一种混凝土内部三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种混凝土内部三维成像系统及方法，在进行检测时，首先对指定深度Z的混凝土进行XY面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达某一聚焦点，对各激励器编号且计算激发时刻，通过平移接收器信号并将信号叠加，得到该聚焦点处的损伤程度，重复上述步骤可以得到任意点的损伤矩阵，改变激励波的波长，控制检测深度Z，实现混凝土不同深度的二维成像，从而生成混凝土内部三维成像。该方法不仅可以精准定位混凝土内的裂纹位置，还可以定位内部骨料钢筋位置，检测混凝土内部配筋是否锈蚀，混凝土覆盖或周边土体是否脱空，定位及检测速度快。定位及检测速度快。定位及检测速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土内部三维成像系统及方法


[0001]本专利技术属于土木工程
，具体的是一种混凝土内部三维成像系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来随着我国大规模基础建设的展开，工程质量事故时有发生，因此工程质量检测，尤其是混凝土结构工程无损检测显得越来越重要，对检测的要求也越来越高。目前的混凝土工程结构无损检测方法主要有回弹法、雷达法、冲击回波法、P波波速法及超声波法等。回弹法是一种常用的混凝土无损检测方法，但该方法检测深度浅，只能测得混凝土表面附近的平均强度，无法反映混凝土内部状况，而且回弹值分散性大，通常需要16个以上的有效回弹数据进行平均，作业效率低；雷达法对混凝土内部缺陷可以准确定位，但受钢筋等低电阻率物质的屏蔽影响大，尤其是钢筋密度较大时难以得到钢筋背后的电磁波影像，而且雷达无法提供强度方面的信息；冲击回波法可测得结构内部缺陷及构件的厚度，但其纵向分辨率低，检测精度受结构内部的钢筋和含水量影响大；超声波对穿测试，虽然可以得到材料整体的纵波速度，但无法应用于隧洞衬砌等无法对穿测试的结构物；P波速度法通常只能测得混凝土表层的P波速度，无法探测混凝土内部结构状况。虽然上述各种混凝土无损检测法各有所长，但共同的弱点是无法检测混凝土内部深处的力学性能，难以满足土木工程无损检测的要求。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种混凝土内部三维成像系统及方法，用以解决
技术介绍
中提出的技术问题。
[0004]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0005]一种混凝土内部三维成像系统，包括：待检测混凝土试块、超声相控阵列、连接部和检测装置；所述连接部为楔块，多个所述楔块固定于待检测混凝土试块的底部，所述检测装置通过楔块与待检测混凝土试块连接；所述超声相控阵列固定于待检测混凝土试块的表面，包括多个换能器，多个所述换能器呈圆形或十字形排列，各所述换能器激励瑞利波或接收瑞利波。
[0006]所述检测装置包括信号发生器、测试探头、信号放大模块和示波器；所述信号发生器用于产生激励信号，形成入射波；多个所述测试探头固定于楔块表面，且通过排线与信号发生器、示波器连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块表面，形成振动波并输出给示波器；多个所述信号放大模块设置在信号发生器与测试探头、测试探头与示波器之间，用于对入射波和振动波进行能量放大；所述示波器连接信号发生器和信号放大模块，用于显示入射波和振动波。
[0007]进一步地，所述信号放大模块包括高压放大器和电压放大器，所述高压放大器的输入端与信号发生器连接，用于将入射波的能量放大；所述电压放大器的输入端连接测试探头，用于将振动波的能量放大。
[0008]进一步地，所述测试探头包括激励探头和接收探头；所述激励探头与高压放大器的输出端连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块的表面；所述接收探头与电压放大器的输入端连接，用于接收待检测混凝土试块中传输后的振动波。
[0009]进一步地，所述信号发生器、高压放大器和电压放大器的输出端均与示波器连接，所述示波器用于显示信号发生器产生的入射波、经高压放大器放大后的入射波和经电压放大器放大后的振动波。
[0010]进一步地，所述楔块设置有四个，固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头和接收探头均设置有两个，间隔布置且固定于楔块表面；各所述激励探头与信号发生器之间均设有一个高压放大器，各所述接收探头与示波器之间均设有一个电压放大器。
[0011]进一步地，所述楔块为斜楔块，包括斜楔和滑块，所述滑块固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头、接收探头均固定于斜楔表面，所述斜楔和滑块配合使用。
[0012]一种水下混凝土内部三维成像方法，基于如权利要求1
‑
6所述的任意一种水下混凝土内部三维成像系统，包括如下几个步骤：
[0013]S1.垂直于水下待检测混凝土试块的表面放置24只换能器；其中，12只换能器激励瑞利波，12只换能器接收瑞利波；
[0014]S2.各换能器激励信号的波形为：
[0015][0016]其中，N为正弦波周期数，f为激励频率，t为时间；调节激励频率f，根据已知的瑞利波速度c，计算瑞利波的波长λ＝c/f；
[0017]S3.对混凝土内部一点，计坐标(x，y，z)；其中，z为深度方向；瑞利波的影响深度主要集中在1/3波长范围内，因此计瑞利波沿z方向上的影响深度L＝λ/3；
[0018]在深度L上，进行xy面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达聚焦点(x0，y0)；将激励器依次编号为1至8，计第一个激励器激发的时刻为t0，第i个激励器的坐标为(xi，yi)，则第i个激励器的激发时刻为t0+Δti；其中，Δti的计算方式如下：
[0019][0020]S4.将12只接收器的接收信号进行平移，第一只接收器的信号不平移，第i只接收器的信号平移Δti，将平移后的8条信号叠加，得到(x0，y0，L)处的检测信号；当聚焦点存在构造物或损伤时，会引起回弹波，回弹波在各平移后的信号中将处于同一相位，通过将平移后的信号叠加，可以放大损伤引起的回波；否则，接收信号中为噪声，通过平移后噪声相互叠加，不会产生明显的放大效；
[0021]将叠加后的检测信号最大峰值记为(x0，y0，L)处的损伤程度D；
[0022]S5.改变聚焦点坐标(x0，y0)，历遍L深度处的混凝土结构各点；改变S2中的激励频率f，重复步骤S2
‑
3，获得混凝土内部任意一点的损伤程度矩阵D(x0，y0，L)，从而生成混凝土内部三维成像图。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024]本专利技术提供了一种混凝土内部三维成像系统，将换能器圆形或十字形排列，方便检测混凝土中各种方向的裂纹。利用瑞利波，质点呈椭圆形振动，瑞利波传播远，可探测范围大。该装置无需正对混凝土方向设置，任何方向均可直接检测混凝土内部裂纹，自动生成三维图像，操作方便快捷。
[0025]本专利技术提供了一种混凝土内部三维成像方法，在进行检测时，首先对指定深度Z的混凝土进行XY面内的二维成像，通过控制各激励器激励的时间差，使各激励器发出的瑞利波同时到达某一聚焦点，对各激励器编号且计算激发时刻，通过平移接收器信号并将信号叠加，得到该聚焦点处的损伤程度，重复上述步骤可以得到任意点的损伤矩阵，改变激励波的波长，控制检测深度Z，实现混凝土不同深度的二维成像，从而生成混凝土内部三维成像。当聚焦点存在构造物时，会引起回弹波，通过信号叠加可以放大回波。该方法不仅可以精准定位混凝土内的裂纹位置，还可以定位内部骨料钢筋位置，检测混凝土内部配筋是否锈蚀，混凝土覆盖或周边土体是否脱空，定位及检测速度快。
附图说明
[0026]图1为换能器圆形排列图；
[0027]图2为换能器十字形排列图；
[0028]图3为瑞利波的影响深度示意图；
[0029]图4为波束逐点聚焦示意图；
[0030]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，包括：待检测混凝土试块、超声相控阵列、连接部和检测装置；所述连接部为楔块，多个所述楔块固定于待检测混凝土试块的底部，所述检测装置通过楔块与待检测混凝土试块连接；所述超声相控阵列固定于待检测混凝土试块的表面，包括多个换能器，多个所述换能器呈圆形或十字形排列，各所述换能器激励瑞利波或接收瑞利波；所述检测装置包括信号发生器、测试探头、信号放大模块和示波器；所述信号发生器用于产生激励信号，形成入射波；多个所述测试探头固定于楔块表面，且通过排线与信号发生器、示波器连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块表面，形成振动波并输出给示波器；多个所述信号放大模块设置在信号发生器与测试探头、测试探头与示波器之间，用于对入射波和振动波进行能量放大；所述示波器连接信号发生器和信号放大模块，用于显示入射波和振动波。2.根据权利要求1所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述信号放大模块包括高压放大器和电压放大器，所述高压放大器的输入端与信号发生器连接，用于将入射波的能量放大；所述电压放大器的输入端连接测试探头，用于将振动波的能量放大。3.根据权利要求2所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述测试探头包括激励探头和接收探头；所述激励探头与高压放大器的输出端连接，用于将入射波传输至待检测混凝土试块的表面；所述接收探头与电压放大器的输入端连接，用于接收待检测混凝土试块中传输后的振动波。4.根据权利要求3所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述信号发生器、高压放大器和电压放大器的输出端均与示波器连接，所述示波器用于显示信号发生器产生的入射波、经高压放大器放大后的入射波和经电压放大器放大后的振动波。5.根据权利要求4所述的一种混凝土内部三维成像系统，其特征在于，所述楔块设置有四个，固定于待检测混凝土试块的底部，所述激励探头和接收探头均设置有两个，间隔布置且固定于楔块表面；各所述激励探头与信号发生器之间均设有一个高压放大器，各所述接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴智深，王子健，
申请(专利权)人：南京智慧基础设施技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：