基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(tài)聚焦處理，結(jié)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(huán)境下提取出混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷等信息，更有效地對橋梁或建筑等混凝土結(jié)構(gòu)進行質(zhì)量監(jiān)測和維護，可靠性高，有利于實際的推廣及使用。
【專利說明】基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種用于對混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量超聲無損檢測裝置及方法，屬于超聲檢測及分析【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年，中國的橋梁坍塌事故頻頻發(fā)生，提高橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測技術(shù)，對可能存在安全隱患的建筑項目進行安全評估是一項勢在必行的工作，其中關(guān)于橋梁梁板中預(yù)應(yīng)力孔道波紋管壓漿質(zhì)量的檢測是重點之一，壓漿是否密實將直接影響預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的整體強度和耐久性。
[0003]傳統(tǒng)的壓漿質(zhì)量的檢測，主要靠監(jiān)理現(xiàn)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(zhì)量是否符合要求，具有很大的主觀隨意性，況且漿液在孔內(nèi)的流動情況受施工操作、壓漿壓力等因素控制，監(jiān)理人員難以判別漿液在孔內(nèi)的飽滿和固結(jié)情況。作為抽樣檢測，可采用鉆心檢測法，通過鉆孔取樣，查看內(nèi)部的缺陷，該方法簡單實用，但具有破壞性，對于已澆筑好的構(gòu)建不太適合；采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(shù)的認(rèn)識來識別有無缺陷，但彈性波形的多解性讓人難以判斷，效果并不明顯。加之灌漿混凝土材料是一種由水泥漿、孔隙、預(yù)應(yīng)力鋼筋和波紋管等組成多相復(fù)合體系的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，各相隨機地交織在一起，形成極為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又是多相的凝聚體和具有彈、粘、塑性的非均質(zhì)材料，對其進行快速無破損檢測也就比較復(fù)雜。如今，無損檢測技術(shù)愈發(fā)成熟，常見的無損檢測技術(shù)有:
[0004](I)射線照相檢驗法:射線能穿透肉眼無法穿透的物質(zhì)使膠片感光，當(dāng)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鹵化銀產(chǎn)生潛影，由于不同密度的物質(zhì)對射線的吸收系數(shù)不同，照射到膠片各處的射線能量也就會產(chǎn)生差異，便可根據(jù)暗室處理后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后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)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(xù)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:零件表面被施涂含有熒光染料或著色染料的滲透劑后，在毛細(xì)管作用下，經(jīng)過一段時間，滲透液可以滲透進表面開口缺陷中；經(jīng)去除零件表面多余的滲透液后，再在零件表面施涂顯像劑，同樣，在毛細(xì)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(xiàn)實，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。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，并且有些材料易燃有毒；
[0007](4)超聲法:利用換能器將高頻電脈沖轉(zhuǎn)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(zhì)界面時會發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換，反射回來的聲波再通過耦合劑被探頭接收、放大后在熒光屏上顯示，根據(jù)反射回波位置判斷是否根據(jù)回波高度判斷缺陷反射面的當(dāng)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(jié)構(gòu)是一種非均質(zhì)、多孔、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分散性極大的各向異性復(fù)合材料，并且混凝土結(jié)構(gòu)(如大壩、橋梁)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，傳統(tǒng)機械行業(yè)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(jié)塊空腔等內(nèi)部缺陷，就會被這些結(jié)構(gòu)散射，產(chǎn)生帶有物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性信息的回波信號，采集并處理這些回波信號，可以得到混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確度及精度，還都無法達(dá)到工程要求，實測中經(jīng)常出現(xiàn)漏判、誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置及方法為精確、實用、經(jīng)濟的無損檢測，能更好地提取出混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷等信息，更有效地對橋梁或建筑等混凝土結(jié)構(gòu)進行質(zhì)量監(jiān)測和維護，可靠性高，有利于實際的推廣及使用。
[0010]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0011]一種基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:包括
[0012]信號激勵模塊，用于產(chǎn)生大功率脈沖信號源；
[0013]信號發(fā)射與接收模塊，用于發(fā)射超聲波檢測信號以及接收回波信號；
[0014]信號采集與處理模塊，基于合成孔徑算法，對信號發(fā)射與接收模塊內(nèi)的接收換能器陣列接收到的回波信號進行采樣、量化與存儲；
[0015]判定與顯示模塊，基于信息熵算法，在噪聲背景下提取缺陷信號的特征，展示檢測結(jié)果，判定缺陷；
[0016]所述信號激勵模塊與信號發(fā)射與接收模塊相連接，所述信號發(fā)射與接收模塊通過信號采集與處理模塊與判定與顯示模塊相連接。
[0017]前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述信號發(fā)射接收模塊包括發(fā)射換能器基元、接收換能器陣列、正方形掃描單元和絲桿滑臺，所述發(fā)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采集與處理模塊相連接，所述發(fā)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桿滑臺上，所述正方形掃描單元對被測混凝土結(jié)構(gòu)進行掃描。
[0018]前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述發(fā)射換能器基元用于發(fā)射超聲檢測信號，且為與信號激勵模塊內(nèi)的信號源相匹配的陶瓷發(fā)射換能器。
[0019]前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述接收換能器陣列為四個與發(fā)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，置于正方形掃掃描單元的四個頂點，用于接收回波信號，并發(fā)送給信號采集與處理模塊。[0020]前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述信號采集與處理模塊包括依次連接的運算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速控制單元、數(shù)據(jù)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]前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于: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(shù)據(jù)，展示出被測混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
[0022]運行在前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置的檢測方法，其特征在于:包括以下步驟，
[0023]步驟(1)信號激勵模塊產(chǎn)生大功率脈沖信號，激勵發(fā)射換能器基元，產(chǎn)生用于檢測被測混凝土結(jié)構(gòu)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)信號采集與處理模塊對接收換能器陣列接收到的回波信號進行采樣、量化及存儲處理；
[0026]步驟(4)通過絲桿滑臺帶動正方形掃描單元，采用步進的方式沿直線以固定的速度移動，重復(fù)步驟(2)、(3)，直至正方形掃描單元完成被測混凝土結(jié)構(gòu)整個檢測區(qū)域的掃描;
[0027]步驟(5)信號采集與處理模塊采用合成孔徑聚焦對采集到的回波信號進行處理，并將結(jié)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(shù)據(jù)進行判定，判定過程基于頻率熵算法，提取回波信號的缺陷信息，并圖像顯示出得到的缺陷信息數(shù)據(jù)，展示出被測混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
[0029]前述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測方法，其特征在于:步驟
(5)信號采集與處理模塊采用合成孔徑聚焦對采集到的回波信號進行處理的方法為采用一發(fā)多收模式，實現(xiàn)動態(tài)聚焦成像，確定缺陷點的形狀信息函數(shù)，具體如下，
[0030](I)設(shè)缺陷點P到發(fā)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(quán)利要求】
1.基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:包括 信號激勵模塊，用于產(chǎn)生大功率脈沖信號源； 信號發(fā)射與接收模塊，用于發(fā)射超聲波檢測信號以及接收回波信號； 信號采集與處理模塊，基于合成孔徑算法，對信號發(fā)射與接收模塊內(nèi)的接收換能器陣列接收到的回波信號進行采樣、量化與存儲； 判定與顯示模塊，基于信息熵算法，提取缺陷信號的特征，展示檢測結(jié)果，判定缺陷； 所述信號激勵模塊與信號發(fā)射與接收模塊相連接，所述信號發(fā)射與接收模塊通過信號采集與處理模塊與判定與顯示模塊相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述信號發(fā)射接收模塊包括發(fā)射換能器基元、接收換能器陣列、正方形掃描單元和絲桿滑臺，所述發(fā)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采集與處理模塊相連接，所述發(fā)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桿滑臺上，所述正方形掃描單元對被測混凝土結(jié)構(gòu)進行掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述發(fā)射換能器基元用于發(fā)射超聲檢測信號，且為與信號激勵模塊內(nèi)的信號源相匹配的陶瓷發(fā)射換能器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述接收換能器陣列為四個與發(fā)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，置于正方形掃掃描單元的四個頂點，用于接收回波信號，并發(fā)送給信號采集與處理模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于:所述信號采集與處理模塊包括依次連接的運算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速控制單元、數(shù)據(jù)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置，其特征在于: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(shù)據(jù)，展示出被測混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
7.運行在權(quán)利要求1所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測裝置的檢測方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟(1)信號激勵模塊產(chǎn)生大功率脈沖信號，激勵發(fā)射換能器基元，產(chǎn)生用于檢測被測混凝土結(jié)構(gòu)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)信號采集與處理模塊對接收換能器陣列接收到的回波信號進行采樣、量化及存儲處理； 步驟(4)通過絲桿滑臺帶動正方形掃描單元，采用步進的方式沿直線以固定的速度移動，重復(fù)步驟(2)、(3)，直至正方形掃描單元完成被測混凝土結(jié)構(gòu)整個檢測區(qū)域的掃描； 步驟(5)信號采集與處理模塊采用合成孔徑聚焦對采集到的回波信號進行處理，并將結(jié)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(shù)據(jù)進行判定，判定過程基于頻率熵算法，提取回波信號的缺陷信息，并圖像顯示出得到的缺陷信息數(shù)據(jù)，展示出被測混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷存在與否、缺陷位置和缺陷形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測方法，其特征在于:步驟(5)信號采集與處理模塊采用合成孔徑聚焦對采集到的回波信號進行處理的方法為采用一發(fā)多收模式，實現(xiàn)動態(tài)聚焦成像，確定缺陷點的形狀信息函數(shù)，具體如下， (O設(shè)缺陷點P到發(fā)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(jù)權(quán)利要求7所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測方法，其特征在于:步驟(6)判定過程基于頻率熵算法，提取回波信號的缺陷信息的方法為， (1)根據(jù)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后的缺陷點P的形狀信息函數(shù)S(t)，通過傅里葉變換求得其頻域函數(shù)sjco); (2)根據(jù)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(jù)權(quán)利要求9所述的基于合成孔徑及信息熵的波紋管壓漿質(zhì)量檢測方法，其特征在于:(2)根據(jù)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(dá)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(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)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(xué)常州校區(qū)