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钢筋内部孔隙检测方法.pdf

  • 上传人:62****3
  • 文档编号:4681139
  • 上传时间:2018-10-27
  • 格式:PDF
  • 页数:14
  • 大小:2.61MB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN201310435738.6

    申请日:

    2013.09.23

    公开号:

    CN104075972A

    公开日:

    2014.10.01

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情:

    专利权的视为放弃IPC(主分类):G01N 15/08放弃生效日:20170111|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 15/08申请日:20130923|||公开

    IPC分类号:

    G01N15/08

    主分类号:

    G01N15/08

    申请人:

    浙江工商大学

    发明人:

    惠国华

    地址:

    310018 浙江省杭州市下沙高教园区学正街18号

    优先权:

    专利代理机构:

    杭州杭诚专利事务所有限公司 33109

    代理人:

    尉伟敏

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    内容摘要

    本发明公开了一种钢筋内部孔隙检测方法,本发明采用应力波先检测钢筋中是否存在孔隙;有孔隙时用声表面波进一步检测孔隙的位置,并使用计算机软件为钢筋及孔隙建立三维模型,从而将钢筋中的孔隙精确地呈现出来。本发明具有能够精确检测钢筋中的孔隙的大小;能够确定钢筋中孔隙的位置;能够得到钢筋及钢筋中的孔隙的三维模型;检测快速、经济性好的特点。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种钢筋内部孔隙检测方法,一种用于钢筋内部孔隙检测的钢筋检测装置包括声表面波装置(1)、测距传感器(2)和若干个应力波传感器(3);应力波传感器、测距传感器和声表面波装置上分别设有用于与计算机电连接的数据接口;其特征是,所述声表面波装置包括计数器(4)、振荡器(5)和声表面波谐振器(6);振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路,计数器与振荡回路电连接,计数器上设有用于与计算机(8)电连接的数据接口,声表面波谐振器上设有两个探针(7),测距传感器设于一个探针上;所述检测方法包括如下步骤:
    (1-1)预先在计算机中设定随机共振系统模型和孔隙壁厚预测模型;
    在计算机中设定的n个取值范围与标准信噪比谷值的绝对值Ai的对应关系,i=1,L,n;设定误差阈值d,设定声表面波检测阈值S;其中,是孔隙的直径,是钢筋直径;
    (1-2)将钢筋的两端分别设为起始端和末端,将各个应力波传感器和脉冲锤沿钢筋的圆周方向固定在起始端的外周面上;
    (1-3)脉冲锤敲击钢筋外周面,钢筋内部产生应力波,将各个应力波传感器检测的应力波信号输入到计算机中,计算机计算各个应力波信号的平均值,得到应力波平均信号;
    (1-4)在应力波平均信号中,提取1个完整的应力波脉冲信号,将0至85ms内的所述应力波脉冲信号I(t)输入随机共振系统模型中,使随机共振系统模型发生共振;计算机利用信噪比计算公式计算输出信噪比SNR;
    (1-5)计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线,得到信噪比曲线的信噪比谷值,并将信噪比谷值的绝对值作为信噪比特征值F;
    (1-6)当则计算机做出钢筋中的孔隙为Ai所对应的的取值范围的判断;
    (1-7)当并且测量位置距离钢筋的末端>0.8厘米时,将脉冲锤和各个应力波传感器从钢筋的外周面上取下,将脉冲锤和各个应力波传感器逐渐向钢筋末端移动,并将脉冲锤和各个应力波传感器依次固定于距离上次测量位置0.5至1厘米的钢筋外周面上,重复步骤(1-3)至(1-6)进行测量;
    当并且测量位置距离钢筋的末端≤0.8厘米时,脉冲锤停止工作,计算机做出钢筋内部无孔隙的判断,并将判断信息在计算机的显示屏上显示;
    当转入步骤(1-8);
    (1-8)测量孔隙的壁厚:
    步骤a,将脉冲锤和各个应力波传感器从钢筋的外周面上取下;
    将声表面波谐振器的两个探针固定于包裹有聚酰亚胺绝缘薄膜的钢筋的起始端的外周面上,两个探针沿钢筋的圆周方向间隔2至3.5毫米;钢筋的末端的外周面上设有用于反射测距传感器的测量信号的 环状挡圈(11);
    步骤b,声表面波谐振器工作,计数器得到声表面波响应频率FreqSAW,声表面波响应频率FreqSAW输入到计算机中,计算机利用孔隙壁厚预测模型计算出钢筋中的孔隙相对于探针侧的壁厚;
    步骤c,沿钢筋的圆周方向移动声表面波谐振器的两个探针与钢筋外周面固定的位置,重复步骤b进行检测,得到若干个壁厚d;
    步骤d,将测距传感器检测的探针与钢筋末端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d存储在计算机中;
    步骤e,重复步骤a至d对钢筋进行轴向扫描式检测;
    (1-9)预先对钢筋的外周面进行测量,设定钢筋的外周面上的点的坐标,根据钢筋的外周面的点的坐标、探针与钢筋末端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d,计算机建立钢筋及钢筋中孔隙的三维模型。

    2.  根据权利要求1所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,所述步骤b中,孔隙壁厚预测模型为

    3.  根据权利要求1所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,所述随机共振系统模型为dx/dt=-dV(x)/dx+dI(t)/dt+18Dξ(t),]]>其中,V(x)为非线性对称势函数,ξ(t)为高斯白噪声,D是噪声强度,t是布朗运动粒子运动时间,x是粒子运动的坐标。

    4.  根据权利要求1所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,所述信噪比计算公式为SNR=2[limΔω→0∫Ω-ΔωΩ+ΔωS(ω)]/SN(Ω);]]>其中,ω是信号 频率,Ω为角频率,S(ω)是信号频谱密度,SN(Ω)是信号频率范围内的噪声强度。

    5.  根据权利要求1所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,所述声表面波检测阈值S为0.8%至2.4%。

    6.  根据权利要求1所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,所述误差阈值d为0.12至0.4。

    7.  根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,声表面波谐振器的中心频率为433.92MHZ。

    8.  根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的钢筋内部孔隙检测方法,其特征是,应力波传感器为3至8个。

    说明书

    说明书钢筋内部孔隙检测方法
    技术领域
    本发明涉及一种木材质量检测方法,尤其是涉及一种能够精确检测钢筋中的孔隙的位置及大小的钢筋内部孔隙检测方法。
    背景技术
    无损检测技术是近年来发展迅速的木材质地检测方法,可在不破坏木材本身形状、结构、位置的前提下,快速测定木材物理力学性能。应力波木材无损检测技术可在不破坏木材使用性能的前提下,快速的检测出木材的尺寸、规格和基本物理性质等,基于此优点,应力波无损检测技术近几年越来越受到重视。
    钢筋是建筑行业不可缺少的一种建材,但是由于加工过程中可能在钢筋内部形成孔隙,如果带有孔隙的钢筋用于建筑物建造,那么时间久了之后可能发生内部锈蚀或者由于应力疲劳作用而导致孔隙部位断裂,形成危及人生命的安全隐患。目前虽然有些方法可以实现钢铁构件内部性质的检测,但是这些方法均不适合现场快速检测的需求。如应力波检测方法虽然可以检测钢筋内部孔隙的存在,但是尚存在一些缺点,如该方法无法准确判断钢筋内部孔隙的大小及在钢筋内部的相对位置。
    中国专利授权公开号:CN102706963A,授权公开日2012年10月3日,公开了一种古树及古建筑木结构内部腐朽应力波无损探测装置,该装置包括多个传感器、传感器固定装置、力锤、微损型针式连接器、 数据处理系统和木材内部腐朽断层成像软件,所述传感器、所述数据处理系统与安装有所述成像软件的计算机通过若干根导线连接。该发明存在无法准确确定孔洞的位置及孔洞的大小的不足。
    发明内容
    本发明的发明目的是为了克服现有技术中的应力波检测方法无法准确确定孔洞的位置及孔洞的大小的不足,提供了一种能够精确检测钢筋中的孔隙的位置及大小的钢筋内部孔隙检测方法。
    为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
    一种钢筋内部孔隙检测方法,一种用于钢筋内部孔隙检测的钢筋检测装置包括声表面波装置、测距传感器和若干个应力波传感器;应力波传感器、测距传感器和声表面波装置上分别设有用于与计算机电连接的数据接口;所述声表面波装置包括计数器、振荡器和声表面波谐振器;振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路,计数器与振荡回路电连接,计数器上设有用于与计算机电连接的数据接口,声表面波谐振器上设有两个探针,测距传感器设于一个探针上;所述检测方法包括如下步骤:
    (1-1)预先在计算机中设定随机共振系统模型和孔隙壁厚预测模型;
    在计算机中设定的n个取值范围与标准信噪比谷值的绝对值Ai的对应关系,i=1,L,n;设定误差阈值d,设定声表面波检测阈值S;其中,是孔隙的直径,是钢筋直径;
    (1-2)将钢筋的两端分别设为起始端和末端,将各个应力波传感器和脉冲锤沿钢筋的圆周方向固定在起始端的外周面上;
    (1-3)脉冲锤敲击钢筋外周面,钢筋内部产生应力波,将各个应力波传感器检测的应力波信号输入到计算机中,计算机计算各个应力波信号的平均值,得到应力波平均信号;
    (1-4)在应力波平均信号中,提取1个完整的应力波脉冲信号,将0至85ms内的所述应力波脉冲信号I(t)输入随机共振系统模型中,使随机共振系统模型发生共振;计算机利用信噪比计算公式计算输出信噪比SNR;
    随机共振技术目前已在检测数据特征值提取领域崭露头角。该理论是由意大利物理学家Benzi于1981年提出的,用以解释地球远古气象冰川期与暖气候期周期交替出现的现象。随机共振具有三要素:非线性系统、弱信号和噪声源。从信号处理角度考虑,随机共振是在非线性信号传输过程中,通过调节噪声的强度或者系统其它参数,使系统输出达到最佳值,实际上也可以认为是输入信号、非线性系统、噪声的协同状态。
    一般情况下,双稳态模型中输入外力可以认为是理想电子鼻系统的信号,噪声是检测过程中引入的信道噪声,而双稳态系统的输入(信号加噪声)作为电子鼻系统实际的检测信号。在激励噪声的激励下,系统产生随机共振,此时输出信号大于输入信号,因而起到了信号放大的作用。同时,随机共振将部分检测信号中的噪声能量转换到信号中去,因而有效的抑制了检测信号中的噪声量。因此,随机共振系统 相当于提高了提高输出信号信噪比的作用,信号、激励噪声和双稳态系统可以看做是一个高效信号处理器。在以上技术基础之上,随机共振系统输出信噪比分析技术可以较好的反应被测样品的本质特征信息。
    随机共振输出信噪比特征信息反映的是被测样品的本质信息,该特征信息不随检测方法或者重复次数的限制而改变,只与样品的性质有关,有利于样品性质的标定,提高检测精度。
    随机共振分析方法重现性好,重复100次计算,输出的结果误差比率不超过0.1%。而单纯的应力波检测的频率信号误差率比随机共振信噪比分析后的误差比率高出数倍。
    (1-5)计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线,得到信噪比曲线的信噪比谷值,并将信噪比谷值的绝对值作为信噪比特征值F;
    (1-6)当则计算机做出钢筋中的孔隙为Ai所对应的的取值范围的判断;
    (1-7)当并且测量位置距离钢筋的末端>0.8厘米时,将脉冲锤和各个应力波传感器从钢筋的外周面上取下,将脉冲锤和各个应力波传感器逐渐向钢筋末端移动,并将脉冲锤和各个应力波传感器依次固定于距离上次测量位置0.5至1厘米的钢筋外周面上,重复步骤(1-3)至(1-6)进行测量;
    当并且测量位置距离钢筋的末端≤0.8厘米时,脉冲锤停止工作,计算机做出钢筋内部无孔隙的判断,并将判断信息在计算机的显示屏上显示;
    当转入步骤(1-8);
    (1-8)测量孔隙的壁厚:
    步骤a,将脉冲锤和各个应力波传感器从钢筋的外周面上取下;
    将声表面波谐振器的两个探针固定于包裹有聚酰亚胺绝缘薄膜的钢筋的起始端的外周面上,两个探针沿钢筋的圆周方向间隔2至3.5毫米;钢筋的末端的外周面上设有用于反射测距传感器的测量信号的环状挡圈;
    步骤b,声表面波谐振器工作,计数器得到声表面波响应频率FreqSAW,声表面波响应频率FreqSAW输入到计算机中,计算机利用孔隙壁厚预测模型计算出钢筋中的孔隙相对于探针侧的壁厚;
    步骤c,沿钢筋的圆周方向移动声表面波谐振器的两个探针与钢筋外周面固定的位置,重复步骤b进行检测,得到若干个壁厚d;
    步骤d,将测距传感器检测的探针与钢筋末端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d存储在计算机中;
    步骤e,重复步骤a至d对钢筋进行轴向扫描式检测;
    (1-9)预先对钢筋的外周面进行测量,设定钢筋的外周面上的点的坐标,根据钢筋的外周面的点的坐标、探针与钢筋末端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d,计算机建立钢筋及钢筋中孔隙 的三维模型。
    应力波具有穿透能力强的特点,本发明采用应力波先检测直径大的钢筋中是否存在孔隙;
    有孔隙时用声表面波进一步检测孔隙的位置,并使用计算机软件为钢筋及孔隙建立三维模型,从而将钢筋中的孔隙精确地呈现出来。
    单纯的应力波只能检测出钢筋中是否有孔隙,本发明中采用应力波与声表面波相结合的检测方法,应力波主要实现钢筋内部孔隙的尺寸检测,而声表面波探测技术可以精准定位孔隙的位置,二者结合可以同时实现钢筋中孔隙大小和位置的准确判断,这样就可以截掉内部有孔隙的钢筋材料不用,有效提高建筑安全性,降低经济损失。
    作为优选,所述步骤b中,孔隙壁厚预测模型为d=177.2114-FreqSAW433.7921.]]>
    作为优选,所述随机共振系统模型为dx/dt=-dV(x)/dx+dI(t)/dt+18Dξ(t),]]>其中,V(x)为非线性对称势函数,ξ(t)为高斯白噪声,D是噪声强度,t是布朗运动粒子运动时间,x是粒子运动的坐标。
    作为优选,所述信噪比计算公式为SNR=2[limΔω→0∫Ω-ΔωΩ+ΔωS(ω)]/SN(Ω);]]>其中,ω是信号频率,Ω为角频率,S(ω)是信号频谱密度,SN(Ω)是信号频率范围内的噪声强度。
    作为优选,所述声表面波检测阈值S为0.8%至2.4%。
    作为优选,所述误差阈值d为0.12至0.4。
    作为优选,声表面波谐振器的中心频率为433.92MHZ。
    作为优选,应力波传感器为3至8个。
    因此,本发明具有如下有益效果:(1)能够精确检测钢筋中的孔隙的大小;(2)能够确定钢筋中孔隙的位置;(3)能够得到钢筋及钢筋中的孔隙的三维模型;(4)检测快速、经济性好。
    附图说明
    图1是本发明的一种流程图;
    图2是本发明的原理框图;
    图3是本发明的应力波脉冲信号图;
    图4是本发明的应力波检测信号的输出信噪比曲线;
    图5是本发明的钢筋横截面图及坐标系图;
    图6是本发明的环状挡圈的一种结构示意图。
    图中:声表面波装置1、测距传感器2、应力波传感器3、计数器4、振荡器5、声表面波谐振器6、探针7、计算机8、钢筋9、孔隙10、环状挡圈11。
    具体实施方式
    下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
    如图2所示的实施例是一种钢筋内部孔隙检测方法,一种用于钢筋内部孔隙检测的钢筋检测装置包括声表面波装置1、测距传感器2和5个应力波传感器3;应力波传感器、测距传感器和声表面波装置上分别设有用于与计算机电连接的数据接口;
    声表面波装置包括计数器4、振荡器5和声表面波谐振器6;振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路,计数器与振荡回路电连接,计数器上设有用于与计算机8电连接的数据接口,声表面波谐振器上设有两个探针7,测距传感器设于一个探针上;
    预先在计算机中设定随机共振系统模型:dx/dt=-dV(x)/dx+dI(t)/dt+18Dξ(t),]]>其中,V(x)为非线性对称势函数,ξ(t)为高斯白噪声,D是噪声强度,t是布朗运动粒子运动时间,x是粒子运动的坐标;
    在计算机中设定孔隙壁厚预测模型:
    在计算机中设定孔隙的直径和孔隙所在位置的钢筋直径之间的比值的4个取值范围与标准信噪比谷值的绝对值Ai的对应关系,i=1,L,4;设定误差阈值d=0.2,设定声表面波检测阈值S=2%;
    和Ai的对应关系是通过实验获得:用应力波对不同取值范围的孔隙的钢筋进行检测,得到信号I(t),将频率信号I(t)输入随机共振系统模型中,使随机共振系统模型发生共振;计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线,得到信噪比曲线的信噪比谷值;
    对该孔隙重复检测108次,得到108个信噪比谷值的绝对值,将信噪比谷值的绝对值取平均,并同时测量该树木的孔隙的尺寸及检测 位置的钢筋直径尺寸,从而得到与Ai之间的对应关系。
    本实施例中,当定义为无孔隙钢筋,对应的A1=37.6dB;
    当定义为微孔隙钢筋,对应的A2=39.8dB;
    当定义为有孔隙钢筋,对应的A3=41.2dB;
    当定义为钢筋为不合格钢筋,对应的A4=43.1dB。
    如图1所示的检测方法包括如下步骤:
    步骤100,将钢筋的两端分别设为起始端和末端,用固定皮带将5个应力波传感器和脉冲锤沿钢筋的圆周方向均匀固定在钢筋起始端的外周面上;
    步骤200,脉冲锤敲击钢筋外周面,钢筋内部产生应力波,5个应力波传感器检测的应力波信号输入到计算机中,计算机计算5个应力波信号的平均值,得到应力波平均信号;
    步骤300,在应力波平均信号中,提取如图3所示的1个完整的应力波脉冲信号,将0至85ms内的所述应力波脉冲信号I(t)输入随机共振系统模型中,使随机共振系统模型发生共振;
    计算机利用信噪比计算公式SNR=2[limΔω→0∫Ω-ΔωΩ+ΔωS(ω)]/SN(Ω)]]>计算输出信噪比SNR;其中,ω是信号频率,Ω为角频率,S(ω)是信号频谱密度,SN(Ω)是信号频率范围内的噪声强度;
    步骤400,计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线,得到信噪比曲线的信噪比谷值,并将信噪比谷值的绝对值作为信噪比特征值F;
    本实施例中,计算机画出如图4所示的输出信噪比曲线,信噪比谷值为-39.2dB,则F为39.2dB;
    步骤500,当则计算机做出钢筋中的孔隙为Ai所对应的的取值范围的判断;
    本实施例中,|F-AiAi|=|39.2-39.839.8|=0.015pd,]]>所以本实施例中的钢筋为微孔隙钢筋。
    步骤600,当并且测量位置距离钢筋的末端>0.8厘米时,将脉冲锤和5个应力波传感器从钢筋的外周面上取下,将脉冲锤和5个应力波传感器逐渐向钢筋末端移动,并用固定皮带将脉冲锤和各个应力波传感器依次固定于距离上次测量位置0.5厘米的钢筋外周面上,重复步骤300至600进行测量;
    当并且测量位置距离钢筋的末端≤0.8厘米时,脉冲锤停止敲击,计算机做出钢筋内部孔隙良好的判断,并将判断信息在计算机的显示屏上显示;
    当转入步骤700;
    步骤700,测量孔隙的壁厚:
    步骤701,将脉冲锤和5个应力波传感器从钢筋的外周面上取下;
    用固定皮带将声表面波谐振器的两个探针固定于包裹有聚酰亚胺绝缘薄膜的钢筋的起始端的外周面上,两个探针沿钢筋的圆周方向相距2毫米;钢筋的末端的外周面上设有如图6所示的用于反射测距传感器的测量信号的环状挡圈11;
    步骤702,声表面波谐振器工作,计数器检测声表面波响应频率FreqSAW,声表面波响应频率FreqSAW输入到计算机中,计算机利用孔隙壁厚预测模型计算出钢筋中的孔隙相对于探针侧的壁厚;
    孔隙壁厚预测模型是经过对钢筋的不同孔隙进行检测,从而得到120个壁厚及与该壁厚相对应的FreqSAW,将120个壁厚及与该壁厚相对应的FreqSAW构成点,对120个点进行线性拟合,得到拟合曲线,从而得到孔隙壁厚预测模型。
    步骤703,沿钢筋的圆周方向移动声表面波谐振器的两个探针与钢筋外周面固定的位置,本实施例中探针的固定位置分别为钢筋外周面右侧、左侧、前侧和后侧;重复步骤702进行检测,得到4个壁厚d1,d2,d3,d4;
    步骤704,将测距传感器检测的探针与钢筋末端之间的距离值及与距离值相对应的4个壁厚d1,d2,d3,d4存储在计算机中;
    步骤705,逐渐将声表面波谐振器的两个探针由钢筋的起始端至末端移动,重复步骤701至704进行检测;
    步骤800,如图5所示的钢筋横截面图及坐标系,预先对钢筋9 的外周面进行测量,得到钢筋的外周面上的点的坐标,根据钢筋的外周面的点的坐标、探针与钢筋末端之间的距离值及d1,d2,d3,d4,计算机建立钢筋及钢筋中孔隙10的三维模型。
    本实施例中,假设木材中空部分为一个圆,根据d1、d2、d3和d4的值,计算机计算得到孔隙的四个点的坐标是:d1(x1,y1),d2(x2,y2),d3(x3,y3),d4(x4,y4),预先设定圆的圆心坐标是(x0,y0);
    先做出d1和d3线段的中垂线:ys1=-xy3-y1x3-x1+(x3-x1)y3-y1x3-x1+y3-y12,]]>
    同理,做出d2和d4线段的中垂线:ys2=-xy4-y2x4-x2+x4-x2y4-y2x4-x2+y4-y22;]]>则ys1和ys2的交点即为所求圆心坐标(x0,y0),(x0,y0)至d1,d2,d3,d4的距离相等,做出以(x0,y0)为圆心,圆周经过点d1,d2,d3,d4的圆。分别做出探针的不同轴向测量位置的圆,并结合圆距离钢筋末端的距离,从而在计算机中做出钢筋及钢筋中孔隙的三维模型。
    也可以用平滑曲线将d1、d2、d3和d4连接起来,构成当前检测的钢筋横截面的孔隙截面图,并分别做出探针的不同轴向测量位置的孔隙截面图,并结合孔隙截面图距离钢筋末端的距离,从而在计算机中做出钢筋及钢筋中孔隙的三维模型。
    应理解,本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附 权利要求书所限定的范围。

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    钢筋 内部 孔隙 检测 方法
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