技术摘要：
本发明提供一种石质文物裂隙的原位、无损检测方法，包括将待检测石质文物划分网格；测量纵波在发射网格和接收网格间的传播时间t和直线距离x，作t‑x图；在几何图中分别用直线将发射网格发射面的中心点与两个接收网格接收面的中心点连接，在几何图中得到多个相交的区域  全部
背景技术：
我国是一个拥有几千年文明历史的文明古国，在我国众多的石质文物保护中，检 测出石质文物的裂隙深度和倾斜的角度，对分析石质文物的物理和力学性质、判断石质文 物劣化程度和制定保护对策起着基础性的作用，对科学地保护石质文物具有重要意义。 由于石质文物的不可再生性和珍贵性，对石质文物的裂隙检测要求不能对文物产 生破坏，即检测应该是无损的。当前，针对文物裂隙深度和倾斜角度的无损检测主要有CT扫 描和X射线探伤等方法。CT扫描和X射线探伤方法可以精确地得到裂隙的深度，分布和形态 等特征，但是受限于X射线对石质文物等高密度材料的穿透能力，通常只能检测小于十几、 二十厘米尺寸级别的物体。另外，CT扫描和X射线探伤辐射较大，危害检测人员的身心健康， 并且CT一般不能在原位对石质文物进行检测。CT扫描和X射线探伤的方法检测尺度有限、检 测仪器昂贵且有放射性，难以实现广泛的运用。 得益于超声波技术对被检测物体无损伤，对检测人员安全和检测设备可移动等特 点，目前基于超声波的技术已经广泛用于石质文物的检测和评价。然而，目前基于超声波的 检测方法大多用于对石质文物的风化程度进行定性或半定量地分类，比如，国家文物局发 布的《WW/T  0063-2015石质文物保护工程勘察规范》建议以超声波速来评价石质文物的风 化程度。马涛等人于2002年在《文物保护与考古科学》发表了《乾陵石刻内部裂隙的超声波 探测研究》论文提出了网格法和层析法；然而，该方法只能根据由超声波通过裂隙岩的时间 和通过同样长度无裂隙岩的时间的比值建立的“表面法”公式对裂隙深度进行估算，该方法 能够估计内部裂隙发育区域，但是准确度有一定局限，难以对裂隙的长度和倾斜角度进行 准确检测；同时该方法对被检测物体的几何形状有要求，一般被检测剖面需要为圆形，椭圆 形，正方形，或长方形。马宏林等2015年在《文博文保科技》发表《超声波速分析及首波幅度 分析方法在石质文物裂隙检测中的应用》，根据波速分析和首波幅度估计裂隙位置；这种分 析方法依赖主观经验，只能得到裂隙大致分布。张中俭等于2014年在《工程勘察》发表的《基 于超声波法的石质文物表面裂隙深度测量》的论文，提出了通过测量纵波波速计算出垂直 于文物表面裂隙深度，或者通过测量纵波波速和三维扫描相结合计算出斜交于文物表面的 裂隙深度。然而，该方法有如下不足：(1)在实际运用中每次测量裂隙均需要求解繁琐的三 角方程组，(2)需要假定裂隙的倾斜角度为90°，或者用罗盘测量或三维激光扫描仪测点计 算倾斜角度后，通过纵波波速的数据来计算石质文物表面裂隙的深度，(3)该方法不能测量 文物内部的裂隙和孔洞的深度或倾斜方向，(4)该方法需要假定石质文物的纵波波速值为 一个定值，然而由于石质文物岩石材料的不均一性质，不同部位石质文物的纵波波速是不 相同的，即不是一个定值。 还有学者提出利用横波方法检测裂隙特征，然而目前横波换能器昂贵、横波耦合 4 CN 111579646 A 说　明　书 2/8 页 剂对石质文物有污染，同时横波的测试条件要求较高，比如需要给予被测对象一定的压力 以达到较好的耦合效果。另外，横波的滤波和读数过程由于受纵波反射波等叠加影响，确定 横波的首波比较困难，甚至不同检测人员会得出不同的结果。所以，横波方法不适合石质文 物裂隙特征的检测。 因此，亟需发明一种石质文物裂隙的原位、无损检测方法，能够安全、方便、广泛地 测量石质文物内部和表面的裂隙长度及倾斜角度。
技术实现要素：
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于基于纵波探测技术和文物几何形貌，提 供一种适用于检测石质文物裂隙长度和倾斜角度的方法，用以解决现有的石质文物裂隙检 测困难的问题。该方法基于目前成熟的纵波波速探测技术、被检测物体的几何形貌和表面 网格划分，通过确定t-x图中的偏离点和回归点所对应的网格，由作图即可确定裂纹的长度 和倾斜角度。 为实现上述目的，本发明采用了如下检测原理: 当使用纵波检测时，发射探头所发射的纵波沿着最短距离到达接收探头所用的时 间最短。对于含有裂隙的石质文物，接收探头所接收的第一个纵波是经过岩石固体最短路 径到达的波，这个原理记做“最短路径传播原理”。 根据最短路径传播原理，说明该方法的技术方案如下： 本发明的技术方案如下： 一种石质文物裂隙的原位、无损检测方法，包括如下步骤： 步骤1，测量待检测石质文物的几何形状和尺寸，绘制石质文物的几何图，初始划 分网格； 步骤2，根据步骤1所得到的几何图，测量待检测石质文物外观无裂隙且表面相对 平整的部位的纵波波速，具体为任意选取不同的位置，分别测量纵波传播时间t和对应的直 线距离x，得到一组数据点(t,x)，作t-x图，拟合得到一条直线； 步骤3，测量待检测石质文物可能存在裂隙的部位的纵波波速，具体为在石质文物 可能含有裂隙的部位意选定一个网格作为发射网格，其他网格分别作为接收网格，测量纵 波在发射网格和接收网格间的传播时间t，同时测量发射网格发射面的中心点与接收网格 接收面的中心点之间的直线距离x，得到一组数据点(t,x)，作t-x图； 步骤4，在步骤3所述的t-x图中找出偏离步骤2所述直线前的最后一个直线点和回 归所述直线后的第一个直线点，得到该两个直线点所对应的两个接收网格，在步骤1所述的 几何图中分别用直线将发射网格发射面的中心点与该两个接收网格接收面的中心点连接， 得到两条边界线，两条边界线与石质文物轮廓线构成第一区域； 步骤5，对于出露裂隙，在石质文物可能含有裂隙的部位另取一个网格作为发射网 格，重复步骤3和步骤4，在所述几何图中得到第二区域，第一区域与第二区域相交，连接由 两条边界线相交构成的交点和裂隙出露点，该连线即为裂隙； 对于未出露裂隙，在石质文物可能含有裂隙的部位另取两个网格作为发射网格， 重复步骤3和步骤4，在所述几何图中得到第二区域和第三区域，第一区域、第二区域以及第 三区域相交，连接各由三条边界线相交构成的2个交点，该连线即为裂隙； 5 CN 111579646 A 说　明　书 3/8 页 步骤6，在几何图中测量所得裂隙的长度，以及测量裂隙与选定表面的夹角得到裂 隙倾斜角度。 进一步地，步骤1中，将网格按顺序编号，步骤3中将各个接收网格测量得到的纵波 传播时间t、直线距离x建立表格，使得“网格号-时间t-距离x”三者一一对应，用表中的时间 t和距离x数据点(t,x)绘制t-x图。 进一步地，步骤4中，在步骤3所述的t-x图中找出偏离所述直线前的最后一个直线 点和回归所述直线后的第一个直线点的坐标，通过坐标找出对应的网格编号，在步骤1所述 的几何图中标出相应的网格，分别用直线将发射网格发射面的中心点与两个接收网格接收 面的中心点连接，得到两条边界线，两条边界线与石质文物轮廓线构成一个区域。 进一步地，步骤1中，对于规则石质文物，用钢尺测量其几何形状和尺寸；对于不规 则石质文物，利用三维激光扫描仪进行测量，或者利用等比例拍照投影的方法进行测量。 进一步地，步骤2、步骤3和步骤5中，利用声波测试仪测量纵波在发射网格和接收 网格间的传播时间t，并且在发射换能器、接收换能器与被测石质文物之间涂抹无污染、易 去除的耦合剂。 进一步地，步骤4中，首先在t-x图中找出偏离直线后的第一个偏离点和回归直线 前的最后一个偏离点，以偏离直线后的第一个偏离点确定偏离直线前的最后一个直线点， 以回归直线前的最后一个偏离点确定回归直线后的第一个直线点。 进一步地，在t-x图中判断坐标点是否为偏离点时，根据石材种类选择坐标点1～2 倍方差作为判断的临界点。 进一步地，步骤5中，另取发射网格时，前后两个发射网格的距离为步骤1所述几何 图中待检测石质文物剖面周长的三分之一到五分之一。 进一步地，步骤5中，采用逐步加密法提高精度，即在按照初始网格测量得到裂隙 后，加密步骤5两个区域或三个区域的各自边界线所属接收网格两侧各2至3个网格，将待加 密网格沿着测量剖面方向把每个网格二等分，重复步骤3和步骤4，直到检测的裂隙长度和 倾斜角度精度达到要求。 本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种适用于检测石质文物裂隙 长度和倾斜角度的方法，用以解决现有的石质文物裂隙检测困难的问题，由作图即可确定 裂纹的长度和倾斜角度，操作方便，应用广泛，无污染。具体而言，本发明至少具有如下实际 效果： (1)本发明基于目前成熟的纵波波速探测技术以及被检测物体的几何形貌和表面 网格划分，对文物无损，对被检测物体几何形状无限制。 (2)本发明所述方法既能在实验室条件下检测又能在原位进行检测，且可以根据 实际需要调节精度。 (3)本发明所述方法可适用的被检测物体尺寸跨度广，可检测的文物尺度从数十 厘米至数米。 (4)本发明所述方法可以检测垂直于表面的裂隙长度，也可以检测斜交于表面的 裂隙长度和倾斜角度，还可以检测石质文物内部裂隙的长度和倾斜角度，这是已存在的超 声波方法不具有的一个优势。 (5)本方法利用纵波波速进行石质文物裂隙特征的检测，由于纵波传播最快，在波 6 CN 111579646 A 说　明　书 4/8 页 形图上首先出现，读数准确性和可靠性高；同时本发明检测裂隙不依赖于纵波首波波形，结 果客观可重复性更强。 (6)本发明没有假设裂隙特征参数，确定裂隙过程中数据没有采用近似变换处理， 结果可靠性更高，同时本发明通过图解法确定裂隙特征，所述方法方便简单，仅需作图就可 求出裂隙深度和倾斜角度，无需利用公式进行计算。 (7)相比于X射线的方法，本发明检测仪器无辐射，对检测人员安全。 附图说明 为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方 式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅 仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图引伸获得其它的实施附图。 本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供 熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的 实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功 效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。 图1为本发明一个实施例石质文物含有表面裂隙的检测原理图； 图2为图1的t-x图； 图3为本发明一个实施例石质文物含有一般内部裂隙的检测原理图； 图4为图3的t-x图； 图5为本发明一个实施例石质文物的网格划分立体示意图； 图6为本发明一个实施例石质文物的网格划分及预制裂隙平面示意图(如细实线 段pq 所示)； 图7为本发明一个实施例石质文物无裂隙部位所测数据的t-x图和回归直线图； 图8为本发明一个实施例石质文物检测数据的t-x图，其中图8a为B发射沿路径B- C-D  接收的数据图，图8b为C发射沿路径C-B-A接收的数据图； 图9为本发明一个实施例石质文物检测得到的裂隙示意图(如粗实线段PQ所示)； 图10为本发明逐步加密法中对区域边界线所对应网格两侧网格的加密示意图。 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。 其中附图标记说明： 100-待测样品，200-网格面中心点，300-发射换能器或，400-接收换能器，500-预 制裂隙。