CN113075298B - 一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土裂缝检测技术领域，具体涉及一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，包括：根据设置的多条扫描路径向待测混凝土构件的对应激励点发射激光束进行扫描，并在待测混凝土构件上激发超声波；采集待测混凝土构件上固定采集点的超声波信号；根据相邻激励点的超声波信号传播时间变化量和振幅衰减量判断待测混凝土构件上是否存在微裂缝，并对应计算微裂缝的宽度和深度。本发明中基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方检测更全面并能够判断微裂缝尺寸且检测更方便，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效率和检测效果。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土裂缝检测技术领域，具体涉及一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法。
背景技术
在土木工程领域，混凝土具有价格低廉、抗压强度高、可塑性高、养护费用低等优点，是目前应用最广泛的建筑材料。混凝土结构可分为钢筋混凝土结构和预应力结构；钢筋混凝土结构通常是带裂缝工作的，在管养中仅关心其裂缝尺寸是否超过限额；而预应力混凝土结构不允许拉应力超过允许值，即不允许存在裂缝。当预应力混凝土构件出现裂缝或钢筋混凝土构件裂缝超过限制时，会引起混凝土构件碳化、保护层剥离、钢筋锈蚀等次生病害，从而降低其承载能力及耐久性。因此，需要检测混凝土的裂缝。
混凝土的微裂缝一般是指宽度小于0.2mm的裂缝，是裂缝最根源的形态，通常由施工、运营荷载及环境因素造成。外部荷载的增加或环境的进一步恶化，会促使微裂缝不断发展、张开，进而影响结构的使用功能。及时发现混凝土构件表面的微裂缝，对构件运维养护特别是防水性能要求较高的工程具有重要意义。目前混凝土裂缝检测除了传统的肉眼观察手段外，还包括数码照相识别、超声、红外、雷达和CT等先进无损检测技术，主要适用于明显张开、宽度不小于0.2mm的裂缝，且要求表面干净、没有污浊物。对于表面有灰尘附着或未张开的微裂缝，无论是肉眼观察还是采用现有的无损检测技术，都很难有效的识别检测。为此，公开号为CN109765295B的中国专利就公开了《一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置》，其方法步骤包括：发射激光按照扫描路径扫描待检测混凝土；接收并预处理在待检测混凝土上传播的超声波信号；基于扫描路径上相邻入射点的超声波信号的波形的变化程度判断是否存在微裂缝并精确定位微裂缝。
上述现有方案中的激光超声快速检测方法也是一种混凝土微裂缝检测方法，其通过激光非接触式的方式激发超声波，与传统超声波相比无需在混凝土表面涂耦合剂，能够在一定程度上提高检测效率。但是，申请人发现现有的混凝土微裂缝检测方法需要将超声波信号接收装置设置在测试区域附近，并且其扫描路径是直线且采集点还需要设置于扫描路径上，使得其只能检测该扫描路径上是否存在微裂缝。然而，实际检测过程中不仅需要对构件进行更全面的扫描，还需要判断微裂缝的尺寸(宽度、深度等)，此时就扩大扫描范围并设置多条扫描路径，即扫描路径不再是单一的直线，那么采用现有的检测方法就需要不断的调整采集点和超声波信号接收装置的安装位置，使得检测很不方便，导致混凝土微裂缝的检测效率和检测效果均不好。因此，申请人想到设计一种检测更全面并能够判断微裂缝尺寸，且检测更方便的混凝土微裂缝检测方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种检测更全面并能够判断微裂缝尺寸，且检测更方便的混凝土微裂缝检测方法，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效率和检测效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，包括以下步骤：
S1：根据设置的多条扫描路径向待测混凝土构件的对应激励点发射激光束进行扫描，并在待测混凝土构件上激发超声波；
S2：采集待测混凝土构件上固定采集点的超声波信号；
S3：根据相邻激励点的超声波信号传播时间变化量或/和振幅衰减量判断待测混凝土构件上是否存在微裂缝，并对应计算微裂缝的宽度和深度。
优选的，步骤S3中，通过如下公式计算微裂缝的宽度和深度：
式中：ΔT表示相邻激励点的超声波信号传播时间变化量；v表示声表面波波速；w表示微裂缝的宽度；h表示微裂缝的深度。
优选的，步骤S3中，通过如下公式计算超声波信号的振幅衰减量：
式中：Energy表示超声波信号能量；f(t)表示超声波信号时域波形；t0表示超声波信号起始时间；t1表示超声波信号结束时间。
优选的，步骤S1中，通过融蚀机制在待测混凝土构件上激发超声波。
优选的，步骤S3中，通过如下公式计算超声波信号的振幅：
式中：u表示超声波信号的振幅；F表示待测混凝土构件表面的水气化引起的反冲力；μ表示Lame常数；r表示采集点与激励点的间距；k表示待测混凝土构件中纵波波速与横波波速之比；tT表示归一化的横波到达时间；tR表示超声波信号到达时间。
优选的，步骤S3中，还根据各个激励点的超声波信号生成超声波传播图像，并根据所述超声波传播图像判断微裂缝的位置。
优选的，通过如下步骤生成超声波传播图像：
S31：采集各个激励点的超声波信号并整合成对应的三维数组；
S32：对三维数组进行min-max标准化，并将各个激励点的超声波振幅映射至[-1,1]之间，以使得三维数组中的各个超声波信号均对应不同时间的二维平面上各个激励点的超声波振幅；
S33：以超声波振幅为各个扫描点的像素点亮度作图，以生成对应的超声波传播图像。
优选的，步骤对1中，各条扫描路径总共包括i×j个激励点；其中，激励点的一维位置表示为(x,y)，采集的超声波信号表示为Ixy(t)；
得到的三维数组通过如下公式表示：
式中：I(t)表示三维数组，i和j分别表示激励点一维位置的横坐标和纵坐标。
优选的，步骤S1中，通过高能量固体脉冲激光器发射激光束。
优选的，步骤S2中，通过激光拾振器采集超声波信号。
本发明中的混凝土微裂缝检测方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明中，通过多条扫描路径对待测混凝土构件进行扫描，使得能够对存在的微裂缝进行多个角度和方位的扫描，即能够更为全面的检测微裂缝；同时能够根据多个角度和方位的扫描结果(超声波信号传播时间变化量和振幅衰减量)来判断和计算微裂缝的宽度和深度，即能够判断微裂缝尺寸，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效果。
2、本发明中，在待测混凝土构件设置了固定采集点，即采集点和超声波信号接收装置的安装位置均不需要随扫描路径的变化而变化，使得微裂缝的检测更方便，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效率。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例一中混凝土微裂缝检测方法的逻辑框图；
图2为实施例一中混凝土微裂缝检测方法工作时的示意图；
图3为实施例二中超声波激发采集装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例一：
本实施例中公开了一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法。
如图1和图2所示，一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，包括以下步骤：
S1：根据设置的多条扫描路径向待测混凝土构件的对应激励点发射激光束进行扫描，并在待测混凝土构件上激发超声波；
S2：采集待测混凝土构件上固定采集点的超声波信号；
S3：根据相邻激励点的超声波信号传播时间变化量和振幅衰减量判断待测混凝土构件上是否存在微裂缝，并对应计算微裂缝的宽度和深度。
本实施例中，通过融蚀机制在待测混凝土构件上激发超声波，激发的超声波具有更高的能量、信噪比更高，有利于提升微裂缝的检测准确性。通过高能量固体脉冲激光器发射激光束，其单个脉冲的能量能够在混凝土中以融蚀机制激发超声波。通过激光拾振器采集超声波信号，激光拾振器的空间分辨率很高，可以达到0.1mm，使得能够在很好的采集固定采集点的超声波信号。
本发明中，通过多条扫描路径对待测混凝土构件进行扫描，使得能够对存在的微裂缝进行多个角度和方位的扫描，即能够更为全面的检测微裂缝；同时能够根据多个角度和方位的扫描结果(超声波信号传播时间变化量和振幅衰减量)来判断和计算微裂缝的宽度和深度，即能够判断微裂缝尺寸，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效果。其次，本发明在待测混凝土构件设置了固定采集点，即采集点和超声波信号接收装置的安装位置均不需要随扫描路径的变化而变化，使得微裂缝的检测更方便，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效率。
具体实施过程中，步骤S3中，通过如下公式计算微裂缝的宽度和深度：
式中：ΔT表示相邻激励点的超声波信号传播时间变化量；v表示声表面波波速；w表示微裂缝的宽度；h表示微裂缝的深度。对于相同的材料，波速是相同的，在测试前先对结构近处无损的表面，固定激励点和接受点间距测试声波传播时间，计算得到声波在待测混凝土构件表面的波速。具体的，当超声波传播经过裂缝深度为h，宽度为w时的裂缝，会发生反射和沿裂缝表面的衍射，从而引起其传播时间的增加和超声波振幅的减小(即衰减)。
本发明中，能够通过上述公式计算微裂缝的宽度和深度，能够提升混凝土微裂缝的检测效果。
具体实施过程中，步骤S3中，通过如下公式计算超声波信号的振幅衰减量：
式中：Energy表示超声波信号能量；f(t)表示超声波信号时域波形；t0表示超声波信号起始时间；t1表示超声波信号结束时间。
具体实施过程中，步骤S3中，通过如下公式计算超声波信号的振幅：
式中：u表示超声波信号的振幅；F表示待测混凝土构件表面的水气化引起的反冲力；μ表示Lame常数；r表示采集点与激励点的间距；k表示待测混凝土构件中纵波波速与横波波速之比；tT表示归一化的横波到达时间；tR表示超声波信号到达时间。具体的，超声波为瑞利波(一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波)，即tR也可以表示瑞利波到达时间。纵波波速和横波波速均是预先测量的。
具体实施过程中，步骤S3中，还根据各个激励点的超声波信号生成超声波传播图像，并根据所述超声波传播图像判断微裂缝的位置。具体的，根据超声波传播的互易性，当激光激励点和超声波接信号采集点固定时，互换接收端与激发端两者的位置，接收端所接收到的超声波信号不变。因此，本发明中固定激光拾振器的采集位置，改变激光激发器的激励位置，在待测混凝土构件表面按一定的步长进行扫描。
本发明中，能够根据多条扫描路径的扫描结果(超声波信号)来生成超声波传播图像，使得能够通过“平面成像”的方式来确定微裂缝在待测混凝土构件中的位置，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效果。
具体实施过程中，通过如下步骤生成超声波传播图像：
S31：采集各个激励点的超声波信号并整合成对应的三维数组；
S32：对三维数组进行min-max标准化，并将各个激励点的超声波(瑞利波)振幅映射至[-1,1]之间，以使得三维数组中的各个超声波信号均对应不同时间的二维平面上各个激励点的超声波(瑞利波)振幅；
S33：以超声波(瑞利波)振幅为各个扫描点的像素点亮度作图，以生成对应的超声波传播图像。
本发明中，能够通过上述各个步骤生成超声波传播图像，使得能够通过“平面成像”的方式来确定微裂缝在待测混凝土构件中的位置，从而能够提升混凝土微裂缝的检测效果。
具体实施过程中，步骤对1中，各条扫描路径总共包括i×j个激励点；其中，激励点的一维位置表示为(x,y)，采集的超声波信号表示为Ixy(t)；
得到的三维数组通过如下公式表示：
式中：I(t)表示三维数组，i和j分别表示激励点一维位置的横坐标和纵坐标。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础上，公开了相应的超声波激发采集装置。
如图3所示，超声波激发采集装置，包括用于向待测混凝土构件的激励点发射激光束并激发出超声波的激光激励组件，用于带动激光激励组件移动的移动平台，以及信号采集端朝向待测混凝土构件且能够采集超声波信号并与设置的检测终端数据传输连接的信号传输组件。具体的，检测终端包括Labview/Matlab上位机和PC终端。
本发明中，激光激励组件能够向待测混凝土构件的激励点发射激光束并激发出超声波，即能够有效的在待测混凝土构件上激发出超声波，同时通过移动平台能够调整激光激励组件的位置使得其能够按预设的扫描路径移动，即能够有效的完成对待测混凝土构件的扫描。其次，信号传输组件能够采集待测混凝土构件上的超声波信号并将其发送至检测终端，即能够有效的采集和发送待测混凝土构件上的超声波信号，从而能够辅助实现混凝土的微裂缝检测。
具体实施过程中，激光激励组件包括发射端朝向待测混凝土构件且能够发射激光束的激光激发器，设置于激光激发器和待测混凝土构件之间且入射端正对激光激发器发射端的全反射镜，以及设置于全反射镜和待测混凝土构件之间且入射端正对全反射镜的出射端、出射端朝向待测混凝土构件的聚焦透镜；聚焦透镜能够在接收到激光束后通过融蚀机制激发出超声波。具体的，全反射镜用于改变激光束方向、扩展激光束扫描范围；聚焦透镜用于汇聚全反射镜射出的激光束、并能够通过融蚀机制激发出超声波。激光激发器为高能量固体脉冲激光器，其单个脉冲的能量能够在混凝土中以融蚀机制激发超声波。
本发明中，激光激励组件通过激光激发器发射激光束，激光束通过全反射镜扩展扫描范围，再通过聚焦透镜汇聚激光束并以融蚀机制激发出超声波，从而能够有效的在待测混凝土构件上激发出超声波。并且，通过融蚀机制激发的超声波具有更高的能量、信噪比更高，有利于提升微裂缝的检测准确性。
具体实施过程中，激光激发器的发射端、全反射镜的入射端和出射端，以及聚焦透镜的入射端和出射端均与待测混凝土构件的对应激励点处于同一水平高度位置。
本发明中，激光激发器的发射端、全反射镜的入射端和出射端，以及聚焦透镜的入射端和出射端均与待测混凝土构件的对应激励点处于同一水平高度位置，使得激光束能够准确的射在对应的激励点位置，从而更有利于保证混凝土微裂缝的检测效果。
具体实施过程中，移动平台包括三轴骨架，间隔布置于三轴骨架上方且用于安装激光激励组件的安装板，以及设置于三轴骨架和安装板之间且用于带动安装板在三轴骨架上做三轴移动的驱动电机。具体的，驱动电机为步进电机，其用于带动安装板做毫米精度的三轴移动，其受控于PC终端。具体实施过程中，移动平台还包括设置于三轴骨架和驱动电机之间的刻度尺。具体的，刻度尺用于测量安装板的移动距离；刻度尺的最小刻度1mm，有利于保证激光激励组件的位置精度。
本发明中，能够通过控制驱动电机来调整安装板的位置，进而能够调整激光激励组件的位置使得其能够按预设的扫描路径移动，从而能够有效的完成对待测混凝土构件的扫描。
具体实施过程中，信号传输组件设置于与移动平台相同的另一个移动平台上。本发明中，信号传输组件也设置于移动平台上，使得其能够方便的调整信号采集和传输的位置。
具体实施过程中，信号传输组件包括信号采集端朝向待测混凝土构件且能够采集超声波信号的激光拾振器，以及信号输入端与激光拾振器数据传输连接且信号输出端与检测终端数据传输连接的A/D采集器。具体的，激光拾振器为激光干式拾振器，其采集对应采集点的超声波信号并将其转换为电信号，且其空间分辨率很高，可以达到0.1mm。A/D采集器用于获取激光拾振器的电信号并将其发送给检测终端；A/D采集器与Labview/Matlab上位机数据传输连接，且采集动作受控于Labview/Matlab上位机。
本发明中，信号传输组件通过激光拾振器采集超声波信号并将其转换为电信号，通过A/D采集器获取激光干式拾振器的电信号并将其发送给检测终端，从而能够有效的实现待测混凝土构件上的超声波信号采集和发送。
具体实施过程中，超声波激发采集装置还包括信号输入端与激光拾振器信号输入连接的示波器。具体的，示波器要求带宽不小于50MHz，与激光拾振器和触发器连接，将激光拾振器的电信号转换为可视化波形。触发器与示波器连接，用于触发示波器动作。本发明中，能够通过示波器直观的显示超声波信号的波形变化情况，有利于辅助完成检测。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本发明，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据设置的多条扫描路径向待测混凝土构件的对应激励点发射激光束进行扫描，并在待测混凝土构件上激发超声波；
S2：采集待测混凝土构件上固定采集点的超声波信号；
S3：根据相邻激励点的超声波信号传播时间变化量或/和振幅衰减量判断待测混凝土构件上是否存在微裂缝，并对应计算微裂缝的宽度和深度。
2.如权利要求1所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S3中，通过如下公式计算微裂缝的宽度和深度：
式中：△T表示相邻激励点的超声波信号传播时间变化量；v表示声表面波波速；w表示微裂缝的宽度；h表示微裂缝的深度。
3.如权利要求1所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S3中，通过如下公式计算超声波信号的振幅衰减量：
式中：Energy表示超声波信号能量；f(t)表示超声波信号时域波形；t0表示超声波信号起始时间；t1表示超声波信号结束时间。
4.如权利要求1所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S1中，通过融蚀机制在待测混凝土构件上激发超声波。
5.如权利要求4所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S3中，通过如下公式计算超声波信号的振幅：
式中：u表示超声波信号的振幅；F表示待测混凝土构件表面的水气化引起的反冲力；μ表示Lame常数；r表示采集点与激励点的间距；k表示待测混凝土构件中纵波波速与横波波速之比；tT表示归一化的横波到达时间；tR表示超声波信号到达时间。
6.如权利要求1所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S3中，还根据各个激励点的超声波信号生成超声波传播图像，并根据所述超声波传播图像判断微裂缝的位置。
7.如权利要求6所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：通过如下步骤生成超声波传播图像：
S31：采集各个激励点的超声波信号并整合成对应的三维数组；
S32：对三维数组进行min-max标准化，并将各个激励点的超声波振幅映射至[-1,1]之间，以使得三维数组中的各个超声波信号均对应不同时间的二维平面上各个激励点的超声波振幅；
S33：以超声波振幅为各个扫描点的像素点亮度作图，以生成对应的超声波传播图像。
8.如权利要求7所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于，步骤S1中，各条扫描路径总共包括i×j个激励点；其中，激励点的一维位置表示为(x,y)，采集的超声波信号表示为Ixy(t)；
得到的三维数组通过如下公式表示：
式中：I(t)表示三维数组，i和j分别表示激励点一维位置的横坐标和纵坐标。
9.如权利要求1所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S1中，通过高能量固体脉冲激光器发射激光束。
10.如权利要求1所述的基于激光超声技术的混凝土微裂缝检测方法，其特征在于：步骤S2中，通过激光拾振器采集超声波信号。
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