400-878-6060

公司新闻

超声波速度层析成像技术在混凝土内部缺陷检测中的应用

2025.02.15

  
[摘要]本文简单阐述了速度反演的基本原理,并对速度层析成像的过程进行了简要介绍,然后对CT分析软件的开发过程进行了说明,最后列举了对内含各种模拟缺陷的混凝土构件上多个剖面的测试数据进行反演后得到的结果图,说明CT技术在缺陷检测中的可行性。
关键词:层析成像  射线追踪  速度反演  剖面  扇形扫测  CT分析软件

1 概述
近年来,在结构混凝土质量检测中引入的超声波层析成像技术,采用图像的方式反映混凝土的内部质量,结果直观明晰,较传统方法有明显的改进。层析成像(Computerized Tomography,简称CT),是在不损伤研究“对象”内部结构的条件下,利用某种场源,根据从“对象”外部用检测设备所获得的投影数据,依照一定的物理和数学关系,利用计算机反演“对象”内部未知的某种物理量的分布,重现“对象”内部特征。

根据超声波理论,层析成像可分为射线层析成像和波动方程层析成像(或称散射层析成像)。波动方程层析成像方法能充分利用超声波走时、振幅、相位和频率等全波形记录,大大增加了所研究介质的信息量,能提高分辨率和减少由于投射角不全所造成的假象。但在实际应用中,波动方程层析成像仍然存在一些困难和问题,如散射数据的提取、对波形产生严重影响的各种干扰因素的消除(声源信号、介质吸收、换能器耦合)等。而射线层析成像是对波场进行高频近似,超声波按射线传播,虽然仅用了超声波初至旅行时,但方法原理简单,干扰因素较小,只要能充分利用可观测空间和介质的先验信息,采用误差较小的反演算法,就可以获得满意的效果。目前射线层析成像在超声波层析成像实际应用中占有主要地位。混凝土无损检测中应用较多的是基于射线理论的超声波速度反演。





假定是二维速度模型,如图1所示,                     

为慢度,则第条射线的初至走时,即投影值,可由式(1)计算
           (1)
式中Ri是第i条射线的轨迹,N为射线条数。

3 超声波速度层析成像步骤
超声波速度反演成像是通过超声波的初至走时T的反演,重建成像区域慢度s的分布,从而根据速度差异确定缺陷的位置、分布及性质等。超声波速度层析成像由以下四步构成
(1)数据采集:采集发射换能器至接收换能器的超声波初至走时tm。声时就是速度层析成像反演的基础数据,其质量的高低直接影响反演的成败,因此这一步是很重要的。必要时,还须对接收波形采取去噪、滤波等预处理方法,以获得精确的初至声时,减少采集误差。
(2)正演模拟:建立速度或慢度模型,并对该模型进行正演计算,本程序采用直射线追踪方法来计算射线路径和正演理论声时。
(3)建立初至声时方程:根据前二步的结果建立声时反演的线性方程式Rds=dt。其中,ds是介质慢度的修正量;dt为实测的声时与计算的声时之差;R为射线路径矩阵,其元素表示单元内的射线路径长度。
(4)反演求解:求解第三步建立的声时反演方程,再逐次迭代反演计算,修正慢度模型,获得反演结果。其中的线性方程常常是大型的、稀疏的和不适定的方程组,可以采用ART、SIRT或共轭梯度等迭代算法来求解。
各步之间的流程关系如图2所示。

     从流程图可以看到,超声波速度反演成像是一个非线性问题,介质波速扰动对射线追踪会产生影响,所以射线路径矩阵要不断修正,这种修正可称为外部迭代,以区别于求解线性方程组的内部迭代。每次反演迭代均按照多个标准进行外部收敛性判断。
4 CT分析软件的开发
为了在实际检测中运用CT检测,除了有数据采集的仪器(北京智博联公司生产的ZBL-U5系列非金属超声检测仪)外,还必须要有配套的分析软件对采集到的海量数据进行波速反演,并根据反演结果绘制直观的波速分布图及缺陷示意图。
MATLAB是一套用于科学工程计算的可视化高性能语言与软件环境,它集数值分析、矩阵运算、信号处理、图形处理与显示于一体。为了缩短开发周期,我们使用MATLAB编制所有运算相关的程序,通过对多个不同尺寸的混凝土模型试件(每个模型中包含孔洞、蜂窝、离析等不同类型的缺陷)上采集到的数据进行反演,不断地修改算法,提高反演精度,最终将MATLAB程序打包成动太链接库(DLL)。
在编制MATLAB程序的同时,为了使CT分析软件界面友好、操作方便,符合检测人员的要求,我们经过调研,制定了详细的CT分析软件方案,使用微软公司强大开发工具Visual Studio .NET 2003成功开发出除了反演计算之外的用户交互程序(包括数据文件的存、取,数据的编辑,打印设置与打印输出,计算与图形显示参数的设置,反演结果图的显示及交互等),然后将此部分程序与MATLAB生成的DLL进行对接,将检测数据传递给DLL,由DLL经过复杂运算并将结果传递回来,由交互程序完成图形的显示等后续功能,最终形成一套完整的CT分析软件,软件主界面如图3所示。
本软件主要有以下功能:
1)对工程中所有检测剖面的工程信息、构件信息及其各测点的超声数据等进行管理;
2)除了生成反演原始波速图之外,还可生成缺陷判别结果图、周边滤波结果图及全体滤波结果图,并可将其保存为位图格式,以便插入检测报告或用其他图形处理软件处理;
3)可以将多个剖面数据文件合并成一个文件;可以方便地复制、粘贴(包括添加、插入、覆盖)、删除剖面、扇面或测点的数据;
4)可根据用户需要灵活设置各种显示参数,改变CT结果图的尺寸、比例、标注字体等;
5)打印设置非常灵活,用户可以定制打印输出的结果;
6)可以随时调用帮助系统,指导操作。

5 模型试验
5.1 试验试件
在交通部西部科技项目-《公路旧桥检测评定与加固技术研究及推广应用》的研究过程中,其《智能混凝土超声波检测装置》子课题组(由交通部公路科学研究所、中国建筑科学研究院、北京智博联科技有限公司的人员组成)制作了多个T梁模型。为模拟疏松、孔洞、蜂窝、麻面等缺陷,考虑各种结构断面尺寸容易发生的缺陷类型,以及减少超声波检测时构件边界条件的影响,通过预先制作缺陷体、将缺陷体固定于试件模板之中、浇筑混凝土成型的方法制作试件。
1.内部缺陷模拟制作
设计了密实、疏松、孔洞(陶粒混凝土、泡沫塑料、空心容器)。各类缺陷外型尺寸见表1所示。
表1 各类缺陷外型尺寸
序号 内填材料 形   状 尺   寸(cm)
1 陶粒混凝土 立方体 10×10×10
2 陶粒混凝土 立方体 15×15×15
3 陶粒混凝土 长方体 10×10×50
4 陶粒混凝土 长方体 15×15×60
5 泡沫塑料 长方体 15×25×45
6 塑料瓶 圆柱体 Φ7×35
7 塑料瓶 圆柱体 Φ10×35
 
 
2. 试件制作
结合公路预制T梁及缺陷放置的需要,确定制作成长1600mm×高1600mm×厚300mm的“T”字型试件,并在该试件的腹板内设不同性质的缺陷(见表1),试件示意图见图4。


5.2 试验方法
在我们做试验之前,试件的腹板的两相对测试面上已经画好100×100mm的网格线,如图5a所示,我们选择了六个横向剖面、六个竖向剖面(见表2)分别进行测试,测点间距为50mm。使用ZBL-U520非金属超声检测仪和一对频率为50kHz的平面换能器进行数据采集,耦合剂为黄油。测试每个剖面时,将发射换能器固定在某一测点,然后接收换能器在相对测试面上移动进行扇形扫测,如图5b所示,完成一个扇面测试后,将发射换能器移至下一测点,测试下一个扇面,如此反复直到测试完所有剖面。
图5  CT测试示意图
表2 测试记录表
剖面名称 剖面位置 测点间距 测点位置 总测点数
H2 距顶20cm 50mm 距左边缘10cm~75cm 14×14
H2-1 距顶20cm 50mm 距左边缘80cm~120cm 9×9
H12-1 距顶120cm 50mm 距左边缘10cm~75cm 14×14
H12-2 距顶120cm 50mm 距左边缘80cm~120cm 9×9
H5 距顶50cm 50mm 距左边缘30cm~110cm 17×3
H8 距顶80cm 50mm 距左边缘70cm~120cm 11×11
V2 距左边缘20cm 50mm 距顶10cm~80cm 15×15
V2-1 距左边缘20cm 50mm 距顶70cm~155cm 18×18
V45 距左边缘45cm 50mm 距顶10cm~75cm 14×14
V45-1 距左边缘45cm 50mm 距顶70cm~155cm 18×18
V10-1 距左边缘100cm 50mm 距顶5cm~60cm 12×12
V10-2 距左边缘100cm 50mm 距顶60cm~150cm 19×19
 
 
5.3 试验结果
将每个剖面的测试数据导入CT分析软件,设置各测点的坐标位置,设置合理的计算参数后即可对各剖面进行反演计算。由于剖面数较多,不便一一列举,其中四个剖面的反演结果分别如图6~图9所示。每个剖面的结果图均包括原始波速图和缺陷判定结果图,原始波速图是根据反演计算得到的所有网格结点的波速值绘制的,而缺陷判定结果图则是依据数理统计的方法进行缺陷的判断后绘制的。
图6为H2剖面的反演结果,由图可直观看出存在两个大小不同的低速区,其中心坐标分别为(0.2m,0.14m)、(0.46m,0.15m),由图5可知该剖面确实包含两个不同大小的用陶粒混凝土模拟的缺陷,且位置也基本准确。
 图7为H8剖面的反演结果,由图可见在(1.05m,0.13m)处存在一低速区,由图5可知该剖面1m左右的位置确实放置了15cm×15cm×15cm的陶粒混凝土试块。
图8为H12-1剖面的反演结果,原始波速图反映出两个大小不同的低速区,有一个低速区范围较小且不明显,缺陷判定结果图仅反映一个缺陷。由设计可知,该剖面中包含一个10cm×10cm×10cm的陶粒混凝土试块和一块15cm×25cm×45cm的泡沫塑料,与反演结果基本吻合。
图9为竖向剖面V45的反演结果,该剖面应该通过两个截面尺寸为15cm×15cm的陶粒混凝土,其中心位置分别在距顶端20cm、50cm处,由图9可直观看出存在两个大小基本相同的低速区,其位置分别在距顶端14cm、50cm处,与实际情况相符,但位置有所偏差,可能是模型制作时缺陷“跑”离了设计位置。
6 结论
超声法检测混凝土内部不密实区和透射法检测基桩完整性的传统检测方法,主要是利用数理统计的方法对缺陷进行判定,得到各“点”的结果,且无法知道缺陷的大小及确切位置,而将层析成像技术引入结构混凝土超声检测中后,能以图像的方式直观地反映层析面上混凝土内部质量,弥补“点”上检测的局限,较传统方法有明显的优势,是一种有独特效果的无损检测手段。但由于CT测试的工作量较大,不可能大量应用,建议在用传统的检测方法普查,然后在可疑的重点部位进行CT测试,得到更为准确的结果,从而及早发现并排除工程隐患。
 
本文所涉及内容,其技术及方法应用于北京智博联科技股份有限公司生产U5系列非金属超声仪。可用于声波透射法基桩完整性检测、结构混凝土抗压强度、裂缝深度及缺陷检测、连续墙完整性检测、地质勘查、岩体完整性、风化评价测试、岩体、混凝土等非金属材料力学性能检测。