一种便携式钢筋混凝土结构无损检测设备及应用方法

技术领域

本发明涉及结构无损检测领域。

技术背景

近几十年来，钢筋混凝土结构已被广泛应用于各种基础设施、民用建筑、国防工程。随着结构的长期服役，存在材料老化、持荷过载等问题，可能会导致结构局部受损，产生安全隐患。因此，定期检测钢筋混凝土结构的健康状态十分重要。

目前大部分常用的检测技术，如回弹法、雷达法、超声法，存在设备笨重昂贵、操作繁琐低效等问题，且部分属于有损检测，难以广泛应用。因此，亟需开发高效、便捷、无损的新型钢筋混凝土结构损伤检测技术。

发明内容

为了检测钢筋混凝土结构内部存在的缺陷，本发明研发一种便携式钢筋混凝土结构无损检测设备及公开应用方法。

技术方案

一种便携式钢筋混凝土结构无损检测设备，其特征是，该设备包括压电陶瓷片、传感模块、通信模块、第一旋转手柄和第二旋转手柄、“L”型可伸缩金属管、插座；所述传感模块为两个，通信模块为一个，“L”型可伸缩金属管为两根。

进一步的，该设备总体上呈“电话手柄”形状。

进一步的，传感模块与通信模块之间用两根“L”型可伸缩金属管相连。

进一步的，在每个传感模块中嵌入两片压电陶瓷片，用于以后激发和接收探测信号。采用的压电陶瓷片尺寸为8×8×2mm，在其表面涂上一层环氧树脂胶。

进一步的，传感模块上的手柄用于调节金属管在y方向上的长度，通信模块上的手柄用于调节金属管在x方向上的长度，由此可根据实际检测结构的尺寸设置所需的模块间距，提高设备实用性。

进一步的，传感模块中压电陶瓷片的导线通过金属管汇集到通信模块中，并在通信模块上安装一个插座，将四根导线焊接在插座上，便可由外部设备控制传感模块。

进一步的，所述金属管可起到在信号传输过程中屏蔽噪声干扰的作用。

一种便携式钢筋混凝土结构无损检测设备应用方法,其特征是：

首先测量出柱子在x方向上的长度，通过调节通信模块上的第二旋转手柄，使得两个传感模块的净距恰好为所测量的长度，并夹在柱子上。

然后调节传感模块上的第一旋转手柄，让传感模块沿着柱子的y向移动并停在所需检测的位置进行信号探伤。

信号探伤的过程为：将连接测试设备的插头插到通信模块的插座上，控制其中一个传感模块中的压电陶瓷片激发探测信号，信号激发后沿着柱子传播，信号遇到损伤缺陷时会发生散射，并且部分能量会被吸收，进而以更小的幅值继续向前传播，到达另一个传感模块后由内部的两个压电陶瓷片接收，该接收到的信号回传到通信模块的插座上进而输出到测试设备中。

测试设备分析过程：将两个压电陶瓷片接收到的信号分别表示为Y

利用事先在钢筋混凝土柱无损伤的状况下测量的信号作为基准，按照同样的方法获取两个压电陶瓷片的能量，分别表示为

利用两组计算出的能量，按照式(3)构建损伤因子，

该损伤因子的值分布在0到1之间，当计算出的损伤因子为0，说明此时钢筋混凝土柱没有损伤；损伤因子越接近1，说明钢筋混凝土柱的损伤越严重。

附图说明

图1：便携式设备检测钢筋混凝土柱示意图

图2：便携式钢筋混凝土结构无损检测设备图

图3：检测信号传播示意图

图4：两个压电陶瓷片接收到的信号采用小波包基函数将其进行三层分解示意图

1—压电陶瓷片，2—传感模块，3—第一旋转手柄，4—“L”型可伸缩金属管，5—通信模块，6—第二旋转手柄，7—插座

11—钢筋混凝土柱损伤缺陷，12—经损伤散射后的信号，13—检测信号经过损伤位置

8—便携式钢筋混凝土结构无损检测设备，9—钢筋混凝土柱，10—连接检测设备的插头

具体实施方式

实施例

为了检测钢筋混凝土结构内部存在的缺陷，本发明研发一种便携式钢筋混凝土结构无损检测设备。该设备由压电陶瓷片1、传感模块2、通信模块5、第一旋转手柄3和第二旋转手柄6、“L”型可伸缩金属管4、插座7组成。该设备总体上呈“电话手柄”形状，见图2，由两个传感模块和一个通信模块组成，其尺寸均为60×40×30mm，传感模块与通信模块之间用两根“L”型可伸缩金属管相连。采用的压电陶瓷片尺寸为8×8×2mm，为防止漏电，在其表面涂上一层环氧树脂胶。在每个传感模块中嵌入两片压电陶瓷片，用于以后激发和接收探测信号，通信模块中没有嵌入。在每个模块上都安装了一个旋转手柄，传感模块上的手柄用于调节金属管在y方向上的长度，通信模块上的手柄用于调节金属管在x方向上的长度，由此可根据实际检测结构的尺寸设置所需的模块间距，提高设备实用性。传感模块中压电陶瓷片的导线通过金属管汇集到通信模块中，并在通信模块上安装一个插座，将四根导线焊接在插座上，便可由外部设备控制传感模块。所采用的金属管可起到在信号传输过程中屏蔽噪声干扰的作用。

实施例使用方法

以检测钢筋混凝土柱为例进行说明，见图1.首先测量出柱子在x方向上的长度，通过调节通信模块上的第二旋转手柄6，使得两个传感模块的净距恰好为所测量的长度，并夹在柱子上。然后调节传感模块上的第一旋转手柄3，让传感模块沿着柱子的y向移动并停在所需检测的位置进行信号探伤。

信号探伤的过程为：将连接测试设备的插头(10)插到通信模块的插座上7，控制其中一个传感模块中的压电陶瓷片激发探测信号，信号激发后沿着柱子传播，信号遇到损伤缺陷时会发生散射，并且部分能量会被吸收(见图3)，进而以更小的幅值继续向前传播，到达另一个传感模块后由内部的两个压电陶瓷片接收，该接收到的信号回传到通信模块的插座上进而输出到测试设备中。将两个压电陶瓷片接收到的信号分别表示为Y

然后计算分解后各个频段上信号的能量，分别表示为

此外，利用事先在钢筋混凝土柱无损伤的状况下测量的信号作为基准，按照同样的方法获取两个压电陶瓷片的能量，分别表示为

利用两组计算出的能量，按照式(3)构建损伤因子，

该损伤因子的值分布在0到1之间，当计算出的损伤因子为0，说明此时钢筋混凝土柱没有损伤；损伤因子越接近1，说明钢筋混凝土柱的损伤越严重。

所述测试设备包括信号发生器、功率放大器、示波器和便携式电脑。此外，该便携式检测设备亦可沿着柱子的z方向移动，具备对柱子各个位置的检测功能。

实施例优势

本发明技术方案的优势可概括为：

1)在传感模块中采用了压电陶瓷片对，可以同时获取两条路径的探测信息，提高了检测的准确性。在后续优化中，根据实际检测精度需求，亦可嵌入更多的压电陶瓷片，获取更丰富的探测信息。

2)所设计的设备具有可调节的功能。根据实际检测构件的形状和尺寸，可以调节金属伸缩管在不同方向上的长度，使传感模块可遍及构件的各个不同位置。这项功能提高了所设计的设备的适用性。

3)该设备操作方便，将其夹在构件待检测位置后，只需将外部检测设备的插头插到通信模块的插座上便可激发各个压电陶瓷片，开始检测工作。

4)该发明属于一种无损检测技术，不需要破坏结构，只需将该设备夹持在待测构件上，即可实现损伤检测功能。同时利用构建的损伤因子，可以快速的定性反应钢筋混凝土结构的健康状况。

5)可便携式功能提高了检测效率，方便操作人员对不同钢筋混凝土构件如梁、柱的检测。此外，该设备亦可长期安装在构件上，实现对钢筋混凝土结构的长期监测。

本发明技术方案关键点

1)压电陶瓷片的二次工艺。为了防止压电陶瓷片在工作过程中漏电、性能退化，造成对探测信号的干扰，需事先将其表面涂抹一层环氧树脂胶进行密封。

2)为了实现传感模块在不同方向的移动，使用了“L”型可伸缩金属管连接通信模块和传感模块。该金属管可通过旋转手柄控制，实现在两个垂直方向上的伸缩，从而带动传感模块移动。同时，由于连接压电陶瓷片的导线从该金属管中穿过，因此金属管也能起到在信号传输过程中对噪声的屏蔽作用。

3)采用了插座-插头设计方式，在通信模块上安装了插座，使各个压电陶瓷片的导线汇集到该插座上，可以用连接检测设备的插头插到该插座上，直接驱动传感模块工作，具有便捷的操作功能。

4)在每个传感模块中嵌入了多个压电陶瓷片，作为激发信号的模块可由多个压电元件同时激发出更强的探测信号，作为接收信号的模块可由多个压电元件同时接收不同路径的信号，因此可获取更多条探测路径上的损伤信息。在后续优化中，可根据实际需求，使用更多的、不同形式的阵列设计。