一种混凝土内部空洞缺陷的非接触快速检测方法

1.本发明涉及空洞检测的技术领域，尤其涉及一种混凝土内部空洞缺陷的非接触快速检测方法。


背景技术：

2.内部空洞缺陷、脱空是建筑、桥梁、隧洞衬砌等混凝土结构的典型病害，内部空洞的出现会在一定程度上影响结构的完整性和可靠性，任由其不断地扩展甚至会引发严重的安全事故。因此，需要定期对混凝土结构进行缺陷检查、评估和修复，以确保混凝土结构的长期安全稳定运营。
3.目前常用的空洞缺陷检测技术手段主要分为有损检测和无损检测两种方法。
4.有损检测主要是钻芯法，使用钻机从混凝土结构中钻取芯样来检测衬砌中是否存在脱空病害，该方法能够直观地发现混凝土结构内部是否存在病害，可靠性较高。但该检测方法存在以下几点问题：(1)钻芯容易破坏混凝土的力学结构，影响建筑结构的寿命；(2)由于存在破坏性，钻芯法无法在同一个混凝土结构上大规模应用，因此极易漏掉混凝土内部存在的空洞病害；(3)检测结果代表性差，不能普遍反应混凝土结构整体的健康状况。
5.无损检测方法中应用较广的为地质雷达，其主要原理是利用高频脉冲电磁波在地下介质中的传播特性及遇到异常介质时的反射和绕射等波动规律，来探测地下目的体分布形态与特征。该方法的主要特点是无损、高效和快速等，但受其检测原理和隧道衬砌表面的不平整性等诸多干扰因素的影响，目前存在以下几点问题：(1)地质雷达主要通过观察物质介电常数的变化来判断混凝土结构内部的病害，若在一定区域内混凝土结构内部都存在不密实的情况，此时区域的介电常数基本一致，几乎观察不到雷达信号的变化；(2)对于内部存在钢筋的混凝土结构，钢筋会严重阻隔电磁波的传递，也会对反射的信号造成严重干扰，小范围的脱空病害难以被发现，且此时极易出现误判情况，导致最终增加了检测结果的不确定性；(3)当混凝土结构表面不平整时，会导致采集数据的质量严重下降，有效信号不突出，容易造成误判或漏检；(4)由于混凝土或水泥砂浆的介电常数与粒料的质量、含水率和致密程度等因素有关，因此在使用地质雷达检测前，都要钻孔取芯或在已知的地质体厚度的前提下进行介电常数的标定，费时费力。(5)地质雷达属于接触式测量，在进行检测时地质雷达需要贴近待测结构表面，在使用场景上具有一定的局限性，同时其检测效率也受接触式测量的限制。
6.人工敲击也是目前混凝土结构内部空洞较为广泛的一种检测方法，主要原理是通过人工手持敲击锤敲击结构表面，当回声清脆，说明混凝土结构比较密实；反之，如果敲击声音沉闷，则说明混凝土内部存在空洞病害。人工敲击不需要复杂的精密设备，操作简便，但其存在以下几点问题：(1)人工敲击检测速度受到作业人员熟练程度和检查环境的影响，作业效率低且作业速度难以量化估计；(2)根据敲击回声判断混凝土内部是否存在脱空病害主要根据操作者的经验，极易出现误判漏判；(3)在作业过程中，发现疑似脱空病害需要人工标记记录，随着检测里程的增加，大量数据逐渐积累，查阅整理复杂，数字化智能化程
度低。(4)人工敲击力量有限，一般只能发现浅层的脱空，局限性大。(5)人工敲击同样属于接触式测量，在使用场景上具有一定的局限性。
7.因此，如何准确高效的对混凝土内部空洞病害进行全面检测是保障混凝土的结构安全亟待解决的关键问题。


技术实现要素：

8.针对现有空洞缺陷检测方法检测效率低，检测不方便的技术问题，本发明提出一种混凝土内部空洞缺陷的非接触快速检测方法，通过激光脉冲对一些特定建筑结构(隧道、水坝、桥梁)的内部空洞进行检测，检测方便，且提高了检测效率。
9.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种混凝土内部空洞缺陷的非接触快速检测方法，其特征在于，在待测的混凝土结构表面选择一点作为冲击点，在距离冲击点l c
m处选择一点作为测量点；利用脉冲激光器向冲击点发射激光脉冲，激光脉冲会在冲击点处激发出应力波；使用激光测振装置对测量点的振动信号进行测量；对振动信号进行滤波处理后进行傅里叶变换，得到振动信号的单边频谱s(f)；在低频段对|s(f)|2进行积分求和，得到测量点的振动能量e1；当e0＜αe1时，判断测量点下方存在空洞缺陷，其中，e0为正常区域的振动能量，0＜α＜1为灵敏度参数。
10.优选地，所述振动信号为位移、速度或加速度信号的至少一种；对振动信号进行滤波处理的目的是去掉所提取的振动信号中的直流分量。
11.优选地，所述振动能量其中，f1为积分上限频率，f1在0-15khz范围内选择。
12.优选地，所述冲击点的选取方法为：在待测混凝土结构的表面进行网格划分，网格交点为冲击点；根据网格交点对应的测量点的振动能量进行空洞成像实现空洞缺陷检测。
13.优选地，所述空洞成像实现空洞缺陷检测的方法为：根据所划分网格在水平x轴方向的格点数m与竖直y轴方向的格点数n建立一个m
×
n的矩阵；根据每个测量点的位置将其振动能量记为e
mn
，利用对振动能量e
mn
进行归一化得到归一化值t
mn
；将归一化值t
mn
分别存入矩阵的对应位置；以网格横纵编号为云图横纵坐标，绘制(m，n，g
mn
)构成的云图，g
mn
为对应坐标处的灰度值且g
mn
＝t
mn
×
256，不同的灰度值g
mn
对应不同的rgb颜色；通过颜色与正常区域的对比，对内部存在空洞缺陷的区域进行识别。
14.优选地，所述归一化值t
mn
的计算方法为：
15.其中0＜t
mn
＜1。
16.优选地，所述激光测振装置固定在支撑机械臂ii上，脉冲激光器固定在支撑机械臂i上，支撑机械臂ii和支撑机械臂i均设置在可移动检测平台的前部，激光测振装置与数据采集卡相连接，数据采集卡与数据处理系统，数据处理系统与显示器相连接，数据采集卡、数据处理系统和显示器均设置在可移动检测平台上。
17.优选地，所述激光测振装置上设有ccd相机，ccd相机与激光测振装置同轴设置，ccd相机与数据采集卡相连接。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果：相比与钻芯法，本发明属于无损检测，可以在不损害混凝土力学结构的前提下对内部空洞进行检测，因此可以对待测混凝土进行全面
的检测，对待测混凝土结构整体的健康状况进行评估；相比于地质雷达与人工敲击，本发明属于非接触式检测，对于一些接触式检测技术难以实施的场景，本发明可以实现快捷高效的混凝土内部空洞检测。本发明利用激光的特性可以在远距离上对混凝土结构进行非接触的检测，对于传统接触式检测技术难以实施的一些应用场景，可以方便快捷地完成检测作业。光学测量手段可以精确测量远距离物体表面的微小振动，相比传统方法在辨识精度上具有明显的优势。以移动平台为载体，该方法可以实现快速、自动化的混凝土结构检测。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明的流程示意图。
21.图2为本发明检测装置的结构示意图。
22.图中，1为脉冲激光器，2为支撑机械臂i，3为激光测振装置，4为支撑机械臂ii，5为数据采集卡，6为ccd相机，7为数据处理系统，8为显示器，9为可移动检测平台，10为数据传输线缆，11为混凝土结构，12为内部空洞。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1所示，一种混凝土内部空洞缺陷的非接触快速检测方法，单点检测模式时的步骤如下：
25.利用小锤敲击或钻芯法在待测混凝土结构上确定一密实内部无缺陷区域作为参照，使用冲击激光发射装置即脉冲激光器向无缺陷区域上一点发射激光脉冲。激光脉冲冲击混凝土表面时，会产生各种波在待测混凝土结构内部传播。ccd相机6与激光测振装置同轴设置，此时测量点在ccd相机6拍摄的画面中处于固定位置，ccd相机6所拍摄的画面通过显示器8实时展示，画面中同时显示有经提前标定确定的刻度尺，可确定画面中任意两点的距离，根据激光冲击点在画面中的位置可确定冲击点与测量点的相对位置关系与距离。使用激光测振装置对距离激光冲击点l cm处的位移、速度、加速度等振动信号进行测量。对加速度(位移、速度)信号进行滤波处理，随后对处理后的信号及进行傅里叶变换，得到加速度(位移、速度)信号的单边频谱s(f)；在低频段对|s(f)|2进行积分求和，得到密实区域的振动能量e0。
26.在待测的混凝土结构表面选择一点作为冲击点，在距离冲击点l cm处选择一点作为测量点。使用脉冲激光器向待测区域上一冲击点发射激光脉冲。激光脉冲冲击混凝土表面时，会产生各种波在待测混凝土结构内部传播，激光脉冲会在冲击点处激发出应力波。当待测区域内部存在空洞缺陷时，声波会在空洞与混凝土表面之间形成共振，最终表现为混
凝土表面的异常振动。应力波会被空洞缺陷反射并在空洞与混凝土表面之间形成纵波共振，并引起混凝土表面的位移、速度、加速度信号发生变化。通过ccd相机进行对准，在每次冲击的同时使用激光测振装置对距离激光冲击点l cm处的测量点的位移、速度、加速度等振动信号进行。对加速度(位移、速度)信号进行滤波处理，随后对处理后的信号进行傅里叶变换，得到加速度(位移、速度)信号的单边频谱s(f)；在低频段对|s(f)|2进行积分求和，得到测量点的振动能量e1。当e0＜αe1时，判断测量点下方存在空洞缺陷。其中，0＜α＜1，为灵敏度参数。当混凝土内部存在空洞时，混凝土表面的弯曲振动频率主要集中在低频段，选择对低频段进行积分可有效避免高频段的噪声干扰，而通过比较积分结果来判断空洞评估是否存在可有效地避免测量中的奇异值对检测的影响。
27.滤波处理的目的是去掉所提取信号中的直流分量；振动能量f1为积分上限，可在0-15khz范围内进行选择以调整检测灵敏度。
28.作为一种优先的实施方式，空洞成像模式的步骤为：在待测混凝土结构表面进行网格划分，采用间距d cm
×
d cm的正方形网格，网格交点即为脉冲激光的冲击点。网格的间距d cm决定了成像的分辨率，d越小网格越精细，成像的分辨率越高，但高分辨率需要的检测时间较长，检测效率较低。因此选取适当的网格间距既能有效的检测出缺陷信息又能提高检测效率。
29.使用脉冲激光按顺序冲击每一个网格交点。激光脉冲对混凝土表面的冲击会产生各种波在待测混凝土结构内部传播，对于内部存在空洞缺陷的区域，声波会在空洞与混凝土表面之间形成共振，最终表现为该区域表面的异常振动。在每一次冲击的同时，通过ccd相机进行对准，使用激光测振装置对距离激光冲击点l cm处的位移、速度、加速度等振动信号进行测量，对加速度(位移、速度)信号进行滤波处理，随后对处理后的信号及进行傅里叶变换，得到加速度(位移、速度)信号的单边频谱s(f)；在低频段对|s(f)|2进行积分求和，得到测量点的振动能量e
mn
，i、j为网格交点的坐标。利用对e
mn
进行归一化，其中0＜t
mn
＜1。根据所划分网格在水平x轴方向的格点数m与竖直y轴方向的格点数n建立一个m
×
n的矩阵。根据每个测量点的位置将归一化后的振动能量t
mn
分别存入矩阵的对应位置。
30.绘制(m，n，g
mn
)构成的云图，并实时显示在显示器8上。以网格横纵编号为云图横纵坐标，g
mn
为对应坐标处的灰度值，g
mn
＝t
mn
×
256。对于混凝土内部存在空洞的区域，其振动能量会较正常区域更高，对应的灰度值g
mn
也会与正常区域有区别，因此内部存在空洞缺陷的区域会以与正常区域不同的灰度展现在云图上，进而实现对缺陷区域的成像与识别。作为一种优先的实施方式，如图2所示，脉冲激光器1为冲击激光发射装置，用于发射激光脉冲冲击混凝土结构11的表面。支撑机械臂i2为脉冲激光器的支撑机械臂，其一端固定在可移动检测平台上，另一端与冲击激光发射装置连接，机械臂具有三个自由度，可以控制激光发射装置向任意方向发射激光。激光测振装置3，用于对测量点的位移、速度、加速度等振动信号进行测量。支撑机械臂ii4为激光测振装置3的支撑机械臂，其一端固定在可移动检测平台9上，另一端与激光测振装置3连接，机械臂具有三个自由度，可以控制激光测振装置对任意方向进行探测。数据采集卡5，设置在可移动检测平台9上，用于接收激光测振装置探测到的信号，再对信号进行模数转换后将其传输到数据处理系统。ccd相机6与激光测振装置一
同固定在支撑机械臂ii4上，用于冲击点与探测点的目视校准。数据处理系统7与数据采集卡连接，用于接收和处理数据采集卡采集得到的数字信号。显示器8，用于实时显示检测结果。数据传输线缆10，用于将所述激光测振装置3、数据采集卡5、ccd相机6和数据处理系统7、显示器8连接进行数据的传输。混凝土内部空洞12是待检测混凝土结构11中的空洞缺陷。
31.其中，可移动检测平台9上安装有支撑机械臂i2和支撑机械臂ii4。冲击激光发射装置支撑机械臂的末端连接有脉冲激光器1，脉冲激光器1用于向冲击点发射激光脉冲。支撑机械臂i2用于控制脉冲激光器的激光发射方向，实现冲击激光发射装置准确地向冲击点发射脉冲激光。支撑机械臂ii4的末端连接有激光测振装置3与ccd相机6。激光测振装置3用于对测量点的位移、速度、加速度等振动信号进行测量，ccd相机6用于使激光测振装置对准测量点，与激光测振装置同轴设置。激光测振装置3与数据采集卡5、数据处理系统7通过数据传输线缆10连接。数据采集卡5与激光测振装置3的输出端连接，用于接收激光测振装置3探测到的信号，并对信号进行模数转换；数据处理系统7与数据采集卡5的输出端连接，用于接收和处理数据采集卡采集得到的数字信号，并利用上述单点检测模式的方法进行振动信号的处理。
32.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。