Page 92 - 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

电流曲线可获取一次侧等效阻抗Z的特性。L 、R 1 表2 多阵列涡流检测线圈参数设置
1
反映了检测线圈的特性。L 、R 反映了钢筋的特性。 参数 激励线圈 感应线圈 辅助线圈
2
2
M反映了检测线圈与钢筋之间的提离效应特性。 外径 R 1 =240 mm r 1 =80 mm a=47 mm
综上所述，合理地设计检测线圈（即L 、R 固 内径 R 2 =220 mm r 2 =70 mm b=45 mm
1
1
定），有规律地改变检测线圈与钢筋直径的距离（M 高度 h=10 mm h 1 =5 mm h 2 =5 mm
匝数 N 1 =340 N 2 =340 N 3 =110
可变），获取检测线圈上的电压、电流曲线（Z特性），
则可分析出钢筋的特性（例如直径等）。 2.2 钢筋直径涡流动态检测试验过程
采用涡流检测技术测量钢筋直径，当探头与钢
2 钢筋直径涡流检测试验设计
筋之间的距离变化时，涡流的分布和强度会发生改
2.1 钢筋直径涡流检测有限元模型 变，从而使得感应电压也随之变化，笔者据此设计
采用ANSYS MAXWELL电磁场仿真软件建立 动态检测试验过程，寻找钢筋直径在不同提离高度
钢筋直径涡流检测的三维有限元模型（见图3），研 处时与检测线圈上响应信号的对应关系，具体步骤
究在不同直径钢筋条件下的多阵列涡流检测线圈响 如下。
应信号，实现混凝土中钢筋直径检测。混凝土参数 （1）步骤1：选择激励信号。采用正弦波作为激
设置如表1所示。 励信号，加载到激励线圈上。激励电压为12 V，频
率为1 000 Hz。
（2）步骤2：在固定钢筋直径下动态测量。固定
钢筋直径，例如在钢筋直径为6 mm的情况下，多阵
列涡流检测线圈从提离高度15 mm到35 mm动态等
间隔地选取21个位置点进行测量，获取感应线圈和
4个辅助线圈的电压响应信号。
图 3 钢筋直径涡流检测有限元模型示意 （3）步骤3：多组钢筋直径下动态测量。
采用国家标准钢筋10组， 直径分别为6，6. 5，8，
表1 混凝土参数设置
12，14，16，18，20，22，25 mm，重复步骤2的动态测
参数 混凝土 钢筋
量过程。
体电导率/（S · m ） 0.001 0.01
-1
密度/（kg · m ） 2 300 4 600 通过上述动态检测试验过程，共采集 210个样
-3
相对介电常数 7~10 1 000 本，采集的部分样本参数如表3所示。
多阵列涡流检测线圈模型如图4所示，最外围 3 基于集成算法的钢筋直径预测算法
的大线圈为激励线圈，其中O 为激励线圈的外半径，
1
O 为内半径，h为高度，N 为匝数。位于中心的圆形 3.1 算法描述
1
2
线圈为感应线圈，其中r 为感应线圈的外半径，r 为 采用Stacking集成学习框架（见图5）进行钢筋
1 2
内半径，h 为高度，N 为匝数。4个水平放置的圆形 直径预测，该框架通过结合多个基学习器的预测结
1
2
线圈为辅助线圈，其中a为4个辅助线圈的外半径，b 果，并使用这些结果作为新特征输入到元学习器中，
为内半径，h 为4个定位线圈的高度，N 为4个定位 以提高模型的预测性能。
2 3
线圈的匝数，其参数设置如表2所示。 （1）数据预处理
采用钢筋直径作为模型输出，将提离高度、辅助
线圈1~4的电压幅值、感应线圈电压幅值作为模型
输入。对模型输入、输出进行标准化处理，以消除量
纲影响。
标准化公式为

x - μ
z = （6）
σ
图 4 多阵列涡流检测线圈模型示意 式中：z为标准化后的值；x为原始数据； μ 为数据的

58
2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测