具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1为本发明非线性声场调制作用对混凝土构件微裂缝无损检测的装置组成测试方法及相关原理解释。基于宽频激励非线性声场调制对受压荷载作用下混凝土微裂缝损伤指标计算原理如下。

可实现被测试件的力学性能评价则微裂缝的内力为：

Δσ＝K(ξ)ξ (1a)

ξ＝U₊-U_- (1b)

ξ表示裂纹界面间距的变化量，U₊和U_-分别表示微裂缝两侧界面的形变量，K(ξ)表示弹性系数。K(ξ)的一阶泰勒展开式为：

K(ξ)＝K₀+K₁ξ (2)

假设微裂缝两侧的形变量非常小，则有K₁＜＜K₀。将式(2)代入式(1a)，则有：

Δσ＝K₀ξ+K₁ξ² (3)

其中，K₁为材料出现微裂缝后的非线性，可以被用来表征材料的损伤程度。

对多裂纹情况宽频振动调制下微裂缝引起的相关内应力进行推导。两列不同频率声波同时入射(图1所示)，在裂缝微元处激发的位移为：

u_h(x,t)＝U_h(x)cos2πf_ht (5)

固体介质中某一裂纹上取一无穷小段长度(单位微元)进行分析，

式中D表示裂缝微元处裂缝宽度，在调制超声信号的应力场影响下，其间距变化为：

将式(6)代入式(3)，则声波在裂缝微元处产生的内应力为式(7)所示。

由式(7)中推导最终单位微元所对应的内应力结果可知，系统的内力输出包括基频信号(系数K₀D所对应前两项，分别为宽频和高频的基频信号)、基频的二次谐波信号(系数所对应前两项，分别为宽频和高频的二阶谐波信号)、调制边频信号以及其它信号(系数4K₁D²项，分别为宽频与高频和宽频及宽频之间产生的调制信号)。

图1裂缝中选取一条裂缝研究，对缝全长(第k条裂缝长为s_k， k＝0,1,2,...,m)积分，对应在微裂缝上产生的内力计算如式(8)所示，对区域内的裂缝积分叠加即可得到该区域的系统的内力输出F，计算如式 (9)所示。

混凝土处于压缩开裂初期，微裂缝稳定产生及扩展，微裂缝两侧在宽频信号激励下可接触。此时引入裂缝密度表示多裂缝情况下混凝土材料单位面积内裂缝总长度。受压荷载下混凝土试件开裂改变微裂缝累计长度导致混凝土损伤的情况。裂纹密度定义为观测面积内的裂缝长度，式(10)给出。

其中，A为观测面积(单位：mm²)，L_i为裂纹长度(单位：mm)。则对于带裂缝区域的内力输出值F可由式表示为式(11)所示。

由该式可推出，在压缩开裂初期，随裂缝密度的增加，系统的内力输出包括基频信号、基频的二次谐波信号、调制边频信号以及其它信号，这些内力共同作用将产生应力波，对应计算的频域图中，频域信号幅值必然是增加的。

本发明主要采用宽频信号激励，频域信号的总体数量更为明显，故在本研究非线性响应数值时采用边频计数法计算在不同受压荷载作用下对应的边频数量占比值，计算公式如式(12)所示。

式中，N_peak(th)阈值之上的频率幅值数量，N_total所有频率幅值数量。

损伤指标(Damage Index，DI)的定义是材料损伤后的边带峰计数值(SPC_damage(th))减去材料无损时(这里指首次测定的基准数据)的边带峰计数值(SPC_intact(th))，如式(13)所示。本发明采用边带峰数量改变值来明确材料损伤程度(即微裂缝密度的改变情况)。

DI＝SPC_damage(th)-SPC_intact(th) (13)

通过立方体压缩试验在混凝土试件中制造压缩损伤裂缝，试验中以恒定加载速度0.5mm/min对试件向下加载(如：试件力-位移曲线如图2 所示)。

实施例2

如图3所示：本实施例中公开了一种基于宽频激励非线性声场调制的混凝土微裂缝检测系统，包括：图像采集机构、压力试验机构6、信号发射机构、信号采集机构和计算处理机构9；所述图像采集机构能够采集混凝土材料试件在压力试验机构6的压缩开裂实验中的全程图像数据和全程裂缝密度值数据；所述信号发射机构能够同时对处于压缩开裂实验中的混凝土材料试件发射高频信号和宽频信号。

压缩开裂实验中的混凝土材料试件在高频信号和宽频信号的作用下能够反馈产生应力波信号数据；所述信号采集机构能够采集所述应力波信号数据；所述计算处理机构9能够根据全程图像数据、全程裂缝密度值数据、压力试验机构6的测设压力数据和应力波信号数据，采用边带峰计数法计算出损伤指标值和裂缝密度值的对应方程解。

本实施例中所述信号发射机构包括：宽频激励器4、宽频信号发射探头3、函数发生器5和陶瓷压电片信号发射器；所述函数发生器5能够产生单一高频率的正弦波，并与所述陶瓷压电片信号发射器连接，能够借助于所述陶瓷压电片信号发射器向混凝土材料试件1的第一侧发射高频信号；所述宽频激励器4连接所述宽频信号发射探头3向混凝土材料试件1的第一侧发射宽频信号。

应说明的是：宽频信号发射探头设置在支架上，用以向混凝土材料试件1的第一侧发射高频信号。

本实施例中所述信号采集机构包括：示波器7和陶瓷压电片信号接收器；所述陶瓷压电片信号接收器设置在混凝土材料试件1另一侧接收应力波信号数据；所述陶瓷压电片信号接收器与所述示波器7连接，并能够将收到的应力波信号数据发送给所述示波器7；所述示波器7能够将收到的应力波信号数据发送给所述计算处理机构9。

本实施例中所述图像采集机构包括：相机10和三脚架11，以及照明光源12；所述相机10设置在所述三脚架11上，用以采集全程图像数据和全程裂缝密度值数据，并能够将采集到的全程图像数据和全程裂缝密度值数据发送给所述计算处理机构9。

本实施例中所述陶瓷压电片信号发射器和陶瓷压电片信号接收器均采用的是直径15mm，厚度4mm的陶瓷压电片；所述陶瓷压电片信号发射器和陶瓷压电片信号接收器均采用BOPP胶带对压电片进行包裹保护后采用 502在混凝土材料试件对侧粘贴，以保证压电片在检测过程中的完整性。

本实施例中宽频发射信号探头3与混凝土材料试件1之间的耦合剂为HC-98型医用超声耦合剂，主要成分是水性高分子凝胶；所述宽频发射信号探头3、陶瓷压电片信号发射器、陶瓷压电片信号接收器与待测混凝土材料试件之间能够实现实验全程的声学耦合。

本实施例中所陶瓷压电片信号发射器和陶瓷压电片信号接收器之间的距离为100mm-250mm。

本实施例中还提供一种基于上述实例中所述检测系统的混凝土材料微裂缝密度测试方法，包括如下步骤：

S1、借助于图像采集机构采集检测混凝土材料试件的压缩开裂全程图像数据，并进一步得到混凝土材料试件的微裂缝产生及扩展阶段的全程裂缝密度值数据；

S2、信号采集机构采集加载状态下混凝土材料试件的应力波信号数据；

计算处理机构根据采集到的应力波信号数据，采用边带峰计数法计算出混凝土材料试件在加载对应状态下非线性超声检测结果的损伤指标峰值；

S3、计算处理机构通过混凝土材料试件的对应裂缝密度值与损伤指标峰值回归得到对应回归方程，获得方程参数；

S4、对同配合比对应损伤指标值代入回归方程，计算得到对应开裂状态下的混凝土材料试件的微裂缝密度。

实例3

在准静态加载过程中，进行超声激励宽频调制的信号发射及接收，和DIC摄像拍照(采样频率为1Hz)获得试件开裂图像。试验系统主要包含万能加载试验机(SANS60T液压万能试验机)、发生器(DG1022U 型数字信号发生器)、示波器(TREK MDO3024型混合域数字示波器)、宽频激励器(ZBL-520非金属超声检测仪)、相机(佳能1200D)、照明和笔记本电脑等组成，整体试验装置如图3所示。

本发明选用压电陶瓷片(PZT)作为传感器和激励器，分别采用环氧树脂粘贴在试件左右面中心处，信号源1采用ZBLU520非金属超声检测仪发射500V，0.32ms脉宽的射频脉冲信号作为宽频信号，信号源2采用压电陶瓷换能器连接DG1022U型数字信号发生器发射幅值为15V周期为 50kHz的信号。紧挨信号源1的换能器与混凝土之间耦合剂为HC-98型医用超声耦合剂，主要成分是水性高分子凝胶。如图4所示，测量时试件始终处于受压状态，且为保证在测量时裂纹附近处的振动幅度基本一致，无损状态的测量在压力机启动且进入入口力2KN前的状态下进行。

利用本发明图4所示接收传感器所获得的信号，对归一化频域结果进行研究，以试件在0.14％峰值应力状态下为无损状态(图5(a)所示)，试件在峰值应力前的28.97％峰值应力状态下(图5(b)所示)作为有损状态示例。给出归一化频域图对比，如图5(c)所示。

对示波器采集到的信号输入到存储设备，保存格式为csv格式。打开 Matlab软件，运行代码，将文件中的数据进行滤波，引用对应文件数据，输入滤波带宽区间，运行计算。

将滤波后输出的超声波信号进行傅里叶变换，将时域信号转化为频域信号，分别通过捕捉频谱图上基波附近研究区间不同阈值对应的边频计数值，与无损状态的结果进行归一化做差，求出对应不同阈值下的损伤指标值。对照同时检测的DIC图像结果(图6所示)，得到对应损伤指标峰值和裂缝密度的数值关系(图7所示)。可知在压缩状态下，当损伤指标峰值计算结果为(0.02，0.2)区间时，可判断混凝土材料开始产生裂缝。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。