专利名称：波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置及方法
技术领域：
本发明公开了一种基于超声波检测波纹管注浆密实度的装置及方法，属于超声检·测及分析技术领域。
背景技术：
随着中国桥梁建设的高速发展，波纹管预应力混凝土结构得到广泛应用，其波纹管孔道压浆质量一直是人们关心的问题，波纹管的注浆密实度关系到钢绞线承载能力的发挥，对桥梁波纹管注浆密实度进行评价具有重要的意义。当前的孔道波纹管压浆施工中经常出现压浆不密实、有空隙、孔道未被水泥浆完全充满等质量问题，导致质量安全事故频频发生，类似事故已引起工程界的强烈关注。目前检测波纹管注浆密实度的方法主要有钻心检测法、电磁波雷达法、弹性波反射法、X射线法等，这些方法都是从桥梁、T梁、厢梁中预应力孔道波纹管的外部进行检测，在一定的程度上能够实现对波纹管注浆密实度进行检测的目的，但是由于外部检测时检测信号(包括声音、射线、电磁波信号)在进出波纹管前后都需要穿过厚厚的包含螺纹钢的混凝土层，信号损失较大，不能完全满足波纹管注浆密实度检测的要求。目前使用超声波检测孔道波纹管压浆的方法，归纳之后主要是以下2种
I、声波首时法根据超声波在波纹管和混凝土中传播声速的不同，一部分穿过钢管后穿过混凝土，再穿过钢管壁的直线路径传播；另一部分沿钢管壁绕射过去，计算声速判断判断注浆缺陷与否。此种方法理论上计算可行，但是在实际测量中误差很大，很难判断出缺陷的位置。2、波形识别法通过判断接收到的脉冲波首波波幅及波形畸变程度，可判断波纹管混凝土内部是否存在缺陷。但该方法为经验判断法，受现场检测条件的影响，容易出现较多的误、漏判，此方法很少使用。以上两种方法虽然在一定程度上能达到检测的目的，但不能够达到精确的测量目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置及方法，通过散射声场波形与介质声速和波纹管直径以及时间的变化曲线的对比，从而达到检测桥梁内部混凝土注浆质量的目的。为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为
一种波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，包括
一产生方波脉冲信号的信号激励模块，为大功率信号源，用于产生脉冲信号；
一信号发射接收模块，包含由所述信号激励模块激励产生超声信号的发射换能器和呈十字形阵列排列的多个接收换能器，所述发射换能器设置在十字形阵列的中心；
一信号采集模块，采集所述信号发射接收模块的信号；一信号处理及显示模块，对采集模块的信号进行信号处理和显示图形。所述信号发射接收模块设置在波纹管外注浆的固定块表面。所述发射换能器设置于波纹管管壁外的中心位置，所述接收换能器阵列中包含16 个接收换能器，其中8个接收换能器平行地设置于波纹管外，主要接收反射回来的超声波信号；另外8个接收换能器垂直地设置于波纹管外，主要接受散射的超声波信号。所述的信号激励模块为大功率信号源，包含以信号发生器为核心的方波信号产生模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。所述发射换能器为与所述大功率信号源相匹配的圆形大功率压电陶瓷发射换能器。所述接收换能器为与所述发射换能器相匹配的圆形超声信号接收换能器。所述信号采集模块包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。所述的信号处理及显示单元模块包含滤波组件、信号差分放大组件、将超声成像模块的输出图像采集出来并压缩存储到计算机中的数据存储组件、算法组件和显示输出组件。所述算法组件包含对参数初始化的数据初始化模块和运用计算波纹管注浆密实度、缺陷位置及大小的算法模块；所述算法模块中采用扫描的方法去计算相关系数随介质声速和波纹管直径以及时间的变化曲线，形成一个图像，该图像的极大值位置为所获得的最佳处理结果，如果波纹管空心或注浆不密实，则有散射声场存在，该图像即有极大值，极大值经过标定后即为密实度的一个指示函数值。一种基于权利要求I所述的装置的波纹管孔道注浆密实度超声检查的方法，其特征是，包含以下步骤
(1)将检测装置垂直压于水泥壁，初始化参数。由信号激励模块即大功率信号源激励超发射换能器产生超声信号；
(2)呈十字形阵列排列的接收换能器接收所述发射换能器产生的超声信号；
(3)信号采集模块对所述的接收换能器阵列接收到的信号进行采样，量化处理；
(4)并由信号处理及显示单元将接收的信号进行运算，然后绘制出图像，由图像信息显示波纹管注浆密实度及浆和波纹管内钢绞线间是否存在缺陷，并根据发射换能器和接收换能器阵列所处的位置，计算判断出缺陷所处的位置。本发明所达到的有益效果
本发明由大功率超声激励源发射模块产生高频大功率超声波，超声信号接收模块十字阵列接收由空腔(缺陷)散射的超声波信号并转化为电信号，当波纹管空心时，散射声场比较强，用理论方法确定出散射声场的波形在不同位置所接受到的波形中的到达时间曲线，以该曲线为基准，从阵列测量波形中用窗函数取出一些波形，计算相关系数。采用扫描的方法去计算相关系数随介质声速和波纹管直径以及时间的变化曲线，形成一个图像，该图像的极大值位置为所获得的最佳处理结果，如果波纹管空心或水泥不密实，则有散射声场存在，该图像即有极大值，极大值经过标定后即为密实度的一个指示函数值，从而达到检测桥梁内部混凝土注浆质量的目的。本发明的装置易于携带，使用方便，适合施工现场的快速实时检测，特别适用于桥梁施工过程中对施工质量的现场判断及其为桥梁的日常检测维修提供依据，并且对空腔位置的判断准确、直观可靠。
图I是波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置结构图2是波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置横剖面结构图3是波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置纵剖面结构图4是波纹管孔道注浆密实度超声检查的数据采集模块结构图中，01为发射换能器；02至17为接收换能器；18为波纹管；19为钢绞线；20为缺陷(空气泡)；21为固体水泥。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图I、图2和图3所示，本发明的检测装置包括信号激励模块；信号发射接收模块；信号采集模块；对接收的超声信号进行处理及显示的信号处理及显示模块，信号处理及显示模块将接收的超声信号采用相关运算绘制图像确定极大值，从而确定出缺陷20的位置极其相对大小。激励信号模块包含以方波信号发生器为核心的信号发生模块和以高频功率放大器为核心的功率放大模块组成，能够产生脉冲宽度和频率可变的方波脉冲信号。检测用的信号发射接收模块中包含I个发射换能器01和16个接收换能器02-17。将这17个换能器按十字形排列，其中位于十字形中心的换能器为发射换能器01，其余16个为接收换能器02-17，并且16个接收换能器中的8个换能器平行于波纹管设置，另外8个换能器垂直于波纹管设置，并且所有的换能器均设置在波纹管外的注浆固体水泥21表面。为了提高检测精度，发射换能器和接收换能器选用比较薄的圆形压电陶瓷片换能器，且在固定的过程中使换能器垂直于固体水泥21表面。信号采集模块包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。通过计算机终端的上位机控制信号采集模块采集界面波信号，并将采集数据保存到计算机的SRAM (随机存储器)中。信号处理显示模块对采集到的数据进行处理然后将处理结果通过计算机显示器显示出来。利用计算机进行数据处理能够提高数据处理速度和处理能力，降低检测装置功耗。具体实施方法如下
(I)将17个压电陶瓷换能器按十字形排列；其中中心换能器为发射换能器01，其余16个为接收换能器02-17。(2)在固定的过程中将发射换能器01和接收换能器02-17阵列均垂直于水泥壁的表面。(3)调整信号激励模块输出方波信号的脉冲宽度，使激励信号的脉冲宽度为压电陶瓷片换能器额定频率的1/2，使检测信号的幅度变化达到最大值；(4)由信号激励模块激励信号发射接收模块中的发射换能器01产生超声波信号；
(5)由信号发射接收模块中的接收换能器02-17接收发射换能器01发射后的散射波信
号;
(6)通过上位机软件控制信号采集模块对接收换能器02-17接收到的信号进行采集，然后由信号处理显示模块对采集到的信号进行处理并通过计算机终端的显示器显示出来。信号处理及显示单元将接收的信号进行运算，然后绘制出图像，由图像信息显示波纹管18注浆密实度及浆和波纹管18内钢绞线19间是否存在缺陷，并根据发射换能器和接收换能器阵列所处的位置，计算判断出缺陷20所处的位置。如图4所示，本发明的信号采集模块包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。超声信号频率一般都比较高，实际应用中为了能恢复超声信号波形，对超声信号的采样率要求大于超声信号频率的3 4倍，因此本发明的信号采集模块采用高速A/D转换模块和FPGA高速控制模块。由于接收到的超声信号非常微弱，需先将超声信号通过集成运算放大器放大后传输至高速A/D，经A/D模块进行数字化处理后，在高速FPGA的时序控制下将数据存储在计算机终端的SRAM (随机存储器)中，同时将数据传输给上位机。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，包括一产生方波脉冲信号的信号激励模块，为大功率信号源，用于产生脉冲信号；一信号发射接收模块，包含由所述信号激励模块激励产生超声信号的发射换能器和呈十字形阵列排列的多个接收换能器，所述发射换能器设置在十字形阵列的中心；一信号采集模块，采集所述信号发射接收模块的信号；一信号处理及显示模块，对采集模块的信号进行信号处理和显示图形。
2.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述信号发射接收模块设置在波纹管外注浆的固定块表面。
3.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述发射换能器设置于波纹管管壁外的中心位置，所述接收换能器阵列中包含16个接收换能器，其中8个接收换能器平行地设置于波纹管外，另外8个接收换能器垂直地设置于波纹管外。
4.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述的信号激励模块为大功率信号源，包含以信号发生器为核心的方波信号产生模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。
5.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述发射换能器为与所述大功率信号源相匹配的圆形大功率压电陶瓷发射换能器。
6.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述接收换能器为与所述发射换能器相匹配的圆形超声信号接收换能器。
7.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述信号采集模块包含集成运算放大器、高速A/D转换模块、FPGA高速控制模块和计算机终端。
8.根据权利要求I所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述的信号处理及显示单元模块包含滤波组件、信号差分放大组件、将输出数据采集出来并压缩存储到计算机中的数据存储组件、算法组件和显示输出组件。
9.根据权利要求8所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述算法组件包含对参数初始化的数据初始化模块和运用计算波纹管注浆密实度、缺陷位置及大小的算法模块；所述算法模块中采用扫描的方法去计算相关系数随介质声速和波纹管直径以及时间的变化曲线，形成一个图像，该图像的极大值位置为所获得的最佳处理结果，如果波纹管空心或注浆不密实，则有散射声场存在，该图像即有极大值，极大值经过标定后即为密实度的一个指示函数值。
10.一种基于权利要求I所述的装置的波纹管孔道注浆密实度超声检查的方法，其特征是，包含以下步骤(1)由信号激励模块即大功率信号源激励发射换能器产生超声信号；(2)呈十字形阵列排列的接收换能器接收所述发射换能器产生的超声信号；(3)信号采集模块对所述的接收换能器阵列接收到的信号进行采样，量化处理；(4)并由信号处理及显示单元将接收的信号进行运算，然后绘制出图像，由图像信息显示波纹管注浆密实度及浆和波纹管内钢绞线间是否存在缺陷，并根据发射换能器和接收换能器阵列所处的位置，计算判断出缺陷所处的位置。
全文摘要
本发明公开了一种超声波检测波纹管孔道注浆密实度的装置及方法。包含由信号激励模块激励产生超声信号的发射换能器和呈十字形阵列排列的多个接收换能器，采集信号的信号采集模块，对采集的信号进行处理和波形显示的信号处理及显示模块。确定出散射声场的波形在不同位置所接受到的波形中的到达时间曲线，以该曲线为基准，从阵列测量波形中用窗函数取出一些波形，计算相关系数，计算相关系数随介质声速和波纹管直径以及时间的变化曲线，形成图像，通过图像判断波纹管注浆缺陷。本发明简单实用，适合施工现场的快速检测，特别适用于桥梁施工过程中对施工质量的现场判断及其为桥梁的日常检测维修提供依据，并且对空腔位置的判断准确、直观可靠。
文档编号G01N29/04GK102944608SQ20121048603
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者韩庆邦, 赵胜永, 徐杉, 王茜, 殷澄, 李建, 朱昌平 申请人:河海大学常州校区