Page 91 - 无损检测2025年第四期

王 硕，等：

基于集成算法的混凝土中钢筋直径涡流检测

雷达波法 [4-6] 利用电磁波在不同介质中的传播特
性，将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式发射至混
凝土内部，再利用接收天线接收反射波并进行分析，
从而确定材料的内部结构和状态。射线扫描法 [7-8] 主
要是采用X射线和γ射线高能电磁波，通过设备加速
器对待测构件进行穿透检测，然后根据得到的图像
进行判别和识别。这两种方法存在仪器体积大、检
测成本高、可能对人员有伤害等弊端。
电磁感应法 [9-10] 是利用电磁感应原理，通过接收
感应回来的二次感应磁场信号强度分析混凝土构件
中钢筋的位置及保护层厚度，具有仪器设备小、造价
低、对人体无危害等优点。近年来，电磁涡流检测技 图 1 钢筋涡流检测原理示意
术受到越来越多的重视。
同时，为了提高精度，越来越多的智能算法应用
于钢筋直径检测中，如BP神经网络 [11-12] 、GA-BP [13]
改进神经网络、SVM（支持向量机） 、SVR（支持
[14]
[15]
向量回归） 等。
相比于单一智能算法，集成算法 [16] 通过结合多
个不同的基学习器，能够减少单一模型的偏差和方 图 2 涡流效应等效图示意
差，从而显著提高预测模型的准确性。此外，集成学
R 1 为一次侧的等效电阻。钢筋的短路线圈L 类比于
习模型在处理噪声和异常值时的表现也更加稳定， 2
变压器二次侧，R 表示二次侧的等效电阻。检测线
能够提高模型的泛化能力。在实际应用中，集成算 2
圈与钢筋的短路线圈存在互感系数M，即
法在提升光纤陀螺温度补偿 、预测加工刀具 [18] 的
[17]
M
剩余使用寿命等复杂问题上，表现出良好的性能。 =k L L （1）
2
1
针对提高检测精度的目标，文章提出了基于随 式中：k为耦合系数，取值范围为0~1； L 1 ，L 为变压
机森林-支持向量机Stacking集成算法的混凝土中 器一次侧和二次侧的等效电感。 2
钢筋直径涡流检测方法。笔者首先设计了钢筋直径 由基尔霍夫定律
涡流动态检测试验过程，获得了检测信号样本，并进 ( R +j L I -j MI =U
ω 
ω
1
) 1
行了数据预处理，最后采用基于随机森林-支持向量  ( R 1  +j L I -j MI 2 （2）
ω
ω
机的Stacking集成算法，构建了混凝土钢筋直径预 2   2 ) 2 1 =0
测算法。 ZI - =Z I U

 1 1 M 2 （3）
1 混凝土中钢筋直径涡流检测原理   ZI -Z I 1 =0
M
22
混凝土中钢筋直径涡流检测技术基于法拉第电 式中：为虚数单位， ω 为角频率， U为电压。
j
ω
ω
磁感应原理 [19-21] ，通过测量因铁磁性材料切割磁感 令 R +j L =Z ， + R jωL = Z ， j MI =Z
1 1 1 2 2 2 1 M
线或处于变化磁场中而产生的涡流和感应电压来实 后得到一次侧的等效阻抗Z为
现材料结构的检测，其原理如图1所示。 Z
Z = 2 =
涡流检测时，通过测量检测线圈的感应电压变 ZZ -Z 2
2
化，能够推断出钢筋的特性。若将钢筋直径涡流检 R 1 +j L M （4）
ω
2 2
测效应类比为变压器，钢筋视作一个短路线圈，则钢 R R +j (R L +L R )-ω 2 (L L -M 2 )
ω
1 2 1 2 1 2 1 2
筋（短路线圈）与检测线圈（变压器的另一部分）之 即存在如下关系
间的相互作用类似于变压器的工作机制，涡流效应
（5）
等效图如图2所示。
如图2所示，检测线圈L 1 类比于变压器一次侧， 根据式（1）~（5）可得，通过检测线圈上的电压、
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2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测