一种基于激光超声技术的混凝土表面绝对应力测量方法

技术领域

本发明涉及混凝土应力测量技术领域，具体涉及一种基于激光超声技术的混凝土表面绝对应力测量方法。

背景技术

混凝土是土木工程中采用的主要材料，具备材料易于获取、价格低廉、可塑性强、易于施工等优点。混凝土的性能会因构件服役时间、外部环境以及各类荷载的作用而产生改变，导致混凝土构件开裂、承载能力降低，甚至破坏，造成严重的人身财产损失。为了保证混凝土构件的工作性能，需要对混凝土的状态进行评估。现有的混凝土评估主要包括混凝土力学性能，缺陷和混凝土应力等，其中混凝土应力能够直观的反应混凝土构件的安全性。

绝对应力可表明结构目前所处的应力水平、应力的安全储备等指标，是判断桥梁安全状态的重要指标之一(绝对应力：也称为工作应力或持久应力，是指各种荷载、变形及约束作用在结构上产生的实际应力总和)，因此在应变检测中对绝对应力的检测非常重要。现有的混凝土应力检测技术可分为有损检测技术和无损检测技术。例如，公开号为CN104864989B的中国专利就公开了《一种既有混凝土结构绝对应力的测试方法》，包括：测量混凝土构件在无应力的状态下超声波的传播速度；利用埋置式球形超声波探头及超声波检测设备获取超声波在混凝土结构内沿应力σ1方向传播的速度；步骤根据公式计算得出混凝土结构内部在σ1方向上的绝对应力σ1的大小。

上述现有方案中混凝土构件(结构)绝对应力的测试方法也是一种混凝土绝对应力测量方法，其通过“声弹性效应”直接测量混凝土构件的内部绝对应力。申请人发现，绝对应力包括相互垂直的绝对主压应力和绝对主拉应力，上述现有方案中测量的是绝对主压应力。然而，现有测量方法测量绝对应力时需要在混凝土构件表面打孔取出样芯，并且其采用埋置式换能器激发和接收超声波，需要将传感器埋入混凝土构件上凿出的空洞内，也就是现有测量方法需要破坏混凝土构件的结构，不适用经常性检测，导致混凝土绝对应力的测量效果不好。因此，申请人想到设计一种能够实现无损测量的混凝土表面绝对应力测量方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够实现绝对应力无损测量的混凝土表面绝对应力测量方法，从而能够用于经常性测量并能够保证混凝土绝对应力的测量效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于激光超声技术的混凝土表面绝对应力测量方法，包括以下步骤：

S01：在混凝土构件表面的待测区域设置采集点，并在混凝土构件表面设置主压应力激励点，使得主压应力激励点能够与采集点相连形成沿主压应力方向的主压应力测线；

S02：向主压应力激励点发射激光束并激发超声波；

S03：在采集点采集主压应力激励点的超声波信号，并计算对应的超声波信号传播时间；

S04：根据主压应力测线长度以及对应的超声波信号传播时间计算主压应力测线上的超声波波速；然后根据如下公式计算主压应力测线上的绝对主压应力作为待测区域的绝对主压应力：

优选的，通过如下步骤计算待测区域的绝对主拉应力：

S11：在混凝土构件表面设置主拉应力激励点，使得主拉应力激励点能够与采集点相连形成沿主拉应力方向的主拉应力测线；

S12：向主拉应力激励点发射激光束并激发超声波；

S13：在采集点采集主拉应力激励点的超声波信号，并计算对应的超声波信号传播时间；

S14：根据主拉应力测线长度以及对应的超声波信号传播时间计算主拉应力测线上的超声波波速；然后根据以下公式计算主拉应力测线上的绝对主拉应力作为待测区域的绝对主拉应力：

优选的，通过如下步骤计算混凝土构件的无应力超声波波速：

S21：在混凝土构件表面设置无应力激励点，使得无应力激励点能够与采集点相连形成与主压应力方向和主拉应力方向的夹角均呈45°的无应力测线；

S22：向无应力激励点发射激光束并激发超声波；

S23：在采集点采集无应力激励点的超声波信号，并计算对应的超声波信号传播时间；

S24：根据无应力测线长度以及对应的超声波信号传播时间计算无应力测线上的超声波波速作为混凝土构件的无应力超声波波速。

优选的，根据主压应力测线上的绝对主压应力和主拉应力测线上的绝对主拉应力计算待测区域的应力分布。

优选的，将采集点设置于待测区域的中心位置；主压应力激励点、主拉应力激励点和无应力激励点均围绕采集点布置。

优选的，包括对称设置于采集点两侧的两个主压应力激励点，对称设置于采集点两侧的两个主拉应力激励点，以及设置于相邻的主压应力激励点和主拉应力激励点之间的四个无应力激励点。

优选的，主压应力激励点、主拉应力激励点和无应力激励点能够依次围合形成一个以采集点为圆心的圆形路径，且所述圆形路径能够包围待测区域。

优选的，主压应力测线、主拉应力测线和无应力测线上均不存在混凝土缺陷。

优选的，发射激光束并以融蚀机制激发超声波，且激发的超声波为瑞利波。

优选的，在采集点通过激光拾振器采集超声波信号。

本发明中的混凝土表面绝对应力测量方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明中，在混凝土构件表面设置采集点和激励点，并在混凝土构件表面激发超声波和采集超声波信号，使得测量绝对应力时不需要破坏混凝土构件的结构，即能够实现绝对应力的无损测量，使得本发明的测量方法能够用于经常性测量。

2、本发明中，设置了与主压应力方向平行的主压应力测线，并根据主压应力测线上的超声波波速以及“声弹性效应”计算主压应力测线上的绝对主压应力作为待测区域的绝对主压应力，使得能够提升待测区域的绝对主压应力测量准确性(因为当测线与绝对主压应力平行时超声波波速对应力敏感)，从而能够保证混凝土绝对应力的测量效果。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例一中混凝土表面绝对应力测量方法的逻辑框图；

图2为实施例一中混凝土表面绝对应力测量方法工作时的原理图；

图3为实施例二中超声波收发装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例一：

本实施例中公开了一种基于激光超声技术的混凝土表面绝对应力测量方法。

如图1和图2所示，基于激光超声技术的混凝土表面绝对应力测量方法，包括以下步骤：

S01：在混凝土构件表面的待测区域设置采集点，并在混凝土构件表面设置主压应力激励点，使得主压应力激励点能够与采集点相连形成沿主压应力方向的主压应力测线；

S02：向主压应力激励点发射激光束并激发超声波；

S03：在采集点采集主压应力激励点的超声波信号，并计算对应的超声波信号传播时间；

S04：根据主压应力测线长度以及对应的超声波信号传播时间计算主压应力测线上的超声波波速；然后根据如下公式计算主压应力测线上的绝对主压应力作为待测区域的绝对主压应力：

具体的，声弹性系数可以根据经验公式选取，当混凝土构件保留有测试用试块时，对试块进行标定以获取声弹性系数。混凝土构件的主压应力和主拉应力的方向是相互垂直的，且方向很容易判断。由于混凝土构件的抗拉强度低，当混凝土构件表面没有裂缝时，可以认为混凝土构件表面的绝对主拉应力较小，因此测量绝对主压应力时可以认为混凝土构件处于单向受力状态。本实施例中，通过脉冲激光器激发脉冲激光，其单脉冲激光能量达到mJ量级。通过融蚀机制在混凝土构件表面激发超声波，且激发的超声波为瑞利波，融蚀机制激发的超声波具有更高的能量、信噪比更高，有利于提升绝对应力的检测准确性。通过激光拾振器采集超声波信号，激光拾振器的空间分辨率很高，可以达到0.1mm，使得能够很好的采集固定采集点的超声波信号。

本发明中，在混凝土构件表面设置采集点和激励点，并在混凝土构件表面激发超声波和采集超声波信号，使得测量绝对应力时不需要破坏混凝土构件的结构，即能够实现绝对应力的无损测量，使得本发明的测量方法能够用于经常性测量。其次，本发明设置了与主压应力方向平行的主压应力测线，并根据主压应力测线上的超声波波速以及“声弹性效应”计算主压应力测线上的绝对主压应力作为待测区域的绝对主压应力，使得能够提升待测区域的绝对主压应力测量准确性(因为当测线与绝对主压应力平行时超声波波速对应力敏感)，从而能够保证混凝土绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，通过如下步骤计算待测区域的绝对主拉应力：

S11：在混凝土构件表面设置主拉应力激励点，使得主拉应力激励点能够与采集点相连形成沿主拉应力方向的主拉应力测线；

S12：向主拉应力激励点发射激光束并激发超声波；

S13：在采集点采集主拉应力激励点的超声波信号，并计算对应的超声波信号传播时间；

S14：根据主拉应力测线长度以及对应的超声波信号传播时间计算主拉应力测线上的超声波波速；然后根据以下公式计算主拉应力测线上的绝对主拉应力作为待测区域的绝对主拉应力：

实际测量过程中，当混凝土构件表面存在裂缝时，混凝土构件表面会存在较大的绝对主拉应力，也就是绝对主拉应力可以在一定程度上反应混凝土构件表面存在的裂缝情况，因此对于绝对主拉应力的测量非常重要。所以，本发明设置了与主拉应力方向平行的主拉应力测线，并根据主拉应力测线上的超声波波速以及“声弹性效应”计算主拉应力上的绝对主拉应力作为待测区域的绝对主拉应力，使得能够提升待测区域的绝对主拉应力测量准确性(因为当测线与绝对主拉应力平行时超声波波速对应力敏感)，从而能够进一步保证混凝土绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，通过如下步骤计算混凝土构件的无应力超声波波速：

S21：在混凝土构件表面设置无应力激励点，使得无应力激励点能够与采集点相连形成与主压应力方向和主拉应力方向的夹角均呈45°的无应力测线；

S22：向无应力激励点发射激光束并激发超声波；

S23：在采集点采集无应力激励点的超声波信号，并计算对应的超声波信号传播时间；

S24：根据无应力测线长度以及对应的超声波信号传播时间计算无应力测线上的超声波波速作为混凝土构件的无应力超声波波速。

具体的，根据声弹性理论，当测线与绝对主压应力或绝对主拉应力垂直或平行时，超声波波速对应力敏感，因此令测线与绝对主压应力和绝对主拉应力的方向呈45°，测得的超声波波速近似为无应力超声波波速。所以，本发明中通过上述步骤能够很好的计算得到混凝土构件的无应力超声波波速，从而能够辅助保证混凝土绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，根据主压应力测线上的绝对主压应力和主拉应力测线上的绝对主拉应力计算待测区域的应力分布。具体的，每个激励点(对应的测线)都可以测到一个绝对主拉应力或绝对主压应力，因此把所有激励点的应力综合起来，并以每个激励点作为一个像素点，就可以做出待测区域的平面应力分布图。这样，能够直观的获取待测区域的应力分布情况，从而有利于提升混凝土绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，结合图2所示，将采集点设置于待测区域的中心位置；主压应力激励点、主拉应力激励点和无应力激励点均围绕采集点布置。包括对称设置于采集点两侧的两个主压应力激励点，对称设置于采集点两侧的两个主拉应力激励点，以及设置于相邻的主压应力激励点和主拉应力激励点之间的四个无应力激励点。主压应力激励点、主拉应力激励点和无应力激励点能够依次围合形成一个以采集点为圆心的圆形路径，且所述圆形路径能够包围待测区域。

本实施例中，主压应力激励点、主拉应力激励点和无应力激励点的数量及其布置位置使得能够围合形成一个以采集点为圆心且能够包围待测区域的圆形路径，这样能够保证待测区域的绝对应力的测量效果。其次，主压应力激励点、主拉应力激励点和无应力激励点的数量及其布置位置更有利于计算待测区域的应力分布(图)，即能够更为直观的获取待测区域的应力分布情况，从而有利于提升混凝土绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，主压应力测线、主拉应力测线和无应力测线上均不存在混凝土缺陷。这样能够避免混凝土表面的缺陷对绝对应力的检测造成影响。

实施例二：

本实施例在实施例一的基础上，公开了一种超声波收发装置。

如图3所示，超声波收发装置，包括用于向混凝土构件表面的激励点发射激光束并激发出超声波的激光激励组件，信号采集端朝向混凝土构件表面的采集点并能够采集超声波信号且信号输出端与设置的测量终端数据传输连接的信号传输组件；以及用于带动激光激励组件移动或转动的第一动作平台，和用于带动信号传输组件移动或转动的第二动作平台；第一动作平台和第二动作平台均受控于测量终端；激光激励组件设置于第一动作平台的动作端上；信号传输组件设置于第二动作平台的动作端上，且第二动作平台设置于第一动作平台的动作端上位于激光激励组件旁侧的位置。具体的，测量终端包括上位机和PC终端。上位机具有Labview/Matlab软件，能够发出控制命令，具有将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境的功能，将A/D采集器采集的数据经处理存储到PC终端中。PC终端与第一驱动电机、第二驱动电机、A/D采集器连接，控制激光激励组件、信号传输组件工作，并对采集到的超声波信息进行分析，以计算获取混凝土表面的绝对应力。

本发明中，激光激励组件能够向混凝土构件表面的激励点发射激光束并通过激光束激发出超声波，即能够有效的在混凝土构件表面激发出超声波，同时能够通过第一动作平台调整激光激励组件的超声波激发位置，使其能够在混凝土构件表面的不同方位产生超声波。其次，信号传输组件能够采集混凝土构件表面的超声波信号并将其发送至测量终端，即能够有效的采集和发送混凝土构件表面的超声波信号，同时能够通过第二动作平台调整信号传输组件的采集位置，使其能够更好、更准确的采集超声波信号，从而能够辅助混凝土表面绝对应力的测量。进一步的，能够根据第一动作平台和第二动作平台移动、转动后的位置偏差确定激励点和采集点之间的距离，从而能够辅助计算超声波波速，并保证混凝土表面绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，结合图2所示，激光激励组件包括发射端朝向混凝土构件且能够发射激光束的脉冲激光器，设置于脉冲激光器和混凝土构件之间且入射端正对脉冲激光器发射端的全反射镜，以及设置于全反射镜和混凝土构件之间且入射端正对全反射镜的出射端、出射端朝向混凝土构件激励点的聚焦透镜；聚焦透镜能够在接收到激光束后通过融蚀机制激发出超声波。具体的，脉冲激光器为脉冲式，其单脉冲激光能量能够达到mJ量级。全反射镜位于脉冲激光器和聚焦透镜之间的适当位置，能够反射脉冲激光器产生的激光束，使之射入聚焦透镜。聚焦透镜的位置由透镜焦距和混凝土构件决定，要求将激光束聚焦到混凝土试件表面的激励点位置。

本发明中，激光激励组件通过脉冲激光器发射激光束，激光束通过全反射镜射入聚焦透镜，再通过聚焦透镜汇聚激光束并以融蚀机制激发出超声波，从而能够有效的在待测混凝土构件上激发出超声波。并且，通过融蚀机制激发的超声波具有更高的能量、信噪比更高，有利于提升混凝土表面绝对应力的测量准确性。

具体实施过程中，第一动作平台包括第一骨架，间隔布置于第一骨架上方且用于安装激光激励组件的第一安装板，以及设置于第一骨架和第一安装板之间且用于带动第一安装板在第一骨架上做水平面移动和立面转动的第一驱动电机；第一安装板作为第一动作平台的动作端；第一驱动电机受控于测量终端。具体的，第一动作平台还包括设置于第一骨架和第一驱动电机之间的第一刻度尺。第一刻度尺用于测量第一安装板的移动、转动距离；第一刻度尺的最小刻度1mm，有利于保证激光激励组件超声波激发位置的调整精度。第一安装板的小插孔充足且强度足够高，用于支承其他部件。第一骨架为铝合金或不锈钢材料，能支承第一安装板及其附属部件，能在第一驱动电机驱动下在一定范围内进行三轴移动。第一驱动电机为步进电机，其用于带动第一安装板做毫米精度的三轴移动，其受控于PC终端。

本发明中，能够通过控制第一驱动电机来调整第一安装板的位置，进而能够调整激光激励组件的超声波激发位置，使其能够在混凝土构件表面的不同方位产生超声波，从而能够有效的辅助完成混凝土表面绝对应力的测量。

具体实施过程中，第二动作平台包括设置于第一安装板上位于激光激励组件旁侧的第二骨架，间隔布置于第二骨架上方且用于安装信号传输组件的第二安装板，以及设置于第二骨架和第二安装板之间且用于带动第二安装板在第二骨架上做水平面移动和立面转动的第二驱动电机；第二安装板作为第二动作平台的动作端；第二驱动电机受控于测量终端。具体的，第二动作平台还包括设置于第二骨架和第二驱动电机之间的第二刻度尺。第二刻度尺用于测量第二安装板的移动距离；第二刻度尺的最小刻度1mm，有利于保证信号传输组件采集位置的调整精度。第二安装板的小插孔充足且强度足够高，用于支承其他部件。第二骨架为铝合金或不锈钢材料，能支承第二安装板及其附属部件，能在第二驱动电机驱动下在一定范围内进行三轴移动。第二驱动电机为步进电机，其用于带动第二安装板做毫米精度的三轴移动，其受控于PC终端。

本发明中，能够通过控制第二驱动电机来调整第二安装板的位置，进而能够调整信号传输组件的采集位置，使其能够更好、更准确的采集超声波信号，从而能够辅助混凝土表面绝对应力的测量。同时，能够根据第一动作平台和第二动作平台移动、转动后的位置偏差确定激励点和采集点之间的距离，从而能够辅助计算超声波波速，并保证混凝土表面绝对应力的测量效果。

具体实施过程中，信号传输组件包括信号采集端朝向待测混凝土构件且能够采集超声波信号的激光拾振器，以及信号输入端与激光拾振器数据传输连接且信号输出端与测量终端数据传输连接的A/D采集器。具体的，激光拾振器为激光干式拾振器，其采集对应采集点的超声波信号并将其转换为电信号，且其空间分辨率很高，可以达到0.1mm。A/D采集器用于获取激光拾振器的电信号并将其发送给检测终端；A/D采集器与Labview/Matlab上位机数据传输连接，且采集动作受控于Labview/Matlab上位机。

本发明中，信号传输组件通过激光拾振器采集超声波信号并将其转换为电信号，通过A/D采集器获取激光干式拾振器的电信号并将其发送给测量终端，从而能够有效的实现混凝土构件表面的超声波信号采集和发送。

具体实施过程中，超声波收发装置还包括设置于第二动作平台的动作端上且信号输入端与激光拾振器信号输入连接的示波器；示波器受控于测量终端。具体的，示波器要求带宽不小于50MHz，与激光拾振器和触发器连接，将激光拾振器的电信号转换为可视化波形。触发器与示波器连接，用于触发示波器动作。本发明中，能够通过示波器直观的显示超声波信号的波形变化情况，有利于辅助完成测量。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。