無損檢測技術在水利工程質量檢測中的應用

曹廣越

(深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518109)

水利工程對我國綜合領域有著極大的作用，在水利工程的建設過程中需要注重其后期的修養(yǎng)，所以質量檢測成為了水利工程領域的重要研究內容，但目前我國對于水利工程的質量檢測還處于萌芽階段。

文獻[1]中應用視覺圖像技術對水利工程質量完成檢測，采用雷達技術遠程獲取水利工程的視覺圖像，若工程質量出現(xiàn)問題會對獲取圖像清晰度造成一定程度影響，再應用神經(jīng)網(wǎng)絡算法計算圖像損失特征，建設神經(jīng)網(wǎng)絡模型采集圖像誤差并反饋至雷達數(shù)據(jù)中心，提升視覺圖像質量檢測的精準度；文獻[2]中采用三維可視化與超聲脈沖相結合技術實現(xiàn)對水利工程質量檢測，三維可視化技術能夠為水利工程建設立體模型，為觀察管理人員提供良好的檢測環(huán)境，清晰反映水利工程的整體狀態(tài)，再應用超聲脈沖技術深入水利工程建筑中，利用脈沖的可反饋特點，探索水利工程中深層次的質量情況，最終的反饋情況由三維可視化技術呈現(xiàn)出來，提升質量檢測的交互性。

本文基于無損檢測技術對水利工程質量進行檢測，在傳統(tǒng)無損檢測技術基礎上添加了數(shù)據(jù)化技術與交互技術，在保障質量檢測任務完成的前提下為檢測人員提供較大的便捷服務，分別應用超聲波技術、空氣耦合技術以及可視化設備進行無損質量檢測。

1 無損檢測技術概述

無損檢測技術最早應用于礦物質的開采工程，隨著技術手段的不斷更新，逐漸應用在各項工程的質量檢測，再加上智能化與數(shù)字化的融入使無損質量檢測技術更適用于水利工程領域[3- 4]。

水利工程質量檢測是一項長期且具有實時性的任務，需要保障質量采樣的精準與可靠，無損檢測技術能夠在無損前提下進行質量數(shù)據(jù)的采集與傳輸，具備持續(xù)性特征；水利工程質量檢測還需要從原始工程用料、工程結構等方面開展檢測工作，檢測過程中不能使用化學手段對工程質量造成破壞，無損檢測技術是一項基于物理學手段，能有效判斷水利工程內在質量狀態(tài)；遠距離質量檢測是無損檢測技術的最突出特點，常規(guī)水利工程建設在偏遠地段或局限性較高的地理位置處，不方便檢測人員的近距離數(shù)據(jù)采集與質量分析，應用無損檢測技術能夠在較大程度上突破傳統(tǒng)質量檢測方法的局限性，遠距離完成質量檢測全過程。

2 超聲波無損檢測技術的應用

2.1 檢測信號的時頻變換

超聲波無損檢測中的檢測信號時頻狀態(tài)是判斷工程質量的重要標準參數(shù)，時頻呈現(xiàn)出的時間與頻率都是可以通過相關函數(shù)進行分解的，傳統(tǒng)的時頻解析方式主要有小波變換法與傅里葉變換法，從超聲波信號整體角度獲取時頻數(shù)據(jù)，再借助模板函數(shù)完成數(shù)據(jù)解析，這種方法過于依靠數(shù)據(jù)源且計算不穩(wěn)定，所以本文采用Hilbert-Hwang變換方法完成檢測信號的時頻變換。

這種方法借助超聲波穩(wěn)定信號建立時頻的多個頻譜，對不同頻譜中信號分量進行分析，最終將匯總得到的平穩(wěn)信號表現(xiàn)在相同時間與頻率的頻譜中，獲取較高精準率的時頻數(shù)據(jù)，如圖1所示為頻譜分析圖與匯總圖。

Hilbert-Hwang變換方法中應用本征模態(tài)函數(shù)對信號時頻進行規(guī)律性計算，借助超聲波檢測的瞬時頻率得到信號的振動規(guī)律與振動模式，在函數(shù)范圍內平均值與瞬時值達到交匯點時，此函數(shù)開始統(tǒng)計數(shù)據(jù)條件。Hilbert-Hwang變換方法函數(shù)將復雜超聲信號分解為若干函數(shù)模型，隨著信號發(fā)送時間的推移，在函數(shù)模型中形成時間、頻率、振幅三維頻譜，原始檢測信號函數(shù)分解可以表示為：

(1)

式中，s(t)—初始信號；i—函數(shù)的分解階段；c—分解成分；r—函數(shù)分解殘余。在分解成分中尋找信號頻譜中的極值與平均值，利用極值在函數(shù)范圍內的影響成分計算信號變換瞬時值，超聲信號的發(fā)布具有實時更新特點，需要利用每一段檢測時間內的信號完成局部區(qū)域內的極值獲取與平均值計算，獲取瞬時值的計算公式如下所示：

(2)

式中，smin(t)、smax(t)—在相同區(qū)域內的最大值與最小值。原始信號與瞬時值之差為頻譜中新時頻序列，為變換函數(shù)提供不同階段的信號數(shù)據(jù)，這段時頻序列表示為：

h(t)=s(t)-m(t)

(3)

新序列中也具備極值與平均值，當極值與平均值之間的交叉點數(shù)小于或等于1時可以確定新序列函數(shù)為本征模態(tài)函數(shù)，需要重新按照函數(shù)模型分解步驟進行原始信號的分離，當新序列極值與平均值之間的交叉點數(shù)大于1時，序列函數(shù)進入常數(shù)的判斷階段，在新序列信號中提取出時頻最高成分，組建一套具有函數(shù)運算特征的模型：

(4)

確定函數(shù)模型序列特征，設定函數(shù)運算程序，嚴格按照物理程序運行，體現(xiàn)質量檢測過程中超聲波物理學特性[5- 6]。

2.2 缺陷信號模態(tài)分解

超聲信號在檢測出工程質量問題情況下會對外發(fā)送缺陷信號，工作人員需要充分理解缺陷信號才能有效分析與識別水利工程中的詳細質量問題。

對缺陷信號分析的最佳方法是模態(tài)分解，常規(guī)步驟為：

(1)檢查缺陷信號中的時頻是否參與其他頻譜，應用超聲波濾波方式確定缺陷信號的存在形式，并參照正常信號進行時間方面、頻率方面以及干擾程度等方面的對比。

(2)應用函數(shù)模型對缺陷信號進行初步分解，獲取缺陷信號成分，了解缺陷信號組成特點。

(3)組建缺陷信號頻譜。

(4)在頻譜的正常更新情況下不斷探測缺陷信號的時頻特征，計算超聲信號在缺陷信號發(fā)出時的能量密度。

圖1 頻譜分析圖與匯總圖

3 空氣耦合無損檢測技術的應用

3.1 空氣耦合聲場測量

利用空氣耦合能量傳遞與換能器的頻率改變，可以通過頻率的增加與衰弱判斷水利工程是否出現(xiàn)質量問題。根據(jù)水利工程地理位置的不同需要設定一定的環(huán)境參數(shù)才能完成質量檢測，如下所示為環(huán)境參數(shù)對空氣耦合聲場測量的客觀影響：

(5)

式中，T—溫度；f—該地區(qū)的空氣濕度；P—壓強；T0—該地區(qū)年平均溫度；P0—該地區(qū)標準氣壓。在環(huán)境參數(shù)確定的情況下，在換能器中增加感應芯片，增強空氣耦合能量的精準識別與感應，如圖2所示為空氣耦合換能器聲場測量模擬圖。

圖2 空氣耦合換能器聲場測量模擬圖

圖中換能器具有聲波識別與頻譜轉換功能，在檢測過程中的空氣耦合能量達到能量轉換閾值情況下，換能器尾部產生頻率性振動，減少換能器的能量轉換損耗[7- 8]。

聲場測量值需要在無氣流環(huán)境下進行，空氣耦合程度主要體現(xiàn)在換能器的氣流接收孔中，空氣耦合過程中向氣流接收孔傳播輻射，控制波長滿足孔徑條件，如圖3所示為不同孔徑下的聲場測量結果。

圖3 不同孔徑聲場測量結果

3.2 空氣耦合質量檢測

空氣耦合質量檢測會受到傳播介質的影響，主要由吸收衰減與散射衰減兩大因素組成，當空氣中的溫度系數(shù)達到空氣信息傳播條件時，吸收衰減便會在空氣流體中進行干擾，如下所示為流體中吸收衰減系數(shù)計算公式：

(6)

式中，α—吸收衰減系數(shù)；ω—空氣溫度；ρ—空氣比熱容；c—氣壓一定情況下空氣比熱容，o—流體粘滯系數(shù)；λ—流體導熱系數(shù)。正常環(huán)境下空氣傳播信號能力較弱，需要經(jīng)過流體方面的改善才能達到標準的信號傳輸頻率，流體密度越高傳播信號頻率越低，所以需要應用超聲波技術降低空間內的流體密度，超聲波的發(fā)出源系數(shù)越小，后期在流體中的應用程度也就越小，但流體中能夠創(chuàng)造信號傳輸空間的位置更大，空氣耦合檢測中應用的流體原理是在超聲波加壓后實現(xiàn)的，如圖4所示為空氣耦合超聲波技術加壓示意圖。

圖4 空氣耦合超聲波技術加壓示意圖

空氣耦合質量檢測步驟為：

(1)確定水利工程基礎建筑的原料參數(shù)與建設技術參數(shù)，保證能夠承受超聲波加壓技術與空氣耦合的完成。

(2)確定安裝空氣耦合換能器位置，設定儀器頻率與水利工程工作頻率相同，并規(guī)范空氣傳播信號的途徑。

(3)調節(jié)換能器位置，使其檢測探頭對準待測量建筑，能夠隨時發(fā)送與接收波形信號。

(4)將接收到的信號及時傳輸?shù)娇諝怦詈涎b置中，再將空氣耦合裝置傳送到加壓密封空間內，使用標準的波形掃描裝置記錄信號發(fā)送頻率，逐漸在密封空間中加壓，記錄信號發(fā)送頻率變化，在安全氣壓值環(huán)境下掃描到理想的波形信號方可截止波形掃描。

較為復雜的質量檢測對象需要采用多層加壓密封空間進行加壓，提升檢測精準度。

4 可視化設備無損檢測技術的應用

4.1 水利工程數(shù)據(jù)采集

可視化設備對水利工程質量檢測需要以數(shù)據(jù)分析為前提，建立可視化設備與水利工程之間的數(shù)據(jù)信道，設置信道參數(shù)與水利工程標準質量參數(shù)[9- 10]。本文在可視化設備中添加AL12250型號數(shù)據(jù)采集芯片，能夠將水利工程的實時信息以圖像的形式表現(xiàn)出來，方便可視化設備的命名，由于數(shù)據(jù)采集具有實時性特征，所以在信道的數(shù)據(jù)鏈接中增設采集閾值，方便引用可視化設備的操控程序，如圖5所示為可視化數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)設置界面.

圖5 可視化數(shù)據(jù)采集器參數(shù)設置界面

根據(jù)界面中的參數(shù)設定內容可知，數(shù)據(jù)采集面向多種頻率、多種模式、多種工作電壓的水利工程設備，再通過波形掃描的方式體現(xiàn)在可視化設備中。

水利工程內部檢測數(shù)據(jù)與外部檢測數(shù)據(jù)保持輸出信號一致，提升可視化設備的精準運作能力，信號再通過可視化設備的運作傳輸?shù)綑C械手控制中心內，完成數(shù)據(jù)儲存任務。同時數(shù)據(jù)檢測運行程序迅速讀取檢測信號內容，規(guī)劃對應的機械手質量檢測軌跡[11- 14]。

4.2 軌跡跟蹤檢測

可視化設備進行軌跡跟蹤檢測需要保證機械手的操控與水利工程材料軸線在相同水平線上，確定機械手與操控中心的調度命令保持時間方面的一致[15- 17]。

在平面直角坐標系中完成定點檢測任務后方可記錄機械手運行軌跡，沿著水利工程構件向更深層次檢測，隨著采集器獲取數(shù)據(jù)的變化而改變機械手運行軌跡，如圖6所示為機械手運行軌跡示意圖[18]。

圖6 機械手運行軌跡示意圖

5 實驗研究

為了驗證無損檢測技術在水利工程質量檢測領域的可靠穩(wěn)定運用，本文設計無損檢測技術與傳統(tǒng)水利工程質量檢測技術的對比實驗。

應用空氣耦合換能器對水利工程建設材料進行質量檢測過程中應用超聲波技術將空氣中檢測信號傳輸至控制界面內，再采用降低信噪比方法提升超聲波在空氣中的傳輸距離，保障空氣耦合換能器接收信號強度，實驗中采用的空氣耦合換能裝置對超聲波傳輸?shù)男盘栠M行激勵，能夠達到8MHz頻率，瞬時功率能夠達到6kW，應用在水利工程原材料質量檢測能夠保障原始材料的穩(wěn)定且能夠激發(fā)信號傳輸通道。

設定空氣耦合檢測技術檢測水利工程最底部建筑，將測試樣品表面產生的回波與超聲波換能器發(fā)出波形進行對比，換能器中超聲波表現(xiàn)的波形持續(xù)時間較長，樣品反饋的波形持續(xù)時間較短為空氣耦合正?，F(xiàn)象，在正常波形傳輸基礎上激勵波形峰值與周期，觀察樣品反射信號狀態(tài)，當反射信號較標準信號波形延長一段時間，則證明反射信號有可能被樣品吸收，證明樣品出現(xiàn)一定程度的質量問題，區(qū)別于傳統(tǒng)檢測方法的是空氣耦合檢測技術能通過換能器將樣品的質量狀態(tài)精準表現(xiàn)在超聲波頻譜上，根據(jù)空氣耦合強度控制換能器的轉換頻率，如圖7所示為不同方法的樣品檢測頻譜圖。

圖7 不同方法的樣品檢測頻譜圖

根據(jù)圖中的對比結果可知，本文方法能夠將檢測信號更精密地傳輸至顯示端口，能夠控制信號反射波長幅值基本保持在0.4范圍內，文獻[1]、文獻[2]幅值保持在0.8～1以內，當樣品出現(xiàn)質量問題時明顯反映出檢測時間、檢測波形幅值等信息。實驗中還采用超聲波無損檢測技術對水利工程底部樣品進行質量檢測，隨著超聲波向樣品發(fā)送信號強度以及波長的變化，所得到的反饋信號波長能夠及時驗證質量檢測準確度。將樣品橫向距離加長，并在其中添加缺陷材料，驗證不同方法對缺陷樣品的檢測結果如圖8所示。

圖8 檢測結果對比圖

本文方法對于加厚的樣品能夠精準輸出波形幅值與時頻，當超聲波發(fā)射器射入構件厚度一定的樣品構件，所顯示出的波形幅值符合缺陷位置的波形，圖中本文方法下的波形信號穿透厚度達到30mm，而文獻[1]中方法檢測信號穿透厚度在20mm后逐漸減弱，文獻[2]方法檢測信號最遠穿透在15mm左右。

6 結語

本文主要研究超聲波無損檢測技術、空氣耦合無損檢測技術和可視化設備無損檢測技術，對超聲波的時頻進行狀態(tài)轉換與函數(shù)模擬，對檢測結果采用數(shù)據(jù)化分析；對空氣耦合換能器的測量方式進行改善，搭建信號傳播信道；對可視化設備機械手操作進行軌跡方面靈敏度補償，增強檢測結果真實性。文中研究的超聲波無損檢測等技術雖然能夠較大程度提升檢測效果，但是應用場所具有較高的局限性，超聲波無損檢測技術需要應用在超聲波傳播介質良好環(huán)境中，空氣耦合無損檢測技術容易受到周邊環(huán)境影響，具有較高的技術難度，可視化設備的應用需要具有穩(wěn)定的操控程序，這3種技術的應用均需要結合實際情況進行應用。