專利名稱：波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種基于超聲波檢測(cè)波紋管注漿密實(shí)度的裝置及方法，屬于超聲檢·測(cè)及分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著中國橋梁建設(shè)的高速發(fā)展，波紋管預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，其波紋管孔道壓漿質(zhì)量一直是人們關(guān)心的問題，波紋管的注漿密實(shí)度關(guān)系到鋼絞線承載能力的發(fā)揮，對(duì)橋梁波紋管注漿密實(shí)度進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的意義。當(dāng)前的孔道波紋管壓漿施工中經(jīng)常出現(xiàn)壓漿不密實(shí)、有空隙、孔道未被水泥漿完全充滿等質(zhì)量問題，導(dǎo)致質(zhì)量安全事故頻頻發(fā)生，類似事故已引起工程界的強(qiáng)烈關(guān)注。目前檢測(cè)波紋管注漿密實(shí)度的方法主要有鉆心檢測(cè)法、電磁波雷達(dá)法、彈性波反射法、X射線法等，這些方法都是從橋梁、T梁、廂梁中預(yù)應(yīng)力孔道波紋管的外部進(jìn)行檢測(cè)，在一定的程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波紋管注漿密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)的目的，但是由于外部檢測(cè)時(shí)檢測(cè)信號(hào)(包括聲音、射線、電磁波信號(hào))在進(jìn)出波紋管前后都需要穿過厚厚的包含螺紋鋼的混凝土層，信號(hào)損失較大，不能完全滿足波紋管注漿密實(shí)度檢測(cè)的要求。目前使用超聲波檢測(cè)孔道波紋管壓漿的方法，歸納之后主要是以下2種
I、聲波首時(shí)法根據(jù)超聲波在波紋管和混凝土中傳播聲速的不同，一部分穿過鋼管后穿過混凝土，再穿過鋼管壁的直線路徑傳播；另一部分沿鋼管壁繞射過去，計(jì)算聲速判斷判斷注漿缺陷與否。此種方法理論上計(jì)算可行，但是在實(shí)際測(cè)量中誤差很大，很難判斷出缺陷的位置。2、波形識(shí)別法通過判斷接收到的脈沖波首波波幅及波形畸變程度，可判斷波紋管混凝土內(nèi)部是否存在缺陷。但該方法為經(jīng)驗(yàn)判斷法，受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件的影響，容易出現(xiàn)較多的誤、漏判，此方法很少使用。以上兩種方法雖然在一定程度上能達(dá)到檢測(cè)的目的，但不能夠達(dá)到精確的測(cè)量目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置及方法，通過散射聲場(chǎng)波形與介質(zhì)聲速和波紋管直徑以及時(shí)間的變化曲線的對(duì)比，從而達(dá)到檢測(cè)橋梁內(nèi)部混凝土注漿質(zhì)量的目的。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為
一種波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，包括
一產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)的信號(hào)激勵(lì)模塊，為大功率信號(hào)源，用于產(chǎn)生脈沖信號(hào)；
一信號(hào)發(fā)射接收模塊，包含由所述信號(hào)激勵(lì)模塊激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)的發(fā)射換能器和呈十字形陣列排列的多個(gè)接收換能器，所述發(fā)射換能器設(shè)置在十字形陣列的中心；
一信號(hào)采集模塊，采集所述信號(hào)發(fā)射接收模塊的信號(hào)；一信號(hào)處理及顯示模塊，對(duì)采集模塊的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理和顯示圖形。所述信號(hào)發(fā)射接收模塊設(shè)置在波紋管外注漿的固定塊表面。所述發(fā)射換能器設(shè)置于波紋管管壁外的中心位置，所述接收換能器陣列中包含16 個(gè)接收換能器，其中8個(gè)接收換能器平行地設(shè)置于波紋管外，主要接收反射回來的超聲波信號(hào)；另外8個(gè)接收換能器垂直地設(shè)置于波紋管外，主要接受散射的超聲波信號(hào)。所述的信號(hào)激勵(lì)模塊為大功率信號(hào)源，包含以信號(hào)發(fā)生器為核心的方波信號(hào)產(chǎn)生模塊、以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊。所述發(fā)射換能器為與所述大功率信號(hào)源相匹配的圓形大功率壓電陶瓷發(fā)射換能器。所述接收換能器為與所述發(fā)射換能器相匹配的圓形超聲信號(hào)接收換能器。所述信號(hào)采集模塊包含集成運(yùn)算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA高速控制模塊和計(jì)算機(jī)終端。所述的信號(hào)處理及顯示單元模塊包含濾波組件、信號(hào)差分放大組件、將超聲成像模塊的輸出圖像采集出來并壓縮存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件、算法組件和顯示輸出組件。所述算法組件包含對(duì)參數(shù)初始化的數(shù)據(jù)初始化模塊和運(yùn)用計(jì)算波紋管注漿密實(shí)度、缺陷位置及大小的算法模塊；所述算法模塊中采用掃描的方法去計(jì)算相關(guān)系數(shù)隨介質(zhì)聲速和波紋管直徑以及時(shí)間的變化曲線，形成一個(gè)圖像，該圖像的極大值位置為所獲得的最佳處理結(jié)果，如果波紋管空心或注漿不密實(shí)，則有散射聲場(chǎng)存在，該圖像即有極大值，極大值經(jīng)過標(biāo)定后即為密實(shí)度的一個(gè)指示函數(shù)值。一種基于權(quán)利要求I所述的裝置的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的方法，其特征是，包含以下步驟
(1)將檢測(cè)裝置垂直壓于水泥壁，初始化參數(shù)。由信號(hào)激勵(lì)模塊即大功率信號(hào)源激勵(lì)超發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲信號(hào)；
(2)呈十字形陣列排列的接收換能器接收所述發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲信號(hào)；
(3)信號(hào)采集模塊對(duì)所述的接收換能器陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣，量化處理；
(4)并由信號(hào)處理及顯示單元將接收的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，然后繪制出圖像，由圖像信息顯示波紋管注漿密實(shí)度及漿和波紋管內(nèi)鋼絞線間是否存在缺陷，并根據(jù)發(fā)射換能器和接收換能器陣列所處的位置，計(jì)算判斷出缺陷所處的位置。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果
本發(fā)明由大功率超聲激勵(lì)源發(fā)射模塊產(chǎn)生高頻大功率超聲波，超聲信號(hào)接收模塊十字陣列接收由空腔(缺陷)散射的超聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，當(dāng)波紋管空心時(shí)，散射聲場(chǎng)比較強(qiáng)，用理論方法確定出散射聲場(chǎng)的波形在不同位置所接受到的波形中的到達(dá)時(shí)間曲線，以該曲線為基準(zhǔn)，從陣列測(cè)量波形中用窗函數(shù)取出一些波形，計(jì)算相關(guān)系數(shù)。采用掃描的方法去計(jì)算相關(guān)系數(shù)隨介質(zhì)聲速和波紋管直徑以及時(shí)間的變化曲線，形成一個(gè)圖像，該圖像的極大值位置為所獲得的最佳處理結(jié)果，如果波紋管空心或水泥不密實(shí)，則有散射聲場(chǎng)存在，該圖像即有極大值，極大值經(jīng)過標(biāo)定后即為密實(shí)度的一個(gè)指示函數(shù)值，從而達(dá)到檢測(cè)橋梁內(nèi)部混凝土注漿質(zhì)量的目的。本發(fā)明的裝置易于攜帶，使用方便，適合施工現(xiàn)場(chǎng)的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)，特別適用于橋梁施工過程中對(duì)施工質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)判斷及其為橋梁的日常檢測(cè)維修提供依據(jù)，并且對(duì)空腔位置的判斷準(zhǔn)確、直觀可靠。


圖I是波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置結(jié)構(gòu)圖2是波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置橫剖面結(jié)構(gòu)圖3是波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置縱剖面結(jié)構(gòu)圖4是波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖中，01為發(fā)射換能器；02至17為接收換能器；18為波紋管；19為鋼絞線；20為缺陷(空氣泡)；21為固體水泥。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖I、圖2和圖3所示，本發(fā)明的檢測(cè)裝置包括信號(hào)激勵(lì)模塊；信號(hào)發(fā)射接收模塊；信號(hào)采集模塊；對(duì)接收的超聲信號(hào)進(jìn)行處理及顯示的信號(hào)處理及顯示模塊，信號(hào)處理及顯示模塊將接收的超聲信號(hào)采用相關(guān)運(yùn)算繪制圖像確定極大值，從而確定出缺陷20的位置極其相對(duì)大小。激勵(lì)信號(hào)模塊包含以方波信號(hào)發(fā)生器為核心的信號(hào)發(fā)生模塊和以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊組成，能夠產(chǎn)生脈沖寬度和頻率可變的方波脈沖信號(hào)。檢測(cè)用的信號(hào)發(fā)射接收模塊中包含I個(gè)發(fā)射換能器01和16個(gè)接收換能器02-17。將這17個(gè)換能器按十字形排列，其中位于十字形中心的換能器為發(fā)射換能器01，其余16個(gè)為接收換能器02-17，并且16個(gè)接收換能器中的8個(gè)換能器平行于波紋管設(shè)置，另外8個(gè)換能器垂直于波紋管設(shè)置，并且所有的換能器均設(shè)置在波紋管外的注漿固體水泥21表面。為了提高檢測(cè)精度，發(fā)射換能器和接收換能器選用比較薄的圓形壓電陶瓷片換能器，且在固定的過程中使換能器垂直于固體水泥21表面。信號(hào)采集模塊包含集成運(yùn)算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA高速控制模塊和計(jì)算機(jī)終端。通過計(jì)算機(jī)終端的上位機(jī)控制信號(hào)采集模塊采集界面波信號(hào)，并將采集數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)的SRAM (隨機(jī)存儲(chǔ)器)中。信號(hào)處理顯示模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后將處理結(jié)果通過計(jì)算機(jī)顯示器顯示出來。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理能夠提高數(shù)據(jù)處理速度和處理能力，降低檢測(cè)裝置功耗。具體實(shí)施方法如下
(I)將17個(gè)壓電陶瓷換能器按十字形排列；其中中心換能器為發(fā)射換能器01，其余16個(gè)為接收換能器02-17。(2)在固定的過程中將發(fā)射換能器01和接收換能器02-17陣列均垂直于水泥壁的表面。(3)調(diào)整信號(hào)激勵(lì)模塊輸出方波信號(hào)的脈沖寬度，使激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度為壓電陶瓷片換能器額定頻率的1/2，使檢測(cè)信號(hào)的幅度變化達(dá)到最大值；(4)由信號(hào)激勵(lì)模塊激勵(lì)信號(hào)發(fā)射接收模塊中的發(fā)射換能器01產(chǎn)生超聲波信號(hào)；
(5)由信號(hào)發(fā)射接收模塊中的接收換能器02-17接收發(fā)射換能器01發(fā)射后的散射波信
號(hào);
(6)通過上位機(jī)軟件控制信號(hào)采集模塊對(duì)接收換能器02-17接收到的信號(hào)進(jìn)行采集，然后由信號(hào)處理顯示模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并通過計(jì)算機(jī)終端的顯示器顯示出來。信號(hào)處理及顯示單元將接收的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，然后繪制出圖像，由圖像信息顯示波紋管18注漿密實(shí)度及漿和波紋管18內(nèi)鋼絞線19間是否存在缺陷，并根據(jù)發(fā)射換能器和接收換能器陣列所處的位置，計(jì)算判斷出缺陷20所處的位置。如圖4所示，本發(fā)明的信號(hào)采集模塊包含集成運(yùn)算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA高速控制模塊和計(jì)算機(jī)終端。超聲信號(hào)頻率一般都比較高，實(shí)際應(yīng)用中為了能恢復(fù)超聲信號(hào)波形，對(duì)超聲信號(hào)的采樣率要求大于超聲信號(hào)頻率的3 4倍，因此本發(fā)明的信號(hào)采集模塊采用高速A/D轉(zhuǎn)換模塊和FPGA高速控制模塊。由于接收到的超聲信號(hào)非常微弱，需先將超聲信號(hào)通過集成運(yùn)算放大器放大后傳輸至高速A/D，經(jīng)A/D模塊進(jìn)行數(shù)字化處理后，在高速FPGA的時(shí)序控制下將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)終端的SRAM (隨機(jī)存儲(chǔ)器)中，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，包括一產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)的信號(hào)激勵(lì)模塊，為大功率信號(hào)源，用于產(chǎn)生脈沖信號(hào)；一信號(hào)發(fā)射接收模塊，包含由所述信號(hào)激勵(lì)模塊激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)的發(fā)射換能器和呈十字形陣列排列的多個(gè)接收換能器，所述發(fā)射換能器設(shè)置在十字形陣列的中心；一信號(hào)采集模塊，采集所述信號(hào)發(fā)射接收模塊的信號(hào)；一信號(hào)處理及顯示模塊，對(duì)采集模塊的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理和顯示圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述信號(hào)發(fā)射接收模塊設(shè)置在波紋管外注漿的固定塊表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述發(fā)射換能器設(shè)置于波紋管管壁外的中心位置，所述接收換能器陣列中包含16個(gè)接收換能器，其中8個(gè)接收換能器平行地設(shè)置于波紋管外，另外8個(gè)接收換能器垂直地設(shè)置于波紋管外。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述的信號(hào)激勵(lì)模塊為大功率信號(hào)源，包含以信號(hào)發(fā)生器為核心的方波信號(hào)產(chǎn)生模塊、以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述發(fā)射換能器為與所述大功率信號(hào)源相匹配的圓形大功率壓電陶瓷發(fā)射換能器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述接收換能器為與所述發(fā)射換能器相匹配的圓形超聲信號(hào)接收換能器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述信號(hào)采集模塊包含集成運(yùn)算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA高速控制模塊和計(jì)算機(jī)終端。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述的信號(hào)處理及顯示單元模塊包含濾波組件、信號(hào)差分放大組件、將輸出數(shù)據(jù)采集出來并壓縮存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件、算法組件和顯示輸出組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的裝置，其特征是，所述算法組件包含對(duì)參數(shù)初始化的數(shù)據(jù)初始化模塊和運(yùn)用計(jì)算波紋管注漿密實(shí)度、缺陷位置及大小的算法模塊；所述算法模塊中采用掃描的方法去計(jì)算相關(guān)系數(shù)隨介質(zhì)聲速和波紋管直徑以及時(shí)間的變化曲線，形成一個(gè)圖像，該圖像的極大值位置為所獲得的最佳處理結(jié)果，如果波紋管空心或注漿不密實(shí)，則有散射聲場(chǎng)存在，該圖像即有極大值，極大值經(jīng)過標(biāo)定后即為密實(shí)度的一個(gè)指示函數(shù)值。
10.一種基于權(quán)利要求I所述的裝置的波紋管孔道注漿密實(shí)度超聲檢查的方法，其特征是，包含以下步驟(1)由信號(hào)激勵(lì)模塊即大功率信號(hào)源激勵(lì)發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲信號(hào)；(2)呈十字形陣列排列的接收換能器接收所述發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲信號(hào)；(3)信號(hào)采集模塊對(duì)所述的接收換能器陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣，量化處理；(4)并由信號(hào)處理及顯示單元將接收的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，然后繪制出圖像，由圖像信息顯示波紋管注漿密實(shí)度及漿和波紋管內(nèi)鋼絞線間是否存在缺陷，并根據(jù)發(fā)射換能器和接收換能器陣列所處的位置，計(jì)算判斷出缺陷所處的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波檢測(cè)波紋管孔道注漿密實(shí)度的裝置及方法。包含由信號(hào)激勵(lì)模塊激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)的發(fā)射換能器和呈十字形陣列排列的多個(gè)接收換能器，采集信號(hào)的信號(hào)采集模塊，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理和波形顯示的信號(hào)處理及顯示模塊。確定出散射聲場(chǎng)的波形在不同位置所接受到的波形中的到達(dá)時(shí)間曲線，以該曲線為基準(zhǔn)，從陣列測(cè)量波形中用窗函數(shù)取出一些波形，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)隨介質(zhì)聲速和波紋管直徑以及時(shí)間的變化曲線，形成圖像，通過圖像判斷波紋管注漿缺陷。本發(fā)明簡(jiǎn)單實(shí)用，適合施工現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)，特別適用于橋梁施工過程中對(duì)施工質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)判斷及其為橋梁的日常檢測(cè)維修提供依據(jù)，并且對(duì)空腔位置的判斷準(zhǔn)確、直觀可靠。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102944608SQ20121048603
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者韓慶邦, 趙勝永, 徐杉, 王茜, 殷澄, 李建, 朱昌平 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)