一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置的制作方法

本发明涉及土木、建筑、道桥、水利工程质量安全检测技术领域，特别是涉及一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置。

背景技术：

无损检测技术是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学，其定义就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，利用物质中因有缺陷或组织结构上的差异存在而会使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不使被检查物使用性能和形态受到损伤为前提，通过一定的检测手段来测试、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件等被测物的性质、状态或内部结构等所采用的检查方法。

在各类土木工程中，无损检测技术的应用是十分广泛的。无论是公路、铁路的路基填筑、路面铺装，还是桥梁、隧道以及其它重要结构物的施工和维护，处处可以看到无损检测技术的身影。表1列出了常见的无损检测技术。

其中，采用冲击弹性波、超声波是重要的无损检测方法之一。然而，现有的冲击弹性波、超声波检测均采用的接触式测量，需要在被测物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现振动信号的相关测量。如果测量质量较小物体的振动，附加的加速度传感器的质量往往会影响被测物体的振动，从而产生测量误差。同时，由于传感器系统本身的共振特性，以及接触状态的不良，都有可能导致测试信号的误差。另一方面，由于传感器的固定，需要在静止条件下实施，因此无法应用在连续测试中，进而严重地影响测试效率。

而采用非接触式测试，不仅可以避免传感器与被测表面接触状态的影响，而且可以采用连续移动式的检测，从而大幅提高测试效率。现有技术中，基于激光测振的非接触式测试由于需要带入速度，受移动速度影响大，因此只能做匀速检测并且实现成本高。

表1各种检测方法的领域和特征

进一步优化基于冲击回波声频检测的装置的结构设计，以进一步提高所得结果的精度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对上述提出的进一步优化基于冲击回波声频检测的装置的结构设计，以进一步提高所得结果的精度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题的问题，本发明提供了一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置，本拾音装置的结构设计可有效提高信号采集质量，从而达到提高检测精度的目的。

本方案的技术手段如下，一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置，包括用于拾取振动信号的拾音器，还包括用于安装拾音器的安装架，所述安装架包括架体、作为架体底脚的多根支腿、设置于架体上的安装座，所述拾音器安装于安装座上，拾音器的振动信号拾取端朝下；

还包括呈桶状的橡胶套，所述拾音器由橡胶套的开口端嵌入橡胶套中，且拾音器的振动信号拾取端与橡胶套的桶底呈正对关系，所述振动信号拾取端与所述桶底两者之间还具有作为两者之间间隙的空气腔；

各支腿的底部均固定有橡胶垫，且各橡胶垫与橡胶套的相对位置满足以下关系：橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触。

本方案中，设置的安装架用于约束拾音器，即拾音器在使用之前，须完成在安装座上的连接，而后，拾音器与安装座形成拾音装置整体。

以上限定为：各橡胶垫与橡胶套的相对位置满足以下关系：橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触，作为本领域技术人员和现有技术中如用于混凝土灌浆密实度检测过程中的拾音步骤，可设置为橡胶套的端面、各橡胶垫的端面各自在自由状态下时均位于同一面上；亦可设置为利用橡胶套、各橡胶垫受压下能够产生弹性变形的特点，如自由状态下橡胶垫的端面、橡胶套的端面均朝下，且橡胶套的端面位于橡胶垫端面的上侧，这样，橡胶垫先于橡胶套与被测物表面接触，橡胶垫通过产生相较于橡胶套更大的压缩变形的形式使得橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触。作为本领域技术人员，橡胶垫通过产生相较于橡胶套更小的压缩变形的形式使得橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触；橡胶垫相互之间通过部分橡胶垫产生相较于其他橡胶垫更大或更小的压缩变形的形式使得橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触均可轻易实现。

本方案中，通过设置为包括用于约束拾音器的安装座，且作为安装座底脚的支腿底部均设置有橡胶垫、拾音器上套设有橡胶套，这样，本拾音装置在使用时，可有效减小或避免被测体振动对拾音器造成影响；设置为橡胶套套设拾音器，可有效隔绝拾音器外部空气振动对拾音器拾取信号产生干扰，即避免外部空间杂音对拾取信号产生干扰；本方案中，由于拾音器的信号拾取端与橡胶套的底面之间具有空气腔，故本方案为一种通过非接触的方式获得振动信号，即其所获得的振动信号并非被测体本身的振动，而为所述空气腔内的空气振动，故本方案中，只要橡胶套的外侧底面与被测体接触，即可完成可用且可靠的信号拾取，而针对拾取被测体固体本身的振动，本方案的可靠拾音对装置与被测体的配合情况依赖性弱：在针对轻质被测体时，可通过轻压本装置的方式甚至可通过操作者承载本装置部分重量，在满足橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触的情况下完成拾音，即本方案的结构设计使得其在针对重量较小的被测体时，可使得本装置本身尽可能不影响或改变被测体的振动，达到获得更能够直观反映被测体实际情况信号的目的；本方案中，通过安装架和橡胶套共同限定拾音装置在拾音过程中相对于被测体的位置或状态，可有效保证所拾取信号的可靠性；本方案中，通过一个拾音器即可完成拾音，后续信号处理时采用冲击回波法即可得到所需结果，这样，可有效避免多个拾音器拾取信号时的相互干扰。

作为本领域技术人员，以上提供了一种橡胶套与拾音器配合方便的橡胶套实现方案，其目的仅为在橡胶套与拾音器之间获得空气腔，以通过拾音器拾取空气腔的空气振动，同时通过橡胶套达到有效隔绝外部空气振动干扰，避免外部空间杂音对拾取信号的影响、防止被测体振动影响拾音器的目的，在具体实施时，亦可设置为橡胶套为两个，以通过两个橡胶套分别由拾音器的不同端封装拾音器，以最大限定避免空气振动干扰。

更进一步的技术方案为：

作为安装架的具体实现形式，所述安装座呈柱状，且安装座上设置有贯穿其上、下端的通孔，所述拾音器嵌入所述通孔中，且拾音器与所述通孔间隙配合；

还包括紧固件，所述紧固件用于实现拾音器在通孔轴线上的位置固定。作为本领域技术人员，以上上、下端实际上是相对的，由于拾音器一般为呈柱状的传感器，本领域技术人员应该理解为所述下端即为支腿自由端所在的一端。即在具体运用时，所述下端实际上可能用于与被测体的侧面相配合、与被测体的底面相配合。

作为一种方便调节橡胶套封闭端相对于橡胶垫相对位置的实现方案，设置为：所述紧固件为螺纹连接于安装座上的紧固螺栓，所述紧固螺栓通过向橡胶套或拾音器的侧面提供压力，实现拾音器在通孔轴线上的位置固定。

所述拾音器的外形以及橡胶套上的孔道均呈圆柱状，且橡胶套的孔道直径小于拾音器的外径。采用本方案，利用橡胶套与拾音器侧面的摩擦力，使得橡胶套与拾音器具有相对稳定的相对位置关系。

作为一种利于所拾取信号质量的实现方案，设置为：所述空气腔的高度数值范围为：2mm-8mm。

优选的，所述空气腔的高度数值范围为：3mm-4mm。

优选的，所述空气腔的高度数值为：4mm。

作为一种强度高且质量轻的安装架实现方案，所述安装架的材质为铝合金。

作为一种可有效隔离外界空气振动和被测体振动、使用寿命长的实现方案，所述橡胶套、橡胶垫的材质均为硅橡胶。

所述橡胶套的封闭端外侧还具有倒角。作为本领域技术人员，以上倒角可为倒圆角亦可为倒斜角，采用本方案，可使得橡胶套的底部外形能有效适应粗糙被测面，更好隔绝外部空间杂音影响。

优选的，为尽可能减小本装置拾音过程中对被测体振动的干扰，设置为：拾音器位于多个支腿所围成的空间以内。

本发明具有以下有益效果：

本方案中，通过设置为包括用于约束拾音器的安装座，且作为安装座底脚的支腿底部均设置有橡胶垫、拾音器上套设有橡胶套，这样，本拾音装置在使用时，可有效减小或避免被测体振动对拾音器造成影响；设置为橡胶套套设拾音器，可有效隔绝拾音器外部空气振动对拾音器拾取信号产生干扰，即避免外部空间杂音对拾取信号产生干扰；本方案中，由于拾音器的信号拾取端与橡胶套的底面之间具有空气腔，故本方案为一种通过非接触的方式获得振动信号，即其所获得的振动信号并非被测体本身的振动，而为所述空气腔内的空气振动，故本方案中，只要橡胶套的外侧底面与被测体接触，即可完成可用且可靠的信号拾取，而针对拾取被测体固体本身的振动，本方案的可靠拾音对装置与被测体的配合情况依赖性弱：在针对轻质被测体时，可通过轻压本装置的方式甚至可通过操作者承载本装置部分重量，在满足橡胶套、各橡胶垫均能同时与被测物表面接触的情况下完成拾音，即本方案的结构设计使得其在针对重量较小的被测体时，可使得本装置本身尽可能不影响或改变被测体的振动，达到获得更能够直观反映被测体实际情况信号的目的；本方案中，通过安装架和橡胶套共同限定拾音装置在拾音过程中相对于被测体的位置或状态，可有效保证所拾取信号的可靠性；本方案中，通过一个拾音器即可完成拾音，后续信号处理时采用冲击回波法即可得到所需结果，这样，可有效避免多个拾音器拾取信号时的相互干扰。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置一个具体实施例的立体结构示意图；

图2是本发明所述的一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置一个具体实施例中，反映拾音器与橡胶垫配合关系的示意图，该示意图中，拾音器的端面即为拾音器的信号拾取端；

图3、图4为实施例3中，采用本方案提供的拾音装置对20cm厚混凝土灌浆模型孔道(缺陷)与密实段的测试数据图，其中前5个数据为密实段，后5个数据为孔道(缺陷)段；

图5、图6为实施例3中，直接采用拾音器对20cm厚混凝土灌浆模型孔道(缺陷)与密实段的测试数据图，其中前5个数据为密实段，后5个数据为孔道(缺陷)段；

图7、图8为实施例4中，采用本方案提供的装置对20-40cm厚的渐变混凝土灌浆模型测试的测试数据图。

图9、图10为实施例4中，直接采用拾音器对20-40cm厚的渐变混凝土灌浆模型测试的测试数据图。

图中的附图标记分别为：1、架体；2、安装座；3、拾音器；4、紧固螺栓；5、支腿；6、橡胶垫；7、橡胶套；8、空气腔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

实施例1：

如图1和图2所示，一种基于冲击回波声频检测的单传感器拾音装置，包括用于拾取振动信号的拾音器3，还包括用于安装拾音器3的安装架，所述安装架包括架体1、作为架体1底脚的多根支腿5、设置于架体1上的安装座2，所述拾音器3安装于安装座2上，拾音器3的振动信号拾取端朝下；

还包括呈桶状的橡胶套7，所述拾音器3由橡胶套7的开口端嵌入橡胶套7中，且拾音器3的振动信号拾取端与橡胶套7的桶底呈正对关系，所述振动信号拾取端与所述桶底两者之间还具有作为两者之间间隙的空气腔8；

各支腿5的底部均固定有橡胶垫6，且各橡胶垫6与橡胶套7的相对位置满足以下关系：橡胶套7、各橡胶垫6均能同时与被测物表面接触。

本方案中，设置的安装架用于约束拾音器3，即拾音器3在使用之前，须完成在安装座2上的连接，而后，拾音器3与安装座2形成拾音装置整体。

以上限定为：各橡胶垫6与橡胶套7的相对位置满足以下关系：橡胶套7、各橡胶垫6均能同时与被测物表面接触，作为本领域技术人员和现有技术中如用于混凝土灌浆密实度检测过程中的拾音步骤，可设置为橡胶套7的端面、各橡胶垫6的端面各自在自由状态下时均位于同一面上；亦可设置为利用橡胶套7、各橡胶垫6受压下能够产生弹性变形的特点，如自由状态下橡胶垫6的端面、橡胶套7的端面均朝下，且橡胶套7的端面位于橡胶垫6端面的上侧，这样，橡胶垫6先于橡胶套7与被测物表面接触，橡胶垫6通过产生相较于橡胶套7更大的压缩变形的形式使得橡胶套7、各橡胶垫6均能同时与被测物表面接触。作为本领域技术人员，橡胶垫6通过产生相较于橡胶套7更小的压缩变形的形式使得橡胶套7、各橡胶垫6均能同时与被测物表面接触；橡胶垫6相互之间通过部分橡胶垫6产生相较于其他橡胶垫6更大或更小的压缩变形的形式使得橡胶套7、各橡胶垫6均能同时与被测物表面接触均可轻易实现。

本方案中，通过设置为包括用于约束拾音器3的安装座2，且作为安装座2底脚的支腿5底部均设置有橡胶垫6、拾音器3上套设有橡胶套7，这样，本拾音装置在使用时，可有效减小或避免被测体振动对拾音器3造成影响；设置为橡胶套7套设拾音器3，可有效隔绝拾音器3外部空气振动对拾音器3拾取信号产生干扰，即避免外部空间杂音对拾取信号产生干扰；本方案中，由于拾音器3的信号拾取端与橡胶套7的底面之间具有空气腔8，故本方案为一种通过非接触的方式获得振动信号，即其所获得的振动信号并非被测体本身的振动，而为所述空气腔8内的空气振动，故本方案中，只要橡胶套7的外侧底面与被测体接触，即可完成可用且可靠的信号拾取，而针对拾取被测体固体本身的振动，本方案的可靠拾音对装置与被测体的配合情况依赖性弱：在针对轻质被测体时，可通过轻压本装置的方式甚至可通过操作者承载本装置部分重量，在满足橡胶套7、各橡胶垫6均能同时与被测物表面接触的情况下完成拾音，即本方案的结构设计使得其在针对重量较小的被测体时，可使得本装置本身尽可能不影响或改变被测体的振动，达到获得更能够直观反映被测体实际情况信号的目的；本方案中，通过安装架和橡胶套7共同限定拾音装置在拾音过程中相对于被测体的位置或状态，可有效保证所拾取信号的可靠性；本方案中，通过一个拾音器3即可完成拾音，后续信号处理时采用冲击回波法即可得到所需结果，这样，可有效避免多个拾音器3拾取信号时的相互干扰。

作为本领域技术人员，以上提供了一种橡胶套7与拾音器3配合方便的橡胶套7实现方案，其目的仅为在橡胶套7与拾音器3之间获得空气腔8，以通过拾音器3拾取空气腔8的空气振动，同时通过橡胶套7达到有效隔绝外部空气振动干扰，避免外部空间杂音对拾取信号的影响、防止被测体振动影响拾音器3的目的，在具体实施时，亦可设置为橡胶套7为两个，以通过两个橡胶套7分别由拾音器3的不同端封装拾音器3，以最大限定避免空气振动干扰。

实施例2：

如图1和图2所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：作为安装架的具体实现形式，所述安装座2呈柱状，且安装座2上设置有贯穿其上、下端的通孔，所述拾音器3嵌入所述通孔中，且拾音器3与所述通孔间隙配合；

还包括紧固件，所述紧固件用于实现拾音器3在通孔轴线上的位置固定。作为本领域技术人员，以上上、下端实际上是相对的，由于拾音器3一般为呈柱状的传感器，本领域技术人员应该理解为所述下端即为支腿5自由端所在的一端。即在具体运用时，所述下端实际上可能用于与被测体的侧面相配合、与被测体的底面相配合。

作为一种方便调节橡胶套7封闭端相对于橡胶垫6相对位置的实现方案，设置为：所述紧固件为螺纹连接于安装座2上的紧固螺栓4，所述紧固螺栓4通过向橡胶套7或拾音器3的侧面提供压力，实现拾音器3在通孔轴线上的位置固定。

所述拾音器3的外形以及橡胶套7上的孔道均呈圆柱状，且橡胶套7的孔道直径小于拾音器3的外径。采用本方案，利用橡胶套7与拾音器3侧面的摩擦力，使得橡胶套7与拾音器3具有相对稳定的相对位置关系。

作为一种利于所拾取信号质量的实现方案，设置为：所述空气腔8的高度数值范围为：2mm-8mm。

优选的，所述空气腔8的高度数值范围为：3mm-4mm。

优选的，所述空气腔8的高度数值为：4mm。

作为一种强度高且质量轻的安装架实现方案，所述安装架的材质为铝合金。

作为一种可有效隔离外界空气振动和被测体振动、使用寿命长的实现方案，所述橡胶套7、橡胶垫6的材质均为硅橡胶。

所述橡胶套7的封闭端外侧还具有倒角。作为本领域技术人员，以上倒角可为倒圆角亦可为倒斜角，采用本方案，可使得橡胶套7的底部外形能有效适应粗糙被测面，更好隔绝外部空间杂音影响。

优选的，为尽可能减小本装置拾音过程中对被测体振动的干扰，设置为：拾音器3位于多个支腿5所围成的空间以内。

实施例3：

本实施例为对比实施例，基于实施例1提供的拾音装置，用于完成已知情况的被测体情况判断：

步骤如下：

1.将橡胶管套在拾音器上，保持拾音器端部与橡胶管端部4mm距离；连接好安装架后，将拾音器固定在安装座上。

2.连接相应测试仪器与线缆；

3.用手将装置按压于被测物表面，保持橡胶套及橡胶垫下沿与被测体接触即可，无需施加太大的外力；

4.利用激振锤在橡胶管旁边敲击，产生振动，收取信号，对20cm厚的混凝土灌浆模型孔道(缺陷)与密实段进行测试。现场均采用d17锤。

5.图3、图4为采用本方案提供的拾音装置对20cm厚混凝土灌浆模型孔道(缺陷)与密实段的测试数据图，其中前5个数据为密实段，后5个数据为孔道(缺陷)段。经过mem频谱分析后，能够很明显看出混凝土模型孔道(缺陷)与密实的区别。

图5、图6为直接采用拾音器对20cm厚混凝土灌浆模型孔道(缺陷)与密实段的测试数据图(拾音器直接拾取空气振动)，其中前5个数据为密实段，后5个数据为孔道(缺陷)段。经过mem频谱分析后，无法明显看出混凝土模型孔道(缺陷)与密实的区别。

实施例4：

本实施例为对比实施例，基于实施例1提供的拾音装置，用于完成已知情况的被测体情况判断：

步骤如下：

1.将橡胶管套在拾音器上，保持拾音器端部与橡胶管端部4mm距离；连接好安装架后，将拾音器固定在安装座上。

2.连接相应测试仪器与线缆；

3.用手将装置按压于被测物表面，保持橡胶套及橡胶垫下沿与被测体接触即可，无需施加太大的外力；

4.利用激振锤在橡胶管旁边敲击被测体，产生振动，收取信号，对20-40cm厚的渐变混凝土灌浆模型进行测试。现场均采用d17锤。

5.图7、图8为采用本发明的拾音装置对20-40cm厚的渐变混凝土灌浆模型测试的测试数据图，经过mem频谱分析后，能够很明显看出20-40cm厚度差异的渐变趋势。

图9、图10为直接采用拾音器对20-40cm厚的渐变混凝土灌浆模型测试的测试数据图(拾音器直接拾取空气振动)，经过mem频谱分析后，无法明显看出20-40cm厚度差异的渐变趋势。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在对应发明的保护范围内。