曹廣越

(深圳市水務(wù)工程檢測有限公司，廣東 深圳 518109)

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

文獻[1]中應(yīng)用視覺圖像技術(shù)對水利工程質(zhì)量完成檢測，采用雷達技術(shù)遠(yuǎn)程獲取水利工程的視覺圖像，若工程質(zhì)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(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算圖像損失特征，建設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量檢測的精準(zhǔn)度；文獻[2]中采用三維可視化與超聲脈沖相結(jié)合技術(shù)實現(xiàn)對水利工程質(zhì)量檢測，三維可視化技術(shù)能夠為水利工程建設(shè)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(yīng)用超聲脈沖技術(shù)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(zhì)量情況，最終的反饋情況由三維可視化技術(shù)呈現(xiàn)出來，提升質(zhì)量檢測的交互性。

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

1 無損檢測技術(shù)概述

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

水利工程質(zhì)量檢測是一項長期且具有實時性的任務(wù)，需要保障質(zhì)量采樣的精準(zhǔn)與可靠，無損檢測技術(shù)能夠在無損前提下進行質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集與傳輸，具備持續(xù)性特征；水利工程質(zhì)量檢測還需要從原始工程用料、工程結(jié)構(gòu)等方面開展檢測工作，檢測過程中不能使用化學(xué)手段對工程質(zhì)量造成破壞，無損檢測技術(shù)是一項基于物理學(xué)手段，能有效判斷水利工程內(nèi)在質(zhì)量狀態(tài)；遠(yuǎn)距離質(zhì)量檢測是無損檢測技術(shù)的最突出特點，常規(guī)水利工程建設(shè)在偏遠(yuǎn)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(zhì)量分析，應(yīng)用無損檢測技術(shù)能夠在較大程度上突破傳統(tǒng)質(zhì)量檢測方法的局限性，遠(yuǎn)距離完成質(zhì)量檢測全過程。

2 超聲波無損檢測技術(shù)的應(yīng)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(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，時頻呈現(xiàn)出的時間與頻率都是可以通過相關(guān)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(zhǔn)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(yīng)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(nèi)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(fù)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(nèi)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(nèi)的信號完成局部區(qū)域內(nèi)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(nèi)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(dāng)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(dāng)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(shè)定函數(shù)運算程序，嚴(yán)格按照物理程序運行，體現(xiàn)質(zhì)量檢測過程中超聲波物理學(xué)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(zhì)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(xì)質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(shù)的應(yīng)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(zhì)量問題。根據(jù)水利工程地理位置的不同需要設(shè)定一定的環(huán)境參數(shù)才能完成質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)氣壓。在環(huán)境參數(shù)確定的情況下，在換能器中增加感應(yīng)芯片，增強空氣耦合能量的精準(zhǔn)識別與感應(yīng)，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(zhuǎn)換功能，在檢測過程中的空氣耦合能量達到能量轉(zhuǎn)換閾值情況下，換能器尾部產(chǎn)生頻率性振動，減少換能器的能量轉(zhuǎn)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(jié)果。

圖3 不同孔徑聲場測量結(jié)果

3.2 空氣耦合質(zhì)量檢測

空氣耦合質(zhì)量檢測會受到傳播介質(zhì)的影響，主要由吸收衰減與散射衰減兩大因素組成，當(dāng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用超聲波技術(shù)降低空間內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(shù)加壓示意圖。

圖4 空氣耦合超聲波技術(shù)加壓示意圖

空氣耦合質(zhì)量檢測步驟為：

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

(2)確定安裝空氣耦合換能器位置，設(shè)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(diào)節(jié)換能器位置，使其檢測探頭對準(zhǔn)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(nèi)，使用標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的質(zhì)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(zhǔn)度。

4 可視化設(shè)備無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

4.1 水利工程數(shù)據(jù)采集

可視化設(shè)備對水利工程質(zhì)量檢測需要以數(shù)據(jù)分析為前提，建立可視化設(shè)備與水利工程之間的數(shù)據(jù)信道，設(shè)置信道參數(shù)與水利工程標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量參數(shù)[9- 10]。本文在可視化設(shè)備中添加AL12250型號數(shù)據(jù)采集芯片，能夠?qū)⑺こ痰膶崟r信息以圖像的形式表現(xiàn)出來，方便可視化設(shè)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(shè)采集閾值，方便引用可視化設(shè)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(shè)置界面.

圖5 可視化數(shù)據(jù)采集器參數(shù)設(shè)置界面

根據(jù)界面中的參數(shù)設(shè)定內(nèi)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(shè)備，再通過波形掃描的方式體現(xiàn)在可視化設(shè)備中。

水利工程內(nèi)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(shè)備的精準(zhǔn)運作能力，信號再通過可視化設(shè)備的運作傳輸?shù)綑C械手控制中心內(nèi)，完成數(shù)據(jù)儲存任務(wù)。同時數(shù)據(jù)檢測運行程序迅速讀取檢測信號內(nèi)容，規(guī)劃對應(yīng)的機械手質(zhì)量檢測軌跡[11- 14]。

4.2 軌跡跟蹤檢測

可視化設(shè)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(diào)度命令保持時間方面的一致[15- 17]。

在平面直角坐標(biāo)系中完成定點檢測任務(wù)后方可記錄機械手運行軌跡，沿著水利工程構(gòu)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(shù)在水利工程質(zhì)量檢測領(lǐng)域的可靠穩(wěn)定運用，本文設(shè)計無損檢測技術(shù)與傳統(tǒng)水利工程質(zhì)量檢測技術(shù)的對比實驗。

應(yīng)用空氣耦合換能器對水利工程建設(shè)材料進行質(zhì)量檢測過程中應(yīng)用超聲波技術(shù)將空氣中檢測信號傳輸至控制界面內(nèi)，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(yīng)用在水利工程原材料質(zhì)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(shè)定空氣耦合檢測技術(shù)檢測水利工程最底部建筑，將測試樣品表面產(chǎn)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(chǔ)上激勵波形峰值與周期，觀察樣品反射信號狀態(tài)，當(dāng)反射信號較標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量問題，區(qū)別于傳統(tǒng)檢測方法的是空氣耦合檢測技術(shù)能通過換能器將樣品的質(zhì)量狀態(tài)精準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jié)果可知，本文方法能夠?qū)z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(nèi)，文獻[1]、文獻[2]幅值保持在0.8～1以內(nèi)，當(dāng)樣品出現(xiàn)質(zhì)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(shù)對水利工程底部樣品進行質(zhì)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(zhì)量檢測準(zhǔn)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(jié)果如圖8所示。

圖8 檢測結(jié)果對比圖

本文方法對于加厚的樣品能夠精準(zhǔn)輸出波形幅值與時頻，當(dāng)超聲波發(fā)射器射入構(gòu)件厚度一定的樣品構(gòu)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(yuǎn)穿透在15mm左右。

6 結(jié)語

本文主要研究超聲波無損檢測技術(shù)、空氣耦合無損檢測技術(shù)和可視化設(shè)備無損檢測技術(shù)，對超聲波的時頻進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換與函數(shù)模擬，對檢測結(jié)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(shè)備機械手操作進行軌跡方面靈敏度補償，增強檢測結(jié)果真實性。文中研究的超聲波無損檢測等技術(shù)雖然能夠較大程度提升檢測效果，但是應(yīng)用場所具有較高的局限性，超聲波無損檢測技術(shù)需要應(yīng)用在超聲波傳播介質(zhì)良好環(huán)境中，空氣耦合無損檢測技術(shù)容易受到周邊環(huán)境影響，具有較高的技術(shù)難度，可視化設(shè)備的應(yīng)用需要具有穩(wěn)定的操控程序，這3種技術(shù)的應(yīng)用均需要結(jié)合實際情況進行應(yīng)用。