，，

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212000)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相較于其他建筑結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)固耐用，承重性好、抗剪切性強(qiáng)以及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于日常生活中。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)意義，而鋼筋質(zhì)量與結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量有較大關(guān)系，因此對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋進(jìn)行檢測(cè)尤為重要。

目前，對(duì)于混凝土內(nèi)部鋼筋的檢測(cè)方式主要有破墻檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。破墻檢測(cè)方式具有直觀精確的優(yōu)點(diǎn)，但檢測(cè)的同時(shí)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷；無(wú)損檢測(cè)可在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下完成檢測(cè)。應(yīng)用于混凝土鋼筋檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法包括超聲波法，電磁法，射線法等，因其不會(huì)對(duì)被檢測(cè)物造成損害，是發(fā)展最為迅速的檢測(cè)方法之一[1]。

鋼筋檢測(cè)裝置多采用電磁法中的渦流檢測(cè)法。渦流檢測(cè)具有裝置小型化、易于操作、檢測(cè)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。但由于渦流檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)一般都較為簡(jiǎn)單，對(duì)于鋼筋直徑的檢測(cè)存在困難，使用上還是存在局限性[2]。

筆者提出了一種基于線圈陣列的檢測(cè)方式，將過(guò)去較為簡(jiǎn)單的兩個(gè)線圈變?yōu)槎鄠€(gè)線圈，按一定結(jié)構(gòu)排列，并采用脈沖渦流檢測(cè)方式以提高檢驗(yàn)效率。該方法在完成鋼筋定位和保護(hù)層厚度檢測(cè)的同時(shí)，也能測(cè)量鋼筋直徑，通過(guò)軟件仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證該檢測(cè)方案具有一定的可行性。

1 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)的主要理論依據(jù)為電磁感應(yīng)原理。當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，或者處在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生自成閉合回路的感應(yīng)電流，稱為渦流[2]。因渦流是瞬變的，自身也會(huì)產(chǎn)生瞬變的磁場(chǎng)，檢測(cè)線圈受到該磁場(chǎng)的影響會(huì)產(chǎn)生阻抗的變化，通過(guò)這部分變化就可以得到鐵磁性被檢測(cè)物的部分性能指標(biāo)。

渦流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)有：檢測(cè)時(shí)無(wú)需接觸試件，且不需要耦合介質(zhì)；檢測(cè)速度快；由于導(dǎo)體和非導(dǎo)體的磁導(dǎo)率不同，渦流檢測(cè)能檢測(cè)金屬覆蓋層或非金屬保護(hù)層的厚度；檢測(cè)信號(hào)為電信號(hào)，有利于檢測(cè)結(jié)果的數(shù)字化處理。

1.1 正弦渦流測(cè)厚

渦流測(cè)厚技術(shù)利用的原理是渦流效應(yīng)中的提離效應(yīng)。當(dāng)線圈靠近導(dǎo)體試件時(shí)，線圈阻抗變化不僅與導(dǎo)體試件的磁導(dǎo)率、檢測(cè)頻率等因素有關(guān)，同時(shí)還受到線圈至試件表面距離變化的影響[3]。

傳統(tǒng)渦流測(cè)厚采用的是單一激勵(lì)頻率的正弦波。由于較高的激勵(lì)頻率可增大試件中由激勵(lì)產(chǎn)生的渦流密度，進(jìn)而增強(qiáng)渦流檢測(cè)的提離效應(yīng)，且可以抑制由于電導(dǎo)率變化所產(chǎn)生的影響，故工作頻率一般都較高。渦流滲透入導(dǎo)體的距離，通常稱為滲透深度，其同樣受到激勵(lì)頻率的影響。當(dāng)渦流密度衰減到其表面值的1/e時(shí)的滲透深度稱為標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δ，其公式為

(1)

式中：f為激勵(lì)頻率；μ0為真空磁導(dǎo)率，一般取μ0=4π×10-7H·m-1；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。

一般將標(biāo)準(zhǔn)滲透深度的2.6倍作為最大滲透深度，并以此衡量?jī)x器所能檢測(cè)的最大深度e[4-5]。

通過(guò)式(1)可以看出，標(biāo)準(zhǔn)滲透深度與激勵(lì)頻率成反比關(guān)系，激勵(lì)頻率越高，所能檢測(cè)的深度越有限。

1.2 脈沖渦流陣列檢測(cè)

脈沖渦流檢測(cè)的激勵(lì)信號(hào)采用的是具有一定占空比的方波信號(hào)。根據(jù)傅里葉信號(hào)展開(kāi)理論，脈沖渦流相比于傳統(tǒng)的正弦渦流具有更為豐富的頻譜特性，所攜帶的試件信息也更為豐富[6-7]。

渦流陣列的特點(diǎn)在于多線圈以特定方式排列，由于在不同位置上，不同特性的線圈所受到的脈沖渦流磁場(chǎng)的影響存在差別，故可通過(guò)多個(gè)線圈激勵(lì)與檢測(cè)的方式獲得鋼筋直徑與保護(hù)層厚度的信息，從而解決鋼筋直徑檢測(cè)的問(wèn)題[8]。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有極強(qiáng)的非線性擬合能力，且學(xué)習(xí)規(guī)則簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的魯棒性和記憶性，具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力[9-10]，常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了醫(yī)學(xué)應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)金融預(yù)測(cè)、圖像處理以及工業(yè)控制等多種場(chǎng)合。

BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也稱誤差反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)在于信號(hào)正向傳遞，誤差反向傳遞，其結(jié)構(gòu)模型示意如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)在于將誤差分?jǐn)偨o各個(gè)節(jié)點(diǎn)，易獲得誤差信號(hào)，進(jìn)而可對(duì)權(quán)值進(jìn)行有效修改。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大致可將其分為3層，即輸入層、中間層(隱含層)和輸出層；其中輸入層與輸出層固定為1層，而隱含層可有1層或多層，層與層的節(jié)點(diǎn)之間以權(quán)的方式連接，層內(nèi)部節(jié)點(diǎn)無(wú)連接。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型示意

相較于其他形式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于采用多層結(jié)構(gòu)方式，理論上可以逼近任意非線性函數(shù)。

3 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

檢測(cè)系統(tǒng)的組成主要包括3個(gè)部分：線圈傳感器部分、硬件電路部分以及單片機(jī)部分。線圈傳感器部分采用脈沖渦流陣列傳感器，特點(diǎn)在于使用多個(gè)不同電感、形狀和匝數(shù)的線圈，按照一定結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)渦流傳感器，脈沖渦流陣列傳感器可產(chǎn)生更多的激勵(lì)信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)，有利于鋼筋的相關(guān)檢測(cè)，在文中，線圈結(jié)構(gòu)的排列組合方式在鋼筋定位中起到了至關(guān)重要的作用。硬件電路部分的主要作用在于放大濾波處理。單片機(jī)模塊采用STM32單片機(jī)。

3.1 線圈傳感器設(shè)計(jì)

采用脈沖渦流檢測(cè)陣列的方式，檢測(cè)裝置由8個(gè)線圈組成，其中一個(gè)為激勵(lì)線圈A，3個(gè)主檢測(cè)線圈為B1，B2，B3，4個(gè)定位及輔助檢測(cè)線圈C1，C2，C3，C4。為了驗(yàn)證方案的合理性，采用ANSOFT MAXWELL軟件進(jìn)行模型仿真，線圈陣列結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 線圈陣列結(jié)構(gòu)示意

裝置激勵(lì)信號(hào)采用脈沖激勵(lì)，脈沖激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)在于具有豐富的頻率成分，可兼顧檢測(cè)深度和檢測(cè)精度，且方波的獲取相較于諧波更為簡(jiǎn)單。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要分為兩部分，激勵(lì)部分和信號(hào)放大部分。激勵(lì)部分電路采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的MOS管(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)電路，由于STM32管腳驅(qū)動(dòng)能力有限，故采用MOS管控制激勵(lì)線圈的通斷，以產(chǎn)生矩形波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。

信號(hào)放大電路主體為比例放大電路，輸入信號(hào)為各個(gè)檢測(cè)線圈的響應(yīng)信號(hào)，共7組。

3.3 單片機(jī)部分設(shè)計(jì)

采用的控制器為STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

STM32單片機(jī)作為硬件電路中激勵(lì)部分的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，可較為方便地通過(guò)PWM(脈沖寬度調(diào)制)方式產(chǎn)生矩形波信號(hào)。此外，該單片機(jī)具有較多的管腳資源，3個(gè)ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)模塊，共16個(gè)外部通道，滿足渦流脈沖檢測(cè)信號(hào)較多的需求。

經(jīng)ADC采樣完成后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)STM32單片機(jī)進(jìn)行累加處理，并通過(guò)自帶串口輸出上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[12]。

4 試驗(yàn)過(guò)程

4.1 檢測(cè)裝置與響應(yīng)信號(hào)

圖3為檢測(cè)裝置實(shí)物外觀。

圖3 檢測(cè)裝置實(shí)物外觀

圖4為試驗(yàn)的激勵(lì)信號(hào)，圖5為檢測(cè)線圈B1在無(wú)鋼筋情況下的響應(yīng)信號(hào)，圖6為檢測(cè)線圈B1在有鋼筋情況下響應(yīng)信號(hào)。

圖4 試驗(yàn)的激勵(lì)信號(hào)

圖5 檢測(cè)線圈B1無(wú)鋼筋情況下的響應(yīng)信號(hào)

圖6 檢測(cè)線圈B1在有鋼筋情況下的響應(yīng)信號(hào)

如圖4所示，tb時(shí)刻為激勵(lì)下降沿產(chǎn)生的時(shí)刻，tp為激勵(lì)上升沿產(chǎn)生的時(shí)刻。對(duì)比圖5和圖6可知，混凝土保護(hù)層厚度以及鋼筋直徑對(duì)于信號(hào)的影響主要體現(xiàn)在激勵(lì)下降沿tb時(shí)刻開(kāi)始至響應(yīng)信號(hào)歸零時(shí)刻tp這一區(qū)間內(nèi)，即激勵(lì)信號(hào)的低電平區(qū)。由圖6可知，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有鋼筋存在時(shí)，該區(qū)域檢測(cè)信號(hào)明顯下移，檢測(cè)線圈瞬態(tài)感應(yīng)電壓產(chǎn)生變化?？紤]到計(jì)算方便，采用積分方式將下降沿時(shí)刻至歸零時(shí)刻信號(hào)的積分s作為特征量，公式為

(2)

式中：U(t)為檢測(cè)信號(hào)。

積分后的s可較好地表述信號(hào)，且有利于減少樣本數(shù)量，方便單片機(jī)處理。

STM32單片機(jī)自帶12位ADC，可采集經(jīng)放大濾波后的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)，累加后得到一個(gè)無(wú)量綱量S，其意義等同于式(2)中的s。

4.2 保護(hù)層厚度與直徑檢測(cè)

圖7為檢測(cè)線圈B3在高度分別為5，15，30，45，60 mm，鋼筋直徑分別為6，8，10，12，14，16，18，22，25 mm時(shí)，單片機(jī)采樣輸出信號(hào)并累加的結(jié)果。

圖7 不同高度、不同鋼筋直徑時(shí)的B3線圈信號(hào)累加結(jié)果

圖8 不同高度、不同鋼筋直徑時(shí)的B2線圈信號(hào)累加結(jié)果

圖8為檢測(cè)線圈B2在高度分別為5，15，30，45，60 mm，鋼筋直徑分別為6，8，10，12，14，16，18，22，25 mm時(shí)，單片機(jī)采樣輸出信號(hào)并累加的結(jié)果。

結(jié)合圖7和圖8可知，信號(hào)S與保護(hù)層厚度L成正比，與鋼筋直徑D成反比，均呈現(xiàn)單調(diào)性。假設(shè)檢測(cè)線圈B3采樣累加值為SB3，則存在函數(shù)f(D，L)=SB3，其解分別為(D1，L1)，(D2，L2),…,(Dn，Ln)。同理，當(dāng)檢測(cè)線圈B2采樣累加值為SB2時(shí)，存在函數(shù)g(D，L)=SB2，其解分別為(1，1)，(2，2),…,(n，n)，其中必然存在一點(diǎn)(Dx，Lx)，使得(Dx，Lx)=(y，y)，此時(shí)Dx即為鋼筋直徑，Lx即為混凝土保護(hù)層厚度。

4.3 鋼筋定位

目前常見(jiàn)的鋼筋定位方式為差動(dòng)連接方式(見(jiàn)圖9)。差動(dòng)連接方式是將兩個(gè)線圈反向串聯(lián)，當(dāng)鋼筋處于兩個(gè)線圈中間位置時(shí)，兩線圈產(chǎn)生方向相反、大小相同的響應(yīng)信號(hào)，反向串聯(lián)后輸出為0，具有定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)在于線圈數(shù)量少，當(dāng)鋼筋處在線圈組的中心點(diǎn)時(shí)，無(wú)論鋼筋是何走向，輸出均為0，故僅能對(duì)鋼筋進(jìn)行簡(jiǎn)單定位，而對(duì)于鋼筋角度的偏差不敏感。

圖9 差動(dòng)連接方式示意

定位線圈為4個(gè)獨(dú)立線圈，圖10為鋼筋與線圈陣列位置示意。

圖10 鋼筋與線圈陣列位置示意

圖11 鋼筋定位信號(hào)累加結(jié)果

圖11為鋼筋定位信號(hào)累加結(jié)果。當(dāng)鋼筋處于檢測(cè)線圈C1正下方時(shí)，存在SC1>SC2；當(dāng)鋼筋處于檢測(cè)線圈C2正下方時(shí)，存在SC2>SC1。由于線圈呈對(duì)稱性排列，故C3，C4線圈的信號(hào)類似。故可通過(guò)4個(gè)檢測(cè)線圈之間的大小關(guān)系對(duì)鋼筋所在位置進(jìn)行判定，當(dāng)且僅當(dāng)SC1=SC2=SC3=SC4時(shí)，鋼筋位于裝置正下方，且與裝置長(zhǎng)邊平行走向，具有定位準(zhǔn)確，可對(duì)鋼筋走向進(jìn)行檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，從而解決了目前儀器對(duì)于鋼筋角度偏差不敏感的難題。

5 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般采用3層結(jié)構(gòu)，即輸入層、隱含層和輸出層。其中隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多易產(chǎn)生過(guò)擬合現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)少，網(wǎng)絡(luò)精度不足。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇規(guī)律一般遵循如下公式

(3)

式中：l為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；a為0～10之間的常數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為8，迭代次數(shù)設(shè)置為100，誤差目標(biāo)設(shè)置為0.000 1,神經(jīng)元激勵(lì)函數(shù)為

(4)

采用MATLAB軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱所提供的函數(shù)，newff函數(shù)創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其函數(shù)格式為newff[PR,(S1,…,Sn),(TF1,…,TFn),BTF,BLF,PF]，PR為R個(gè)輸入向量的范圍，即一個(gè)R*2的矩陣；Si為第i層的節(jié)點(diǎn)數(shù)；TFi為第i層的傳遞函數(shù)；BTF為訓(xùn)練函數(shù)；BLF為學(xué)習(xí)函數(shù)；PF為性能函數(shù)。

將目前采集到的4 042組數(shù)據(jù)隨機(jī)劃分為兩組，訓(xùn)練數(shù)據(jù)共3 900組，用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，驗(yàn)證數(shù)據(jù)142組，用于檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精度。

通常情況下，建立一個(gè)多輸入多輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便可對(duì)變量進(jìn)行有效識(shí)別。但若采用一個(gè)兩輸入兩輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于鋼筋保護(hù)層厚度識(shí)別效果非常差，猜想可能是由于鋼筋直徑對(duì)于渦流信號(hào)的影響以及混凝土保護(hù)層厚度對(duì)于渦流信號(hào)的影響的相互耦合，以至于對(duì)于保護(hù)層厚度的識(shí)別效果不佳?；谠摬孪耄捎媒蓚€(gè)多輸入單輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案，經(jīng)驗(yàn)證對(duì)混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋直徑具有一定的識(shí)別效果。

由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于鋼筋直徑識(shí)別準(zhǔn)確度較高，故首先建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)network1，其輸入為采樣的渦流信號(hào)積分組，輸出為鋼筋直徑的預(yù)測(cè)值(見(jiàn)圖12)，表1為直徑預(yù)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖12 鋼筋直徑預(yù)測(cè)結(jié)果

表1 鋼筋直徑預(yù)測(cè)結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù) mm

由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)network1可獲得鋼筋直徑預(yù)測(cè)值，將其和采集的渦流信號(hào)數(shù)據(jù)作為3個(gè)輸入量，建立3個(gè)輸入量，1個(gè)輸出量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)network2，其輸出為保護(hù)層厚度的預(yù)測(cè)值(見(jiàn)圖13)，表2為保護(hù)層厚度預(yù)測(cè)值的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖13 保護(hù)層厚度預(yù)測(cè)結(jié)果

表2 保護(hù)層厚度預(yù)測(cè)結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù) mm

6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果分析

均方根誤差(RMSE)是反映神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出精度的常見(jiàn)衡量指標(biāo)，均方根誤差越小，預(yù)測(cè)輸出和實(shí)際輸出越吻合，其計(jì)算公式為

(5)

式中：RMSE為均方根誤差；Xobs,i為預(yù)測(cè)輸出；Xmodel,i為期望輸出。

試驗(yàn)裝置測(cè)得保護(hù)層厚度的預(yù)測(cè)均方根誤差約為1.38，其誤差范圍在-3 ～5 mm之間(見(jiàn)圖14)。鋼筋直徑預(yù)測(cè)均方根誤差約為0.90，其誤差范圍約在-2.5～1.5 mm之間(見(jiàn)圖15)?？紤]到課題需同時(shí)兼顧混凝土保護(hù)層厚度的預(yù)測(cè)與直徑的預(yù)測(cè)，且受限于目前樣本量較小(在大數(shù)據(jù)量訓(xùn)練時(shí)，可進(jìn)一步提高檢測(cè)精度)，以及實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)x器精度誤差等原因，故該測(cè)量精度可接受。

圖14 保護(hù)層厚度預(yù)測(cè)誤差

圖15 鋼筋直徑預(yù)測(cè)誤差

7 結(jié)語(yǔ)

基于脈沖渦流陣列理論，設(shè)計(jì)了一種多線圈結(jié)構(gòu)裝置。通過(guò)軟件仿真，得出鋼筋的位置、直徑和保護(hù)層厚度均對(duì)檢測(cè)線圈中的脈沖渦流響應(yīng)信號(hào)有影響，并通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。試驗(yàn)中采集不同位置、不同保護(hù)層厚度、不同直徑的鋼筋數(shù)據(jù)，采用建立并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式獲得數(shù)學(xué)模型，彌補(bǔ)了目前同類型產(chǎn)品不能準(zhǔn)確定位缺陷，以及無(wú)法對(duì)鋼筋直徑進(jìn)行有效檢測(cè)的不足，對(duì)脈沖渦流檢測(cè)相關(guān)儀器的研制具有指導(dǎo)意義。