CN109085235A - 一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，首次提出表征波形畸变程度的“畸变系数”的“频谱模差”计算方法，以此作为表征波形畸变程度的量化声参量，且同时提出“综合因子”计算方法以及“综合因子图像识别法”的灌浆饱满度判定方法，采用了与常规概率法完全不同的缺陷识别与判定思路，在不提高检测成本、不影响检测效率的前提下，达到对套筒灌浆饱满度测试的技术指标要求。且对于其他混凝土构筑物内部缺陷检测，尤其是对于梁板柱节点复杂构件部位和内部钢筋过于密集性构件也具有较好测试结果，对于促进工业化建筑的规模化发展、保障工程质量和使用安全均有重要意义，也为工程建设和标准制订提供技术依据和设备保障。

Description

一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法

技术领域

本发明涉及装配整体式混凝土建筑的质量控制与检测技术领域，具体涉及一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，是一种用超声法对采用装配式混凝土结构套筒灌浆连接方式的钢筋套筒内部的灌浆饱满度进行无破损检测的技术。

背景技术

装配式混凝土结构是指部分或全部构件及部品在预制工厂生产完成，再运输到施工现场，采用可靠的连接方式和安装机械将构件组装起来，形成具备设计承载功能的结构。与现浇结构相比，装配式施工具有施工方便，工程进度快，对周围环境影响小，建筑构件质量容易得到保证等优点。装配式混凝土结构对推进城市建设进程、提高工程质量、降低建造成本、促进节能减排、改善人居环境、转变建筑业生产方式等都具有积极意义。近十年来，随着我国经济的快速发展，劳动力成本上升，随着预制构件的制造精度与质量、预制装配式建筑的设计与施工技术以及管理水平的提高，预制装配式建筑的应用重新升温，并呈现快速发展的态势。成为我国建筑业未来发展的主流方向之一，具有非常广阔的发展前景。

钢筋套筒灌浆连接是目前装配式混凝土结构中钢筋连接采用的主要方式之一，该连接的原理是利用钢筋套筒内部键槽，再灌注高强度无收缩灌浆料，通过灌浆料、钢筋和套筒的协同作用实现钢筋连接。该连接技术具有施工快捷、受力简单、附加应力小、适用范围广、易吸收施工误差等优点。从套筒灌浆连接原理可知，要使连接安全可靠，需确保套筒内部灌浆料填充饱满。目前由于构件加工精度、现场施工水平以及施工质量管理等因素，造成套筒内部漏浆、少灌、堵塞的情况时有发生。灌浆料在套筒内的充盈程度是影响钢筋连接性能的重要因素，如果套筒内部灌浆不饱满，钢筋连接将达不到设计的预期性能，则会带来结构安全隐患。因此，迫切需要一套检测钢筋套筒内部灌浆饱满度的方法。

现有的套筒灌浆饱满度检测方法主要包括三大类：预埋检测方法、局部破损检测方法和无损检测方法。预埋检测方法需在灌浆施工过程中预埋辅助装置，如预埋传感器、预埋拉拔钢丝等，后期通过对预埋装置的测试，评价内部灌浆情况。受钢筋位置的影响，当钢筋紧贴套筒内壁时，预埋装置无法伸入套筒，预埋方法有误判和漏判的情况；当浆料包裹传感器后再发生漏浆情况，传感器方法也存在误判的可能；另外，由于预埋的传感器不能重复使用，故预埋传感器方法的检测成本较高，难以推广使用。局部破损检测方法通常是对怀疑存在内部缺陷的钢筋套筒进行钻芯取样，直接切断钢筋套筒，检查内部缺陷，该方法破坏了钢筋连接，检测部位需要采取加固补强措施，工程上很少采用，只有当工程质量存在争议且无其他有效方法可用时才会考虑破损性检测。无损检测方法是事先不采取任何预埋措施，直接在混凝土表面通过超声波、冲击弹性波、X射线等检测内部缺陷。无损检测方法应该是最理想的检测手段，由于受检测对象的复杂性，目前针对灌浆缺陷的无损检测技术研究进展缓慢，难以满足工程应用。其中的钢筋套筒灌浆连接质量已成为业界关注的焦点。

从使用情况看，以上几种检测方法的测试效果均不理想，除了成本过高，难以推广，以及破损后难以加固等弊端以外，关键是测试结果不理想，错判和漏判情况较多。

目前，对于装配式结构的检验，基本都是实验室送检项目，没有实体检验项目。对于灌浆质量是否饱满密实，仅凭施工记录，难以全面了解施工质量。由于检验技术研发的滞后，目前尚无针对装配式结构检验的技术规程，缺乏实体检验手段，急需要研发实体检验技术。

如上所述，对比预埋检测法、局部破损法以及无损检测法三类测试方法，显而易见，无损检测法最为理想。因此应将无损检测方法作为解决套筒灌浆饱满度检测难题的主要研究方向。

在无损检测技术领域，目前在研的测试方法主要包括X射线法、冲击回波法和雷达法。X射线方法比较直观，可以发现套筒内部与胶片平面平行的缺陷，要求套筒为单排布置或者呈梅花状布置，且沿着射线穿透方向的构件厚度不能太厚。对于钢筋混凝土柱或者厚度较大的混凝土墙，X射线无法穿透构件，故该方法对此类构件不适用。另外，因X射线具有放射性，工地现场使用有一定的限制，需要确保现场人员的辐射安全。雷达法只能用于检测EVE预制圆孔板装配式混凝土剪力墙结构体系墙体二次灌孔浇筑质量，包括预制圆孔与后浇筑混凝土的分层，二次浇筑的漏灌或分层。但对于套筒灌浆连接方式的构件，由于钢套筒和钢筋对雷达信号的屏蔽作用，对于钢套筒内部的灌浆密实度检测无能为力。冲击回波法的测试原理为利用应力反射回波的频谱变化识别无灌浆管道、有密实灌浆管道以及不密实灌浆管道。由于影响应力反射回波因素的复杂性，声学原理和实测数据均不能说明灌浆饱满度是确定回波频谱主峰偏移度以及形成多主峰的主因，造成回波频谱的变化与灌浆饱满度的相关性不理想，容易造成错判和漏判，试测效果不理想。在多种混凝土结构物缺陷的无损检测技术方法中，超声波法具有穿透能力较强，对测方式下的声参量与传播路径介质密实度的相关性较好，不受钢筋等金属介质屏蔽等突出特点，且检测设备相对简单，操作使用方便安全，因此相比以上多种无损检测技术，超声波法明显具有原理性的优势，已具有相关技术规程《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:2000)，在混凝土内部缺陷检测中得到广泛应用。

但是，使用混凝土内部缺陷超声检测技术检测套筒灌浆饱满度的效果却令人失望。套筒灌浆试件模型测试结果显示，以概率法统计计算出的声参量临界值为判据得到的异常测点分布与已知未灌浆部位不吻合，声速判据与幅度判据结果不吻合，无法得到预期的已知缺陷。

经过大量的实验，分析混凝土不密实性缺陷的超声判定方法不适用套筒灌浆饱满度测试的原因有以下几方面：

首先是声速参数受到明显制约，甚至可能起到负面作用。超声检测中最基本和应用最为普遍的声参量是声速，即超声波在介质中传播的平均速度。在灌浆饱满度检测中，声传播路径介质包括混凝土、钢套筒和钢筋、灌浆料层以及因灌浆不饱满而造成的空气层。混凝土声速约为4000～4500m/s；钢套筒和套筒内的钢筋声速约为5800m/s，灌浆层声速约为4000m/s，空气层声速约为340m/s。显然，空气层声速明显低于其他介质声速。检测声速是期求通过声速变化判定传播路径中是否存在因灌浆不饱满而产生的低声速区，但相对混凝土正常声速，钢套筒和钢筋则是提高平均声速的因素，对低声速的判定起到负面的干扰作用，甚至由于钢套筒对声波的“短路”效应，导致掩盖了可能存在的空气夹层。而且在套筒灌浆测试中，可能出现的空气低声速层尺度较小，由此造成声速下降的幅度也较小。声波传播原理和实验都表明在套筒灌浆饱满度测试中，以声速为主要判据的方法效果不佳。

第二点，波形畸变与传播路径中声界面造成传播路径变化，波型转变与叠加、声能衰减等有直接关系，其中尤以空气层为声阻抗差异最大的声界面，波形是否畸变以及幅度的衰减程度是判定空气层缺陷存在与否的重要判据，且对密集钢筋影响的抵御能力明显优于首波的声时(声速)。另外，波形畸变系数的计算源于包括首波在内的前5个完整波段样本，代表了较为完整波段的信息，所携带的介质完整性信息也更为全面。但由于《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:200)中对波形畸变程度没有可量化的数据参数，仅凭测试者的观察和经验，无法作为可量化评价的参数，也无法形成量化评定的判据。

第三点，超声缺陷检测技术规程中对异常测点判据临界值的计算方法为概率统计法。其数学前提为数据母体足够大，且正常测位数据足够多，剔除异常测点后的统计母体应符合正态分布。但在套筒灌浆饱满度测试中，测点数量有限，异常点比例可能偏大，难以达到正常测点统计母体符合正态分布的要求，一旦统计分析的前提缺失，计算出的概率法临界值必然有误，漏判与错判无法避免。

第四点，目前技术规程推荐和普遍使用的声参数为声速和首波幅度，并以观察波形是否畸变作为辅助的参考判据。但是在灌浆饱满度测试中，由于灌浆层相对传播路径尺度较小，灌浆不饱满甚至未灌浆所造成的空气层缺陷虽然对结构安全影响甚大，但作为声学缺陷仍属于小范围缺陷，加之钢套筒和钢筋的负面干扰，因此很多情况下，声速和首波幅度声参数所判定出的异常测位结果并不一致，甚至可能有明显甚至相反的结论，由于尚不具备统一的量化参数，测试者难于做出最终判定。

由此说明，虽然超声法较之其他检测技术在原理上具有优势，但是依据常规超声检测缺陷方法，难于完成对灌浆密实度的检测，必须探索新的超声检测技术方法。

发明内容

针对常规超声法检测失效的原因和难点，本发明提出了一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，首创性提出“综合因子图像识别法”，采用了与常规概率判定法完全不同的缺陷识别与判定思路，收到明显的良好效果，在不提高检测设备成本，不影响现场检测效率的前提下，取得了较好的检测效果，达到对套筒灌浆饱满度测试的技术指标要求。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：

一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、现场采集测试波：照常规超声测试方法进行测点测试，每个构件为一个测试文件,依次在测点采集完整波形，判定声参量并存***形，在测试文件中记录测点的超声测距d_i、超声声时ti和首波幅度Ai；

步骤二、采集标准波：将发射换能器与接收换能器直接相对获取标准波，或在同构件的套筒以外的完整无缺陷的混凝土构件部位相对测试获得近似标准波；

步骤三、计算测点声参量判定值：计算测点i的声速Vi(km/s)和畸变系数Wi，其中：

V_i＝d_i/t_i (1)

式中：d_i—测点的超声测距(mm)；

t_i—测点的超声声时(μs)；

式中：Fxj—测点i的接收波频率谱第j个频率的模；

Fsj—标准波频率谱第j个频率的模；

步骤四、计算测点声参量因子：将声参量处理为声参量因子，用0.5～1的无量纲因子表征，包括声速因子CVi、幅度因子CAi和畸变因子CWi，其中：

式中：Vi—测点i的声速；

Vmax—同一测试文件内的声速最大值；

Vmin—同一测试文件内测点声速最小值；

式中：Ai—测点幅度；

Amax—同一测试文件内的幅度最大值；

Amin—同一测试文件内的幅度最小值；

式中：Wi—测点i的畸变系数；

Vmax—同一测试文件内的畸变系数最大值；

Vmin—同一测试文件内的畸变系数最小值；

步骤五、计算测点综合因子：将测点i的各声参量因子相加，并用0.5～1的无量纲因子表征，得到测点i的综合因子CSi：

Si＝CVi+CAi+CWi (6)

式中：Si—测点i的各声参量因子之和；

Smax—同一测试文件内的综合系数最大值；

Smin—同一测试文件内的综合系数最小值；

步骤六、绘制综合因子灰度图：绘制综合因子灰度图，并对饱满度进行判定，确定是否有灌浆不饱满或漏灌区域；

步骤七、判定综合因子异常临界值CS0；

步骤八、根据确定的综合因子异常临界值CS0，绘制综合因子色谱图；

步骤九、判定套筒灌浆饱满度，确定不饱满区域边界，至此，检测完成。

其中，作为本发明的优选技术方案，所述步骤一中，至少采集5个完整且不失真的波形。

进一步的，所述步骤五中，若存在无法判读超声声时和首波幅度的微弱信号，则该测线确定为异常测线，将该测点的综合因子直接取值为0.4。

进一步的，所述步骤六中，等值线数值范围为0.5～1，分度区间为0.025，灰度图直观的描述了被测介质的密实性分布，判定时灰度图最深灰度对应综合因子最大值，表征为灌浆料密实性最好区域，即灌浆料饱满区域，最浅灰度对应综合因子最小值，表征为灌浆料密实性较差区域。

进一步的，所述步骤七中，综合因子异常临界值CS0的判定方法为：对测点的综合因子CS值由小到大排序，按照排序顺序，从低值起对应核查测点的声速、幅度和波形，并参考概率法对声速异常值和幅度异常值的判定结果，确定综合因子异常临界值CS0。

进一步的，所述步骤八中，当测点CSi≥CS0时，该测点确定为正常；当测点CSi＜CS0时，该测点确定为异常；

更进一步的，所述步骤九中，色谱图的蓝色系区域为正常区域，蓝色系越深，越密实；红色系区域为异常区域，红色系越深，缺陷的可能性越大，越严重；黄色系区域为轻微缺陷或低强度区。

本发明针对装配式结构套筒灌浆饱满度检测，提出超声综合因子图像识别法检测技术，首创“综合因子图像识别法”采用了与常规概率判定法完全不同的缺陷识别与判定思路。在不提高检测设备成本，不影响现场检测效率的前提下，取得了较好的检测效果，达到对套筒灌浆饱满度测试的技术指标要求。与现有技术相比，本发明的技术关键与创新点为：

1、首次提出表征波形畸变程度的“畸变系数”的“频谱模差”计算方法，以此作为量化表征波形畸变程度的量化声参量

声波传播路径的缺陷使接收波形发生畸变，因此接收波形畸变与否以及畸变程度是判断缺陷存在与否的重要参量，实际经验表明，波形畸变对于表征缺陷是很敏感的。但是由于波形的畸变程度无法数量化，致使影响了应用的效果。在近年的研究中，多采用接收波与标准波的互相关系数作为“畸变系数”，表征接收波与标准波的相似程度。(见发明专利《超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法》)该方法依据时域波形样本计算接收波与标准波的相似程度，作为表征波形畸变的量化参数。以时域的互相关系数作为畸变系数，需要考虑接收波与标准波相位差的影响，若取标准波样本起点为首波起跳点，接收波的计算起点应为以起跳点为中心前后小范围移动样本点并分别计算互相关系数后取其最大值作为该该测点的互相关系数。

在本发明方法中，首次提出以“频谱模差”作为表征接收波畸变与否以及畸变程度的“畸变系数”。计算方法见式(2)。“频谱模差”区别于互相关系数，是“畸变系数”的频域计算方法。频谱模差计算公式清晰的表示出其物理意义为接收波频率幅度谱与标准波频率幅度谱对应频率的模之差的平方和。从声学原理分析，作为复频波，波形畸变与频谱中各频率的传播特性差异，尤其是衰减的差异有直接关系，而频率的模表征的正是频率的能量幅度值，计算时接收波和标准波均以首波起跳点为有效波段起始点即可，不会因起跳点的差异造成计算结果的差异。以频谱模差作为“畸变系数”，计算简单，物理意义清晰。

波形畸变量化为“畸变系数”后，描述声传播特性且与传播介质密实度相关的三项基本声参量：声速、幅度、波形畸变均为可量化声参量，以此作为超声波检测技术的基本声参量。

2、提出“综合因子”的新的计算方法

本发明技术已在发明专利《超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法》中提出测点综合判定因子概念：“测点综合判定因子为各声参量判定因子的加权和，是取值为0～1的无量纲的数值，取值越大，对应混凝土的密实性越高”，本发明继续沿用了“综合因子”概念，但对其进行了优化：第一，将综合因子确定为三类基本声参量因子声速因子、幅度因子和畸变系数因子之和，取消主频因子；第二，将三类声参量因子的数值范围统一为0.5～1，即在不能确定三类声参量是否分别受到外部干扰因素影响条件下，将其对综合因子的权重保持一致，取消权重系数；第三，将综合因子的数值范围由0～1修改为0.5～1，其目的是：若存在无法判读声时和幅度的微弱信号，则该测线可确定为异常测线，将该测点的综合因子直接取值为0.4。

综合因子体现了三类基本声参量的综合效果。超声波在通过缺陷套筒即未灌浆或灌浆不饱满套筒时，不同声参量的变化程度即敏感程度有所不同，但总的来说，缺陷越明显，声参量因子下降越明显，呈现低值的可能性越大，综合因子为三种声参量因子之和，如果多种声参量因子都表现低值，则综合因子为明显低值。以综合因子为判据，可以较好地避免或降低了使用单一声参量判定时发生的错判和漏判的情况，也免除了单一声参量判定结果互相不一致时难于最终判定的困惑。

3、首次提出“综合因子图像识别法”的灌浆饱满度判定方法

如上所述，综合因子图像识别法是依据综合因子灰度图中对应灌浆套筒部位是否存在明显连续的浅色灰度区(综合因子低值区)来判断套筒灌浆的饱满程度。综合因子图像识别法与常规的概率法异常判定是完全不同的判定方法。

超声法判定缺陷的常规方法为概率法，其原理为剔除异常测点后，将统计数据母体视为符合正态分布的随机变量，取对应最小可能概率密度的量值为异常数值的临界值，将低于临界值的数据判定为异常数据，对应的测点为异常测点。将概率法应用于套筒灌浆饱满度测试，效果不理想，其主要原因为概率法是对测试数据进行统计分析的结果，其数学前提为数据母体足够大，且正常测位数据足够多，剔除异常测点后的统计母体应符合正态分布。但在套筒灌浆饱满度测试中，测点数量有限，异常点比例可能偏大，难以达到正常测点统计母体符合正态分布的要求，一旦统计分析的前提缺失，计算出的概率法临界值必然有误，漏判与错判无法避免。而综合因子图像识别法的基本原理是对比法，即以同条件下的正常测点数据为基准进行对比。对测点数据量无严格要求。

另外，如前所述，在套筒灌浆饱满度检测中，最基本和首选的声参量声速，由于测线测距一般较小，钢套筒和内部钢筋对声速起到“短路”作用，对识别套筒内部空气层缺陷起到负面的干扰作用，进一步增加了常规超声方法的检测难度。

从实现检测目标途径方式看，图像识别法与概率法也有本质的区别，超声缺陷测试目标按其重要性可分为5个层次，依次为：是否存在缺陷、缺陷空间位置、缺陷严重程度、缺陷边界的界定以及缺陷类型。针对套筒灌浆饱满度检测，首要目标就是准确判定是否漏灌以及灌浆料是否饱满。概率法判定的核心是计算异常临界值，以此界定异常区域边界，所以界定异常区域边界是常规概率法判定的切入点，一旦临界值有误，不仅影响缺陷边界的界定准确性，更重要的是直接导致对是否存在缺陷的基本判定错误。而概率法临界值作为统计结果，与统计母体分布关系极大，灌浆饱满度测试的数据母体数量少，干扰因素多，因此临界值的判定结果可靠性低，更容易造成错判与漏判。迄今为止，试图使用常规概率法检测灌浆饱满度的尝试均告失败。

综合因子图像识别法完全不同于概率法，图像识别法依据综合因子灰度图，针对已知的套筒位置，观察是否存在连续且明显的浅灰度区域，即综合因子低值的不饱满异常区域，也就是说，图像识别法是以判定灌浆不饱满区域的有无为切入点，这是灌浆饱满度测试的最关键最重要的目的。测试原理和实测结果均表明，综合因子图像识别法简单、直观，对于发现灌浆不饱满套筒的准确性高，实用性强。在此基础上再以色谱图形式进一步界定不饱满区域的边界，不饱满区域边界的界定属于缺陷测试的辅助目标，与判定不饱满区域有无相比，略显次要。

综上，本发明对于其他混凝土构筑物内部缺陷检测，尤其是对于梁板柱节点复杂构件部位和内部钢筋过于密集性构件，常规概率法检测缺陷难以奏效，也取得了较好的测试结果，对于促进工业化建筑的规模化发展、保障工业化建筑的工程质量和使用安全均有重要的工程实际意义，也为工程建设和标准规范制订提供技术依据和仪器设备保障。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明涉及的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法的流程图；

图2为步骤二中获取标准波的操作方法示意图；

图3为装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆连接模型；

图4为概率法灌浆前的灌浆饱满度分析结果；

图5为概率法灌浆后的灌浆饱满度分析结果；

图6为图像识别法灌浆前的套筒模型综合因子灰度图；

图7为图像识别法灌浆后的套筒模型综合因子灰度图。

附图标记：1-超声仪、2-接收换能器、3-耦合剂、4-灌浆套筒、5-灌浆料、6-钢筋、7-灌浆入口、8-灌浆出口。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法的实施例。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1，本发明首创“综合因子图像识别法”，其具体流程如下：

一、测点i声参量的测试与计算：

按照常规超声测试方法进行测点测试，采集5个以上完整且不失真的完整波形，判读首波走时t_i和首波幅度A_i，计算测点i的声参量：

(1)首波声速V_i(km/s)：超声波的传播速度，声速越高，表明被测介质的密实性越高。计算测点i的声速值V_i(km/s):

V_i＝d_i/t_i

其中，d_i—测点的超声测距(mm)；

t_i—测点的超声传播声时(μs)；

(2)波幅Ai(dB)：即测点接收波首波幅度，表征传播过程中声波能量的衰减程度，幅度越高，表明声波能量的衰减较小，被测介质的密实性较高。

(3)畸变系数Wi

超声波在传播途径中，遇到蜂窝、疏松、空洞、裂隙等缺陷，在缺陷界面发生反射、折射与绕射，不同传播路径声波之间存在声程和相位差，在接收点处叠加，接收波波形产生畸变。缺陷越明显，畸变越严重。以接收波与标准波的频谱模差Wi表征二者之间的差异程度，Wi越小，表征接收波与标准波相比，波形的畸变越小，对应传播路径混凝土的密实性越高。

式中：Fxj—测点i的接收波频率谱第j个频率的模；

Fsj—标准波频率谱第j个频率的模；

注：计算畸变系数Wi的有效波段长度为从首波到达时刻起截取约5个完整波形，近似视为直达波组。

在畸变系数Wi的计算中使用了标准波，标准波为检测用超声仪1的接收换能器2所发出的脉冲波前面5个振荡周期组成的脉冲波段。提取标准波的最简单方法是将超声仪1与接收换能器2直接相对获取，中间加耦合剂3，如图2所示。也可以在完整无缺陷的素混凝土小试件中相对测试获得，该接收波近似为标准波。

二、测点i的声参量因子

将声参量处理为声参量因子，声参量因子均分别用0.5～1的无量纲因子表征，不同声参量因子从不同的声学物理参数角度对测试对象的密实性加以描述，声参量因子最大值为1，对应被测对象密实性的最好部位。声参量因子越小，密实性越差。声参量处理为声参量因子后，成为无量纲数值，与该声参数的物理量纲已无对应关系，即数据不反映该声参数的绝对值的大小，但却仍然保留了与被测对象密实性之间的相关特性，而这正是我们所需要的。声参量因子的计算：

(1)声速因子CVi:

Vi—测点i声速；Vmax—同一测试文件内的声速最大值；Vmin—同一测试文件内测点声速最小值

(2)幅度因子CAi:

Ai—测点幅度；Amax—同一测试文件内的幅度最大值；Amin—同一测试文件内的幅度最小值；

(3)畸变因子CWi：

Wi—测点畸变系数；Wmax—同一测试文件内的畸变系数最大值；Wmin—同一测试文件内的畸变系数最小值；

三、测点i综合因子CSi

将测点i的各声参量因子相加得到测点i的综合因子CSi，取值范围为0.5～1：

Si＝CVi+CAi+CWi

其中，CSi—测点i综合因子；Smax—同一测试文件内的综合系数最大值；Smin—同一测试文件内的综合系数最小值。

由于各声参量因子保留了与被测对象密实性之间的相关特性，且数值大小与密实性的对应关系一致，因此求和后得到的综合因子对密实性的分布状况具有更强的表征作用。

超声波在传播过程中，不同声参量的变化程度即敏感程度有所不同，但总的来说，缺陷越明显，声参量的变化越明显，声参量因子下降的幅度越大，呈现低值的可能性越大，综合因子为三种声参量因子之和，如果多种声参量因子都表现低值，则综合因子为明显低值，这样可以较好地避免或降低了使用单一声参量判定时发生的错判和漏判的情况，也免除了单一声参量判定结果互相不一致时难于最终判定的困惑。

四、综合因子图像识别法

(1)绘制综合因子等值线灰度图，并对饱满度进行判定

综合因子灰度图是依据测试二维平面内测点综合因子数值绘制的等值线图，灰度图直接对应测点综合因子数值，等值线数值范围为0.5～1，分度区间为0.025。灰度图直观的描述了被测介质的密实性分布，灰度图最深灰度对应综合因子最大值，表征为灌浆料密实性最好区域，即灌浆料饱满区域，最浅灰度对应综合因子最小值，表征为灌浆料密实性较差区域，有可能是灌浆料不饱满区域。若在灰度图中的灌浆管部位存在明显连续的综合因子CS低值区域，则存在灌浆不饱满，甚至漏灌的可能。图6为灌浆前套筒模型综合因子灰度图，套筒部位显示连续明显的浅色灰度，即综合因子低值区域，判定为套筒灌浆不饱满；图7为灌浆后套筒模型综合因子灰度图，灰度图中套筒部位与周边混凝土区域的灰度无明显差异，即不存在综合因子低值区，判定为套筒灌浆饱满。

(2)对综合因子进行异常界定，绘制综合因子色谱图

综合因子灰度图只是识别套筒灌浆是否饱满，在综合因子灰度图基础上，进一步以色谱图方式界定灌浆不饱满区域的范围：

首先对综合因子进行异常界定，界定方法为：对测点的综合因子CS值由小到大排序，按照排序顺序，从低值起对应核查测点的声速、幅度和波形，并参考概率法对声速异常值和幅度异常值的判定结果，确定综合因子异常临界值CS0。当测点CSi≥CS0时，该测点确定为正常；当测点CSi＜CS0时，该测点确定为异常；

依据综合因子异常界定值，绘制综合因子色谱图。色谱图中蓝色系区域为正常区域，蓝色系越深，越密实；红色系区域为异常区域，红色系越深，缺陷的可能性越大，越严重。

下面以一个具体实施例对本发明内容作进一步说明。

一、实验情况

实验对象为中国建筑科学研究院制作的装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆连接方式的模型试件。图3为装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆连接模型，主体为灌浆套筒4，套筒内设钢筋6，通过灌浆入口7和灌浆出口8进行灌浆料5的灌注。测点布置为3行9列，共27个测点，使用NM-4型超声仪和50kHz换能器进行超声法对测，图中蓝线圈定范围为已知套筒位置，即灌浆料充填部位，实验目标为检测套筒内部灌浆料的饱满度。检测原始数据包括声时、首波幅度以及自首波起5个以上完整且不失真的波形样本。依据相同的原始数据，分别用概率法和综合因子图像识别法进行灌浆饱满度判定。图4为灌浆前概率法分析结果，图5为灌浆后概率法分析结果，黑色测点为概率法判定的声速异常测点，灰色测点为概率法判定的幅度异常测点。图6为灌浆前图像识别法灰度图分析结果，图7为灌浆后图像识别法灰度图分析结果。图像识别法色谱图分析结果图略。

二、实验结果分析

(一)对概率法判定结果的分析

由图4和图5所示概率法判定结果可明显看出：

(1)钢筋套筒在灌浆前代表明显的漏灌或灌浆不饱满，应表现为低声速区域，但图4显示的声速异常(黑色测点)只有一个，与已知测试对象状态完全不对应，说明单纯的声速参量在此项检测中无法使用；

(2)图5显示概率法的声速异常(黑色测点)与幅度异常(灰色测点)测点的吻合度很低，难以作出判定；

(3)对比图4和图5，概率法对灌浆前与灌浆后的异常判定结果没有明显差异，尤其对于套筒位置测点的判定结果与灌浆料饱满度的实际状态完全不对应。

结论：混凝土缺陷检测的概率法无法完成套筒灌浆饱满度测试。这代表了目前超声法检测套筒灌浆饱满度不理想的技术现状。

(二)对综合因子图像识别法判定结果的分析

图6和图7所示图像识别法灰度图判定结果：灌浆前灰度图(图6)显示在已知套筒位置有明显的浅色灰度区，判定为套筒灌浆不饱满(实际情况为未灌浆)；灌浆后灰度图(图7)显示套筒位置与其他部位的灰度无明显差异，判定为套筒灌浆饱满。

在图6和图7灰度图灌浆饱满度判定基础上，进一步以色谱图方式显示套筒部位内部灌浆不饱满区域，色谱图显示套筒部位基本全部为红色异常低值区，与该套筒处于未灌浆状态是一致的。灌浆后的色谱图未示出，其中套筒部位已显示为正常蓝色色谱，判定为灌浆饱满，色谱图中局部红色异常区域不在套筒位置，判定为混凝土构件局部低强度区域，与套筒灌浆饱满度无关。

结论：综合因子图像识别法综合了多种声参数信息，并以灰度图形式表现出测试对象密实性分布在二维测试剖面的投影。图像信息直观，清晰，易于识别，套筒与钢筋对声速的负面干扰影响得到压制，与测试对象密实性分布有较好的相关性。该方法应用于装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆饱满度测试，效果良好，判定的准确度较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、现场采集测试波：照常规超声测试方法进行测点测试，每个构件为一个测试文件，依次在测点采集完整波形，判定声参量并存***形，在测试文件中记录测点的超声测距d_i、超声声时ti和首波幅度Ai；

步骤二、采集标准波：将发射换能器与接收换能器直接相对获取标准波，或在同构件的套筒以外的完整无缺陷的混凝土构件部位相对测试获得近似标准波；

步骤三、计算测点声参量判定值：计算测点i的声速Vi(km/s)和畸变系数Wi，其中：

V_i＝d_i/t_i (1)

式中：d_i—测点的超声测距(mm)；

t_i—测点的超声声时(μs)；

式中：Fxj—测点i的接收波频率谱第j个频率的模；

Fsj—标准波频率谱第j个频率的模；

步骤四、计算测点声参量因子：将声参量处理为声参量因子，用0.5～1的无量纲因子表征，包括声速因子CVi、幅度因子CAi和畸变因子CWi，其中：

式中：Vi—测点i的声速；

Vmax—同一测试文件内的声速最大值；

Vmin—同一测试文件内测点声速最小值；

式中：Ai—测点幅度；

Amax—同一测试文件内的幅度最大值；

Amin—同一测试文件内的幅度最小值；

式中：Wi—测点i的畸变系数；

Wmax—同一测试文件内的畸变系数最大值；

Wmin—同一测试文件内的畸变系数最小值；

步骤五、计算测点综合因子：将测点i的各声参量因子相加，并用0.5～1的无量纲因子表征，得到测点i的综合因子CSi：

Si＝CVi+CAi+CWi(6)

式中：Si—测点i的各声参量因子之和；

Smax—同一测试文件内的综合系数最大值；

Smin—同一测试文件内的综合系数最小值；

步骤六、绘制综合因子灰度图：绘制综合因子灰度图，并对饱满度进行判定，确定是否有灌浆不饱满或漏灌区域；

步骤七、判定综合因子异常临界值CS0；

步骤八、根据确定的综合因子异常临界值CS0，绘制综合因子色谱图；

步骤九、判定套筒灌浆饱满度，确定不饱满区域边界，至此，检测完成。

2.根据权利要求1所述的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于：所述步骤一中，至少采集5个完整且不失真的波形。

3.根据权利要求1所述的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于：所述步骤五中，若存在无法判读超声声时和首波幅度的微弱信号，则该测线确定为异常测线，将该测点的综合因子直接取值为0.4。

4.根据权利要求1所述的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于：所述步骤六中，等值线数值范围为0.5～1，分度区间为0.025，判定时灰度图最深灰度对应综合因子最大值，表征为灌浆料密实性最好区域，即灌浆料饱满区域，最浅灰度对应综合因子最小值，表征为灌浆料密实性较差区域。

5.根据权利要求1所述的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于：所述步骤七中，综合因子异常临界值CS0的判定方法为：对测点的综合因子CS值由小到大排序，按照排序顺序，从低值起对应核查测点的声速、幅度和波形，并参考概率法对声速异常值和幅度异常值的判定结果，确定综合因子异常临界值CS0。

6.根据权利要求1所述的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于：所述步骤八中，当测点CSi≥CS0时，该测点确定为正常；当测点CSi＜CS0时，该测点确定为异常。

7.根据权利要求1所述的套筒灌浆饱满度的超声综合因子图形识别检测方法，其特征在于：所述步骤九中，色谱图的蓝色系区域为正常区域，蓝色系越深，越密实；红色系区域为异常区域，红色系越深，缺陷的可能性越大，越严重。