基于激光技術(shù)的塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法

摘 要：為提高缺陷深度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)的運(yùn)行，引進(jìn)激光技術(shù)，以某塔式起重機(jī)為例，開展鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。布置激光檢測(cè)光路，設(shè)計(jì)激光掃描與檢測(cè)中的技術(shù)參數(shù)，將回波波形分解，進(jìn)行激光回波信號(hào)的處理。對(duì)處理后的激光回波信號(hào)進(jìn)行能量特征的提取，利用透射系數(shù)進(jìn)行表征缺陷深度的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)缺陷的識(shí)別，還能有效檢測(cè)到缺陷的深度，可以此種方式判定缺陷是否會(huì)對(duì)起重機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)造成影響。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；塔式起重機(jī)；鋼結(jié)構(gòu)；缺陷檢測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TN247" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2025）01-0090-03

0 引言

塔式起重機(jī)作為施工過(guò)程中的重要設(shè)備，在建筑工地上得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著使用頻率的增加和工作環(huán)境的復(fù)雜性，起重機(jī)的安全性和可靠性問題逐漸凸顯。現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法，如目視檢查和敲擊檢測(cè)，雖然在一定程度上能夠識(shí)別出一些明顯的缺陷，但其局限性也十分明顯。此類方法大多依賴檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，存在主觀性強(qiáng)、誤差大等問題。特別是對(duì)于那些細(xì)微的、難以察覺的缺陷，現(xiàn)有方法更是難以進(jìn)行有效判斷。

王虎[1]在研究中提出了鑄鋼件表面裂紋的形成與原材料質(zhì)量、鑄造工藝及設(shè)備性能等因素密切相關(guān)。為減少裂紋缺陷，采取了嚴(yán)格選材、優(yōu)化工藝流程以及確保設(shè)備性能達(dá)標(biāo)等措施。盡管選材嚴(yán)格，但原材料中的微量雜質(zhì)仍難以完全避免，可能對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。暢三軍[2]等人利用超聲波在不銹鋼復(fù)合板中的傳播特性，通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間和反射波的特性，判定焊縫中是否存在缺陷并確定其位置。但由于不銹鋼復(fù)合板的結(jié)構(gòu)特性，超聲波在兩種不同材質(zhì)的界面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反射和折射，導(dǎo)致定位精度受到一定影響。

本文引進(jìn)激光技術(shù)，以某塔式起重機(jī)為例，開展鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究，以此種方式提升檢測(cè)的智能化水平，提高檢測(cè)的精度和效率。

1 基于激光技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)布置

各組件的布置和協(xié)同工作對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)至關(guān)重要。其中激光發(fā)射器作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)發(fā)射激光束。激光束經(jīng)過(guò)波片（如半波片或1/4波片）進(jìn)行偏振態(tài)的調(diào)整，以確保激光束在后續(xù)的光路中具有適當(dāng)?shù)钠裉匦浴＜す馐?jīng)過(guò)柱面鏡時(shí)，柱面鏡可以將激光束轉(zhuǎn)換為線光源，在鋼結(jié)構(gòu)表面形成一條清晰的掃描線[3]。當(dāng)激光束照射到鋼結(jié)構(gòu)表面時(shí)，如果存在缺陷，激光束將會(huì)發(fā)生散射或反射。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)的采集，在實(shí)際應(yīng)用中，需要利用光檢測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將其輸出到示波器上進(jìn)行顯示與分析。觸發(fā)器用于控制激光發(fā)射器的脈沖發(fā)射，以確保激光束與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步。PBS（偏振分束器）可用于進(jìn)一步分離和分析不同偏振態(tài)的激光信號(hào)，以提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，以此為依據(jù)布置激光檢測(cè)光路。激光技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)布置如圖1所示。

按照?qǐng)D1所示的方式，完成缺陷檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的布置，為確保檢測(cè)結(jié)果的規(guī)范性，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)激光掃描與檢測(cè)過(guò)程中的技術(shù)參數(shù)。激光掃描與檢測(cè)中的技術(shù)參數(shù)如表1所示。按照表1的參數(shù)要求，完成激光檢測(cè)中的現(xiàn)場(chǎng)布置。

2 激光回波信號(hào)處理

考慮到通過(guò)上述方式采集的激光回波信號(hào)中攜帶大量冗余信息，會(huì)影響最終的缺陷檢測(cè)結(jié)果，因此在完成上述設(shè)計(jì)后，需要對(duì)激光回波信號(hào)進(jìn)行處理。其中回波信號(hào)通常可以表示為發(fā)射激光脈沖與地物目標(biāo)的卷積結(jié)果加上噪聲成分，可以將其表示為公式（1）。

（1）

式中：p表示回波信號(hào)；t表示信號(hào)采樣時(shí)刻點(diǎn)；s表示激光脈沖；h表示地物目標(biāo)的特征波形函數(shù)；n表示卷積函數(shù)。

在聲波檢測(cè)中，為了更精確地分析反射回波波形，引入波形分解方法，將復(fù)雜的反射回波波形分解為點(diǎn)光源輻射區(qū)域內(nèi)各目標(biāo)與所發(fā)出聲波的復(fù)合效應(yīng)[4]。在此過(guò)程中，通過(guò)對(duì)反射波形的分析，可以將其分解為多個(gè)成分，每個(gè)成分代表不同深度、大小或性質(zhì)的缺陷反射。將波形中的噪聲部分分離出來(lái)，以減少其對(duì)結(jié)果的影響。此過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中：f表示回波波形分解函數(shù)；b表示噪聲信號(hào)；α表示光斑的反射面數(shù)量；i表示信號(hào)分量。

完成上述處理后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行中值噪聲濾波處理，利用非線性濾波方法，減少噪聲對(duì)目標(biāo)檢測(cè)和距離測(cè)量的影響。去噪過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：y表示去噪處理；j表示滑動(dòng)窗口；m表示像素點(diǎn)的灰度值；r表示信號(hào)中值；s表示影響系數(shù)。

考慮到完成處理后的信號(hào)中可能存在其他條件或光路反射的信號(hào)，為排除其他信號(hào)的干擾，增強(qiáng)采樣信號(hào)的質(zhì)量，提取其中的價(jià)值信號(hào)，并去除其中的冗余部分，此過(guò)程如公式（4）所示。

（4）

式中：k表示價(jià)值信號(hào)提取；β表示窗口的維度。按照上述方式，完成激光回波信號(hào)的處理。

3 聲波能量特征提取與表征缺陷深度計(jì)算

完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)處理后的激光回波信號(hào)進(jìn)行能量特征的提取，能量可以通過(guò)聲波的頻率和振幅來(lái)計(jì)算[5]。計(jì)算公式如公式（5）所示。

（5）

式中：d表示回波信號(hào)聲波能量特征；x表示聲波的頻率；P表示聲波的振幅。掌握回波信號(hào)聲波能量的基礎(chǔ)上。

采用透射系數(shù)，進(jìn)行表征缺陷深度的描述。透射系數(shù)描述了聲波在穿過(guò)不同介質(zhì)或遇到界面（如缺陷）時(shí)，透射過(guò)去的那部分聲波與入射聲波能量之間的比例關(guān)系。在聲波檢測(cè)過(guò)程中，聲波遇到了瑕疵或缺陷，其中的一部分就會(huì)被反射回去，形成回波信號(hào)，而另一部分則會(huì)透射缺陷繼續(xù)傳播。透射系數(shù)是量化透射能量比例的關(guān)鍵參數(shù)。以此為依據(jù)，計(jì)算缺陷深度，計(jì)算公式如公式（6）所示。

（6）

式中：η表示缺陷深度；A表示透射系數(shù)；R表示信噪比。按照上述方式完成聲波能量特征提取與表征缺陷深度計(jì)算。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在完成缺陷檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)后，為了確保該方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，選擇一處正在作業(yè)的施工現(xiàn)場(chǎng)的大型塔式起重機(jī)設(shè)備作為本次研究的實(shí)際檢測(cè)對(duì)象。通過(guò)與施工方的深入溝通與交流，了解到該塔式起重機(jī)已連續(xù)投入使用超過(guò)2個(gè)月，期間經(jīng)歷了各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境和條件。

由于長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)作業(yè)以及復(fù)雜多變的施工環(huán)境，該塔式起重機(jī)的機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，不僅影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全造成潛在威脅。因此需要采取有效的措施，對(duì)該塔式起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的缺陷檢測(cè)。檢測(cè)前，對(duì)此設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析。具體如表2、表3所示。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法作為對(duì)照，對(duì)存在缺陷的塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。在已知鋼結(jié)構(gòu)不同位置缺陷深度的基礎(chǔ)上，應(yīng)用3種方法，在現(xiàn)場(chǎng)展開缺陷檢測(cè)作業(yè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

從表4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的方法，可以確保鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)結(jié)果與缺陷深度一致，而應(yīng)用文獻(xiàn)[1]方法，存在鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)結(jié)果與缺陷深度一致性較差的問題，應(yīng)用文獻(xiàn)[2]方法，存在部分細(xì)微鋼結(jié)構(gòu)缺陷無(wú)法被檢測(cè)的現(xiàn)象。

綜合分析，證明了本文設(shè)計(jì)的基于激光技術(shù)的檢測(cè)方法應(yīng)用效果良好，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)缺陷的識(shí)別，還能有效檢測(cè)到缺陷的深度，以此種方式，判定缺陷是否會(huì)對(duì)起重機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)造成影響，從而為施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備管理提供技術(shù)指導(dǎo)與幫助。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光技術(shù)以其高精度、高效率和非接觸性等特點(diǎn)，為塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)提供了新的解決思路。通過(guò)激光掃描系統(tǒng)，可以迅速獲取塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的表面形貌數(shù)據(jù)，并通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的精確識(shí)別和定位。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的推廣，本文引進(jìn)激光技術(shù)，以某塔式起重機(jī)設(shè)備為例，通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)布置、激光回波信號(hào)處理、聲波能量特征提取與表征缺陷深度計(jì)算，開展了鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。由于激光技術(shù)具有非接觸性特點(diǎn)，可以在不損害鋼結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行檢測(cè)，極大程度的降低了檢測(cè)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在后續(xù)工作中，加大對(duì)激光技術(shù)研究的投入，實(shí)現(xiàn)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)在材料加工、機(jī)械生產(chǎn)等更多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王虎.大型鑄鋼件表面裂紋缺陷的產(chǎn)生原因及控制措施：以某大型體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)用鑄鋼件為例[J].建設(shè)監(jiān)理，2024 （3）：79-82.

[2] 暢三軍，陳少波，劉紅亮.橋梁鋼結(jié)構(gòu)不銹鋼復(fù)合板對(duì)接焊縫超聲橫波檢測(cè)缺陷定位研究[J].無(wú)損探傷，2024，48（2）：22-24.

[3] 陳悅，潘學(xué)豪，鄧淋方.考慮殘余應(yīng)力影響的典型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)接焊縫缺陷定位研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2024，26（4）：112-120.

[4] 張玉彬，劉鵬謙，陳麗娜，等.基于YOLO v5的帶涂層鋼結(jié)構(gòu)亞表面缺陷脈沖渦流熱成像智能檢測(cè)[J].紅外技術(shù)，2023，45 （10）：1029-1037.

[5] 姜賀，許梁.正交異性鋼結(jié)構(gòu)橋梁面板焊接區(qū)缺陷空間視覺定位方法[J].焊接技術(shù)，2023，52（7）：112-116.

收稿日期：2024-06-27

作者簡(jiǎn)介：千坤（1986—），男，河南焦作人，本科，工程師，研究方向：塔式起重機(jī)機(jī)械工程。