專利名稱：一種用超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷的定量判斷并直觀顯示的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混凝土質(zhì)量檢測技術(shù)，具體地說，涉及一種用超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷的定量判斷并直觀顯示的方法。
背景技術(shù)：
組成混凝土的基本原材料是水泥、砂子和石子，在攪拌和澆筑、震搗過程中，都直接影響混凝土的質(zhì)量。因此，每個(gè)操作環(huán)節(jié)都應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，否則就會出現(xiàn)質(zhì)量問題其內(nèi)部可能存在不密實(shí)或孔洞，其外部形成蜂窩麻面、裂縫和損傷層等缺陷。這些缺陷的存在會影響結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。由于超聲脈沖波的穿透力較強(qiáng)，尤其是用于檢測混凝土，這一特點(diǎn)更為突出，而且超聲檢測設(shè)備較簡單，操作較方便，所以廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)混凝土缺陷檢測。
但是，目前采用超聲脈沖波檢測混凝土缺陷技術(shù)，只是利用聲脈沖在技術(shù)條件相同(混凝土原材料、配合比、齡期和測試距離一致)的混凝土中傳播的速度、接收波的幅度和頻率(又稱三參數(shù))，來判斷混凝土的內(nèi)部缺陷，這僅僅是一個(gè)定性的分析技術(shù)。若想判斷內(nèi)部缺陷性質(zhì)、范圍，以及推定強(qiáng)度變化區(qū)域就無能為力了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷圖形顯示及定量分析的超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種用超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷的定量判斷并直觀顯示的方法，其特征是由超聲儀通過換能器采集結(jié)構(gòu)混凝土缺陷超聲信號，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)，將混凝土缺陷區(qū)的超聲信號波波形數(shù)字化，并由計(jì)算機(jī)計(jì)算出選定的超聲波波形參數(shù)數(shù)值，由參數(shù)值的變化得到對應(yīng)混凝土缺陷范圍，通過不同混凝土質(zhì)量所對應(yīng)的參數(shù)特征值，實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷定量分析，再將各參數(shù)值賦予模擬量，實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷圖形顯示。
上述換能器頻率范圍在50～250kHz，2～5MHz采樣頻率為最佳頻率。
上述超聲波波形參數(shù)與混凝土質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系是①聲時(shí)超聲波脈沖信號，通過被測混凝土所需時(shí)間，混凝土質(zhì)量越好，通過的時(shí)間越短；②聲速超聲波在混凝土中傳播的速度，混凝土質(zhì)量越好，傳播的速度越快；③首波幅度接收波第一個(gè)前半周波幅度即為首波幅度，首波幅度的大小可以反映超聲波在混凝土中的衰減，混凝土質(zhì)量好則衰減小，首波幅度就大；④基波頻率是對超聲波信號采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析得到基波、二次諧波；超聲波經(jīng)過缺陷介質(zhì)傳播后，基波頻率降低；⑤基波幅度即為基波頻率分量的強(qiáng)度；⑥基波相位基波分量的相位角；同一超聲波信號通過不同介質(zhì)的物體傳播時(shí)，到達(dá)接收端的基波相位不同；⑦基波功率功率譜反映了信號功率在頻域內(nèi)的分布情況，其中一次諧波的功率即為基波功率；⑧最大相關(guān)值兩個(gè)信號在某個(gè)觀測點(diǎn)的最大相似值即為最大相關(guān)值；⑨相關(guān)和兩個(gè)信號在所有觀測點(diǎn)的相關(guān)值加起來即為相關(guān)和；用來考察這兩個(gè)信號波形在整體上的相似程度。
上述聲速與混凝土強(qiáng)度間的測強(qiáng)曲線為fcuc=a×vb×η]]>式中fcuc-混凝土推定強(qiáng)度；v-超聲波聲速；
a，ba，b-回歸系數(shù)；η-修正系數(shù)。
上述各參數(shù)值賦予模擬量是指單一顏色深淺或不同顏色。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1本發(fā)明方法示意圖；圖2混凝土缺陷模擬圖象顯示圖；具體實(shí)施方式
由混凝土超聲檢測儀通過換能器采集超聲波數(shù)據(jù)，超聲儀產(chǎn)生高壓脈沖作用于發(fā)射換能器壓電晶片后，激勵振動產(chǎn)生超聲波脈沖，經(jīng)過被測介質(zhì)傳播后由接收換能器接收下來，再經(jīng)放大、濾波，送至A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入端。同時(shí)將發(fā)射脈沖整形延時(shí)，送至A/D轉(zhuǎn)換板的同步觸發(fā)信號輸入端，采集到超聲接收信號。
超聲儀具有數(shù)據(jù)通訊接口，與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)接收波形的傳輸。
每個(gè)缺陷區(qū)是由多個(gè)超聲測點(diǎn)的波形來描述的，而每幅波形又直接反映了該點(diǎn)混凝土質(zhì)量。一幅接收波形采集1024個(gè)點(diǎn)，根據(jù)不同的采樣頻率其時(shí)間間隔不同。如采樣頻率為2MHz，相當(dāng)于0.5μs[1μs＝10-6s]采集一個(gè)點(diǎn)。選用靈敏度高、噪聲信號小的換能器，其頻率范圍為50～100kHz，以2～5MHz采樣頻率為最佳頻率。
采用波形信號處理系統(tǒng)軟件，對所采集的數(shù)據(jù)或事先存于磁盤中的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行多種計(jì)算分析。該軟件包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、超聲波傳播速度計(jì)算、接收波的首波計(jì)算；信號的最大值、最小值和平均值計(jì)算；頻譜分析、功率譜和相關(guān)分析等。為實(shí)時(shí)檢測聲速和首波幅度，軟件設(shè)計(jì)有單向循環(huán)比較算法、雙向循環(huán)比較算法，以及在屏幕上通過光標(biāo)操作直接從采樣波形上讀取聲速和首波幅度的方法。利用快速付里葉變換技術(shù)，可方便地獲得頻譜、功率譜、相關(guān)譜及接收波頻率等計(jì)算。
將每個(gè)測點(diǎn)波形數(shù)據(jù)文件按檢測的順序拷貝到數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)文件的排列與結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)布置一致，以滿足缺陷模擬成象位置的準(zhǔn)確性。
對每一個(gè)測點(diǎn)的波形，記錄和分析了以下參數(shù)①聲時(shí)超聲波脈沖信號，通過被測混凝土所需時(shí)間，符號用t表示，單位為微秒(μs)；混凝土質(zhì)量越好，通過的時(shí)間越短。
②聲速超聲波在混凝土中傳播的速度，符號用v表示，v=lt]]>單位為千米/秒(km/s)；混凝土質(zhì)量越好，傳播的速度越快。
③首波幅度接收波第一個(gè)前半周波幅度即為首波幅度，首波幅度的大小可以反映超聲波在混凝土中的衰減，混凝土質(zhì)量好則衰減小，首波幅度就大。其單位為分貝(dB)。
④基波頻率是對超聲波信號采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，即采用變換式F(ω)=2πΣn=-∞∞Fnδ(ω-nω1)]]>進(jìn)行運(yùn)算的，得到基波、二次諧波等?；l率就是式中的ω1。一般超聲波經(jīng)過缺陷介質(zhì)傳播后，基波頻率降低(亦即接收的ω1比發(fā)射波的ω1小)。
⑤基波幅度即為基波頻率分量的強(qiáng)度，單位為分貝(dB)。
⑥基波相位基波分量的相位角。同一超聲波信號通過不同介質(zhì)的物體傳播時(shí)，到達(dá)接收端的基波相位可能有所不同。
⑦基波功率可將超聲波視為功率有限信號f(t)，從f(t)中截取|t|≤T2]]>的一段，得到一個(gè)截短函數(shù)ft(t)，它的傅里葉變換為FT(ω)=∫-∞∞fT(t)ejωtdt,]]>則 功率譜(ω)反映了信號功率在頻域內(nèi)的分布情況。其中一次諧波的功率即為基波功率。
⑧最大相關(guān)值相關(guān)概念是從兩個(gè)信號波形的相似性引入的。如x(t)和y(t)是能量有限信號，則它們的相關(guān)函數(shù)定義為Rxy(τ)=∫-∞∞x(t)y*(t-τ)dt]]>這兩個(gè)信號在某個(gè)觀測點(diǎn)的最大相似值即為最大相關(guān)值。
⑨相關(guān)和兩個(gè)信號在所有觀測點(diǎn)的相關(guān)值加起來即為相關(guān)和。這個(gè)參數(shù)比較重要，可用來考察這兩個(gè)信號波形在整體上的相似程度。軟件中將各測點(diǎn)的接收波形分別與發(fā)射波形進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，經(jīng)過缺陷的接收波相關(guān)和較小，說明它相對發(fā)射波變化較大。
不同介質(zhì)的超聲波參數(shù)是不同的，粗骨料多的混凝土試件，超聲波速度偏高，均勻性好的混凝土首波和基波幅度略偏高。因此，我們可以利用參數(shù)變化來判斷缺陷范圍，同時(shí)進(jìn)行定量分析。本發(fā)明對振搗密實(shí)的混凝土、未振搗疏松的混凝土、砂率和骨灰比較大的混凝土試件進(jìn)行測試和分析處理。其結(jié)果見下表

超聲波檢測儀采集的波形信號，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后成數(shù)值量文件存入數(shù)據(jù)庫中。經(jīng)過聲學(xué)參數(shù)預(yù)處理后，形成按區(qū)段測試(或構(gòu)件)的數(shù)據(jù)庫，最后調(diào)用數(shù)據(jù)庫中文件進(jìn)行圖象生成顯示。其主要流程如圖1所示。
當(dāng)獲得被測對象各點(diǎn)超聲波信號后，進(jìn)行信號處理分析，按各種參數(shù)數(shù)值賦值一種模擬量(單一顏色深淺或不同顏色)，這樣可以直觀地把缺陷顯示出來。
本實(shí)施方實(shí)案采用多種參數(shù)，如聲速、首波幅度、基波頻率、基波功率、基波幅度等等，將多種參數(shù)分別賦以模擬量，如圖2所示。模擬圖象顯示可以直觀了解被測對象質(zhì)量情況。由圖2可以看出橫坐標(biāo)為測點(diǎn)號，縱坐標(biāo)為聲時(shí)、首波幅度、基波相位、基波幅度、基波功率……，除基波相位變化較大外，其余參數(shù)相對變化不大，可以說明這些測點(diǎn)質(zhì)量比較均勻。
每個(gè)超聲波測點(diǎn)波形，都要進(jìn)行參數(shù)的分析計(jì)算，而這些參數(shù)與混凝土質(zhì)量存在著較好的相關(guān)關(guān)系。
Q＝f{t，v，A，P，F(xiàn)(ω)，(ω)，RXY(τ)…}式中Q-混凝土質(zhì)量(強(qiáng)度、密實(shí)度、缺陷等)；t-超聲波聲時(shí)；v-超聲波聲速；A-首波幅度；P-首波頻率；F(ω)-基波頻率；(ω)-基波功率；RXY(τ)-最大相關(guān)值。
超聲波聲速與混凝土強(qiáng)度有很好的相關(guān)性，因而可以通過一定數(shù)量試件試驗(yàn)后，用回歸分析和誤差分析方法，計(jì)算出聲速與強(qiáng)度間的擬合曲線，為減少測試誤差，該曲線隨時(shí)可以進(jìn)行修正。本實(shí)施方案求出的測強(qiáng)曲線為fcuc=a×vb×η]]>式中fcuc-混凝土推定強(qiáng)度；
v-超聲波聲速；a，b-回歸系數(shù)；η-修正系數(shù)。
本實(shí)施方按測試步驟如下(1)在測試面上，按100×100mm畫出網(wǎng)格線(橫坐標(biāo)布12點(diǎn)；縱坐標(biāo)布15點(diǎn))；(2)在網(wǎng)格交叉點(diǎn)上，進(jìn)行逐行、逐點(diǎn)測試；(3)波形采集，存入數(shù)據(jù)庫；(4)數(shù)據(jù)傳輸、分析計(jì)算；(5)模擬成象。
對于檢測混凝土缺陷，超聲脈沖波是最好的檢測能源，也最適宜對混凝土質(zhì)量檢測。本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和程序設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)理論及實(shí)用技術(shù)，將超聲波波形數(shù)字化，經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析處理，計(jì)算出有關(guān)參數(shù)數(shù)值，利用參數(shù)值尋求對應(yīng)混凝土質(zhì)量變化范圍，再將參數(shù)值賦予模擬量，實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷圖形顯示及定量分析，并逐步實(shí)現(xiàn)了混凝土缺陷檢測的智能化和定量化。
權(quán)利要求
1.一種用超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷的定量判斷并直觀顯示的方法，其特征在于由超聲儀通過換能器采集結(jié)構(gòu)混凝土缺陷超聲信號，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)，將混凝土缺陷區(qū)的超聲信號波波形數(shù)字化，并由計(jì)算機(jī)計(jì)算出選定的超聲波波形參數(shù)數(shù)值，由參數(shù)值的變化得到對應(yīng)混凝土缺陷范圍，通過不同混凝土質(zhì)量所對應(yīng)的參數(shù)特征值，實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷定量分析，再將各參數(shù)值賦予模擬量，實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷圖形顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的所述的超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷方法，其特征在于換能器頻率范圍在50～250kHz，2～5MHz采樣頻率為最佳頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷方法，其特征在于參數(shù)與混凝土質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系是①聲時(shí)超聲波脈沖信號，通過被測混凝土所需時(shí)間，混凝土質(zhì)量越好，通過的時(shí)間越短；②聲速超聲波在混凝土中傳播的速度，混凝土質(zhì)量越好，傳播的速度越快；③首波幅度接收波第一個(gè)前半周波幅度即為首波幅度，首波幅度的大小可以反映超聲波在混凝土中的衰減，混凝土質(zhì)量好則衰減小，首波幅度就大；④基波頻率是對超聲波信號采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析得到基波、二次諧波；超聲波經(jīng)過缺陷介質(zhì)傳播后，基波頻率降低；⑤基波幅度即為基波頻率分量的強(qiáng)度；⑥基波相位基波分量的相位角；同一超聲波信號通過不同介質(zhì)的物體傳播時(shí)，到達(dá)接收端的基波相位不同；⑦基波功率功率譜反映了信號功率在頻域內(nèi)的分布情況，其中一次諧波的功率即為基波功率；⑧最大相關(guān)值兩個(gè)信號在某個(gè)觀測點(diǎn)的最大相似值即為最大相關(guān)值；⑨相關(guān)和兩個(gè)信號在所有觀測點(diǎn)的相關(guān)值加起來即為相關(guān)和；用來考察這兩個(gè)信號波形在整體上的相似程度。
4.如權(quán)利要求1或3所述的超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷方法，其特征在于聲速與混凝土強(qiáng)度間的測強(qiáng)曲線為fcuc=a×vb×η]]>式中fccu-混凝土推定強(qiáng)度；v-超聲波聲速；a，b-回歸系數(shù)；η-修正系數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷方法，其特征是所說的各參數(shù)值賦予模擬量是指單一顏色深淺或不同顏色。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷的定量判斷并直觀顯示的方法。本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和程序設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)理論及實(shí)用技術(shù)，將超聲波波形數(shù)字化，經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析處理，計(jì)算出有關(guān)參數(shù)數(shù)值，利用參數(shù)值尋求對應(yīng)混凝土質(zhì)量變化范圍，再將參數(shù)值賦予模擬量，實(shí)現(xiàn)混凝土缺陷圖形顯示及定量分析，并逐步實(shí)現(xiàn)了混凝土缺陷檢測的智能化和定量化。
文檔編號G06F19/00GK1828286SQ200510008990
公開日2006年9月6日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者張勁泉, 國天逵, 何玉珊, 邱平, 管鈞, 張榮成 申請人:交通部公路科學(xué)研究所