无损检测技术在水利工程质量检测中的应用

曹广越

(深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518109)

水利工程对我国综合领域有着极大的作用，在水利工程的建设过程中需要注重其后期的修养，所以质量检测成为了水利工程领域的重要研究内容，但目前我国对于水利工程的质量检测还处于萌芽阶段。

文献[1]中应用视觉图像技术对水利工程质量完成检测，采用雷达技术远程获取水利工程的视觉图像，若工程质量出现问题会对获取图像清晰度造成一定程度影响，再应用神经网络算法计算图像损失特征，建设神经网络模型采集图像误差并反馈至雷达数据中心，提升视觉图像质量检测的精准度；文献[2]中采用三维可视化与超声脉冲相结合技术实现对水利工程质量检测，三维可视化技术能够为水利工程建设立体模型，为观察管理人员提供良好的检测环境，清晰反映水利工程的整体状态，再应用超声脉冲技术深入水利工程建筑中，利用脉冲的可反馈特点，探索水利工程中深层次的质量情况，最终的反馈情况由三维可视化技术呈现出来，提升质量检测的交互性。

本文基于无损检测技术对水利工程质量进行检测，在传统无损检测技术基础上添加了数据化技术与交互技术，在保障质量检测任务完成的前提下为检测人员提供较大的便捷服务，分别应用超声波技术、空气耦合技术以及可视化设备进行无损质量检测。

1 无损检测技术概述

无损检测技术最早应用于矿物质的开采工程，随着技术手段的不断更新，逐渐应用在各项工程的质量检测，再加上智能化与数字化的融入使无损质量检测技术更适用于水利工程领域[3- 4]。

水利工程质量检测是一项长期且具有实时性的任务，需要保障质量采样的精准与可靠，无损检测技术能够在无损前提下进行质量数据的采集与传输，具备持续性特征；水利工程质量检测还需要从原始工程用料、工程结构等方面开展检测工作，检测过程中不能使用化学手段对工程质量造成破坏，无损检测技术是一项基于物理学手段，能有效判断水利工程内在质量状态；远距离质量检测是无损检测技术的最突出特点，常规水利工程建设在偏远地段或局限性较高的地理位置处，不方便检测人员的近距离数据采集与质量分析，应用无损检测技术能够在较大程度上突破传统质量检测方法的局限性，远距离完成质量检测全过程。

2 超声波无损检测技术的应用

2.1 检测信号的时频变换

超声波无损检测中的检测信号时频状态是判断工程质量的重要标准参数，时频呈现出的时间与频率都是可以通过相关函数进行分解的，传统的时频解析方式主要有小波变换法与傅里叶变换法，从超声波信号整体角度获取时频数据，再借助模板函数完成数据解析，这种方法过于依靠数据源且计算不稳定，所以本文采用Hilbert-Hwang变换方法完成检测信号的时频变换。

这种方法借助超声波稳定信号建立时频的多个频谱，对不同频谱中信号分量进行分析，最终将汇总得到的平稳信号表现在相同时间与频率的频谱中，获取较高精准率的时频数据，如图1所示为频谱分析图与汇总图。

Hilbert-Hwang变换方法中应用本征模态函数对信号时频进行规律性计算，借助超声波检测的瞬时频率得到信号的振动规律与振动模式，在函数范围内平均值与瞬时值达到交汇点时，此函数开始统计数据条件。Hilbert-Hwang变换方法函数将复杂超声信号分解为若干函数模型，随着信号发送时间的推移，在函数模型中形成时间、频率、振幅三维频谱，原始检测信号函数分解可以表示为：

(1)

式中，s(t)—初始信号；i—函数的分解阶段；c—分解成分；r—函数分解残余。在分解成分中寻找信号频谱中的极值与平均值，利用极值在函数范围内的影响成分计算信号变换瞬时值，超声信号的发布具有实时更新特点，需要利用每一段检测时间内的信号完成局部区域内的极值获取与平均值计算，获取瞬时值的计算公式如下所示：

(2)

式中，smin(t)、smax(t)—在相同区域内的最大值与最小值。原始信号与瞬时值之差为频谱中新时频序列，为变换函数提供不同阶段的信号数据，这段时频序列表示为：

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

(3)

新序列中也具备极值与平均值，当极值与平均值之间的交叉点数小于或等于1时可以确定新序列函数为本征模态函数，需要重新按照函数模型分解步骤进行原始信号的分离，当新序列极值与平均值之间的交叉点数大于1时，序列函数进入常数的判断阶段，在新序列信号中提取出时频最高成分，组建一套具有函数运算特征的模型：

(4)

确定函数模型序列特征，设定函数运算程序，严格按照物理程序运行，体现质量检测过程中超声波物理学特性[5- 6]。

2.2 缺陷信号模态分解

超声信号在检测出工程质量问题情况下会对外发送缺陷信号，工作人员需要充分理解缺陷信号才能有效分析与识别水利工程中的详细质量问题。

对缺陷信号分析的最佳方法是模态分解，常规步骤为：

(1)检查缺陷信号中的时频是否参与其他频谱，应用超声波滤波方式确定缺陷信号的存在形式，并参照正常信号进行时间方面、频率方面以及干扰程度等方面的对比。

(2)应用函数模型对缺陷信号进行初步分解，获取缺陷信号成分，了解缺陷信号组成特点。

(3)组建缺陷信号频谱。

(4)在频谱的正常更新情况下不断探测缺陷信号的时频特征，计算超声信号在缺陷信号发出时的能量密度。

图1 频谱分析图与汇总图

3 空气耦合无损检测技术的应用

3.1 空气耦合声场测量

利用空气耦合能量传递与换能器的频率改变，可以通过频率的增加与衰弱判断水利工程是否出现质量问题。根据水利工程地理位置的不同需要设定一定的环境参数才能完成质量检测，如下所示为环境参数对空气耦合声场测量的客观影响：

(5)

式中，T—温度；f—该地区的空气湿度；P—压强；T0—该地区年平均温度；P0—该地区标准气压。在环境参数确定的情况下，在换能器中增加感应芯片，增强空气耦合能量的精准识别与感应，如图2所示为空气耦合换能器声场测量模拟图。

图2 空气耦合换能器声场测量模拟图

图中换能器具有声波识别与频谱转换功能，在检测过程中的空气耦合能量达到能量转换阈值情况下，换能器尾部产生频率性振动，减少换能器的能量转换损耗[7- 8]。

声场测量值需要在无气流环境下进行，空气耦合程度主要体现在换能器的气流接收孔中，空气耦合过程中向气流接收孔传播辐射，控制波长满足孔径条件，如图3所示为不同孔径下的声场测量结果。

图3 不同孔径声场测量结果

3.2 空气耦合质量检测

空气耦合质量检测会受到传播介质的影响，主要由吸收衰减与散射衰减两大因素组成，当空气中的温度系数达到空气信息传播条件时，吸收衰减便会在空气流体中进行干扰，如下所示为流体中吸收衰减系数计算公式：

(6)

式中，α—吸收衰减系数；ω—空气温度；ρ—空气比热容；c—气压一定情况下空气比热容，o—流体粘滞系数；λ—流体导热系数。正常环境下空气传播信号能力较弱，需要经过流体方面的改善才能达到标准的信号传输频率，流体密度越高传播信号频率越低，所以需要应用超声波技术降低空间内的流体密度，超声波的发出源系数越小，后期在流体中的应用程度也就越小，但流体中能够创造信号传输空间的位置更大，空气耦合检测中应用的流体原理是在超声波加压后实现的，如图4所示为空气耦合超声波技术加压示意图。

图4 空气耦合超声波技术加压示意图

空气耦合质量检测步骤为：

(1)确定水利工程基础建筑的原料参数与建设技术参数，保证能够承受超声波加压技术与空气耦合的完成。

(2)确定安装空气耦合换能器位置，设定仪器频率与水利工程工作频率相同，并规范空气传播信号的途径。

(3)调节换能器位置，使其检测探头对准待测量建筑，能够随时发送与接收波形信号。

(4)将接收到的信号及时传输到空气耦合装置中，再将空气耦合装置传送到加压密封空间内，使用标准的波形扫描装置记录信号发送频率，逐渐在密封空间中加压，记录信号发送频率变化，在安全气压值环境下扫描到理想的波形信号方可截止波形扫描。

较为复杂的质量检测对象需要采用多层加压密封空间进行加压，提升检测精准度。

4 可视化设备无损检测技术的应用

4.1 水利工程数据采集

可视化设备对水利工程质量检测需要以数据分析为前提，建立可视化设备与水利工程之间的数据信道，设置信道参数与水利工程标准质量参数[9- 10]。本文在可视化设备中添加AL12250型号数据采集芯片，能够将水利工程的实时信息以图像的形式表现出来，方便可视化设备的命名，由于数据采集具有实时性特征，所以在信道的数据链接中增设采集阈值，方便引用可视化设备的操控程序，如图5所示为可视化数据采集器的参数设置界面.

图5 可视化数据采集器参数设置界面

根据界面中的参数设定内容可知，数据采集面向多种频率、多种模式、多种工作电压的水利工程设备，再通过波形扫描的方式体现在可视化设备中。

水利工程内部检测数据与外部检测数据保持输出信号一致，提升可视化设备的精准运作能力，信号再通过可视化设备的运作传输到机械手控制中心内，完成数据储存任务。同时数据检测运行程序迅速读取检测信号内容，规划对应的机械手质量检测轨迹[11- 14]。

4.2 轨迹跟踪检测

可视化设备进行轨迹跟踪检测需要保证机械手的操控与水利工程材料轴线在相同水平线上，确定机械手与操控中心的调度命令保持时间方面的一致[15- 17]。

在平面直角坐标系中完成定点检测任务后方可记录机械手运行轨迹，沿着水利工程构件向更深层次检测，随着采集器获取数据的变化而改变机械手运行轨迹，如图6所示为机械手运行轨迹示意图[18]。

图6 机械手运行轨迹示意图

5 实验研究

为了验证无损检测技术在水利工程质量检测领域的可靠稳定运用，本文设计无损检测技术与传统水利工程质量检测技术的对比实验。

应用空气耦合换能器对水利工程建设材料进行质量检测过程中应用超声波技术将空气中检测信号传输至控制界面内，再采用降低信噪比方法提升超声波在空气中的传输距离，保障空气耦合换能器接收信号强度，实验中采用的空气耦合换能装置对超声波传输的信号进行激励，能够达到8MHz频率，瞬时功率能够达到6kW，应用在水利工程原材料质量检测能够保障原始材料的稳定且能够激发信号传输通道。

设定空气耦合检测技术检测水利工程最底部建筑，将测试样品表面产生的回波与超声波换能器发出波形进行对比，换能器中超声波表现的波形持续时间较长，样品反馈的波形持续时间较短为空气耦合正常现象，在正常波形传输基础上激励波形峰值与周期，观察样品反射信号状态，当反射信号较标准信号波形延长一段时间，则证明反射信号有可能被样品吸收，证明样品出现一定程度的质量问题，区别于传统检测方法的是空气耦合检测技术能通过换能器将样品的质量状态精准表现在超声波频谱上，根据空气耦合强度控制换能器的转换频率，如图7所示为不同方法的样品检测频谱图。

图7 不同方法的样品检测频谱图

根据图中的对比结果可知，本文方法能够将检测信号更精密地传输至显示端口，能够控制信号反射波长幅值基本保持在0.4范围内，文献[1]、文献[2]幅值保持在0.8～1以内，当样品出现质量问题时明显反映出检测时间、检测波形幅值等信息。实验中还采用超声波无损检测技术对水利工程底部样品进行质量检测，随着超声波向样品发送信号强度以及波长的变化，所得到的反馈信号波长能够及时验证质量检测准确度。将样品横向距离加长，并在其中添加缺陷材料，验证不同方法对缺陷样品的检测结果如图8所示。

图8 检测结果对比图

本文方法对于加厚的样品能够精准输出波形幅值与时频，当超声波发射器射入构件厚度一定的样品构件，所显示出的波形幅值符合缺陷位置的波形，图中本文方法下的波形信号穿透厚度达到30mm，而文献[1]中方法检测信号穿透厚度在20mm后逐渐减弱，文献[2]方法检测信号最远穿透在15mm左右。

6 结语

本文主要研究超声波无损检测技术、空气耦合无损检测技术和可视化设备无损检测技术，对超声波的时频进行状态转换与函数模拟，对检测结果采用数据化分析；对空气耦合换能器的测量方式进行改善，搭建信号传播信道；对可视化设备机械手操作进行轨迹方面灵敏度补偿，增强检测结果真实性。文中研究的超声波无损检测等技术虽然能够较大程度提升检测效果，但是应用场所具有较高的局限性，超声波无损检测技术需要应用在超声波传播介质良好环境中，空气耦合无损检测技术容易受到周边环境影响，具有较高的技术难度，可视化设备的应用需要具有稳定的操控程序，这3种技术的应用均需要结合实际情况进行应用。