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工程材料无损检测方法及装置

阅读：503发布：2021-02-24

IPRDB可以提供工程材料无损检测方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种工程材料无损检测方法及装置，该方法是利用一个无损检测装置将标准样品在模拟环境条件下置于CT机内，利用CT机对其进行断面扫描以得出其数值图像经验函数修正方程，再将被测材料装入装置内，模拟材料使用条件；再利用CT机对其扫描并记录处理图像，根据修正方程和已知的被测样品的各参数即可得到被测样品对X射线的吸收系数μ，从而得到修正后的μ值的CT图像值并进行计算机图像处理，定量给出材料在模拟实验条件下的工程性质；其装置是在一实验仓内设有各向温度、压力；本发明的方法可定量给出材料的力学性质，其装置结构简单、使用方便。，下面是工程材料无损检测方法及装置专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种工程材料无损检测方法，其特征是含有下述步骤：(1)利用一个工程材料无损检测装置将标准样品在模拟环境条件下置于CT机内，利用CT机对其进行多层位断面扫描以得出其数值图像经验函数修正方程：Hp＝(μ-1){1+fa(r) +fb(r-x)+fc[(R-x)，μ1]+fd[(r’-x)，μ2]}，式中Hp为标准样品的CT机的CT值， μ为标准样品对X射线的吸收系数，fa(r)为样品尺寸线性函数，fb(r-x)为X射线硬化积分函数；fc[(R-x)，μ1]为装置卷积函数，fd[(r’-x)，μ2]为介质卷积函数；其中各函数中R为产生卷积扩散的边界半径、x为被测点离扫描中心的距离、r为样品半径、r’为介质最大尺寸、μ1、μ2为装置和介质与样品X射线吸收系数之差；(2)将被测工程材料装入检测装置内，模拟工程材料使用条件施加各向荷载和温度变量；再利用CT机对其进行多层位、多次扫描并记录处理图像，根据修正方程和已知的被测样品的R、x、r、r’即可得到被测样品对X射线的吸收系数μ，从而得到修正后的μ值的CT图像值；(3)再根据模拟的实验条件，对修正后的CT图像进行计算机图像处理，从而可定量给出工程材料在模拟实验条件下的工程性质。

2、一种用于工程材料无损检测方法的装置，其特征是该装置是在底座(4) 上固定有仓体(10)，在仓体(10)内设有传热筒(8)，在仓体(10)与传热筒(8)之间设有侧向控温通道(9)，侧向控温通道(9)与侧向温液口(15)相连；在传热筒 (8)的两端分别设有静端盖(11)和动端盖(6)，在动端盖(6)和静端盖(11)上分别设有动端盖温液口(5)和静端盖温液口(12)；在动、静端盖(6)(11)之间放有试样(7)，在试样(7)的一端设有荷载探测器(14)；在动端盖(6)下设有活塞(3)；另在试样(7)侧边设有围压输入口(13)。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种工程材料无损检测方法及装置。

背景技术

在不同的温度、压力、荷载作用条件下，随着时间的变化，各种建筑工程材料(混凝土、冻土、岩石、冰、融土、塑料、高分子化工材料等)会发生结构变化或破坏，其破坏及变化过程是理论工作者和工程设计者十分关心的。以往的实验无法观测到试样内部变化的过程，往往使工程设计造成浪费或失败。
本发明的公开
本发明的目的是为了提供一种可在模拟实验条件下利用CT机对工程材料进行多层位断面动态扫描观测试验过程，并进行运算给出相应条件的工程材料的物理、力学性质参数，从而可为设计应用提供基本数据的工程材料无损检测方法。
本发明的另一目的还在于提供一种可供工程材料进行无损检测的模拟试样仓，其结构简单，轴向、侧向压力可调，且其轴向、侧向温度可调，使用方便的工程材料无损检测装置。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
一种工程材料无损检测方法含有下述步骤：(1)利用一个工程材料无损检测装置将标准样品在模拟环境条件下置于CT机内，利用CT机对其进行多层位断面扫描以得出其数值图像经验函数修正方程：Hp＝(μ-1){1+fa(r)+fb(r-x)+fc [(R-x)，μ1]+fd[(r’-x)，μ2]}，式中Hp为标准样品的CT机的CT值，μ为标准样品对X射线的吸收系数，fa(r)为样品尺寸线性函数，fb(r-x)为X射线硬化积分函数；fc[(R-x)，μ1]为装置卷积函数，fd[(r’-x)，μ2]为介质卷积函数；其中各函数中R为产生卷积扩散的边界半径、x为被测点离扫描中心的距离、r 为样品半径、r’为介质最大尺寸、μ1、μ2为装置和介质与样品X射线吸收系数之差；(2)将被测工程材料装入检测装置内，模拟工程材料使用条件施加各向荷载和温度变量；再利用CT机对其进行多层位、多次扫描并记录处理图像，根据修正方程和已知的被测样品的R、x、r、r’即可得到被测样品对X射线的吸收系数μ，从而得到修正后的μ值的CT图像值；(3)再根据模拟的实验条件，对修正后的CT图像进行计算机图像处理，从而可定量给出工程材料在模拟实验条件下的工程性质。
本发明的另一目的可通过如下措施来实现：
一种用于工程材料无损检测方法的装置，该装置是在底座上固定的仓体，在仓体内设有传热筒，在仓体与传热筒之间设有侧向控温通道，侧向控温通道与侧向温液口相连；在传热筒的两端分别设有静端盖和动端盖，在动端盖和静端盖上分别设有动端盖温液口和静端盖温液口；在动、静端盖之间放有试样，在试样的一端设有荷载探测器；在动端盖下设有活塞；另在试样侧边设有围压输入口。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明的检测方法是利用CT机的数值方程推导其适于工程材料检测的修正方程，通过对标准样品的扫描得到其修正方程的各函数性质，从而利用已知的修正方程和已知的模拟实验条件下扫描被测工程材料，得出其吸收系数，再记录原始图像进行修正即可得出其在模拟条件下的工程材料的动态变化，从而得出其工程性质，为工程材料的无损检测提出了一个新的可靠的方法。
2、本发明利用CT机及辅助装置在模拟一定实验条件下可不间断地测量扫描材料的动态变化过程。
3、本发明可定量修正CT图像数值，其检测方法可靠、可重复且不受样品条件影响。
4、本发明的装置的轴向、侧向的压力、温度可调，其结构简单、使用方便。
图面说明
本发明的具体结构由以下附图给出：
图1是本发明装置的结构示意图：
1-轴压输入口      2-活塞座       3-活塞         4-底座
5-动端盖温液口    6-动端盖       7-试样         8-传热筒
9-侧向控温通道    10-仓体        11-静端盖      12-静端盖温液口
13-围压输入口     14-荷载探测器  15-侧向温液口  16-围压区
本发明的实施方式
本发明还将结合附图1实施例作进一步详述：
实施例：
采用冻土进行无损检测，观察负温状态下建筑土基础承载破坏过程。为标定图像数据与冻土参数的关系，实验中改变已知冻土的尺寸、形状、摆放位置、密度及CT扫描条件，同时对各个图像进行逐点数据分析，并根据CT成像理论推导出比较准确的实用方程。步骤如下：
1、正如Housfield所规定的，物质对X线吸收系数μ与图像数据H成线性关系，即H＝(μ-1)×1000。而μ决定于物质的原子组分和密度，同时与X线阳级靶面和电压密切相关，冻土中主要参数是干容量和含水量，某种土含有不同组分的多种原子，不便依此计算其吸收系数。在一定的阳级电压和土质情况下，可以通过实验得出该土比重为1时的吸收系数μ’，简化Hw＝(μ-μw)/μw ×1000(1)，水的吸收系数设为1，则写出：μ＝γd(μ’+w)式中，γd为土的干容量，μ’为该土的X线吸收系数，通过试验得到兰州黄土μ’＝1.2178，w为含水量百分比。
2、实验说明，当样品与标准模型(直径25cm纯水)的尺寸和吸收系数不一致时，H值发生明显变化，比之于模型的过量吸收使H值减少，反之使H值增大，因此对(1)式加入修正项，Ha＝(μ-1)A(R’-r)：式中A是比例系数，R’是预吸收后扫描野等效半径，无实验仓时R’＝12.5，图1所示实验仓内R’＝6.18，仓内注油后R’＝4.23，r为样品半径。
3、CT图像中难免存在射线硬化伪影，这是因为当μ≠1时宽谱X射线中较软部分的吸收与模型有较大差异，无法完全校准，通过对均匀样品图像的逐点测量图像数据差异呈2次幂随位置变化，写出修正项Hb＝(μ-1)B[R2-(R+x-r)2)]；式中B为比例系数，x为测点离扫描中心的距离。
4、从图1的试验仓结构看到，为传递侧向温度的仓内铝套具有对x线很高的吸收系数(μ＝4)，由物理光学可知，卷积算法的点扩散函数会导致形如F＝f (x-x0)的数据变化，此变化会造成样品数据的改变，由多次试验推导出此修正项

Hc = \frac{C (μ_{0} - μ)}{{(R - x)}^{2 / 3}};

使用加铝套试验仓时μ0＝4。
5、与校准模型不一样(一般较之小)的样品其边缘也有较强烈的卷积效应，如其外围是较低密度的介质，样品边缘数据也以f(x-x0)的形式减小，同样经试验计算推导出修正项

Hd = \frac{D (μ - μ_{1})}{{(r - x)}^{2 / 3}};

注冷却油时μ1＝0.9，样品外为空气μ1＝0。综合1-5项，写出Hp＝[(μ-1)(1+A(R’-r)-B(R2-(R+x-r)2))

+ \frac{C (μ_{0} - μ)}{(R - x)} - \frac{D (μ - μ_{1})}{(r - x)}] \times 1000; (2)

式中A＝0.0379，B＝0.05547，D＝0.0168。
(2)式中反映了专用CT试验仓内样品的逐点数值方程，样品加试验仓的被测整体越接近标准模型，越可以省略掉一些修正项而回归到(1)式。在不同的试验条件下，需含有某些修正项，参数R’表示相对样品而言的外围环境，无试验仓时R’＝12.5，有仓或注油时R’相应减小。参数R为产生卷积扩散的边界半径。试验表明，(2)式对μ在0.1-3.5间，r在1.5-12.5间能比较准确的体现样品各点的CT数值，A，B，C，D四个常数在此条件下适用。
如何应用CT数值方程解决冻土实验科学问题是需要进一步分析的，对于一个断面而言，需要根据其CT值Hp和各环境参数反推μ，进而根据冻土物理过程和其它边界条件确定该点的干容量γ和含水量w，从这些量的变化详细考察亚微观状态下冻土内部的定量变化。另一方面，图像数据中极值点的变化，各部位数据方差的变化，各部位数据乃至全样品均值的变化都对冻土结构变化有明确的指示意义。以下对有一般分析意义的全样品均值进行计算推导：全样品均值是各点CT值的累积除以样品面积S

H = \int \int \frac{Hp}{s} = Σ \frac{Hp}{s}

A项是线性关系，其均值表现形式不变：Ha＝A(μ-1)(R-r)
B项积分算得：Hb＝B(μ-1)[(4/3)R·r-(5/6r2)]
C项积分算得：Hc＝6C(4-μ)[1/4(R-r)4/3-R(R-r)1/3+3/4R4/3]/r2
D项积分算得：Hd＝D(μ-μ0)[1/4(R-r)4/3-R(r-R)1/3]/r2
最后，将以上均值修正合并，得到H＝(μ-1+Ha-Hb+Hc-Hd)×1000(3)。
(2)式和(3)式既符合CT物理、数学概念，又经过相当的实验数据证实，表一是一些冻土样品的均值测量结果与计算结果的对照，从表一可见，测量和计算吻合的相当好。
表1各种试验条件土样CT均值的测量与计算比较试验条件 R’ r rd w％ μ Ha Hb Hc Hd H计 H测仓内满样 6.18 7.5 1.538 26 2.27 -51 -86 79 0 1218 1223 仓内小样 6.18 3.09 1.541 26 2.27 113 -70 31 -42 1310 1306 无仓大样 12.5 7.5 1.639 18 2.29 226 -228 0 -7 1282 1284 无仓中样 12.5 5.0 1.61 20 2.28 365 -182 0 -31 1430 1422 无仓小样 12.5 3.09 1.540 26 2.27 458 -126 0 -104 1506 1511 注油小样 4.23 3.1 1.519 27 2.26 52 -69 31 -25 1250 1253
由此可证实在实验各阶段试样内部各层位冻土内水份，土密度的变化过程，在不同温度下各种冻土承载能力，以及土样崩解的主要原因，可为不同地区工程建筑提供基本参数。
参照图1，一种用于工程材料无损检测方法的装置是在底座4上固定有仓体10 在仓体10内设有传热筒8，在仓体10与传热筒8之间设有侧向控温通道9，侧向控温通道9与侧向温液口15相连；在传热筒8的两端分别设有静端盖11和动端盖6，在动端盖6和静端盖11上分别设有动端盖温液口5和静端盖温液口12；在动、静端盖6、11之间放有试样7，在试样7的一端设有荷载探测器14；在动端盖6下设有活塞3；另在试样7侧边设有围压输入口13。

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