本发明专利技术公开了一种水下混凝土表面孔洞成像装置包括信号发生器、电压放大器、示波器、激励器和接收器，所述信号发生器与电压放大器和示波器连接，所述电压放大器还和激励器连接，所述示波器与接收器之间设置有前置放大器，所述激励器和接收器均设置在水下混凝土板上孔洞四周。具体成像方法步骤如下：(1)计算水与混凝土界面传播的几种超声波模式和它们的波速；(2)采用数值模拟观测各超声波模式在孔洞的透射现象，找寻对孔洞敏感的超声波模式；(3)建立成像方法；(4)建立测试系统。本发明专利技术通过分布式传感器网络，用于单、双孔洞混凝土板的水下成像，进而丰富了水下结构的无损检测技术，并提升重大基础设施的安全性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下无损检测，尤其是一种水下混凝土表面孔洞成像装置及其成像方法。
技术介绍
1、桥梁、大坝、城市地下管网中存在大量水下混凝土构件，在水体的冲刷腐蚀作用下，混凝土表面产生孔洞，造成骨料、钢筋外露，甚至骨料、钢筋与水泥基材脱粘，并最终导致基础设施的失效破坏，危害人民生命健康和社会经济发展。为此，开展水下混凝土结构早期病害检测，可以指导预见性的加固维护，做到小病早治，降低结构失效风险和修护加固成本。
2、现有水下混凝土孔洞检测技术主要包括视觉成像和声呐扫描两种。视觉成像主要通过机器人抵近结构表面或进入结构内部，通过逐点检测的方式收集混凝土表面的图像信息，并通过人工或计算机识别表面的孔洞。然而，部分水下环境存在能见度低、水质浑浊等问题，如高泥沙河流上的大坝、城市地下水管内部等。在低能见度或水质浑浊的条件下，视觉成像方法效果差，存在图像不清晰、探照灯局部过分曝光等问题，制约了孔洞检测的精度和可靠性。声呐扫描主要通过垂直于被测结构射入超声波，并通过超声波在结构表面的反射探测孔洞，然而，声呐扫描所用的超声波仅在液体中传播，并未引发被测固体结构的波动，因此声呐扫描对结构表面微小孔洞的检测灵敏度低，只有结构表面出现明显孔洞时，才会引发液体超声波反射的异常。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种水下混凝土表面孔洞成像装置及其成像方法，通过分布式传感器网络，用于单、双孔洞混凝土板的水下成像，进而丰富了水下结构的无损检测技术，并提升重大基础设施的安全性。</p>2、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种水下混凝土表面孔洞成像装置，包括信号发生器、电压放大器、示波器、激励器和接收器，所述信号发生器与电压放大器和示波器连接，所述电压放大器还和激励器连接，所述示波器与接收器之间设置有前置放大器，所述激励器和接收器均设置在水下混凝土板上孔洞四周。
3、进一步的，所述水下混凝土板上四周均匀设置有多个接收器。
4、一种如上所述的水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，包括如下步骤：
5、步骤1、计算水与混凝土界面传播的几种超声波模式和它们的波速；
6、步骤2、采用数值模拟观测各超声波模式在孔洞的透射现象，找寻对孔洞敏感的超声波模式；
7、步骤3、建立成像方法；
8、步骤4、建立测试系统。
9、进一步的，所述步骤1中计算水与混凝土界面传播的几种超声波模式和它们的波速的具体步骤如下：
10、混凝土中存在横波、纵波，其波速计算为：
11、
12、
13、其中，cl是纵波速度，ct是横波速度，e是弹性模量，ν是泊松比，ρ是密度；
14、建立水与混凝土界面波的特征方程：
15、
16、通过上述方程，获得两个特征根，分别对应瑞利(r)波cr和斯科特(s)波cs，其中，cr>cs；
17、其中，c是界面波速度；
18、根据混凝土和水的材料特性，计算l、t、r、s波的速度。
19、进一步的，所述步骤2中采用数值模拟观测各超声波模式在孔洞的透射现象，找寻对孔洞敏感的超声波模式的具体步骤如下：
20、激励信号为：
21、
22、式中fc为激励的中心频率，t为时间序列；
23、根据接收信号的时间历程，观察每个超声波的状态，找寻对孔洞敏感的超声波模式。
24、进一步的，所述步骤3中建立成像方法的具体步骤如下：
25、定义信号能量ef为：
26、
27、式中x(t)表示所接收信号的时间历程；
28、对于离散信号x＝[x_1,x_2,x3，…，x_m]，信号能量ef表示为：
29、
30、通过将受损板和未受损板的信号能量分别计算为ef，d和ef，u，可以确定损伤指标di为均方根误差；
31、
32、作为一个定量指标，di随孔洞严重程度的增加而增加；
33、孔洞的出现增加了波程，造成了波传播的相位延迟；同时，孔洞处的散射也使波的传输能量衰减；通过考虑相位延迟和能量衰减，检测出波传输的异常，从而确定异常的波路径，异常波路径的交点表明了损伤的位置。
34、进一步的，所述4中建立测试系统的具体步骤如下：
35、步骤4.1、在水下混凝板四周均匀设置多个换能器，并选择一个换能器作为激励器；
36、步骤4.2、将激励器对面多个换能器作为接收器；
37、步骤4.3、计算各接收信号的di；
38、步骤4.4、将接收器di分配至对应成像区；
39、步骤4.5、分别对各点的di求和；
40、步骤4.6、形成损伤图像，
41、步骤4.7、对所有损伤图形进行归一化处理，损害图像中的高像素表示孔洞。
42、本专利技术的有益效果为：
43、本专利技术采用分散布置的换能器阵列并构建了测试系统，可以检测阵列内部区域内的孔洞，检测装置无需到达检测区域，可实现遮蔽部位、狭小部位的检测。
44、本专利技术提出用信号能量差异表征孔洞，可实现孔洞大小的量化，孔洞越大，能量变化越明显，从而从孔洞有无的探测，提升为孔洞位置及大小的探测。
45、本专利技术计算了水下混凝土表面各种波的传播速度，为接收信号分析提供了依据，能够根据换能器间距/传播速度，确定各种波到达时刻，并根据该时刻的接收信号提取波包，并分析该波包的能量变化，提升了孔洞检测的灵敏度和精度。
46、本专利技术提出的激励信号波形，具有窄带的激励频率，可以适应换能器、信号发生器、示波器、前置放大器的工作频率，激励频率窄带可以提升上述部件的工作功率，从而获得信噪比更高的信号，同时窄带的激励频率，可以减小各部件的研发成本、重量、体积。从而研发出轻便小巧、成本低廉的检测装备。
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【技术保护点】
1.一种水下混凝土表面孔洞成像装置，其特征在于：包括信号发生器、电压放大器、示波器、激励器和接收器，所述信号发生器与电压放大器和示波器连接，所述电压放大器还和激励器连接，所述示波器与接收器之间设置有前置放大器，所述激励器和接收器均设置在水下混凝土板上孔洞四周。
2.根据权利要求1所述的一种水下混凝土表面孔洞成像装置，其特征在于：所述水下混凝土板上四周均匀设置有多个接收器。
3.一种如权利要求1或2所述的水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，其特征在于，所述步骤1中计算水与混凝土界面传播的几种超声波模式和它们的波速的具体步骤如下：
5.根据权利要求3所述的一种水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，其特征在于，所述步骤2中采用数值模拟观测各超声波模式在孔洞的透射现象，找寻对孔洞敏感的超声波模式的具体步骤如下：
6.根据权利要求3所述的一种水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，其特征在于，所述步骤3中建立成像方法的具体步骤如下：>
7.根据权利要求3所述的一种水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，其特征在于，所述4中建立测试系统的具体步骤如下：
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【技术特征摘要】
1.一种水下混凝土表面孔洞成像装置，其特征在于：包括信号发生器、电压放大器、示波器、激励器和接收器，所述信号发生器与电压放大器和示波器连接，所述电压放大器还和激励器连接，所述示波器与接收器之间设置有前置放大器，所述激励器和接收器均设置在水下混凝土板上孔洞四周。
2.根据权利要求1所述的一种水下混凝土表面孔洞成像装置，其特征在于：所述水下混凝土板上四周均匀设置有多个接收器。
3.一种如权利要求1或2所述的水下混凝土表面孔洞成像装置的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种水下混凝土表面孔洞成像...
【专利技术属性】
技术研发人员：王子健，吴智深，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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