f_{\mathrm{cu}}^c=a\×v^b\×\mathrm{\η}$

式中：f_cu ^c-混凝土推定强度；

v-超声波声速；

a，b-回归系数；

η-修正系数。

本实施方按测试步骤如下：

(1)在测试面上，按100×100mm画出网格线(横坐标布12点；纵坐标布15点)；

(2)在网格交叉点上，进行逐行、逐点测试；

(3)波形采集，存入数据库；

(4)数据传输、分析计算；

(5)模拟成象。

对于检测混凝土缺陷，超声脉冲波是最好的检测能源，也最适宜对混凝土质量检测。本发明利用计算机图形学和程序设计等方面的基础理论及实用技术，将超声波波形数字化，经过计算机分析处理，计算出有关参数数值，利用参数值寻求对应混凝土质量变化范围，再将参数值赋予模拟量，实现混凝土缺陷图形显示及定量分析，并逐步实现了混凝土缺陷检测的智能化和定量化。

Claims (5)

1、一种用超声波检测结构混凝土缺陷的定量判断并直观显示的方法，其特征在于由超声仪通过换能器采集结构混凝土缺陷超声信号，应用计算机图形学和程序设计技术，将混凝土缺陷区的超声信号波波形数字化，并由计算机计算出选定的超声波波形参数数值，由参数值的变化得到对应混凝土缺陷范围，通过不同混凝土质量所对应的参数特征值，实现混凝土缺陷定量分析，再将各参数值赋予模拟量，实现混凝土缺陷图形显示。

2、如权利要求1所述的所述的超声波检测结构混凝土缺陷方法，其特征在于换能器频率范围在50～250kHz，2～5MHz采样频率为最佳频率。

3、如权利要求1所述的超声波检测结构混凝土缺陷方法，其特征在于参数与混凝土质量的对应关系是：

①声时：超声波脉冲信号，通过被测混凝土所需时间，混凝土质量越好，通过的时间越短；

②声速：超声波在混凝土中传播的速度，混凝土质量越好，传播的速度越快；

③首波幅度：接收波第一个前半周波幅度即为首波幅度，首波幅度的大小可以反映超声波在混凝土中的衰减，混凝土质量好则衰减小，首波幅度就大；

④基波频率：是对超声波信号采样得到的数据进行傅里叶分析得到基波、二次谐波；超声波经过缺陷介质传播后，基波频率降低；

⑤基波幅度：即为基波频率分量的强度；

⑥基波相位：基波分量的相位角；同一超声波信号通过不同介质的物体传播时，到达接收端的基波相位不同；

⑦基波功率：功率谱反映了信号功率在频域内的分布情况，其中一次谐波的功率即为基波功率；

⑧最大相关值：两个信号在某个观测点的最大相似值即为最大相关值；

⑨相关和：两个信号在所有观测点的相关值加起来即为相关和；用来考察这两个信号波形在整体上的相似程度。

4、如权利要求1或3所述的超声波检测结构混凝土缺陷方法，其特征在于声速与混凝土强度间的测强曲线为：

$f_{\mathrm{cu}}^c=a\×v^b\×\mathrm{\η}$

式中：f^c _cu-混凝土推定强度；

      v-超声波声速；

      a，b-回归系数；

      η-修正系数。

5、如权利要求1所述的超声波检测结构混凝土缺陷方法，其特征是所说的各参数值赋予模拟量是指单一颜色深浅或不同颜色。

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