基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置及方法
2023-09-27 05:50:15 2
基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置及方法，將回波信息進行處理，從而得到混凝土的內部結構，利用合成孔徑成像法對所接收到的超聲回波信號進行動態聚焦處理，結合信息熵算法對含缺陷的回波信號進行處理，提取缺陷信息，判定缺陷，重建缺陷圖像，更好地在日常環境下提取出混凝土結構內部的缺陷等信息，更有效地對橋梁或建築等混凝土結構進行質量監測和維護，可靠性高，有利於實際的推廣及使用。
【專利說明】基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種用於對混凝土結構預應力的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量超聲無損檢測裝置及方法，屬於超聲檢測及分析【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近幾年，中國的橋梁坍塌事故頻頻發生，提高橋梁等混凝土結構質量檢測技術，對可能存在安全隱患的建築項目進行安全評估是一項勢在必行的工作，其中關於橋梁梁板中預應力孔道波紋管壓漿質量的檢測是重點之一，壓漿是否密實將直接影響預應力構件的整體強度和耐久性。
[0003]傳統的壓漿質量的檢測，主要靠監理現場觀察注漿過程中漿液的出漿情況，以此來判別該孔壓漿質量是否符合要求，具有很大的主觀隨意性，況且漿液在孔內的流動情況受施工操作、壓漿壓力等因素控制，監理人員難以判別漿液在孔內的飽滿和固結情況。作為抽樣檢測，可採用鑽心檢測法，通過鑽孔取樣，查看內部的缺陷，該方法簡單實用，但具有破壞性，對於已澆築好的構建不太適合；採用彈性波方法加以解決，通過彈性波的傳播途徑，對彈性波的振幅，頻率，波幅等參數的認識來識別有無缺陷，但彈性波形的多解性讓人難以判斷，效果並不明顯。加之灌漿混凝土材料是一種由水泥漿、孔隙、預應力鋼筋和波紋管等組成多相複合體系的異質結構材料，各相隨機地交織在一起，形成極為複雜的內部結構，又是多相的凝聚體和具有彈、粘、塑性的非均質材料，對其進行快速無破損檢測也就比較複雜。如今，無損檢測技術愈發成熟，常見的無損檢測技術有:
[0004](I)射線照相檢驗法:射線能穿透肉眼無法穿透的物質使膠片感光，當X射線或r射線照射膠片時，與普通光線一樣，能使膠片乳劑層中的滷化銀產生潛影，由於不同密度的物質對射線的吸收係數不同，照射到膠片各處的射線能量也就會產生差異，便可根據暗室處理後的底片各處黑度差來判別缺陷。但是總體成本相對較高，而且射線對人體有害，檢驗速度會較慢；
[0005](2)磁粉檢測:鐵磁性材料和工件被磁化後，由於不連續性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發生局部畸變而產生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下目視可見的磁痕，從而顯示出不連續性的位置、形狀和大小。但是，工件的形狀和尺寸有時對檢測有影響，因其難以磁化而無法檢測；
[0006](3)液體滲透法:零件表面被施塗含有螢光染料或著色染料的滲透劑後，在毛細管作用下，經過一段時間，滲透液可以滲透進表面開口缺陷中；經去除零件表面多餘的滲透液後，再在零件表面施塗顯像劑，同樣，在毛細管的作用下，顯像劑將吸引缺陷中保留的滲透液，滲透液回滲到顯像劑中，在一定的光源下，缺陷處的滲透液痕跡被現實，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態。但是，滲透檢測只能檢出表面開口缺陷，但對埋藏缺陷或閉合型表面缺陷無法檢出，而且檢測工序多，速度慢材料較貴成本較高，並且有些材料易燃有毒；
[0007](4)超聲法:利用換能器將高頻電脈衝轉換為高頻超聲波，超聲波通過耦合劑傳入工件，超聲波在傳播過程中遇到異質界面時會發生反射、折射和波形轉換，反射回來的聲波再通過耦合劑被探頭接收、放大後在螢光屏上顯示，根據反射回波位置判斷是否根據回波高度判斷缺陷反射面的當量大小。但是，無法得到缺陷直觀圖像，定性困難，定量精度不高，而且，在檢測與聲束平行的裂紋類面狀缺陷檢測出率很低，容易漏檢。
[0008]我們知道，混凝土結構是一種非均質、多孔、組成結構複雜、分散性極大的各向異性複合材料，並且混凝土結構(如大壩、橋梁)體積龐大、結構複雜，因此，傳統機械行業的無損檢測手段就顯得無能為力了，聲波在混凝土中傳播時，如遇有結塊空腔等內部缺陷，就會被這些結構散射，產生帶有物體內部結構的聲學特性信息的回波信號，採集並處理這些回波信號，可以得到混凝土的內部結構信息。但是，混凝土本身的特性，使得高頻波段在其中的衰減較大，而且，波在混凝土中傳播的指向性也較差，同時，在日常檢測中會伴有隨機噪聲的影響，故而目前的檢測裝置及方法檢測的準確度及精度，還都無法達到工程要求，實測中經常出現漏判、誤判。
【發明內容】
[0009]本發明的目的克服現有技術中的不足，提供的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置及方法為精確、實用、經濟的無損檢測，能更好地提取出混凝土結構內部的缺陷等信息，更有效地對橋梁或建築等混凝土結構進行質量監測和維護，可靠性高，有利於實際的推廣及使用。
[0010]為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是:
[0011]一種基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:包括
[0012]信號激勵模塊，用於產生大功率脈衝信號源；
[0013]信號發射與接收模塊，用於發射超聲波檢測信號以及接收回波信號；
[0014]信號採集與處理模塊，基於合成孔徑算法，對信號發射與接收模塊內的接收換能器陣列接收到的回波信號進行採樣、量化與存儲；
[0015]判定與顯示模塊，基於信息熵算法，在噪聲背景下提取缺陷信號的特徵，展示檢測結果，判定缺陷；
[0016]所述信號激勵模塊與信號發射與接收模塊相連接，所述信號發射與接收模塊通過信號採集與處理模塊與判定與顯示模塊相連接。
[0017]前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述信號發射接收模塊包括發射換能器基元、接收換能器陣列、正方形掃描單元和絲杆滑臺，所述發射換能器基元與信號激勵模塊相連接，所述接收換能器陣列與信號採集與處理模塊相連接，所述發射換能器基元、接收換能器陣列共同與正方形掃描單元相連接，所述正方形掃描單元安裝在絲杆滑臺上，所述正方形掃描單元對被測混凝土結構進行掃描。
[0018]前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述發射換能器基元用於發射超聲檢測信號，且為與信號激勵模塊內的信號源相匹配的陶瓷發射換能器。
[0019]前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述接收換能器陣列為四個與發射換能器相匹配的接收換能器，各接收換能器呈等間距線性排列，置於正方形掃掃描單元的四個頂點，用於接收回波信號，並發送給信號採集與處理模塊。[0020]前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述信號採集與處理模塊包括依次連接的運算放大器、高速A/D轉換器、高速控制單元、數據存儲單元、和合成孔徑算法單元，所述合成孔徑算法單元包括依次連接的匹配濾波電路、延時電路和計算機終端。
[0021]前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述判定與顯示模塊包括相連接的信息熵算法判定單元和顯示單元，所述信息熵算法判定單元利用頻率熵算法去判定從各接收換能器接收信號的缺陷信息，包括時頻濾波模塊、信息熵算法模塊和閾值判定；所述顯示單元用圖像顯示出得到的缺陷信息數據，展示出被測混凝土結構的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
[0022]運行在前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置的檢測方法，其特徵在於:包括以下步驟，
[0023]步驟(1)信號激勵模塊產生大功率脈衝信號，激勵發射換能器基元，產生用於檢測被測混凝土結構的超聲波檢測信號；
[0024]步驟(2)接收換能器陣列對回波信號進行接收；
[0025]步驟(3)信號採集與處理模塊對接收換能器陣列接收到的回波信號進行採樣、量化及存儲處理；
[0026]步驟(4)通過絲杆滑臺帶動正方形掃描單元，採用步進的方式沿直線以固定的速度移動，重複步驟(2)、(3)，直至正方形掃描單元完成被測混凝土結構整個檢測區域的掃描;
[0027]步驟(5)信號採集與處理模塊採用合成孔徑聚焦對採集到的回波信號進行處理，並將結果輸出到判定與顯示模塊；
[0028]步驟(6)判定與顯示模塊對回波信號的數據進行判定，判定過程基於頻率熵算法，提取回波信號的缺陷信息，並圖像顯示出得到的缺陷信息數據，展示出被測混凝土結構的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
[0029]前述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測方法，其特徵在於:步驟
(5)信號採集與處理模塊採用合成孔徑聚焦對採集到的回波信號進行處理的方法為採用一發多收模式，實現動態聚焦成像，確定缺陷點的形狀信息函數，具體如下，
[0030](I)設缺陷點P到發射換能器基元的距離為rlm，缺陷點P到接收換能器陣列的距離為r2ni則，
[0031]
【權利要求】
1.基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:包括 信號激勵模塊，用於產生大功率脈衝信號源； 信號發射與接收模塊，用於發射超聲波檢測信號以及接收回波信號； 信號採集與處理模塊，基於合成孔徑算法，對信號發射與接收模塊內的接收換能器陣列接收到的回波信號進行採樣、量化與存儲； 判定與顯示模塊，基於信息熵算法，提取缺陷信號的特徵，展示檢測結果，判定缺陷； 所述信號激勵模塊與信號發射與接收模塊相連接，所述信號發射與接收模塊通過信號採集與處理模塊與判定與顯示模塊相連接。
2.根據權利要求1所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述信號發射接收模塊包括發射換能器基元、接收換能器陣列、正方形掃描單元和絲杆滑臺，所述發射換能器基元與信號激勵模塊相連接，所述接收換能器陣列與信號採集與處理模塊相連接，所述發射換能器基元、接收換能器陣列共同與正方形掃描單元相連接，所述正方形掃描單元安裝在絲杆滑臺上，所述正方形掃描單元對被測混凝土結構進行掃描。
3.根據權利要求2所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述發射換能器基元用於發射超聲檢測信號，且為與信號激勵模塊內的信號源相匹配的陶瓷發射換能器。
4.根據權利要求2所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述接收換能器陣列為四個與發射換能器相匹配的接收換能器，各接收換能器呈等間距線性排列，置於正方形掃掃描單元的四個頂點，用於接收回波信號，並發送給信號採集與處理模塊。
5.根據權利要求1所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述信號採集與處理模塊包括依次連接的運算放大器、高速A/D轉換器、高速控制單元、數據存儲單元、和合成孔徑算法單元，所述合成孔徑算法單元包括依次連接的匹配濾波電路、延時電路和計算機終端。
6.根據權利要求1所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置，其特徵在於:所述判定與顯示模塊包括相連接的信息熵算法判定單元和顯示單元，所述信息熵算法判定單元利用頻率熵算法去判定從各接收換能器接收信號的缺陷信息，包括時頻濾波模塊、信息熵算法模塊和閾值判定；所述顯示單元用圖像顯示出得到的缺陷信息數據，展示出被測混凝土結構的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
7.運行在權利要求1所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測裝置的檢測方法，其特徵在於:包括以下步驟， 步驟(1)信號激勵模塊產生大功率脈衝信號，激勵發射換能器基元，產生用於檢測被測混凝土結構的超聲波檢測信號； 步驟(2)接收換能器陣列對回波信號進行接收； 步驟(3)信號採集與處理模塊對接收換能器陣列接收到的回波信號進行採樣、量化及存儲處理； 步驟(4)通過絲杆滑臺帶動正方形掃描單元，採用步進的方式沿直線以固定的速度移動，重複步驟(2)、(3)，直至正方形掃描單元完成被測混凝土結構整個檢測區域的掃描； 步驟(5)信號採集與處理模塊採用合成孔徑聚焦對採集到的回波信號進行處理，並將結果輸出到判定與顯不t旲塊； 步驟(6)判定與顯示模塊對回波信號的數據進行判定，判定過程基於頻率熵算法，提取回波信號的缺陷信息，並圖像顯示出得到的缺陷信息數據，展示出被測混凝土結構的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
8.根據權利要求7所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測方法，其特徵在於:步驟(5)信號採集與處理模塊採用合成孔徑聚焦對採集到的回波信號進行處理的方法為採用一發多收模式，實現動態聚焦成像，確定缺陷點的形狀信息函數，具體如下， (O設缺陷點P到發射換能器基元的距離為rlm，缺陷點P到接收換能器陣列的距離為r2m 則，
9.根據權利要求7所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測方法，其特徵在於:步驟(6)判定過程基於頻率熵算法，提取回波信號的缺陷信息的方法為， (1)根據接收的回波信號建立的缺陷回波模型，所述缺陷回波模型為聚焦後的缺陷點P的形狀信息函數S(t)，通過傅立葉變換求得其頻域函數sjco); (2)根據回波信號在有無缺陷處的頻率熵的不同進行缺陷檢測。
10.根據權利要求9所述的基於合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質量檢測方法，其特徵在於:(2)根據回波信號在有無缺陷處的頻率熵的不同進行缺陷檢測，通過回波信號的頻率熵來計算缺陷回波的到達時間和頻率，從而進行缺陷檢測。
【文檔編號】G01N29/07GK103604868SQ201310542563
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】韓慶邦, 成錦, 王茜, 趙勝永, 朱昌平, 殷澄, 李建, 湯一彬 申請人:河海大學常州校區