TW201640112A - 自動化混凝土異常檢測系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種自動化混凝土異常檢測系統及方法，包括：一自動敲擊器以及一運算裝置。該自動敲擊器係設置於一混凝土結構旁，用以自動敲擊該混凝土結構。該運算裝置係與該自動敲擊器電訊連接。其中，該自動敲擊器敲擊該混凝土結構並產生之一數據，該自動敲擊器收集該數據並將該數據傳送至該運算裝置，該運算裝置利用一音效卡將該數據轉換成一數位訊號，以及該運算裝置利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號。本創作利用自動敲擊器取代人力檢測混凝土結構，以及利用音效卡取代信號擷取器以簡化分析步驟及提昇分析效率。

Description

自動化混凝土異常檢測系統及方法
本發明關於一種自動化混凝土異常檢測系統及方法，特別是指一種可置於混凝土結構旁自動檢測結構，並利用電腦內建音效卡進行快速分析之自動化混凝土異常檢測系統及方法。
按，國內土木建築結構物大部分以鋼筋混凝土為營建材料，其結構主要係由鋼筋骨架以及利用灌漿方式包圍在鋼筋骨架外圍的混凝土兩種性質完全不同之材料凝結構成密實之非均質構材；其中，混凝土的組成其實相當廣泛，基本上包括水泥(包含波特蘭水泥、抗硫水泥等等)，細砂及粗細骨材等拌合料以及視需求而添加的其他材料(例如飛灰、強塑劑及速凝劑等)。
由不同材料所組成的混凝土，可以產生不同的功能，以提供各種特定用途之使用。鋼筋骨架對混凝土的圍束效應則可以增加結構的韌性及能量吸收、消散能力，並使得外層混凝土剝落之後，其柱心(鋼筋骨架)仍有圍束效應。
然而，對於一個位處菲律賓及歐亞大陸板塊交界帶，地質運動頻繁之區域，建物結構往往會因此造成嚴重或局部的損壞，這些受損之建物通常無法由外表目視分辨出損壞程度。當地震產生時，只要拉應力超過混凝土拉力強度，混凝土即產生破裂，開始時破裂縫短而微小，然後逐漸擴大並侵入樑柱斷面內部；以致於混凝土建築物遭受地震破壞後，其損壞程度與範圍可能及於整棟建築物之全部或局部。
並且，一般習有建築物之鋼筋骨架與其外層的混凝土在環境氣候影響下，因為熱漲冷縮或者輕微地震發生之後容易產生空洞層或裂痕，而使外部空氣進入混凝土中，甚至深入到鋼筋骨架處，慢慢造成鋼筋骨架的侵蝕毀損，這就是整棟建築物傷害點的開始，當有更大的地震發生時，將形成更大的災害。因此，及時檢測並發現混凝土內部結構損壞之工作也變得額外重要。
而檢測混凝土內部結構是否損壞之方式，近年來多以由1998年美國材料測試協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)研究敲擊回音法並提出的混凝土板結構P波波速和厚度標準方法作為判斷方式，取代了較為昂貴費時的鑽心取樣方法。敲擊回音法是屬於一種非破壞性檢測(Non-Destructive Testing, NDT)，非破壞性檢測在撿測時不會對建物造成損害，檢測施行時亦能不影響其正常使用(在線檢測)，擁有機動性高、便利性佳，為一般人所能接受，是一種可在短時間內快速評估結構物內部是否劣化及劣化狀況的一種方式。敲擊回音法利用低頻率暫態應力波傳遞原理之非破壞檢測來偵測混凝土內部瑕疵的方法。在發展初期主要用於檢測板狀混凝土結構(例如：擋土牆、梁、柱、隧道邊牆…等)的內部缺陷，包括，鋼筋混凝土板內部空洞及裂縫、蜂窩狀混凝土、瀝青混凝土內部斷層及孔隙等。目前敲擊回音法應用趨向於多元化，其中包括桿狀結構(梁、柱)內部空洞、裂縫、蜂窩的檢測，隧道混凝土襯砌結構內部缺陷的檢測；混凝土結構品質檢測；以及混凝土結構裂縫最小檢測寬度及裂縫深度的確定。
敲擊回音法可以在不破壞混凝土結構下進行檢測工作，然而，其必需有量測人員於現場操作敲擊裝置以執行檢測之動作，具有人力需求的限制，檢測的效率有限。不但如此，若待測量之混凝土結構位於橋墩、水壩等立足點不佳之處，對於攜帶量測裝置的人員來說，不僅不方便進行檢測工作，其意外發生的機率也大為增加。再者，目前分析非破壞性檢測訊號之方法多為利用擷取器進行訊號處理等複雜方式，不僅較為費時，步驟也更為繁複。
是以，如何提供一種有效率、安全以及自動化之混凝土異常檢測系統及方法，一直為從事此行業之研究者以及相關廠商所苦思之處。
本創作之目的在於提供一種自動化混凝土異常檢測系統及方法，其藉由針對先前技術中混凝土檢測之人力需求以及檢測效率之問題給予改良，可設置於混凝土結構旁自動檢測結構，並將數據回傳快速分析。
為了達到上述目的，本創作係採取以下之技術手段予以達成，其中，本創作之自動化混凝土異常檢測系統，包括：一自動敲擊器，係設置於一混凝土結構旁，用以自動敲擊該混凝土結構；以及一運算裝置，係與該自動敲擊器電訊連接；其中，該自動敲擊器敲擊該混凝土結構並產生之一數據，該自動敲擊器收集該數據並將該數據傳送至該運算裝置，該運算裝置利用一音效卡將該數據轉換成一數位訊號，以及該運算裝置利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號。
在本創作較佳實施例中，該自動敲擊器至少包括：一馬達；一敲擊桿，透過一連接件與該馬達連接；一收音單元；一控制單元，與該馬達電性連接；以及一傳輸單元，與該控制單元及該收音單元電性連接。
在本創作較佳實施例中，該運算裝置至少包括：一接收單元；一音效卡，與該接收單元電性連接；以及一運算單元，與該音效卡電性連接，用以計算該數位訊號波速、該混凝土結構厚度以及分析該混凝土結構內部瑕疵。
在本創作較佳實施例中，該自動敲擊器透過無線網路將該數據傳送至該運算裝置。
在本創作較佳實施例中，該數據係為一回音波。
在本創作較佳實施例中，該自動敲擊器於一間隔時間後自動敲擊該混凝土結構產生該數據。
此外，本創作更包括一種自動化混凝土異常檢測方法，至少包括以下步驟： (a) 提供一混凝土結構、一自動敲擊器以及一運算裝置，且該自動敲擊器設置於該混凝土結構旁，該自動敲擊器與該運算裝置電訊連接，該運算裝置具有一音效卡； (b)              該自動敲擊器敲擊該混凝土結構，並設定該自動敲擊器於一間隔時間後自動敲擊該混凝土結構； (c) 收集該自動敲擊器敲擊該混凝土結構產生之一數據，並透過無線網路將該數據傳送至該運算裝置； (d) 利用該音效卡將該數據轉換成一數位訊號；以及 (e) 利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號。
由於本發明採用了以上技術方案可帶來以下技術效果： (1)本創作利用自動敲擊器取代人力，減少成本。 (2)本創作利用簡易可得之音效卡取代訊號擷取器。 (3)本創作利用無線傳輸技術，將數據傳輸至運算裝置計算及分析。
為達成上述目的及功效，本創作所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本創作較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解，但須注意的是，該等內容不構成本發明的限定。
請參閱圖1所示， 其為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之系統架構示意圖。本創作之自動化混凝土異常檢測系統，包括：一自動敲擊器 1以及一運算裝置 2。
請同時參閱圖2所示， 其為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之自動敲擊器結構示意圖。該自動敲擊器 1係設置於一混凝土結構 3旁，用以自動敲擊該混凝土結構 3。該自動敲擊器 1包括，一馬達 11、一敲擊桿 12、一收音單元 13、一控制單元 14以及一傳輸單元 15。
該敲擊桿 12為一桿狀金屬，其可透過一連接件 16與該馬達 11連接。值得一提的是，由於金屬材質敲擊混凝土結構易產生震盪過大之回音雜訊，不易於分析，因此於該敲擊桿 12前端設置木頭材質之敲擊頭，以提昇訊號之精準度。該收音單元 13可選擇低阻抗、低雜訊以及高靈敏度的麥克風，較佳的，為了使訊號更為精確，該收音單元 13可盡量靠近該敲擊桿 12，與該敲擊桿 12敲擊該混凝土結構 3處之距離應不超過5公分。該控制單元 14與該馬達 11電性連接，其可為一電路板，藉由該控制單元 14內部的電路設計，寫入程式可以定時的啟動產生連續訊號輸出控制該馬達 11正反轉動，達到自動敲擊效果。該傳輸單元 15與該收音單元 13以及該控制單元 14電性連接，該傳輸單元 15的傳輸方式係透過一無線網路如3G、LTE、WIFI、GPRS等，亦或是此等之組合。
該運算裝置 2包括一接收單元 21、一音效卡 22以及一運算單元 23。該接收單元 21夠過一無線網路與該傳輸單元 15電訊連接。該音效卡 22分別與該接收單元 21以及該運算單元 23電性連接。於本創作一實施例中，該運算裝置 2為一電腦，本創作利用電腦中內含之音效卡 22，取代訊號擷取器，以簡化訊號擷取及分析時繁複之步驟，並達到降低成本之功效。
藉由上述之結構、組成設計，茲就本創作之使用及作動情形其說明如下：
該自動敲擊器 1係設置於一混凝土結構 3旁，該控制單元 14可設定為一時間間隔後自動啟動該自動敲擊器 1運作。該自動敲擊器 1啟動後，該馬達 11即驅動該敲擊器撞擊該混凝土結構 3產生一應力波，該收音單元 13收集該應力波傳動至該混凝土結構 3底部所產生之一數據 41，該數據 41可以為一回音波，並透過該傳輸單元 15利用無線網路將該數據 41傳送至該運算裝置 2。
該運算裝置 2利用該接收單元 21接收該數據 41，透過該音效卡 22將該數據 41轉換成一數位訊號 42，並將該數位訊號 42放大以方便分析。該運算單元 23運算及分析該數位訊號 42，計算該數位訊號 42波速、該混凝土結構 3厚度以及分析該混凝土結構 3內部瑕疵。
該數位訊號 42波速的計算方式為當該敲擊器敲擊該混凝土結構 3時為第一時間點，該收音單元 13接收到訊號為第二時間點，則波速可以表示如公式(1)所示：(1) 其中，為第一時間點，為第二時間點，為敲擊點與收音點之距離。
混凝土結構厚度的計算公式可以表示如公式(2)所示：(2) 其中，T 為混凝土結構厚度，f 為頻率。
該運算單元 23利用由快速傅利葉轉換(FFT)將該數位訊號 42轉換為一系列不同頻率的連續正弦波疊加，以分析該數位訊號 42頻率位置與頻率分佈情形。以工程的應用方面來說，利用快速傅立葉轉換(FFT)方法來觀察頻譜上的能量分佈，目的是為了要避免外來的頻率與結構本身的自然頻率造成共振，進而得知結構物裂縫形成。
請同時參閱圖3至6所示，圖3為本創作自動化混凝土異常檢測系統正常混凝土結構之檢測時間波形圖，圖4為本創作自動化混凝土異常檢測系統正常混凝土結構之檢測頻率波形圖，圖5為本創作自動化混凝土異常檢測系統異常混凝土結構之檢測時間波形圖，圖6為本創作自動化混凝土異常檢測系統異常混凝土結構之檢測頻率波形圖。該運算裝置 2分析該數位訊號 42後可得到該訊號之時間波形圖，再經過快速傅利葉轉換可以得到頻率波形圖，並根據公式1及2可以算出波速以及該混凝土結構 3厚度。
透過比較圖4及6可以很明顯看出圖4大部分顯著振幅集中在低頻，亦表示表層反射訊號較少，無明顯振幅反射訊號僅顯示一明顯的主波峰，得知混凝土內部極為均勻，並無瑕疵反應。而圖6除了主波峰外還在一明顯之副波峰，可以得知該副波峰來自於瑕疵反應，而透過公式1及2可以算出該混凝土結構 3瑕疵處之深度位置。
請同時參閱圖7所示，其為本創作自動化混凝土異常檢測方法流程圖。本創作還包括一種自動化混凝土異常檢測方法，該方法包括以下步驟：
步驟(a)：提供一混凝土結構、一自動敲擊器以及一運算裝置，且該自動敲擊器設置於該混凝土結構旁，該自動敲擊器與該運算裝置電訊連接，該運算裝置具有一音效卡。
步驟(b)：該自動敲擊器敲擊該混凝土結構。
步驟(c)：收集該自動敲擊器敲擊該混凝土結構產生之一數據。
步驟(d)：利用該音效卡將該數據轉換成一數位訊號。
步驟(e)：利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號。
於本創作一實施例中，該步驟(b)更包括：設定該自動敲擊器於一間隔時間後自動敲擊該混凝土結構。
於本創作一實施例中，該步驟(c)更包括：透過無線網路將該數據傳送至該運算裝置。
於本創作一實施例中，該步驟(e)更包括：計算該數位訊號波速、該混凝土結構厚度以及分析該混凝土結構內部瑕疵。
綜合上述，本創作提出之自動化混凝土異常檢測系統及方法與習用技術相較，確實具有下列優點： (1) 本創作利用自動敲擊器取代人力，減少成本。 (2)本創作可定時檢測混凝土結構，達到即時監控及預防之效果。 (3)本創作利用簡易可得之音效卡取代訊號擷取器。 (4)本創作利用無線傳輸技術，將數據傳輸至運算裝置計算及分析。
以上所述僅為本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。
1‧‧‧自動敲擊器
11‧‧‧馬達
12‧‧‧敲擊桿
13‧‧‧收音單元
14‧‧‧控制單元
15‧‧‧傳輸單元
16‧‧‧連接件
2‧‧‧運算裝置
21‧‧‧接收單元
22‧‧‧音效卡
23‧‧‧運算單元
3‧‧‧混凝土結構
41‧‧‧數據
42‧‧‧數位訊號
步驟(a)‧‧‧提供一混凝土結構、一自動敲擊器以及一運算裝置
步驟(b)‧‧‧該自動敲擊器敲擊該混凝土結構
步驟(c)‧‧‧收集該自動敲擊器敲擊該混凝土結構產生之一數據
步驟(d)‧‧‧利用該音效卡將該數據轉換成一數位訊號
步驟(e)‧‧‧利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號
圖1為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之系統架構示意圖。 圖2為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之自動敲擊器結構示意圖。 圖3為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之正常混凝土結構之檢測時間波形圖。 圖4為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之正常混凝土結構之檢測頻率波形圖。 圖5為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之異常混凝土結構之檢測時間波形圖。 圖6為本創作自動化混凝土異常檢測系統一實施例之異常混凝土結構之檢測頻率波形圖。 圖7為本創作自動化混凝土異常檢測方法流程圖。
1‧‧‧自動敲擊器
2‧‧‧運算裝置
21‧‧‧接收單元
22‧‧‧音效卡
23‧‧‧運算單元
3‧‧‧混凝土結構
41‧‧‧數據

Claims (10)

  1. 一種自動化混凝土異常檢測系統，包括： 一自動敲擊器，係設置於一混凝土結構旁，用以自動敲擊該混凝土結構；以及 一運算裝置，係與該自動敲擊器電訊連接； 其中，該自動敲擊器敲擊該混凝土結構並產生之一數據，該自動敲擊器收集該數據並將該數據傳送至該運算裝置，該運算裝置利用一音效卡將該數據轉換成一數位訊號，以及該運算裝置利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之自動化混凝土異常檢測系統，其中，該自動敲擊器至少包括： 一馬達； 一敲擊桿，透過一連接件與該馬達連接； 一收音單元； 一控制單元，與該馬達電性連接；以及 一傳輸單元，與該控制單元及該收音單元電性連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之自動化混凝土異常檢測系統，其中，該運算裝置至少包括： 一接收單元； 一音效卡，與該接收單元電性連接；以及 一運算單元，與該音效卡電性連接，用以計算該數位訊號波速、該混凝土結構厚度以及分析該混凝土結構內部瑕疵。
  4. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之自動化混凝土異常檢測系統，其中，該自動敲擊器透過無線網路將該數據傳送至該運算裝置。
  5. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之自動化混凝土異常檢測系統，其中，該數據係為一回音波。
  6. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之自動化混凝土異常檢測系統，其中，該自動敲擊器於一間隔時間後自動敲擊該混凝土結構產生該數據。
  7. 一種自動化混凝土異常檢測方法，至少包括以下步驟： (a)提供一混凝土結構、一自動敲擊器以及一運算裝置，且該自動敲擊器設置於該混凝土結構旁，該自動敲擊器與該運算裝置電訊連接，該運算裝置具有一音效卡； (b)該自動敲擊器敲擊該混凝土結構； (c)收集該自動敲擊器敲擊該混凝土結構產生之一數據； (d)利用該音效卡將該數據轉換成一數位訊號；以及 (e)利用快速傅立葉轉換分析該數位訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之自動化混凝土異常檢測方法，其中，該步驟(b)更包括：設定該自動敲擊器於一間隔時間後自動敲擊該混凝土結構。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之自動化混凝土異常檢測方法，其中，該步驟(c)更包括：透過無線網路將該數據傳送至該運算裝置。
  10. 如申請專利範圍第7或8或9項所述之自動化混凝土異常檢測方法，其中，該步驟(e)更包括：計算該數位訊號波速、該混凝土結構厚度以及分析該混凝土結構內部瑕疵。
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