面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统及方法

技术领域

本发明涉及工程结构损伤检测技术领域，特别涉及一种面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统及方法。

背景技术

钢-混凝土组合结构以其优异的力学性能，被广泛应用于大跨桥梁、高层建筑的主要承重构件。随着荷载需求的增加，组合结构构件的横截面尺寸及内部构造日趋复杂，易产生内部空洞。此外，在混凝土收缩形变和温度荷载作用下，钢板和混凝土之间的界面极易产生界面脱空缺陷。

钢-混凝土组合结构、FRP/钢板加固混凝土结构的界面粘结和内部空洞损伤测试，是土木工程损伤检测领域的重大挑战和研究热点，主要原因是该类损伤一般为隐蔽性缺陷，采用传统检测技术检测精度和测试效率低，接触式传感器安装和拆卸过程的人工消耗大，难以满足日益发展的实际工程需求。

已有的组合结构损伤测试方法一般均基于混凝土结构和钢结构的损伤测试而研发的，比如冲击-回波法，冲击-声振法，冲击-响应法，超声波对测法、超声波CT等。上述方法的信号分析其实都假设待测构件的材料组成是一种材料，在理论分析的时候均将其假设为均质材料。

与混凝土结构和钢结构不同，钢和混凝土组成组合结构、FRP(碳纤维)布/板与混凝土组成复合结构，组合结构和复合结构均是由两种不同材料组成的。此外，相比与混凝土而言，钢板和FRP布/板的厚度十分小。由于不同材料的弹性模量、密度和泊松比均差异显著，其振动特性和应力波的传播速度相差较大，因此在界面处会产生振动变形不协调、应力波由于阻抗不匹配导致的界面反射。因此，基于单一材料假设研发的现有的测试方法，难以满足工程结构中界面损伤的精准测试。

目前比较折中的解决方案是：基于传统冲击-回波法，冲击-声振法，冲击-响应法，超声波对测法设备采集相关的数据，然后对比信号衰减特性、幅值和频率差异，对有无界面损伤进行定性的判别。不同学者和检测机构一般都是仅开展一种方法的测试、单一指标成像，直接导致了不同检测人员得到的结果不一致。上述单一测试方法，也只能用于较大面积界面缺陷的检测，对尺寸较小的缺陷检测效果差，且无损检测中对损伤的评估严重依赖检测人员的工程经验，容易出现误判的情形。

综上所述，目前组合结构界面缺陷和内部空洞的检测技术存在精度低、测点有限、方法单一、接触式传感器安装和拆卸困难、高空/临空检测困难等诸多技术瓶颈，难以实现对界面损伤和内部损伤的同步测试，亟待发展新型高效的综合测试方法和检测系统，提升对内部空洞和界面剥离缺陷的高效精准测试。

发明内容

本发明针对传统的冲击-声振、冲击-回波、冲击-响应、冲击-透射测试方法，不适用于厚钢板构件、小尺寸损伤测不准的局限性，接触式传感器安装导致的测试效率低和高空/临空等危险测试区域不能测的瓶颈问题，手持式敲击力锤对敲击的角度、力度和连击/双击现象难以控制的问题，界面损伤和内部缺陷不能同步检测的局限性，提供一种面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统及方法，采用爬行机器人提升检测的自动化水平，实现高空和检测人员难以到达区域的组合结构界面损伤及内部缺陷检测，高效融合冲击-声振、冲击-回波、冲击-响应、冲击-透射测试方法，提升组合结构损伤检测的精度和效率。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一方面，提供了一种面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统，所述系统包括两个磁吸附式爬行机器人和连接两个所述爬行机器人的撑杆，所述撑杆环绕待检测的组合结构设置，以使得两个所述爬行机器人分别吸附在待检测的组合结构的相对的两侧；

所述爬行机器人上设置自动力锤、低频麦克风、高频麦克风、超声传感器和高频加速度传感器；其中，所述自动力锤用于敲击组合结构的表面以产生重复性激励信号，所述低频麦克风和所述高频麦克风用于进行冲击-声振测试，所述超声传感器用于进行冲击-回波测试，所述高频加速度传感器用于进行冲击-响应测试，上述的冲击-声振测试、冲击-回波测试、冲击-响应测试用于对组合结构的界面损伤进行识别；

所述超声传感器和所述高频加速度传感器还用于进行冲击-透射测试，对组合结构的内部缺陷进行识别。

优选地，所述系统还包括数据采集与分析设备，所述数据采集与分析设备包括多通道采集模块和数据处理模块；所述多通道采集模块用于采集所述低频麦克风、所述高频麦克风、所述超声传感器和所述高频加速度传感器的测试信号；所述数据处理模块用于分析各个传感器测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时，以多参数同时作为损伤评估的指标，避免单一传感器、单一测试方法、单一参数或指标造成的误判，提升测试精度。

优选地，所述爬行机器人的底部安装有四个磁吸附驱动轮，利用磁力提供所述爬行机器人与钢板之间的吸附力，并实现所述爬行机器人在组合结构表面爬行；

所述爬行机器人内部安装有控制器，所述自动力锤安装在所述爬行机器人的侧部，并且与所述控制器相连；所述控制器对所述自动力锤的敲击力度、敲击角度、敲击速度进行控制。

优选地，所述爬行机器人上设置有支撑机构和提升机构，所述低频麦克风、所述高频麦克风、所述超声传感器和所述高频加速度传感器设置在所述支撑机构上，所述提升机构连接所述支撑机构，用于带动所述支撑机构升高或下降，从而调节所述低频麦克风、所述高频麦克风、所述超声传感器和所述高频加速度传感器与钢板的距离。

优选地，所述支撑机构包括两根平行设置的导杆，两根所述导杆的中间连接有两个固定夹具，两个所述固定夹具分别用于固定所述低频麦克风和所述高频麦克风；其中一根所述导杆的外侧连接两个竖向的立杆，所述立杆的底部设置有夹具控制器，所述夹具控制器上设置有伸缩式夹具，所述夹具控制器用于控制所述伸缩式夹具握紧或松弛，从而安装或拆卸所述超声传感器或所述高频加速度传感器。

优选地，所述提升机构包括设置在所述爬行机器人前侧的两个提升导板和设置在所述爬行机器人内部的升降齿轮，所述提升导板与所述升降齿轮相啮合，两个所述导杆分别与两个所述提升导板固定，所述升降齿轮由所述爬行机器人内部的控制器控制转动，从而带动所述提升导板升降，进而带动所述导杆升降；所述提升导板的底部设置限位滚轮。

优选地，所述超声传感器及所述高频加速度传感器通过圆柱形高强磁铁薄片与钢板表面吸附，通过伸缩式夹具进行所述超声传感器及所述高频加速度传感器的安装与拆除；或者，取消圆柱形高强磁铁薄片，借助伸缩式夹具和提升导板实现所述超声传感器及所述高频加速度传感器的接触式安装定位。

优选地，所述爬行机器人的顶部设有天线和信号接收器，用于接收远程控制信号。

优选地，所述爬行机器人的底部设有毛刷，用于清除钢板表面的异物。

一方面，提供了一种基于所述的面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统的检测方法，包括以下步骤：

安装连接有撑杆的两个爬行机器人，使两个所述爬行机器人相对设置在待检测的组合结构的两侧；

调试所述爬行机器人上的自动力锤、低频麦克风、高频麦克风、超声传感器和高频加速度传感器；

第一侧自动力锤开始敲击，同步采集第一侧低频麦克风、高频麦克风、超声传感器和高频加速度传感器的测试信号，以及第二侧超声传感器和高频加速度传感器的测试信号；

其中，第一侧低频麦克风和高频麦克风的测试信号用于冲击-声振测试，第一侧超声传感器的测试信号用于冲击-回波测试，第一侧高频加速度传感器的测试信号用于冲击-响应测试；上述的冲击-声振测试、冲击-回波测试冲击-响应测试用于对组合结构的界面损伤进行识别；

第二侧超声传感器和高频加速度传感器的测试信号用于冲击-透射测试，对组合结构的内部缺陷进行识别；

基于采集的各个传感器测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时，以多参数同时作为损伤评估的指标分别成像，判断是否存在界面损伤或内部缺陷；

记录并分析测试结果；

第二侧自动力锤开始敲击，重复上述的检测过程，完成当前测点检测；

爬行机器人移动至下一测点，进行下一轮检测。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明采用高精度的自动力锤、高频加速度传感器、超声传感器、低频麦克风、高频麦克风和两个磁吸附轮式爬行机器人构建一体化同步检测系统，开展高精度的冲击-声振、冲击-回波、冲击-响应、冲击-透射测试，实现对界面损伤和内部缺陷的同步检测，可显著提升界面损伤和内部缺陷的识别精度，提高测试效率，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统的透视图；

图3是本发明实施例提供的面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统的剖面图；

图4是本发明实施例提供的矩形钢-混凝土界面损伤测试机理示意图；

图5是本发明实施例提供的矩形钢-混凝土内部缺陷测试机理示意图；

图6是本发明实施例提供的圆形钢-混凝土界面损伤测试机理示意图；

图7是本发明实施例提供的圆形钢-混凝土内部缺陷测试机理示意图；

图8是本发明实施例提供的爬行机器人的立体结构示意图；

图9是本发明实施例提供的爬行机器人的侧视图；

图10是本发明实施例提供的爬行机器人的俯视图；

图11是本发明实施例提供的伸缩式夹具的示意图；

图12是本发明实施例提供的低频麦克风的示意图；

图13是本发明实施例提供的高频麦克风的示意图；

图14是本发明实施例提供的超声传感器的示意图；

图15是本发明实施例提供的高频加速度传感器的示意图；

图16a-图16f是本发明实施例提供的测试结果中幅值-对测、频率-对测、幅值-同侧、频率-同侧、幅值-麦克风、频率-麦克风的成像示意图；

图17是本发明实施例提供的测试方法的流程图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统，图1-图3分别是所述检测系统的立体结构示意图、透视图和剖面图。如图1-图3所示，所述系统包括：两个磁吸附式爬行机器人1和连接两个爬行机器人1的撑杆2，撑杆2环绕待检测的组合结构设置，以使得两个爬行机器人1分别吸附在待检测的组合结构的相对的两侧。

连接两个爬行机器人1的撑杆2的几何形状可依据待检测组合结构的外部轮廓进行调整，以适应不同截面的组合结构。例如，图4和图5是矩形钢-混凝土界面损伤和内部缺陷的测试机理示意图，图6和图7是圆形钢-混凝土界面损伤和内部缺陷的测试机理示意图。可以看出，对于矩形钢-混凝土组合结构，撑杆2设置为矩形半环绕结构，使两个爬行机器人1分别吸附在矩形钢-混凝土组合结构相对的两侧；对于圆形钢-混凝土组合结构，撑杆2设置为弧形半环绕结构，使两个爬行机器人1分别吸附在圆形钢-混凝土组合结构沿直径相对的两侧。

爬行机器人1上设置自动力锤101、低频麦克风102、高频麦克风103、超声传感器104和高频加速度传感器105；其中，自动力锤101用于敲击组合结构的表面以产生重复性激励信号，低频麦克风102和高频麦克风103用于进行冲击-声振测试，超声传感器104用于进行冲击-回波测试，高频加速度传感器105用于进行冲击-响应测试，上述的冲击-声振测试、冲击-回波测试、冲击-响应测试用于对组合结构的界面损伤进行识别；

此外，超声传感器104和高频加速度传感器105还用于进行冲击-透射测试，对组合结构的内部缺陷进行识别。这里的冲击-透射测试是指利用对侧超声传感器104和高频加速度传感器105感应本侧自动力锤101敲击产生的应力波。

本发明通过采用采用磁吸式爬行机器人作为载体，采用高精度全自动力锤作为可控的高质量激励源，采用高频加速度传感器、超声传感器、高频/低频麦克风作为的感知设备，能够实现冲击-声振、冲击-回波、冲击-响应、冲击-透射一体化测试，基于两台磁吸附式爬行机器人协同工作，实现界面损伤和内部缺陷的同步检测，提升界面损伤和内部缺陷的测试精度，解决组合结构无损检测所面临的技术瓶颈。

本发明实施例中，所述系统还包括数据采集与分析设备，所述数据采集与分析设备包括多通道采集模块和数据处理模块；所述多通道采集模块用于采集低频麦克风102、高频麦克风103、超声传感器104和高频加速度传感器105的测试信号；所述数据处理模块用于分析各个传感器测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时，以多参数同时作为损伤评估的指标，避免单一传感器、单一测试方法、单一参数或指标造成的误判，提升测试精度。

具体地，通过对低频麦克风102和高频麦克风103测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时进行分析，可以实现冲击-声振损伤成像；通过对超声传感器104的测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时进行分析，可以实现冲击-回波损伤成像；通过对高频加速度传感器105的测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时进行分析，可以实现冲击-响应损伤成像；通过对对侧的超声传感器104及高频加速度传感器105的测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时进行分析，可以实现冲击-透射损伤成像。

进一步地，如图8-图10所示，爬行机器人1的底部安装有四个磁吸附驱动轮106，利用磁力提供爬行机器人1与钢板之间的吸附力，并实现爬行机器人1在组合结构表面爬行；

爬行机器人1内部安装有控制器(未示出)，自动力锤101安装在爬行机器人1的侧部，并且与所述控制器相连；所述控制器对自动力锤101的敲击力度、敲击角度、敲击速度进行精准控制，避免双击/连击现象。

爬行机器人1上设置有支撑机构和提升机构，低频麦克风102、高频麦克风103、超声传感器104和高频加速度传感器105设置在所述支撑机构上，所述提升机构连接所述支撑机构，用于带动所述支撑机构升高或下降，从而调节低频麦克风102、高频麦克风103、超声传感器104和高频加速度传感器105与钢板的距离。

其中，所述支撑机构包括两根平行设置的导杆107，两根导杆107的中间连接有两个固定夹具108，两个固定夹具108分别用于固定低频麦克风102和高频麦克风103；其中一根导杆107的外侧连接两个竖向的立杆109，立杆109的底部设置有夹具控制器110，夹具控制器110上设置有伸缩式夹具111，夹具控制器110用于控制伸缩式夹具111握紧或松弛，从而安装或拆卸超声传感器104或高频加速度传感器105，如图11所示。

所述提升机构包括设置在爬行机器人1前侧的两个提升导板112和设置在爬行机器人1内部的升降齿轮(未示出)，提升导板112与所述升降齿轮相啮合，两个导杆107分别与两个提升导板112固定，所述升降齿轮由爬行机器人1内部的控制器控制转动，从而带动提升导板112升降，进而带动导杆107升降；提升导板112的底部设置限位滚轮113，以限制各个传感器与钢板的距离。

图12-图15分别是低频麦克风102、高频麦克风103、超声传感器104和高频加速度传感器105的结构示意图。超声传感器104及高频加速度传感器105通过圆柱形高强磁铁薄片3与钢板表面吸附，通过伸缩式夹具111进行超声传感器104及高频加速度传感器105的安装与拆除。

其中，低频麦克风102的最大响应频率为20kHz，高频麦克风103的最大响应频率为100kHz，高频加速度传感器的最大响应频率为60kHz，对于厚钢板构件或者界面尺寸较小时，可以极大的提升冲击-声振和冲击-响应测试技术的精度和适用范围。

优选地，超声传感器104/高频加速度传感器105/和圆柱形高强磁铁薄片3的直径应低于5mm，从而降低传感器尺寸过大导致的误差，提升测试精度。

本发明实施例中，还可以取消圆柱形高强磁铁薄片3，借助伸缩式夹具111和提升导板112实现超声传感器104及高频加速度传感器105的接触式安装定位。

进一步地，爬行机器人1的顶部设有天线114和信号接收器115，用于接收远程控制信号。爬行机器人1的底部设有毛刷116，用于清除钢板表面的异物，保证钢板表面的清洁度，提升超声传感器104和高频加速度传感器105两类接触式传感器的安装质量。

本发明所述检测系统应用于具体检测过程中，图16a-图16f分别是测试信号中幅值-对测(对侧高频加速度传感器信号幅值)、频率-对测(对侧高频加速度传感器信号频率)、幅值-同侧(同侧高频加速度传感器信号幅值)、频率-同侧(同侧高频加速度传感器信号频率)、幅值-高频麦克风(同侧高频麦克风信号幅值)、频率-高频麦克风(同侧高频麦克风信号频率)的成像示意图。其中，同侧测试结果对应界面损伤，对测测试结果对应内部缺陷。可以看出，本发明所述的检测系统对于组合结构界面损伤和内部缺陷能够实现自动化同步检测，检测效率高，并且具有良好的识别效果。

相应地，本发明的实施例还提供了一种基于所述的面向组合结构界面损伤和内部缺陷的同步检测系统的检测方法，如图17所示，所述方法包括以下步骤：

安装连接有撑杆的两个爬行机器人，使两个所述爬行机器人相对设置在待检测的组合结构的两侧；

调试所述爬行机器人上的自动力锤、低频麦克风、高频麦克风、超声传感器和高频加速度传感器；

第一侧自动力锤开始敲击，同步采集第一侧低频麦克风、高频麦克风、超声传感器和高频加速度传感器的测试信号，以及第二侧超声传感器和高频加速度传感器的测试信号；

其中，第一侧低频麦克风和高频麦克风的测试信号用于冲击-声振测试，第一侧超声传感器的测试信号用于冲击-回波测试，第一侧高频加速度传感器的测试信号用于冲击-响应测试；上述的冲击-声振测试、冲击-回波测试冲击-响应测试用于对组合结构的界面损伤进行识别；

第二侧超声传感器和高频加速度传感器的测试信号用于冲击-透射测试，对组合结构的内部缺陷进行识别；

基于采集的各个传感器测试信号的信号频率、信号幅值、信号能量、首波声时，以多参数同时作为损伤评估的指标分别成像，判断是否存在界面损伤或内部缺陷；

记录并分析测试结果；

第二侧自动力锤开始敲击，重复上述的检测过程，完成当前测点检测；

爬行机器人移动至下一测点，进行下一轮检测。

本发明通过无线操控爬行机器人内置的自动力锤，实现对敲击力度、敲击角度、敲击速度的精准控制，产生高质量的重复性激励信号；利用高频麦克风、低频麦克风、超声传感器、高频加速度传感器实现界面损伤和内部缺陷的同步测试；采用两个磁吸附式爬行机器人对向布置，协同工作，提升了测试效率。

其中，冲击-声振(基于高频麦克风和低频麦克风)、冲击-回波(基于超声传感器)、冲击-响应(基于高频加速度传感器)测试是用于界面损伤的高效识别，冲击-透射测试(分别基于对侧的超声传感器和高频加速度传感器)是用于内部缺陷的高效识别。

超声传感器104和高频加速度传感器105突破了厚钢板导致的信号超频现象，突破了传统的冲击-回波测试和冲击-响应测试的局限性，显著提升了测试精度，具有广阔的应用前景。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。