一种预应力梁灌浆密实度检测系统及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种预应力梁灌浆密实度检测系统，其包括有一移动机构及一扫描机构，所述移动机构用于驱使扫描机构和预应力梁混凝土相对移动，以令扫描机构对预应力梁混凝土进行扫描成像，所述扫描机构包括有：一太赫兹发射器，用于出射预设频率的平行太赫兹波；一第一聚焦透镜，用于将太赫兹发射器出射的平行太赫兹波聚焦于待测的预应力梁混凝土上，并且经过该预应力梁混凝土表面散射后形成发散太赫兹波；一第二聚焦透镜，用于将所述发散太赫兹波转换为平行太赫兹波；一太赫兹探测器，设于所述第二聚焦透镜的输出侧，用于根据第二聚焦透镜出射的平行太赫兹波而生成太赫兹图像。本发明抗电磁干扰效果好、操作简单、检测速度快、可靠性高。
【专利说明】
一种预应力梁灌浆密实度检测系统及检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及预应力梁灌浆密实度检测技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹扫描成 像技术的预应力梁灌浆密实度检测系统及检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国公路建设的高速发展，各种体系的预应力混凝土结构获得了突飞猛进的 发展。在后张预应力混凝土桥梁结构中，为防止预应力钢筋锈蚀，并使预应力钢筋与梁体混 凝土结为整体，一般在钢束张拉完毕之后，需要向预应力管道内压注水泥浆，使水泥浆充分 包裹预应力钢筋。然而，由于孔道压浆材料质量、压浆工艺、施工管理及试验检测技术等原 因，预应力管道容易出现压浆不密实、空洞缺陷。
[0003] 目前，国内很多高校及研究所都在对预应力梁灌浆密实度检测进行相关研究，但 大都停留在研究阶段，检测方法及手段还无法大规模推广应用。现在国内外预应力梁灌浆 密实度主要检测方法有钻芯取样法、超声波法、探地雷达法、冲击弹性波法、射线辐射法、红 外热成像等方法。上述方法都有各自的缺点和不足，例如钻心取样法操作复杂、准确度低、 成本高，超声波法作业性差、效率低、难以实用，探地雷达法容易受电磁干扰等。预应力管道 灌浆质量好坏直接影响着预应力混凝土梁的耐久性和安全性，因此，加强研究开发关于预 应力梁灌浆密实度的检测技术具有极其重要而深远的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种抗电磁干扰效果 好、操作简单、检测速度快、可靠性高，并且基于太赫兹扫描成像技术的预应力梁灌浆密实 度检测系统及检测方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
[0006] -种预应力梁灌浆密实度检测系统，其包括有一移动机构及一扫描机构，所述移 动机构用于驱使扫描机构相对预应力梁混凝土移动，以令扫描机构对预应力梁混凝土进行 扫描成像，所述扫描机构包括:一太赫兹发射器，用于出射预设频率的平行太赫兹波;一第 一聚焦透镜，设于所述太赫兹发射器的输出侧，所述第一聚焦透镜用于将太赫兹发射器出 射的平行太赫兹波聚焦于待测的预应力梁混凝土上，并且经过该预应力梁混凝土表面散射 后形成发散太赫兹波;一第二聚焦透镜，设于所述发散太赫兹波的散射路径，所述第二聚焦 透镜用于将所述发散太赫兹波转换为平行太赫兹波;一太赫兹探测器，设于所述第二聚焦 透镜的输出侧，用于根据第二聚焦透镜出射的平行太赫兹波而生成太赫兹图像。
[0007] 优选地，所述太赫兹发射器包括有依次电性连接的参考晶振、锁相电路、双工器和 毫米波复合谐波振荡器，所述参考晶振用于为锁相电路提供时钟频率信号，所述锁相电路 用于产生激发信号，该激发信号通过双工器而传输至毫米波复合谐波振荡器，藉由所述毫 米波复合谐波振荡器而输出预设频率的平行太赫兹波。
[0008] 优选地，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均由聚乙烯材料制成。
[0009] 优选地，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的孔径均为5cm，焦距均为10cm，藉由 所述第一聚焦透镜而将太赫兹发射器出射的平行太赫兹波聚焦形成直径为5mm的焦斑。
[0010] 优选地，所述太赫兹探测器为直接检波式太赫兹辐射计。
[0011] -种预应力梁灌浆密实度检测方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有包 括有一移动机构及一扫描机构，所述扫描机构包括有一太赫兹发射器、一第一聚焦透镜、一 第二聚焦透镜及一太赫兹探测器，所述方法包括：由所述移动机构驱使扫描机构相对预应 力梁混凝土移动，以令扫描机构对预应力梁混凝土进行扫描成像，该扫描成像过程如下步 骤:步骤S1，所述太赫兹发射器出射预设频率的平行太赫兹波;步骤S2，所述第一聚焦透镜 将太赫兹发射器出射的平行太赫兹波聚焦于待测的预应力梁混凝土上，并且经过该预应力 梁混凝土表面散射后形成发散太赫兹波;步骤S3，所述第二聚焦透镜将所述发散太赫兹波 转换为平行太赫兹波;步骤S4,所述太赫兹探测器根据第二聚焦透镜出射的平行太赫兹波 生成太赫兹图像。
[0012] 优选地，所述步骤S1中，所述太赫兹发射器是输出频率为0.95THZ的单频太赫兹 源，且该太赫兹发射器用于出射频率为0.95THZ的平行太赫兹波。
[0013] 优选地，所述移动机构用于驱使扫描机构沿预应力梁混凝土表面的X方向或Y方向 平移。
[0014] 优选地，沿预应力梁混凝土表面的Y方向预设有多行线扫描轨迹，每行线扫描轨迹 沿预应力梁混凝土表面的X方向延伸，藉由移动机构而驱使扫描机构对所述线扫描轨迹进 行逐行扫描，以令扫描机构生成太赫兹图像。
[0015] 优选地，所述扫描机构单次扫描后所生成的太赫兹图像大小为lmX 0.3m，单次扫 描所需时间小于30s，图像拼接误差小于5mm。
[0016] 优选地，所述太赫兹图像中，每个像点都对应一定的数值，根据每个像点的数值， 通过计算能够推断出预应力梁灌浆密实度的大小，进而实现对预应力梁灌浆密实度的定量 分析。
[0017] 本发明公开的预应力梁灌浆密实度检测系统及检测方法，其相比现有技术而言的 有益效果在于，首先，本发明方法采用了太赫兹扫描成像技术，使得本发明具有抗电磁干 扰、操作简单、检测速度快、可靠性高等优点；其次，本发明方法不仅能定性判断预应力梁的 灌浆密实度，而且能通过对太赫兹图像每个像点的计算，定量判断预应力梁灌浆密实度的 大小;此外，本发明方法采用的是非接触的无损检测方式，能够对所检测的物体起到很好的 保护作用;再次，本发明方法所采用的太赫兹扫描成像装置体积小，成本低，便于携带，易于 推广，具有很广阔的应用前景。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明预应力梁灌浆密实度检测系统的组成框图。
[0019]图2为太赫兹发射器的电路框图。
[0020]图3为本发明预应力梁灌浆密实度检测方法的流程图。
[0021]图4为待测预应力梁混凝土的实物图。
[0022]图5是对图4中预应力梁混凝土进行扫描成像后的太赫兹图像。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
[0024] 本发明公开了一种预应力梁灌浆密实度检测系统，如图1所示，其包括有一移动机 构5及一扫描机构，所述移动机构5用于驱使扫描机构相对预应力梁混凝土 6移动，以令扫描 机构对预应力梁混凝土 6进行扫描成像，所述扫描机构包括：
[0025] -太赫兹发射器1，用于出射预设频率的平行太赫兹波；
[0026] -第一聚焦透镜3,设于所述太赫兹发射器1的输出侧，所述第一聚焦透镜3用于将 太赫兹发射器1出射的平行太赫兹波聚焦于待测的预应力梁混凝土 6上，并且经过该预应力 梁混凝土 6表面散射后形成发散太赫兹波；
[0027] -第二聚焦透镜4,设于所述发散太赫兹波的散射路径，所述第二聚焦透镜4用于 将所述发散太赫兹波转换为平行太赫兹波；
[0028] -太赫兹探测器2,设于所述第二聚焦透镜4的输出侧，用于根据第二聚焦透镜4出 射的平行太赫兹波而生成太赫兹图像。
[0029]上述检测系统采用了太赫兹扫描成像技术，其中，太赫兹辐射(TerahertzJHz)是 指频率在O.lTHz~10THz(波长在3mm~30μπι)范围内的电磁波。太赫兹辐射与其它波段的电 磁波辐射相比存在很多特性：宽带性、瞬态性、指纹谱性、相干性、低能性、穿透性、惧水性 等，因而具有十分重要的学术与应用价值，被国际科技界公认为有待开拓并将对世界产生 巨大影响的新频谱。太赫兹波对大多数非极性物质透明，兼具频谱特性和成像特性等特点， 利用太赫兹波对大部分干燥、非金属、非极性材料(如泡沫、陶瓷、玻璃等)较好的穿透能力， 并结合太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术，就可以对材料中的缺陷进行无损检测。
[0030] 关于太赫兹发射器1的具体组成，请参照图2,所述太赫兹发射器1包括有依次电性 连接的参考晶振100、锁相电路101、双工器103和毫米波复合谐波振荡器104,所述参考晶振 100用于为锁相电路101提供时钟频率信号，所述锁相电路101用于产生激发信号，该激发信 号通过双工器103而传输至毫米波复合谐波振荡器104,藉由所述毫米波复合谐波振荡器 104而输出预设频率的平行太赫兹波。进一步地，所述锁相电路101包括有用于对微波进行 锁相的微波锁相源和用于对毫米波进行锁相的毫米波锁相电路。其中，双工器103的作用是 将锁相电路与毫米波复合谐波振荡器实现信号连通，进而确保信号不会产生相互干扰。
[0031] 关于透镜的具体组成，如图1所示，所述第一聚焦透镜3和第二聚焦透镜4均由聚乙 烯材料制成。进一步地，所述第一聚焦透镜3和第二聚焦透镜4的孔径均为5cm，焦距均为 l〇cm，藉由所述第一聚焦透镜3而将太赫兹发射器1出射的平行太赫兹波聚焦形成直径为 5mm的焦斑。此处应当说明的是，本实施例关于聚焦透镜孔径、焦距是根据频率为0.95THZ的 太赫兹波进行的设置，并不用于限制本发明，因此在本发明的其他实施例中，还可以根据不 同频率的太赫兹波进行适当的改变，亦可以根据不同的分辨率要求重新进行优化设计。
[0032] 关于太赫兹探测器2的具体组成，所述太赫兹探测器2为直接检波式太赫兹辐射 计。其中，太赫兹信号通过太赫兹探测器2的输入端接收后，再经过两个GaAs MMIC放大后由 零偏置的肖特基二极管探测器直接探测，其可以通过接收到的能量表征场景中各点的亮度 温度。
[0033] 基于上述系统，本发明还公开一种预应力梁灌浆密实度检测方法，结合图1和图3 所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有包括有一移动机构5及一扫描机构，所述扫 描机构包括有一太赫兹发射器1、一第一聚焦透镜3、一第二聚焦透镜4及一太赫兹探测器2， 所述方法包括：由所述移动机构5驱使扫描机构相对预应力梁混凝土6移动，以令扫描机构 对预应力梁混凝土 6进行扫描成像，该扫描成像过程如下步骤：
[0034] 步骤S1，所述太赫兹发射器1出射预设频率的平行太赫兹波；
[0035] 步骤S2,所述第一聚焦透镜3将太赫兹发射器1出射的平行太赫兹波聚焦于待测的 预应力梁混凝土6上，并且经过该预应力梁混凝土6表面散射后形成发散太赫兹波；
[0036] 步骤S3,所述第二聚焦透镜4将所述发散太赫兹波转换为平行太赫兹波；
[0037] 步骤S4,所述太赫兹探测器2根据第二聚焦透镜4出射的平行太赫兹波生成太赫兹 图像。
[0038]作为一种优选方式，所述步骤S1中，所述太赫兹发射器1是输出频率为0.95THZ的 单频太赫兹源，并且该太赫兹发射器1用于出射频率为0.95THZ的平行太赫兹波。但是在本 发明的其他实施例中，所述太赫兹发射器1也可以采用脉冲太赫兹源，例如光电导天线。
[0039] 本实施例优选频率是0.95THZ的平行太赫兹波，在太赫兹波的辐射下，不同介质对 太赫兹波的吸收程度不同，同一介质的不同厚度对太赫兹的吸收程度也不同，根据这个特 点，本实施例利用扫描机构对预应力梁进行扫描成像，反映出预应力梁混凝土的空间密度 和折射率分布，获得隐藏在预应力梁混凝土中的空洞、裂缝等缺陷的太赫兹图像，进而实现 对预应力梁灌浆密实度的无损检测。
[0040] 扫描过程中，所述移动机构5用于驱使扫描机构沿预应力梁混凝土 6表面的X方向 或Y方向平移。进一步地，沿预应力梁混凝土 6表面的Y方向预设有多行线扫描轨迹，每行线 扫描轨迹沿预应力梁混凝土 6表面的X方向延伸，藉由移动机构5而驱使扫描机构对所述线 扫描轨迹进行逐行扫描，以令扫描机构生成太赫兹图像。
[0041] 关于扫描机构与预应力梁混凝土 6的平移过程，本实施例优选由移动机构5驱使扫 描机构平移，但是在本发明的其他实施例中，既可以驱使预应力梁混凝土 6平移，也可以同 时驱使扫描机构和预应力梁混凝土 6相对平移。
[0042] 关于太赫兹图像的参数，所述扫描机构单次扫描后所生成的太赫兹图像大小为lm X 0.3m，单次扫描所需时间小于30s，可见扫描速度较快，同时，图像拼接误差小于5mm，使得 图像的连续性较好。在所述太赫兹图像中，每个像素点都对应一定的数值，该数值为灰度 值，根据每个像素点的数值可知，图像中信号的不均匀变化反映了预应力梁灌浆的密实度 和缺陷位置，进而实现对预应力梁灌浆密实度的分析。
[0043]为了更好地阐述本发明的技术效果，本实施例给出了对预应力梁混凝土6的检测 结果，请结合图4和图5所示，其中预应力梁混凝土 6按图像比例大致分为四个区域，分别为 上、下、左、右，如下表：
[0045] 其中，B位置8处的混凝土最薄，且中间有一个孔，A位置7、C位置9、D位置10处的厚 度基本一致。将太赫兹扫描成像装置对预应力梁混凝土 6进行扫描成像，就可以获得如图4 中所示的预应力梁混凝土6的太赫兹图像，图4中，该太赫兹图像同样分为四个区域，从图像 上可以看出，凹凸不平的程度和位置都与预应力梁混凝土的实物图（图3)相吻合，图像上的 E位置11对应着实物图的A位置7,图像上的F位置12对应着实物图的B位置8,图像上的G位置 13对应着实物图的C位置9，图像的Η位置14对应着实物图的D位置10。由此可知，如果在预应 力梁混凝土中存在着空洞、裂缝等缺陷，采用本发明的方法能够通过所获得的太赫兹图像 看到预应力梁混凝土内部的缺陷情况，实现预应力梁灌浆密实度的无损检测。根据预应力 梁混凝土太赫兹图像每个像点对应的数值，通过计算能够推断出预应力梁灌浆密实度的大 小，进而实现对预应力梁灌浆密实度的定量分析。
[0046] 本发明公开的预应力梁灌浆密实度检测系统及检测方法，其相比现有技术而言的 有益效果在于，首先，本发明方法采用了太赫兹扫描成像技术，使得本发明具有抗电磁干 扰、操作简单、检测速度快、可靠性高等优点；其次，本发明方法不仅能定性判断预应力梁的 灌浆密实度，而且能通过对太赫兹图像每个像点的计算，定量判断预应力梁灌浆密实度的 大小;此外，本发明方法采用的是非接触的无损检测方式，能够对所检测的物体起到很好的 保护作用;再次，本发明方法所采用的太赫兹扫描成像装置体积小，成本低，便于携带，易于 推广，具有很广阔的应用前景。
[0047] 以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范 围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
【主权项】
1. 一种预应力梁灌浆密实度检测系统，其特征在于，包括有一移动机构(5)及一扫描机 构，所述移动机构（5)用于驱使扫描机构相对预应力梁混凝土 (6)移动，以令扫描机构对预 应力梁混凝土 (6)进行扫描成像，所述扫描机构包括： 一太赫兹发射器(1 )，用于出射预设频率的平行太赫兹波； 一第一聚焦透镜(3)，设于所述太赫兹发射器（1)的输出侧，所述第一聚焦透镜(3)用于 将太赫兹发射器（1)出射的平行太赫兹波聚焦于待测的预应力梁混凝土 (6)上，并且经过该 预应力梁混凝土 (6)表面散射后形成发散太赫兹波； 一第二聚焦透镜(4)，设于所述发散太赫兹波的散射路径，所述第二聚焦透镜(4)用于 将所述发散太赫兹波转换为平行太赫兹波； 一太赫兹探测器(2)，设于所述第二聚焦透镜(4)的输出侧，用于根据第二聚焦透镜(4) 出射的平行太赫兹波而生成太赫兹图像。2. 如权利要求1所述的预应力梁灌浆密实度检测系统，其特征在于，所述太赫兹发射器 (1) 包括有依次电性连接的参考晶振（100)、锁相电路（101)、双工器（103)和毫米波复合谐 波振荡器(104)，所述参考晶振(100)用于为锁相电路(101)提供时钟频率信号，所述锁相电 路（101)用于产生激发信号，该激发信号通过双工器（103)而传输至毫米波复合谐波振荡器 (104)，藉由所述毫米波复合谐波振荡器(104)而输出预设频率的平行太赫兹波。3. 如权利要求1所述的预应力梁灌浆密实度检测系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜 (3)和第二聚焦透镜(4)均由聚乙烯材料制成。4. 如权利要求3所述的预应力梁灌浆密实度检测系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜 (3)和第二聚焦透镜(4)的孔径均为5cm，焦距均为10cm，藉由所述第一聚焦透镜(3)而将太 赫兹发射器(1)出射的平行太赫兹波聚焦形成直径为5_的焦斑。5. 如权利要求1所述的预应力梁灌浆密实度检测系统，其特征在于，所述太赫兹探测器 (2) 为直接检波式太赫兹辐射计。6. -种预应力梁灌浆密实度检测方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统 包括有包括有一移动机构（5)及一扫描机构，所述扫描机构包括有一太赫兹发射器（1)、一 第一聚焦透镜(3)、一第二聚焦透镜(4)及一太赫兹探测器(2)，所述方法包括：由所述移动 机构(5)驱使扫描机构相对预应力梁混凝土 (6)移动，以令扫描机构对预应力梁混凝土 (6) 进行扫描成像，该扫描成像过程如下步骤： 步骤S1，所述太赫兹发射器(1)出射预设频率的平行太赫兹波； 步骤S2,所述第一聚焦透镜(3)将太赫兹发射器（1)出射的平行太赫兹波聚焦于待测的 预应力梁混凝土 (6)上，并且经过该预应力梁混凝土 (6)表面散射后形成发散太赫兹波； 步骤S3,所述第二聚焦透镜(4)将所述发散太赫兹波转换为平行太赫兹波； 步骤S4,所述太赫兹探测器(2)根据第二聚焦透镜(4)出射的平行太赫兹波生成太赫兹 图像。7. 如权利要求6所述的预应力梁灌浆密实度检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所 述太赫兹发射器（1)是输出频率为0.95THZ的单频太赫兹源，且该太赫兹发射器（1)用于出 射频率为0.95THz的平行太赫兹波。8. 如权利要求6所述的预应力梁灌浆密实度检测方法，其特征在于，所述移动机构（5) 用于驱使扫描机构沿预应力梁混凝土 (6)表面的X方向或Y方向平移。9. 如权利要求8所述的预应力梁灌浆密实度检测方法，其特征在于，沿预应力梁混凝土 (6)表面的Y方向预设有多行线扫描轨迹，每行线扫描轨迹沿预应力梁混凝土 (6)表面的X方 向延伸，藉由移动机构(5)而驱使扫描机构对所述线扫描轨迹进行逐行扫描，以令扫描机构 生成太赫兹图像。10. 如权利要求6所述的预应力梁灌浆密实度检测方法，其特征在于，所述扫描机构单 次扫描后所生成的太赫兹图像大小为lmX 0.3m。11. 如权利要求6所述的预应力梁灌浆密实度检测方法，其特征在于，所述太赫兹图像 中，每个像点都对应一定的数值，根据每个像点的数值，通过计算能够推断出预应力梁灌浆 密实度的大小，进而实现对预应力梁灌浆密实度的定量分析。
【文档编号】G01N21/01GK106092953SQ201610692174
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月19日 公开号201610692174.8, CN 106092953 A, CN 106092953A, CN 201610692174, CN-A-106092953, CN106092953 A, CN106092953A, CN201610692174, CN201610692174.8
【发明人】高翔, 刘伟伟, 陈平, 张永明, 邹宝刚, 赵晓萍, 温广宇, 孙静, 李勇攀, 包权利, 牛军, 徐鸿喆, 王峥
【申请人】天津市交通运输工程质量安全监督总站, 南开大学, 天津津质工程技术咨询有限公司