隨著電力基建工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鋼筋作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類建筑施工中的必需材料，其質(zhì)量直接影響著工程的質(zhì)量安全。鋼筋直徑是衡量鋼筋質(zhì)量的重要參數(shù)，因此，準(zhǔn)確測量鋼筋直徑成為保證電力基建工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
工程上鋼筋直徑檢測方法有破壞法和無損檢測法。無損檢測技術(shù)可[1-3]在不破壞材料結(jié)構(gòu)的前提下，獲取混凝土內(nèi)部的鋼筋信息。
常用的混凝土無損檢測方法有雷達(dá)波法、射線掃描法、電磁感應(yīng)法。
雷達(dá)波法[4-6]利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性，將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式發(fā)射至混凝土內(nèi)部，再利用接收天線接收反射波并進(jìn)行分析，從而確定材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。射線掃描法[7-8]主要是采用X射線和γ射線高能電磁波，通過設(shè)備加速器對待測構(gòu)件進(jìn)行穿透檢測，然后根據(jù)得到的圖像進(jìn)行判別和識別。這兩種方法存在儀器體積大、檢測成本高、可能對人員有傷害等弊端。
電磁感應(yīng)法[9-10]是利用電磁感應(yīng)原理，通過接收感應(yīng)回來的二次感應(yīng)磁場信號強(qiáng)度分析混凝土構(gòu)件中鋼筋的位置及保護(hù)層厚度，具有儀器設(shè)備小、造價低、對人體無危害等優(yōu)點(diǎn)。近年來，電磁渦流檢測技術(shù)受到越來越多的重視。
同時，為了提高精度，越來越多的智能算法應(yīng)用于鋼筋直徑檢測中，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-12]、GA-BP[13]改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM（支持向量機(jī)）[14]、SVR（支持向量回歸）[15]等。
相比于單一智能算法，集成算法[16]通過結(jié)合多個不同的基學(xué)習(xí)器，能夠減少單一模型的偏差和方差，從而顯著提高預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。此外，集成學(xué)習(xí)模型在處理噪聲和異常值時的表現(xiàn)也更加穩(wěn)定，能夠提高模型的泛化能力。在實(shí)際應(yīng)用中，集成算法在提升光纖陀螺溫度補(bǔ)償[17]、預(yù)測加工刀具[18]的剩余使用壽命等復(fù)雜問題上，表現(xiàn)出良好的性能。
針對提高檢測精度的目標(biāo)，文章提出了基于隨機(jī)森林-支持向量機(jī)Stacking集成算法的混凝土中鋼筋直徑渦流檢測方法。筆者首先設(shè)計了鋼筋直徑渦流動態(tài)檢測試驗(yàn)過程，獲得了檢測信號樣本，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后采用基于隨機(jī)森林-支持向量機(jī)的Stacking集成算法，構(gòu)建了混凝土鋼筋直徑預(yù)測算法。
1. 混凝土中鋼筋直徑渦流檢測原理
混凝土中鋼筋直徑渦流檢測技術(shù)基于法拉第電磁感應(yīng)原理[19-21]，通過測量因鐵磁性材料切割磁感線或處于變化磁場中而產(chǎn)生的渦流和感應(yīng)電壓來實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的檢測，其原理如圖1所示。
渦流檢測時，通過測量檢測線圈的感應(yīng)電壓變化，能夠推斷出鋼筋的特性。若將鋼筋直徑渦流檢測效應(yīng)類比為變壓器，鋼筋視作一個短路線圈，則鋼筋（短路線圈）與檢測線圈（變壓器的另一部分）之間的相互作用類似于變壓器的工作機(jī)制，渦流效應(yīng)等效圖如圖2所示。
如圖2所示，檢測線圈L1類比于變壓器一次側(cè)，R1為一次側(cè)的等效電阻。鋼筋的短路線圈L2類比于變壓器二次側(cè)，R2表示二次側(cè)的等效電阻。檢測線圈與鋼筋的短路線圈存在互感系數(shù)M，即
| ?=??1?2 | (1) |
式中：k為耦合系數(shù)，取值范圍為0~1；L1，L2為變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的等效電感。
由基爾霍夫定律
| {(?1+???1)?1-????2=?(?2+???2)?2-????1=0 | (2) |
| {?1?1-???2=??2?2-???1=0 | (3) |
式中：j為虛數(shù)單位，ω為角頻率，U為電壓。
令?1+???1=?1，?2+???2=?2，????1=??后得到一次側(cè)的等效阻抗Z為
| ?=?2?1?2-??2=?2+???2?1?2+??(?1?2+?1?2)-?2(?1?2-?2) | (4) |
即存在如下關(guān)系
| ?=?(?1，?1，?2，?2，?) | (5) |
根據(jù)式（1）~（5）可得，通過檢測線圈上的電壓、電流曲線可獲取一次側(cè)等效阻抗Z的特性。L1、R1反映了檢測線圈的特性。L2、R2反映了鋼筋的特性。M反映了檢測線圈與鋼筋之間的提離效應(yīng)特性。
綜上所述，合理地設(shè)計檢測線圈（即L1、R1固定），有規(guī)律地改變檢測線圈與鋼筋直徑的距離（M可變），獲取檢測線圈上的電壓、電流曲線（Z特性），則可分析出鋼筋的特性（例如直徑等）。
2. 鋼筋直徑渦流檢測試驗(yàn)設(shè)計
2.1 鋼筋直徑渦流檢測有限元模型
采用ANSYS MAXWELL電磁場仿真軟件建立鋼筋直徑渦流檢測的三維有限元模型（見圖3），研究在不同直徑鋼筋條件下的多陣列渦流檢測線圈響應(yīng)信號，實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋直徑檢測?；炷羺?shù)設(shè)置如表1所示。
| 參數(shù) | 混凝土 | 鋼筋 |
|---|---|---|
| 體電導(dǎo)率/（S · m-1） | 0.001 | 0.01 |
| 密度/（kg · m-3） | 2 300 | 4 600 |
| 相對介電常數(shù) | 7~10 | 1 000 |
多陣列渦流檢測線圈模型如圖4所示，最外圍的大線圈為激勵線圈，其中O1為激勵線圈的外半徑，O2為內(nèi)半徑，h為高度，N1為匝數(shù)。位于中心的圓形線圈為感應(yīng)線圈，其中r1為感應(yīng)線圈的外半徑，r2為內(nèi)半徑，h1為高度，N2為匝數(shù)。4個水平放置的圓形線圈為輔助線圈，其中a為4個輔助線圈的外半徑，b為內(nèi)半徑，h2為4個定位線圈的高度，N3為4個定位線圈的匝數(shù)，其參數(shù)設(shè)置如表2所示。
