一种水下桥墩体内损伤检测方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，尤其是涉及一种水下桥墩体内损伤检测方法。

背景技术：

一般的建筑物处于地面环境，常用的无损检测技术便可以对建筑物进行探伤。但随着我国水利建设的不断发展，水下建筑物越来越多，尤其是水下桥墩，长期处于水中，不仅承受高速流水的冲刷，在各种载荷或地应力等作用下，除了会产生体外损伤以外，内部结构也会发生异常变化，存在许多安全隐患。由于水下桥墩所处环境特殊，光线弱、压强大等原因致使传统的检测技术难以检测。

以往采用人工探摸、目视观察的方法，只能发现明显的表面损伤。由于水下能见度低，潜水员通过手摸无法检测狭小和内部缺陷，而且潜水员的经验或判断能力都会对结果产生影响，更重要是人身存在安全风险；采用水下电视、水下摄像甚至水下机器人的方法，成本高，工作时间长，同样难以发现内部损伤，且在检测前一般需要清理被检物表面，当水体较为浑浊或水流过大时，检测结果也不理想；还有水下磁粉检测技术或电磁场检测技术等，对测试条件要求苛刻，具有局限性，比如磁粉检测需要清理被测物表面，直至表露金属光泽，但桥墩表面基本是混凝土结构，不符合检测条件。而现有的声呐检测方法，大多只能探测体表缺陷，却无法检测出内部情况，安全隐患依然存在。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种水下桥墩体内损伤检测方法及系统。该检测方法利用超声波技术，对水下桥墩进行全方位扫描，检测无盲区，三维成像结果准确清晰；检测系统搭建简单，环境适应性强，更具有探知桥墩内部损伤情况的独到之处。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

本发明是将环形超声换能器阵列装载在桥墩上，通过pc机控制环形阵列中换能器对水下桥墩某截面进行扫描，以获取收发点之间的时延数据，依据傅里叶中心切片定理，通过算法对扫描截面进行成像显示，以判断损伤情况，具体是：

通过信号发生器发射超声波信号，经过功率放大器，信号被放大后驱动发射换能器工作，同时信号发生器的同步信号接到数据采集卡的一个通道，pc机存储其整个波形；接收换能器获取信号后经前置放大器滤波放大处理，再接至数据采集卡的另一通道，pc机同样存储其整个波形，该波形携带了桥墩的特征信息。计算上述两波形之间的时间差，可得投影数据。

将获得的投影数据进行一维傅里叶变换，得到频域上的信号；依据傅里叶中心切片定理，反变换得到原始图像；对原始图像的灰度图像求解质心，从而确定缺陷位置；

完成某一截面的扫描成像后，以同样的方式可以扫描下一个截面，进而对水下桥墩体进行三维成像，内部结构清晰可见，从而判断桥墩体内结构损伤情况。

所述的投影数据采用以下方式获取：

发射信号为一个正弦填充脉冲信号，将其波谷作为计算投影数据的起点；接收信号受声波的散射影响较大，其第一个波谷才是起振信号的波谷。取噪声段信号的最大波谷值作为阈值，接收信号的第一个波谷点通过pc机检测并标记出来，投影数据则为两个波谷之间的时间差值。

本发明的有益效果在于：

1.该方法检测水下桥墩体，无盲区，结合设计的数据处理方法，形成三维成像结果，水下桥墩的内部结构情况一目了然，这是传统检测手段只能探测体表损伤所不及的；

2.采用环形阵列扫描方法，不仅携带方便、易于组装，而且通过循环式一发多收的全方位扫描，测试效率高、精度高；

3.成像过程耗时短，可以快速实时地显示桥墩体内结构，察觉是否存在缺陷；

4.检测系统不易受水质浑浊、能见度低、水流等条件限制，应用广泛，抗干扰性强；

5.测得数据可实时通过设计的算法进行成像输出，对损伤定位、定量分析；并且数据可以长期保存，有利于后期的复核查证；

6.采用超声波作为发射信号，成本低、对人体安全无害。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明中环形超声换能器阵列结构示意图；

图中：2-1、紧固处；2-2、水下桥墩；2-3、水下桥墩内部损伤；2-4、超声换能器；

图3是本发明中阵列“一发多收”循环式扫描示意图；

图中：1～ｎ表示超声换能器，当序号1换能器发射信号时，余下换能器接收信号，按逆时针旋转方式，换作序号2发射，余下换能器接收，以此类推；

图4是本发明中发射信号至接收信号的时延获取方法示意图；

图中：4-1、发射信号；4-2、发射信号的第一个波谷；4-3、接收信号；4-4、接收信号的第一个波谷；

图5是本发明中某一截面成像及内部缺陷质心示意图；

图中：5-1、缺陷；5-2、缺陷质心；5-3、水下桥墩体某一截面成像。

具体实施方式

以下结合本发明的具体实施方式和附图对本发明的检测方法和系统作进一步描述，从而本发明的有益效果将进一步明确。

如图1所示为系统示意图。系统涉及信号发生器、功率放大器、前置放大器、数据采集卡、pc机等多个硬件，搭建系统完毕后，控制外设信号发生器发出合适的激励信号，信号频率设定范围为50k~150k赫兹，这主要取决于水下建筑体对超声波信号的衰减特性。由于该系统需要向数据采集卡提供一个同步信号，所以要选择能够双通道同时发送信号的信号发生器，本系统采用美国泰克信号源afg3052c函数信号发生器；为了避免因激励电压幅值过小无法激励发射换能器发出信号，故将激励信号加在型号为800a3b的功率放大器上；信号被放大后驱动发射换能器工作，同时信号发生器的同步信号接到数据采集卡的一个通道，pc机存储其整个波形；激发出的超声波信号穿过被检建筑体，由接收换能器接收并再次进入前置放大器，选用型号为vp1c00的前置放大器，通过它来放大信号，提高信噪比，同时对不需要的杂波信号进行滤波，而且保证放大后的信号既提高了增益，又不失真，最后将获得的波形传输至数据采集卡的另一通道。如此以来，方便了后期对信号的分析与处理，由于存在发射和接收两路信号，故选用型号为pci-20612多通道同步并行高速数据采集卡，可以进行12bit高精度a/d转换，每通道最高采样率可达到20msps，完全符合实际采集要求。

如图2所示为系统中环形超声换能器阵列结构示意图，它主要由两个完全相同的半圆形阵列合并而成，每个半圆弧阵列中等角布置了45个超声换能器2-4，这样形成了由90个超声换能器组合而成的圆环形超声阵列，检测时，将阵列圈套在被检建筑体2-2上，并紧固连接处2-1，这样可以对建筑体任意截面进行损伤检测，从而判断出缺陷2-3，该阵列结构简单，组装方便，结合pc机却能发挥对建筑体任意截面成像显示，分析损伤情况的强大功能。

上述阵列可由pc机控制，完成自动扫描工作，如图3所示为圆环形阵列“一发多收”循环式扫描示意图，编号1~n为换能器序号，此处n为90，它的工作方式是对某一个截面以步长为4度的360度旋转扫描。具体过程为先控制编号1换能器发射信号，剩余89个换能器用作接收信号，按图示所示逆时针的方向，再换作编号2换能器发射信号，剩下89个换能器接收信号，依次循环，直至最后编号90换能器发射信号，剩下89个作接收。

完成一次扫描后，通过pc机计算收、发波形之间的时间差值，即投影数据。如图4所示为系统中捕获时延数据的方式示意图，由于接收的起振点信号幅值较低，不易捕捉，所以捕获接收与发射两者信号的波谷进而计算投影值。发射信号4-1为一个正弦填充脉冲信号，将其波谷4-2作为计算投影数据的起点；接收信号4-3受声波的散射影响较大，其第一个波谷4-4才是起振信号的波谷。其中主要利用较高的信噪比，取噪声段信号的最大波谷值作为阈值，接收信号的第一个波谷点可以通过pc机检测并标记出来，时延数据则为两个波谷之间差值，这样就获得了截面上所有携带桥墩特征信息的投影数据。

获得了投影数据，按照以下数据处理方式对扫描截面成像输出：第一步，将获得的数据进行一维傅里叶变换，得到频域上的信号；第二步，依据傅里叶中心切片定理，即物体密度函数的二维傅里叶变换等于携带物体信息的投影数据的一维傅里叶变换，反变换得到原始图像。理论上将第一步的结果进行傅里叶反变换即可得到原始图像，但是考虑到超声波的传播特性，通过散射体的声波路径是复杂的，故需对变换得到的图像进行研究处理；第三步，虽然变换得到的灰度图像中缺陷的大小与实际有偏差，但只是按比例的放大或缩小，其相对位置是不变的，对其灰度图像求解质心，那么缺陷位置便可确定；如图5所示，可以发现水下桥墩体某一截面成像5-3中的缺陷5-1及其位置5-2。完成某一截面的扫描成像后，以同样的方式可以扫描下一个截面，以此类推，所有截面成像可以构建出桥墩体三维立体图，内部结构清晰可见，从而判断桥墩体内结构损伤情况。

综上，本发明主要是将圆环形超声阵列装载在水下桥墩体后，搭建相应系统，通过pc机控制超声阵列的扫描工作，再依托算法对桥墩体内结构成像输出，直观明了地显示桥墩体内结构情况，达到无损检测的效果，规避了以往检测方法的诸多问题。