CN108802189A - 一种声测管弯曲声速修正装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种声测管弯曲声速修正装置与方法，该装置包括：声波检测仪和探头，声波检测仪包括：计算机、高压发射与控制模块、程控放大与衰减模块以及A/D转换与采集模块，探头包括：测斜设备、收发一体换能器、滑珠、电缆接口、压入弹簧。探头通过连接电缆与声波检测仪连接，声波检测仪中的计算机根据探头上的测斜设备所测得的测斜数据，结合桩顶处两根声测管外壁间净距以及声测管的内、外径数据可计算出所测剖面每一测线处的真实测距，再根据扣除测试***延时、几何因素声时修正值后的桩身混凝土中的传播声时，可计算得到所测剖面每一测线处的真实声速。本发明剔除了由于声测管弯曲所引起的声速测量误差，极大的提高了声波透射法检测混凝土灌注桩桩身质量的精度。

Description

一种声测管弯曲声速修正装置与方法

技术领域

本发明公开一种声速修正装置与方法，特别是一种混凝土灌注桩声波透射法检测声测管弯曲声速修正的装置与方法，属于建设工程基桩桩身完整性检测领域。

背景技术

声波透射法检测混凝土灌注桩桩身完整性的原理是事先在桩内预埋若干根相互平行的声测管，作为超声波接收和发射换能器的通道，检测时在一根管内放入声波发射换能器，在另一根管内放入声波接收换能器，两个换能器自下而上同步提升，通过实测声波在桩身混凝土介质中传播的声时、声速、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，从而对桩身混凝土质量进行检测。根据两管内换能器高程的变化，又可分为平测、斜侧、扇形扫测等方式，一般较为常用的方式为平测。

声速是指声波在混凝土中的传播速度，它是混凝土声学检测中的一个主要参数，与混凝土的质量、强度、弹性性质等息息相关，一般认为声速较低说明桩身混凝土质量存疑。在测试时，声速不是直接测量得到的，而是根据声测管外壁间净距和声时推算出来的，因此声速的测试精度取决于声测管外壁间净距和声时的测试精度。在混凝土灌注桩桩身完整性检测中，一般是用桩顶处的声测管外壁间净距来代表整个测试剖面内各测线处的声测管外壁间净距，因此声测管的平行度对声速测试精度的影响是相当大的。但是，实际上在混凝土灌注桩施工过程中会很容易产生声测管弯曲、扭曲，从而产生较大挠度的现象，在这种情况下，如果还使用桩顶处声测管外壁间的净距来代表整个剖面的声测管外壁间净距来计算各个测线的声速，那么计算出来的声速是存在较大误差的，严重的甚至会影响到桩身混凝土质量的判定。

发明内容

针对上述提到的现有技术中声测管弯曲时声速测定存在较大误差的缺点，本发明提供一种声测管弯曲声速修正装置与方法，其采用特殊设计的探头和声波检测仪结构，其采用换能器结合测斜设备的设置方式，可剔除由于声测管弯曲所引起的声速测量误差，从而极大的提高了声波透射法检测混凝土灌注桩桩身质量的精度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种声测管弯曲声速修正装置，该装置包括声波检测仪和探头，探头通过连接电缆与声波检测仪连接，声波检测仪包括计算机、高压发射与控制模块、程控放大与衰减模块以及A/D转换与采集模块，高压发射与控制模块与计算机连接，一个探头通过连接电缆和高压发射与控制模块连接，程控放大与衰减模块通过连接电缆和另一个探头连接，程控放大与衰减模块和A/D转换与采集模块连接，A/D转换与采集模块连接在计算机上，探头包括测斜设备和收发一体换能器，测斜设备和收发一体换能器固定安装在探头主体上。

一种声测管弯曲声速修正方法，该方法采用如上述的声测管弯曲声速修正装置，该方法包括下述步骤：

S1、测斜数据采集：分别将两个探头缓慢下放至两根声测管底部，滑珠分别控制两个探头处于两根声测管中心位置，两个探头上的测斜设备分别获得两根声测管中心的测斜数据，通过连接电缆分别将测斜数据传输至计算机，获得两根声测管中心的空间分布曲线；

S2、建立所测剖面三维模型：精确量测桩顶处两根声测管外壁间净距，输入声波检测仪，声波检测仪中的计算机结合已输入的两根声测管内、外径数据以及由步骤S1获得到的两根声测管中心空间分布曲线，建立所测剖面的三维模型；

S3、声时测量：在同时匀速提升两根声测管中的两个探头的过程中，计算机控制高压发射与控制模块，产生受控高压脉冲通过连接电缆激励某一声测管中探头上的所述收发一体换能器，将电能转换为超声脉冲后，依次通过声测管中的耦合剂和声测管壁传入桩身混凝土，另一声测管中的探头上的收发一体换能器接收到依次穿过混凝土、声测管壁和声测管中的耦合剂的超声信号后将该信号再转换为电信号，经连接电缆传输至声波检测仪中的程控放大与衰减模块对该电信号进行自动调整后，输送至A/D转换与采集模块，A/D转换与采集模块将转换后的数字信号再传输至计算机后计算得到声时测试值，扣除测试***延时、几何因素声时修正值（声波在声测管壁和耦合剂中产生的声时延时）后，得到测线处在混凝土介质中的传播声时；

S4、声速计算：在同时匀速提升两根声测管中的两个探头的过程中，计算机根据步骤S2建立的所测剖面三维模型以及两个探头所处的深度，提取出所测剖面在每一测线处的测距，结合所测测线处在桩身混凝土中的传播声时，从而计算得到所测剖面每一测线处的真实声速。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的探头主体上安装有滑珠，滑珠有部分露于探头主体外侧，探头主体内安装有压入弹簧，滑珠对应于压入弹簧设置。

所述的滑珠和压入弹簧在探头主体上下各设置有一组。

每组包括四个滑珠，四个滑珠在探头主体四周均匀分布。

所述的连接电缆上设有深度标记。

所述的探头主体上设置有用于与连接电缆连接的电缆接口。

所述的探头外径为30～35mm，长度约为200～250mm。

所述的测斜设备采用精密重力平衡伺服倾角传感器。

所述的收发一体换能器采用圆环式压电陶瓷片制作的径向换能器，沿径向振动无指向性，谐振频率为30kHz～60kHz。

本发明的有益效果是：本发明通过探头上的滑珠控制探头严格处于声测管中心位置，通过探头上的测斜设备精确测得声测管中心的测斜数据，通过连接电缆将测斜数据传输至声波检测仪中的计算机，获得声测管中心的空间分布曲线，计算机根据所测剖面的两根声测管中心的空间分布曲线，结合在桩顶处精确测量到的两声测管外壁间净距以及两声测管的内、外径数据，建立所测剖面的三维模型。在检测过程中，计算机根据两个探头所处深度，可以从所测剖面的三维模型中自动提取出每一测线处的测距，再根据扣除测试***延时、几何因素声时修正值后的桩身混凝土中的传播声时，可以计算得到所测剖面每一测线处的真实声速。本发明剔除了由于声测管弯曲所引起的声速测量误差，从而极大的提高了声波透射法检测混凝土灌注桩桩身质量的精度。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的一种声测管弯曲声速修正装置的示意图；

图2为本发明中声波检测仪的结构示意图；

图3为本发明中探头的正面结构示意图；

图4为本发明中探头的俯视结构示意图；

图5为本发明的一种声测管弯曲声速修正方法的流程图。

其中，1、声波检测仪；2、探头；3、连接电缆；11、计算机；12、高压发射与控制模块；13、程控放大与衰减模块；14、A/D转换与采集模块；21、测斜设备；22、收发一体换能器；23、滑珠；24、电缆接口；25、压入弹簧。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1，本发明为一种声测管弯曲声速修正装置，其主要包括声波检测仪1和探头2，探头2通过连接电缆3与声波检测仪1连接，本实施例中，连接电缆3上设有深度标记（图中未画出），可通过深度标记清楚的知道探头2所在位置的深度。请参看附图2，本实施例中，声波检测仪1包括计算机11、高压发射与控制模块12、程控放大与衰减模块13以及A/D转换与采集模块14，高压发射与控制模块12与计算机11连接，一个探头2通过连接电缆3和高压发射与控制模块12连接，程控放大与衰减模块13通过连接电缆3和另一个探头2连接，程控放大与衰减模块13和A/D转换与采集模块14连接，A/D转换与采集模块14连接在计算机11上。请参看附图3，本实施例中，探头2包括测斜设备21、收发一体换能器22、滑珠23、电缆接口24、压入弹簧25，测斜设备21和收发一体换能器22固定安装在探头2主体上，滑珠23安装在探头2主体上，且有部分露于探头2主体外侧，压入弹簧25安装在探头2主体内，滑珠23对应于压入弹簧25设置，本实施例中，滑珠23和压入弹簧25在探头2主体上下各设置有一组，每组包括四个滑珠23，四个滑珠23在探头2主体四周均匀分布。滑珠23通过压入弹簧25可以自由伸缩和滚动，滑珠23在伸出状态时紧贴声测管内壁。探头2主体上设置有电缆接口24，用于与连接电缆3连接。

计算机11控制高压发射与控制模块12，产生受控高压脉冲通过连接电缆3激励某一声测管中探头2上的收发一体换能器22，将电声转换为超声脉冲后，依次通过声测管中的耦合剂（水）和声测管壁传入桩身混凝土，另一声测管中的探头2上的收发一体换能器22接收到依次穿过混凝土、声测管壁和声测管中的耦合剂（水）的超声信号后将该信号再转换为电信号，经连接电缆3传输至声波检测仪1中的程控放大与衰减模块13，并对该电信号进行自动调整后，再输送至A/D转换与采集模块14，A/D转换与采集模块14将转换后的数字信号再传输至计算机11后可计算得到声时测试值，扣除测试***延时、几何因素声时修正值（声波在声测管壁和耦合剂中产生的声时延时）后，得到测线处在混凝土介质中的传播声时。

两个探头2在分别下放至两根声测管底部过程中，四周的滑珠23紧贴声测管内侧壁，并由于压入弹簧25的弹力的作用，使得滑珠23不会卡在声测管内侧壁上，可顺利的下放至声测管内，滑珠23控制探头2严格处于声测管中心位置，两个探头2上的测斜设备21可分别获得两根声测管中心的测斜数据，通过连接电缆3分别将测斜数据传输至计算机11，从而获得两声测管中心的空间分布曲线，计算机11结合在桩顶处精确测量到的两声测管外壁间净距以及两声测管的内、外径数据，可以建立所测剖面的三维模型，再根据两个探头2在检测过程中所处的深度，从而可以精确获得所测剖面在每一测线处的测距。计算机11根据所测剖面每一测线处的测距以及在桩身混凝土中的传播声时，从而可以计算得到所测剖面每一测线处的真实声速。

本实施例中，声波检测仪1具有以下功能：

1）实时显示和记录接收信号时程曲线以及频率测量或频谱分析；

2）最小采样时间间隔小于等于0.5μs，***频带宽度为1kHz～200kHz，声波幅值测量相对误差小于5%，***最大动态范围不小于100dB；

3）声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为200V～1000V；

4）首波实时显示；

5）自动记录声波发射与接收换能器位置。

本实施例中，探头2外径优选为约30～35mm（比声测管内径小约10～20mm），长度约为200～250mm，水密性满足1MPa水压不渗水。

本实施例中，测斜设备21优选采用精密重力平衡伺服倾角传感器，可360°全方位倾斜测量，测量精度优于0.05°。

本实施例中，收发一体换能器22采用圆环式压电陶瓷片制作的径向换能器，沿径向振动无指向性，谐振频率为30kHz～60kHz。本实施例中，收发一体换能器22具有发射和接收两种工作模式，同一收发一体换能器22的发射和接收两种工作模式不能同时出现。具体实施时，也可以一个探头2中的换能器采用发射换能器，另一个探头2中的换能器采用接收换能器。

本发明同时还保护一种声测管弯曲声速修正方法，该方法主要包括以下步骤：

S1、测斜数据采集：分别将两个探头2缓慢下放至两根声测管底部，滑珠23分别控制两个探头2严格处于两根声测管中心位置，两个探头2上的测斜设备21分别获得两根声测管中心的测斜数据，通过连接电缆3分别将测斜数据传输至计算机11，根据测斜数据获得两根声测管中心的空间分布曲线；

S2、建立所测剖面三维模型：精确量测桩顶处两根声测管外壁间净距，输入声波检测仪1，声波检测仪1中的计算机11结合已输入的两根声测管内、外径数据以及由步骤S1获得到的两根声测管中心空间分布曲线，建立所测剖面的三维模型。由于声测管的孔口位置固定，从孔口下放360°全方位测斜仪，根据测斜仪实时的倾斜角度以及所处深度，即可得到声测管中轴线的大致形状，即声测管中心空间分布曲线，根据两个声测管的中心空间分布曲线，再结合桩顶处两声测管的距离就可以建立剖面模型；

S3、声时测量：在同时匀速提升两根声测管中的两个探头2的过程中，计算机11控制高压发射与控制模块12，产生受控高压脉冲通过连接电缆3激励某一声测管中探头2上的所述收发一体换能器22，将电能转换为超声脉冲后，依次通过声测管中的耦合剂（水）和声测管壁传入桩身混凝土，另一声测管中的探头2上的收发一体换能器22接收到依次穿过混凝土、声测管壁和声测管中的耦合剂（水）的超声信号后将该信号再转换为电信号，经连接电缆3传输至声波检测仪1中的程控放大与衰减模块13对该电信号进行自动调整（本实施例中，采用程控放大与衰减模块13对该电信号进行自动调整属于计算机***知识，在计算机***为公知的内容，而且现有的声波检测仪中也广泛采用，本实施例中，采用常规手段对电信号进行自动调整）后，输送至A/D转换与采集模块14，A/D转换与采集模块14将转换后的数字信号再传输至计算机11后可计算得到声时测试值，扣除测试***延时、几何因素声时修正值（声波在声测管壁和耦合剂中产生的声时延时）后，得到测线处在混凝土介质中的传播声时，本实施例中，声时测试值扣除测试***延时、几何因素声时修正值（声波在声测管壁和耦合剂中产生的声时延时）后，得到测线处在混凝土介质中的传播声时，即：声速测试值-***延时-几何因素声时修正值=在混凝土介质中的传播声时；

S4、声速计算：在同时匀速提升两根声测管中的两个探头2的过程中，计算机11根据步骤S2建立的所测剖面三维模型以及两个探头2所处的深度，提取出所测剖面在每一测线处的测距，结合所测测线处在桩身混凝土中的传播声时，从而计算得到所测剖面每一测线处的真实声速，本实施例中，距离除以时间为速度，测距除以声时就得到声速。

综上所述，本发明提供了一种声测管弯曲声速修正装置与方法，通过探头上的滑珠控制探头严格处于声测管中心位置，通过探头上的测斜设备精确测得声测管中心的测斜数据，通过连接电缆将测斜数据传输至声波检测仪中的计算机，获得声测管中心的空间分布曲线，计算机根据所测剖面的两根声测管中心的空间分布曲线，结合在桩顶处精确测量到的两声测管外壁间净距以及两声测管的内、外径数据，建立所测剖面的三维模型。在检测过程中，计算机根据两个探头所处深度，可以从所测剖面的三维模型中自动提取出每一测线处的测距，再根据扣除测试***延时、几何因素声时修正值后的桩身混凝土中的传播声时，可以计算得到所测剖面每一测线处的真实声速。本发明剔除了由于声测管弯曲所引起的声速测量误差，从而极大的提高了声波透射法检测混凝土灌注桩桩身质量的精度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的装置包括声波检测仪和探头，探头通过连接电缆与声波检测仪连接，声波检测仪包括计算机、高压发射与控制模块、程控放大与衰减模块以及A/D转换与采集模块，高压发射与控制模块与计算机连接，一个探头通过连接电缆和高压发射与控制模块连接，程控放大与衰减模块通过连接电缆和另一个探头连接，程控放大与衰减模块和A/D转换与采集模块连接，A/D转换与采集模块连接在计算机上，探头包括测斜设备和收发一体换能器，测斜设备和收发一体换能器固定安装在探头主体上。

2.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的探头主体上安装有滑珠，滑珠有部分露于探头主体外侧，探头主体内安装有压入弹簧，滑珠对应于压入弹簧设置。

3.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的滑珠和压入弹簧在探头主体上下各设置有一组。

4.根据权利要求3所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：每组包括四个滑珠，四个滑珠在探头主体四周均匀分布。

5.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的连接电缆上设有深度标记。

6.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的探头主体上设置有用于与连接电缆连接的电缆接口。

7.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的探头外径为30～35mm，长度约为200～250mm。

8.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的测斜设备采用精密重力平衡伺服倾角传感器。

9.根据权利要求1所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的收发一体换能器采用圆环式压电陶瓷片制作的径向换能器，沿径向振动无指向性，谐振频率为30kHz～60kHz。

10.一种声测管弯曲声速修正方法，该方法采用如权利要求1至9中任意一项所述的声测管弯曲声速修正装置，其特征是：所述的方法包括下述步骤：

S1、测斜数据采集：分别将两个探头缓慢下放至两根声测管底部，滑珠分别控制两个探头处于两根声测管中心位置，两个探头上的测斜设备分别获得两根声测管中心的测斜数据，通过连接电缆分别将测斜数据传输至计算机，获得两根声测管中心的空间分布曲线；

S2、建立所测剖面三维模型：精确量测桩顶处两根声测管外壁间净距，输入声波检测仪，声波检测仪中的计算机结合已输入的两根声测管内、外径数据以及由步骤S1获得到的两根声测管中心空间分布曲线，建立所测剖面的三维模型；

S3、声时测量：在同时匀速提升两根声测管中的两个探头的过程中，计算机控制高压发射与控制模块，产生受控高压脉冲通过连接电缆激励某一声测管中探头上的所述收发一体换能器，将电能转换为超声脉冲后，依次通过声测管中的耦合剂和声测管壁传入桩身混凝土，另一声测管中的探头上的收发一体换能器接收到依次穿过混凝土、声测管壁和声测管中的耦合剂的超声信号后将该信号再转换为电信号，经连接电缆传输至声波检测仪中的程控放大与衰减模块对该电信号进行自动调整后，输送至A/D转换与采集模块，A/D转换与采集模块将转换后的数字信号再传输至控制器后计算得到声时测试值，扣除测试***延时、几何因素声时修正值后，得到测线处在混凝土介质中的传播声时；

S4、声速计算：在同时匀速提升两根声测管中的两个探头的过程中，计算机根据步骤S2建立的所测剖面三维模型以及两个探头所处的深度，提取出所测剖面在每一测线处的测距，结合所测测线处在桩身混凝土中的传播声时，从而计算得到所测剖面每一测线处的真实声速。