基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测装置，还涉及一种 基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测方法，属于超声波检测及分析技术领域。
【背景技术】
[0002] 预应力混凝土桥梁在国内外应用极其广泛，但高强钢绞线在水喝空气的作用下极 易腐蚀，因而对钢绞线的防腐保护就成了决定桥梁耐久性与安全性的关键性因素之一。当 灌浆不密实，及浆体存在剥离缺陷时，水和空气的进入使得处于高度张拉状态的钢绞线发 生腐蚀，造成承载能力下降，埋下突发性安全隐患。及时发现和修复预应力孔道浆体剥离缺 陷的检测技术的应用显得尤为重要。
[0003] 传统的检测方法都具有一定的局限性，常见的检测方法有：
[0004] (1)钻芯、钻孔检测法：由于其客观性强，其作用无法替代。但该方法属于局部破 损检测方法，由于其工作量大、效率低、费用较高、容易对构件及预应力钢束造成损伤等因 素，此法不适合大面积应用；
[0005] (2)基于放射线的检测方法：伽马射线、X光、中子等都有较强的穿透性和直线性， 根据其在传播过程中的衰减特性可以了解检测对象的不均质性。在预应力孔道浆体剥离程 度检测中，基于放射线的检测方法的优点在于成像较为直观，分辨力较高。但该类方法的测 试设备较为庞大，测试费用高，效率低且有一定的危险性，目前在国内应用很少。
[0006] (3)电磁波雷达法：电磁波遇到障碍物会发生反射，雷达就是利用电磁波的这个 特性工作的。然而，雷达应用于预应力孔道浆体剥离程度检测存在较大的局限性，首先是其 无法适用于铁皮波纹管，其次是受配筋的影响大，漏测现象十分普遍。
[0007] (4)液体渗透法：零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透剂后，在毛细 管作用下，经过一段时间，渗透液可以渗透进表面开口缺陷中；经去除零件表面多余的渗透 液后，再在零件表面施涂显像剂，同样，在毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗 透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光源下，缺陷处的渗透液痕迹被现实，从而探测出 缺陷的形貌及分布状态。但是，渗透检测只能检出表面开口缺陷，但对埋藏缺陷或闭合型表 面缺陷无法检出，而且检测工序多、速度慢、材料较贵、成本较高，并且有些材料易燃有毒。
[0008] 我们知道，混凝土结构是一种非均质、多孔、组成结构复杂、分散性极大的各向异 性复合材料，并且混凝土结构（如大坝、桥梁）体积庞大、结构复杂，声波在混凝土中传播 时，如遇有结块空腔等内部缺陷，就会被这些结构散射，产生带有物体内部结构的声学特性 信息的回波信号，采集并处理这些回波信号，可以得到混凝土的内部结构信息。但是，混凝 土本身的特性，使得高频波段在其中的衰减较大，而且，波在混凝土中传播的指向性也较 差，同时，在日常检测中会伴有随机噪声的影响，因此目前的检测装置及方法检测的准确度 及精度，还都无法达到工程要求，实测中经常出现漏判、误判。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于递归奇异熵的预应力孔 道浆体剥离度检测装置及方法，通过递归奇异熵值的大小判断混凝土结构中孔道浆体是否 存在剥离现象，并确定剥离程度，能实现精确、实用、经济的无损检测。
[0010] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于递归奇异熵的预应力孔道浆 体剥离度检测装置，包括设于混凝土结构中的孔道，所述孔道内设有钢绞线；还包括依次信 号连接的：信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块和显示与判定模块；
[0011] 所述信号采集模块包括发射换能器和接收换能器阵列，接收换能器阵列由若干接 收换能器一字排列组成；
[0012] 所述混凝土结构的外表面还设有滑杆，滑杆与所述钢绞线设于同一水平面，且两 者相互平行；所述发射换能器、接收换能器阵列分别与滑杆相对滑动连接；
[0013] 信号激励模块激励发射换能器发射超声波检测信号，接收换能器阵列同时采集多 路信号，传输至信号处理模块，信号处理模块将采集到的回波数据进行融合，并用递归奇异 熵方法进行处理，将结果传输给显示与判定模块，显示与判定模块建立各测量点递归奇异 熵与缺陷的函数图并输出展示。
[0014] 进一步的，所述接收换能器阵列包括8个接收换能器，对称且等间距分布在所述 发射换能器的左右两边。信号采集模块采用一发多收方式，同时采集多路信号进行处理，剥 离缺陷在不同方位对信号的反射效果不同，这样可以更准确的获取缺陷信息。
[0015] 进一步的，所述信号处理模块包括依次连接的运算放大器、高速A/D转换器、高速 控制单元、数据存储单元、信息融合单元和递归奇异摘算法单元。
[0016] 基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测方法，包括如下步骤：
[0017] 步骤一：信号激励模块产生大功率脉冲信号，激励发射换能器；
[0018] 步骤二：信号采集模块中的发射换能器发射用于检测混凝土结构的超声波检测信 号，接收换能器阵列接收回波信号，并传输至信号处理模块；
[0019] 步骤三：信号处理模块对接收换能器阵列接收到的回波信号进行采样、量化及存 储处理；
[0020] 步骤四：采用步进方式同步移动发射换能器和接收换能器阵列，重复步骤二、三， 直至完成整个被测混凝土结构检测区域的检测工作；
[0021] 步骤五：信号处理模块对接收换能器阵列采集到的回波数据进行融合，并用递归 奇异熵方法进行处理，将结果传输给显示与判定模块；
[0022] 步骤六：显示与判定模块建立各测量点递归奇异熵与缺陷的函数图，递归奇异熵 最大的地方代表无缺陷，和其他比较，熵差越大，说明剥离横向尺寸越大，依此判定孔道浆 体是否存在剥离现象以及剥离程度。
[0023] 步骤五的具体处理方法如下：
[0024] 设单个接收换能器接收到的回波信号经采样得到序列，其中N为全部采样 点数，将整个接收换能器阵列接收到的回波信号进行融合，每个接收换能器接收到的回波 信号作为行向量，由此构成的延迟矩阵如下式所示：
[0025]
【主权项】
1. 基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测装置，包括设于混凝土结构中的孔 道，所述孔道内设有钢绞线；其特征在于，还包括依次信号连接的：信号激励模块、信号采 集模块、信号处理模块和显示与判定模块； 所述信号采集模块包括发射换能器和接收换能器阵列，接收换能器阵列由若干接收换 能器一字排列组成； 所述混凝土结构的外表面还设有滑杆，滑杆与所述钢绞线设于同一水平面，且两者相 互平行；所述发射换能器、接收换能器阵列分别与滑杆相对滑动连接； 信号激励模块激励发射换能器发射超声波检测信号，接收换能器阵列同时采集多路信 号，传输至信号处理模块，信号处理模块将采集到的回波数据进行融合，并用递归奇异熵方 法进行处理，将结果传输给显示与判定模块，显示与判定模块建立各测量点递归奇异熵与 缺陷的函数图并输出展示。
2. 根据权利要求1所述的基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测装置，其特征 在于，所述接收换能器阵列包括8个接收换能器，对称且等间距分布在所述发射换能器的 左右两边。
3. 根据权利要求1所述的基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测装置，其特征 在于，所述信号处理模块包括依次连接的运算放大器、高速A/D转换器、高速控制单元、数 据存储单元、信息融合单元和递归奇异摘算法单元。
4. 基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一：信号激励模块产生大功率脉冲信号，激励发射换能器； 步骤二：信号采集模块中的发射换能器发射用于检测混凝土结构的超声波检测信号， 接收换能器阵列接收回波信号，并传输至信号处理模块； 步骤三：信号处理模块对接收换能器阵列接收到的回波信号进行采样、量化及存储处 理； 步骤四：采用步进方式同步移动发射换能器和接收换能器阵列，重复步骤二、三，直至 完成整个被测混凝土结构检测区域的检测工作； 步骤五：信号处理模块对接收换能器阵列采集到的回波数据进行融合，并用递归奇异 熵方法进行处理，将结果传输给显示与判定模块； 步骤六：显示与判定模块建立各测量点递归奇异熵与缺陷的函数图，递归奇异熵最大 的地方代表无缺陷，和其他比较，熵差越大，说明剥离横向尺寸越大，依此判定孔道浆体是 否存在剥离现象以及剥离程度。
5. 根据权利要求4所示的基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测方法，其特征 在于，步骤五的具体处理方法如下： 设单个接收换能器接收到的回波信号经采样得到序列{4〇};V=1，其中N为全部采样点 数，将整个接收换能器阵列接收到的回波信号进行融合，每个接收换能器接收到的回波信 号作为行向量，由此构成的延迟矩阵如下式所示： (1) 其中Xi (n)表示第i个传感器在第n个采样点的值； {1,.}=*根据回波信号重构得到的状态向量，由接收换能器阵列接收到的回波信号被 融合后构成的延迟矩阵可以直接得到{七}二，即延迟矩阵的每一列； 计算递归矩阵，如下式： Rij= 9 ( e-l I x「X』| |)，i，j = 1，2,…，N (2) 其中e表示阈值参数，M? | |表示范数，0(?)表示Heaviside函数，其表达式如下：
(3) 根据奇异值分解的理论，对递归矩阵进行分解： Rij=USV(4) 其中矩阵S为对角阵，且主对角线元素为Ai，i=1，2,…，1; 奇异摘被定义为：
(5) 其中AE,.表示奇异熵在阶次i处的增量，可以通过下式计算得到：
(6)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测装置，包括信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块和显示与判定模块；信号采集模块包括发射换能器和接收换能器阵列；混凝土结构的外表面设有滑杆，滑杆与钢绞线设于同一水平面，且两者相互平行；发射换能器、接收换能器阵列分别与滑杆相对滑动连接。本发明还公开了一种基于递归奇异熵的预应力孔道浆体剥离度检测方法，由回波信号构造的递归矩阵具有结构的振动特性，结合奇异熵算法对递归矩阵进行计算处理，得到递归奇异熵，用其判定孔道中浆体剥离尺寸大小。本发明能有效地实现对桥梁、建筑物等混凝土结构的质量检测及维护工作，可靠性高，有利于实际的推广及应用。
【IPC分类】G01N29-04
【公开号】CN104698087
【申请号】CN201510143898
【发明人】陈媛, 韩庆邦, 成锦, 殷澄, 贾静, 姜学平, 朱昌平
【申请人】河海大学常州校区
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月30日