基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法

本发明涉及混凝土表面裂纹定量检测领域，尤其涉及一种基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法。

背景技术：

在我国基础建设工程，例如高原铁路、隧道、深海建筑物、核岛等，混凝土是最主要的构成形式之一。在其使用过程中由于受环境与荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故，带来巨大生命财产损失。因此，在结构健康检测基础上，对混凝土结构中出现的材料性能退化、裂缝、渗漏、剥蚀与其它常见病害进行智能的量化无损检测，具有重要意义。

混凝土结构健康监测领域三大子领域为：损伤存在识别、损伤定位、损伤程度量化。从长期安全的角度上，更受关注的是损伤检测。传统的损伤检测技术：x射线、ct扫描、红外热成像、光栅光纤检测等成本较高，操作人员培训难度较大，更重要的是很多高寒缺氧高辐射的地方，人工检测是无法实现的。压电传感器由于具有主动传感、低成本、快速线性响应、实施简单等优点已被广泛应用于混凝土无损检测中。

对于混凝土裂纹的检测研究，主要形成了以下技术：使用埋入式压电“智能骨料”对裂缝进行检测，建立了基于小波包分析损伤指数，可有效地识别混凝土结构内部裂缝存在和严重程度；使用分形法来在相空间域分析因裂纹导致非连续性的超声波，从而获取损伤程度信息；提出各种自定义损伤因子进行混凝土冻融损伤厚度检测、钢筋混凝土框架边节点损伤检测、混凝土结构内应力和内部裂纹扩展实时监测。对于多相材料界面脱粘滑移的检测的研究,主要形成了以下技术：提出了根据傅立叶变换和小波变换建立的评估指标，用于钢管混凝土的主动界面状态检测；基于小波分解，定量分析粘结滑移的起始、发展过程、结构性能；将二次谐波生成和非线性调制信号作为损伤检测的特征信息，使用内置式pzt传感器检测多区域分层脱粘以及不同尺寸的冲击损伤。

由此看出，基于ae参数、emi方法、小波分析、分形维数等数理统计学系数的损伤因子可以用来检测损伤程度。然而，传统方法中的损伤因子表征的是相对于结构初始状态下损伤的相对严重程度，并不能给出损伤绝对尺寸、形状等细节信息。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法，在物理框架清晰的前提下，通过普适可靠的算法及瑞利波能量衰减在损伤处的特征差异，实现混凝土表面裂纹的损伤细节量化。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法，包括步骤:

s1：同时考虑材料和几何衰减构建瑞利波能量衰减物理模型，所述瑞利波能量衰减物理模型中应力波表面位移场u(x,t)关于传播距离和绝对时间的隐式积分关系为：

其中，g为包含波前扩展和反射的几何衰减系数，e为自然常数，x为传播距离，t为时间，d为阻尼比，f为激励信号中心频率，cr为瑞利波波速，f(ω)为原始激励信号的傅立叶变换形式，ω为圆频率，i为虚数单位；

s2：基于能量衰减比的瑞利波在裂纹不同反射位置能量衰减差异的识别，计算所述能量衰减比ra，所述能量衰减比ra的计算公式为：

其中，入射波包峰值ai缩放为相同传播距离下的理论衰减曲线上的幅值ai_s，此时反射波包的幅值ar被缩放为ar_s，相同传播距离下的理论衰减曲线上的反射波包幅值为ar_t；

s3：基于改进的半无限空间损伤定位法的混凝土表面裂纹尖端和裂纹中段反射点的定位、绝对尺寸量化和形状描述，根据反射点与定位椭圆相切或相交的几何关系确定裂纹尖端和裂纹中段的位置、裂纹尺寸和方向。

优选地，所述s1步骤前还包括步骤：

针对不同工况下的待测混凝土，对所述瑞利波能量衰减物理模型中的所述几何衰减系数g和所述阻尼比d进行参数确定。

优选地，所述s1步骤中：

所述瑞利波能量衰减物理模型为隐式积分函数，属于表面波位移场的半解析解，需要通过数值积分及遍历搜寻法对其进行数值求解。

优选地，所述s2步骤中：

所述入射波和所述反射波的波包峰值需要通过对传感器接收信号进行希尔伯特黄变换后，编写matlab程序自动识别获取一前一后两个波包的包络线峰值。

优选地，所述s2步骤中：

所述能量衰减比在计算时，需要进行压电陶瓷传感器的布置方案优化，从能量衰减比结果中判断并调整针对裂纹尖端反射点和裂纹中段反射点的所述压电陶瓷传感器的数量。

优选地，所述s2步骤中：至少保证从能量衰减比结果确定至少两个裂纹尖端反射点和一个裂纹中段反射点。

优选地，所述s3步骤中：所述改进的半无限空间损伤定位法的所述压电陶瓷传感器布置方案中，表面粘贴于待测混凝土的压电陶瓷传感器的阵列至少包含一个压电陶瓷激励器和三个压电陶瓷接收器。

优选地，所述s3步骤中：

所述改进的半无限空间损伤定位法的定位识别流程中，如果已识别出某反射点在裂纹尖端，则依据该反射点获取的反射信号中瑞利波传播时间所作的定位椭圆需要满足与所述裂纹相交；如果已识别出某反射点在裂纹中段，则依据该反射点获取的反射信号中瑞利波传播时间所作的定位椭圆需要满足与所述裂纹相切，且切点为该反射点。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明的基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法不再依赖基于数理统计处理方法所得到的损伤因子，而是基于瑞利波能量衰减模型和能量衰减比等物理意义清晰的损伤量化标准，通过瑞利波在裂纹尖端和裂纹中段不同反射点处能量衰减的显著差异来识别反射点位置，基于多点定位的信息，获取裂纹绝对长度、方向和形状等信息，具有更强的普适性和检测精度，工程应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明实施例的混凝土表面裂纹绝对尺寸量化检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的理论衰减曲线、实测信号和缩放后信号的波形图；

图3为本发明实施例的待测混凝土和表面粘贴式压电陶瓷激励器、接收器布置位置示意图；

图4为本发明实施例的尺寸量化结果案例图。

具体实施方式

下面根据附图图1～图4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法基于图1所示的混凝土表面裂纹绝对尺寸量化检测系统；该系统一待测混凝土1、至少一分布式pzt系统信息源2、一数据采集系统3和一计算终端4；分布式pzt系统信息源2粘贴于待测混凝土1并连接分布式pzt系统信息源2；分布式pzt系统信息源2连接数据采集系统3和计算终端4。

分布式pzt系统信息源2包括呈阵列分布的多个单点式pzt传感器。

数据采集系统3包括依次连接的一信号发生器31、一放大器32、一滤波器33和一示波器34。

请参阅图1～图4，本发明实施例的一种基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法，包括步骤：

s1：同时考虑材料和几何衰减构建瑞利波能量衰减物理模型，瑞利波能量衰减物理模型中应力波表面位移场u(x,t)关于传播距离和绝对时间的隐式积分关系为：

其中，g为包含波前扩展和反射的几何衰减系数，e为自然常数，x为传播距离，t为时间，d为阻尼比，f为激励信号中心频率，cr为瑞利波波速，f(ω)为原始激励信号的傅立叶变换形式，ω为圆频率，i为虚数单位；

优选地，s1步骤前还包括步骤：

针对不同工况下的待测混凝土1，对瑞利波能量衰减物理模型中的几何衰减系数g和阻尼比d进行参数确定。

示例地，如图2所示，对表面位移场u(x,t)关于传播距离和绝对时间的隐式积分中的几何衰减系数g和阻尼比d进行参数确定，包括能量衰减模型所获得的理论衰减曲线5、一实测曲线6和一缩放后信号曲线7。本实施例待测混凝土1材料参数如表1所示:

表1待测混凝土材料参数表

该情况下，几何衰减系数g和阻尼比d确定为0.636和0.182。

优选地，s1步骤中：

瑞利波能量衰减物理模型为隐式积分函数，属于表面波位移场的半解析解，需要通过数值积分及遍历搜寻法对其进行数值求解。

s2：基于能量衰减比的瑞利波在裂纹不同反射位置能量衰减差异的识别，计算能量衰减比ra，能量衰减比ra的计算公式为：

其中，入射波包峰值ai缩放为相同传播距离下的理论衰减曲线上的幅值ai_s，此时反射波包的幅值ar被缩放为ar_s，相同传播距离下的理论衰减曲线上的反射波包幅值为ar_t；

优选地，s2步骤中：

入射波和反射波的波包峰值需要通过对传感器接收信号进行希尔伯特黄变换后，编写matlab程序自动识别获取一前一后两个波包的包络线峰值。

示例地，如图2所示，实测曲线6，对其进行幅值缩放，使得入射波包(第一个波包)峰值ai缩放为相同传播距离下的理论衰减曲线上的幅值ai_s，此时反射波包(第二个波包)的幅值ar被以相同的缩放比例缩放为ar_s，而ar_s因反射衰减比相同传播距离下的理论衰减曲线上的反射波包幅值ar_t小。因此，可将这部分能量衰减提取当作除了材料和几何因素之外，由于反射导致的瑞利波能量衰减。

优选地，s2步骤中：

能量衰减比在计算时，需要进行压电陶瓷传感器的布置方案优化，从能量衰减比结果中判断并调整针对裂纹尖端反射点和裂纹中段反射点的压电陶瓷传感器的数量。

优选地，压电陶瓷传感器优化布置方案中：至少保证从能量衰减比结果确定至少两个裂纹尖端反射点和一个裂纹中段反射点。

示例地，本实施例待测混凝土1及预制裂纹尺寸和表面粘贴式压电陶瓷激励器a，接收器s1、s2、s3布置位置如图3和表2所示：

表2传感器布置位置坐标表

示例地，本实施例根据能量衰减模型所计算的能量衰减比如表3所示：

表3能量衰减比、传播时间、反射距离表

由表3可知，传感器s1和s3所接收到的信号能量衰减比远大于s2所接收到的信号能量衰减比，证明s1和s3所接收到的信号是由裂纹尖端反射而来，s2所接收到的信号由裂纹中段某点反射而来。三个传感器的瑞利波反射距离分别为279.7mm、302.3mm、321.2mm。

s3：基于改进的半无限空间损伤定位法的混凝土表面裂纹尖端和裂纹中段反射点的定位、绝对尺寸量化和形状描述，根据反射点与定位椭圆相切或相交的几何关系确定裂纹尖端和裂纹中段的位置、裂纹尺寸和方向。

优选地，s3步骤中：

改进的半无限空间损伤定位法的压电陶瓷传感器布置方案中，表面粘贴于待测混凝土的压电陶瓷传感器的阵列至少包含一个压电陶瓷激励器和三个压电陶瓷接收器。

优选地，s3步骤中：

改进的半无限空间损伤定位法的定位识别流程中，如果已识别出某反射点在裂纹尖端，则依据该反射点获取的反射信号中瑞利波传播时间所作的定位椭圆需要满足与裂纹相交；如果已识别出某反射点在裂纹中段，则依据该反射点获取的反射信号中瑞利波传播时间所作的定位椭圆需要满足与裂纹相切，且切点为该反射点。

示例地，如图4所示，本实施例压电陶瓷传感器s1和s3所接收到的信号是由裂纹尖端反射而来，因此反射距离279.7mm、321.2mm作为焦半径的定位椭圆与裂纹的两个裂尖点相交；而s2所接收到的信号由裂纹中段某点反射而来，因此反射距离321.2mm作为焦半径的定位椭圆与裂纹相切。同时满足这三个条件的直线用虚线在图4中画出。由图4可知，虚线所代表的预测到的裂纹长度为188.57mm，与实线所代表的实际预制裂纹长度200mm非常接近(误差为-5.72％)，表面裂纹量化检测结果理想。

本发明由于采用了以上检测系统和技术方案，具有以下有益效果：

本发明的基于瑞利波能量衰减的混凝土裂纹绝对尺寸量化检测方法不再依赖基于数理统计处理方法所得到的损伤因子，而是基于瑞利波能量衰减模型和能量衰减比等物理意义清晰的损伤量化标准，通过瑞利波在裂纹尖端和裂纹中段不同反射点处能量衰减的显著差异来识别反射点位置，基于多点定位的信息，获取裂纹绝对长度、方向和形状等信息，具有更强的普适性和检测精度，工程应用前景广泛。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。