CN101363726B - 斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供的是一套斜拉索表面水膜/水线超声波测厚系统。其硬件系统包括工控机，A/D高速数据采集卡，脉冲发射接收器，DC稳压电源，超声波换能器及其固定装置，可旋转45度反射面(由微型马达+45度反射面组成)及其固定装置；软件系统包括数据采集系统。本发明利用可旋转45度反射面，基于超声波反射原理，对斜拉索表面的水膜/水线进行实时监测。超声波测厚是一种无损监测，因此本发明不会影响斜拉索表面水膜/水线的形成和运动，能够实时地得到斜拉索表面水膜/水线的厚度、宽度、形状以及振动特性，具有结构简单、安全可靠、便于实际应用等优点。

Description

斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统

(一)技术领域

本发明涉及桥梁建筑技术，具体说就是一种斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统。

(二)背景技术

1988年，日本的Hikami在Meikonishi斜拉索上发现一种不同于以往的大幅值斜拉索振动，称之为风雨激振。风雨激振是迄今为止发现的斜拉索上最为剧烈的一种振动，最大幅值达到2m。近三十年来，陆续在全世界各地的斜拉桥上发现这种大幅值的斜拉索风雨激振。因此研究斜拉索风雨激振的发生机理具有重要意义。

风雨激振是在风和雨共同作用下产生的，但是只发生于一定的雨量和风速。现场观测和风洞试验的结果表明，斜拉索发生风雨激振时会在其表面形成上下两条水线，上水线沿着环向振动是斜拉索风雨激振发生和维持的重要原因。因此测量和研究水线的几何特性和振动特性对揭示斜拉索风雨激振的机理具有重要意义。目前，研究和测试水线对斜拉索风雨激振的影响，主要是通过在斜拉索表面粘贴人工水线，对斜拉索进行测压和测力试验，得到斜拉索的气动力系数。这个方法没有反映水线和斜拉索的耦合振动，而且人工水线不管是在厚度、宽度、形状，还是在振动特性上都不能实时反映水线的变化。

2003年，法国Cosentino等人采用探针的方法对风雨激振时上水线进行测量，他们在斜拉索表面上水线区域每隔5°粘贴一对探针，利用电流强度是水厚度函数的关系测量探针处的水厚。采用这种方法时，假设要保证测量水线在宽度方向的精度就必须布置足够多而密的探针，但这样一来，密集的探针必然阻扰水线的形成和运动，因此这种测量方法不能同时保证水线厚度和宽度方向的精度，也就不能很好地跟踪水线的运动，而且只是在局部区域进行测量，不能得到斜拉索环向一周的水膜/水线。

(三)、发明内容

本发明的目的在于提供一种既能实时测量斜拉索发生风雨激振时表面水线的真实形状和振动特性、又不会干扰水线在其表面的形成和振动的斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统。

本发明的目的是这样实现的：斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统由软件系统和硬件系统组成；软件系统为数据采集程序采用Bland C++语言编写，在风雨激振的过程中实时不间断地采集水膜/水线厚度；硬件系统包括斜拉索模型外装置和斜拉索模型内装置。

本发明斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统的工作方法，工作流程如下：

(1)工控机启动数据采集程序，通过A/D数据转换卡发出指令给脉冲发射接收器；

(2)脉冲发射接收器给超声波换能器发出一个高电压，在高电压作用下，超声波换能器发生晶振从而产生超声波脉冲；

(3)超声波脉冲在水线/水膜上下表面发生两次反射，其回波信号通过超声波换能器和脉冲发射接收器转换成低电压信号传递给A/D高速数据转换卡；

(4)通过A/D转换，将信号以数字形式进行存储。

本发明斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统，具有以下技术特征：(1)所述的斜拉索模型外装置17由工控机18、A/D高速数据转换卡19、脉冲发射接收器20和直流稳压电源21组成；直流稳压电源21分别连接工控机18、A/D高速数据转换卡19、脉冲发射接收器20，工控机18连接A/D高速数据转换卡19，A/D高速数据转换卡19连接脉冲发射接收器20。其中斜拉索模型使用有机玻璃管模型11。

(2)所述的斜拉索模型内装置22包括旋转反射面装置15和超声波换能器装置16；旋转反射面装置15位于超声波换能器装置16上方。

(3)所述的旋转反射面装置15包括固定装置1、上支撑柱2、支撑盖板3、参考柱4、微型马达9、45度反射面8；参考柱4连接支撑盖板3，45度反射面8连接微型马达9，微型马达9连接支撑盖板3，支撑盖板3连接上支撑柱2，上支撑柱2连接固定装置1，固定装置1连接有机玻璃管模型11。

(4)所述的超声波换能器装置16由换能器10、固定支撑盖板5、下支撑柱6和固定件7组成；换能器10连接固定支撑盖板5，固定支撑盖板5连接下支撑柱6下支撑柱6连接固定件7，固定件7连接有机玻璃管模型11。

本发明应用超声波测厚原理，组建一套适用于测量斜拉索表面水膜/水线几何特性与振动特性的超声波测厚系统。采用超声波测厚系统不仅可以得到拉索表面水膜/水线的厚度、宽度和形状，而且可以得到水线在斜拉索表面的振动特性，并与斜拉索的振动进行同步分析。本发明属于无损监测，能够实时测量到斜拉索发生风雨激振时其表面水线的真实形状和振动特性，而又不会干扰水线在其表面的形成和振动。具有精度高，操作简便，系统集成度高和实时监测的特点。

(四)附图说明

图1为本发明斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统示意图；

图2为本发明硬件系统斜拉索模型外装置和斜拉索模型内装置连接示意图；

图3为本发明斜拉索模型内装置结构图。

(五)、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明专利做进一步说明

超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当超声波换能器发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回超声波换能器，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。水是一种连续介质，超声波在水中传播能量损失极小，被测物体厚度(假设为水)可用下式表示：

$\mathrm{\δ}=\frac{v\×\mathrm{\Δt}}{2}$

式中v为声波在水中的传播速度，Δt为被测水膜/水线上下表面反射回波的时间差，δ为被测水线/水膜的厚度。

实施例1，结合图1，本发明斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统由软件系统和硬件系统组成。软件系统包括数据采集程序和数据处理程序，采集程序采用Bland C++语言编写，在风雨激振的过程中实时不间断地采集水膜/水线厚度，其数据量巨大；数据处理程序采用Matlab编写，对水膜/水线厚度数据进行海量处理。硬件系统分为斜拉索模型外装置和模型内装置。斜拉索模型外装置包括：工控机，A/D高速数据转换卡，脉冲接收发射器和直流稳压电源；斜拉索模型内装置由超声波换能器，45度反射面和微型马达等组成。

实施例2，结合图2，本发明所述的斜拉索模型外装置的工控机主要是运行采集程序，保存由A/D高速数据转换卡转换过来的海量数据，要求硬盘为大容量(500G以上)，高速(10000转以上)。A/D高速数据转换卡功能是将电压信号转换成数字信号，根据超声波换能器的晶振频率来选配转换卡的采集速度。脉冲接收发射器的功能是给超声波换能器发射一个高电压脉冲，使换能器上的晶片发生高频率振动(例如10MHz)从而产生高频超声波脉冲信号。同时超波声换能器能够接收从被测的水膜/水线上下表面反射回来的超声波回波信号，将回波信号传递给脉冲发射接收器。

实施例3，结合图1，本发明斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统其工作流程是：工控机启动采集程序，通过A/D数据转换卡发出指令给脉冲发射接收器，脉冲发射接收器给超声波换能器发出一个高电压，在高电压作用下，换能器发生晶振从而产生超声波脉冲。然后超声波脉冲在水线/水膜上下表面发生两次反射，其回波信号通过超声波换能器和脉冲发射接收器转换成低电压信号传递给A/D高速数据转换卡，最后通过A/D转换，将信号以数字形式进行存储。

实施例4，结合图3，为了监测斜拉索表面环向一周的水线分布，在图3中超声波换能器的对面安装一个45度的反射面，二者轴线重合。此反射面可以将超声波换能器发射发出的超声波脉冲反射到斜拉索模型(有机玻璃管)管内壁，经过有机玻璃管，超声波脉冲在水膜/水线上下面形成两次反射；两次反射的信号，通过有机玻璃管到达45度反射面，经反射后由超声波换能器接收，再经脉冲发射接收器和A/D高速数据转换卡传至工控机进行存储。当45度反射面静止不动时，本发明的超声波测厚系统只能测试到一点水线/水膜厚度；而当45度反射面在微型马达带动下做高速旋转时，超声波测厚系统能够在较短的时间内测试拉索表面环向一周的水线分布。当微型马达的转速为600rpm时，超声波测厚系统仅用0.1s就能完成一周的测试。当超声波测厚系统扫描一周的时间不变时(假设为0.1s)，拉索环向的测点数由脉冲发射接收器的重复频率来决定，重复频率是指1s内脉冲发射接收器所能产生高电压脉冲，一个高电压脉冲只能使超声波换能器产生一个高频超声波脉冲。当脉冲发射接收器的重复频率为2000Hz，同时微型马达的转速为600rpm时(微型马达转一圈时间为0.1s)，则拉索环向的测点数为200个。因此拉索环向水膜/水线的测点数由微型马达的转速和脉冲发射接收器的重复频率同时决定。

本发明斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统，属于无损监测，能够实时测量到斜拉索发生风雨激振时其表面水线的真实形状和振动特性，而又不会干扰水线在其表面的形成和振动。超声波测厚系统参数设定：水中声速为v(m/s)，脉冲发射接收器的重复频率设为f_RP(Hz)，微型马达的转速为ω(rpm)，A/D数据转换卡的采样频率为f(Hz)，斜拉索直径为D(m)。本发明在水线厚度方向的精度 $a_T=\frac{v}{2f}$ (m)，在水线宽度方向的精度为 $a_W=\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ω}}{60f_{\mathrm{RP}}}D\left(m\right).$ 当f＝15MHz和v为1485m/s时，a_T＝0.0495mm；当ω为600rpm，f_RP为2000Hz和D为0.1m时，a_W＝1.57mm。

Claims (4)

1.一种斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统，由软件系统和硬件系统组成，其特征在于：软件系统包括数据采集程序和数据处理程序，数据采集程序采用Bland C++语言编写，在风雨激振的过程中实时不间断地采集水膜/水线厚度，硬件系统包括斜拉索模型外装置和斜拉索模型内装置，所述的斜拉索模型外装置(17)由工控机(18)、A/D高速数据转换卡(19)、脉冲发射接收器(20)和直流稳压电源(21)组成，直流稳压电源(21)分别连接工控机(18)、A/D高速数据转换卡(19)、脉冲发射接收器(20)，工控机(18)连接A/D高速数据转换卡(19)，A/D高速数据转换卡(19)连接脉冲发射接收器(20)，所述的斜拉索模型内装置(22)包括旋转反射面装置(15)和超声波换能器装置(16)，旋转反射面装置(15)位于超声波换能器装置(16)上方。

2.根据权利要求1所述的斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统，其特征在于：所述斜拉索模型为有机玻璃管模型，所述的旋转反射面装置(15)包括固定装置(1)、上支撑柱(2)、支撑盖板(3)、参考柱(4)、微型马达(9)和45度反射面(8)，参考柱(4)连接支撑盖板(3)，45度反射面(8)连接微型马达(9)，微型马达(9)连接支撑盖板(3)，支撑盖板(3)连接上支撑柱(2)，上支撑柱(2)连接固定装置(1)，固定装置(1)连接有机玻璃管模型(11)。

3.根据权利要求1所述的斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统，其特征在于：所述斜拉索模型为有机玻璃管模型，所述的超声波换能器装置(16)由换能器(10)、固定支撑盖板(5)、下支撑柱(6)和固定件(7)组成，换能器(10)连接固定支撑盖板(5)，固定支撑盖板(5)连接下支撑柱(6)，下支撑柱(6)连接固定件(7)，固定件(7)连接有机玻璃管模型(11)。

4.根据权利要求1所述的斜拉索表面水膜/水线的超声波测厚系统，其特征在于：其工作流程如下：

(1)工控机启动数据采集程序，通过A/D高速数据转换卡发出指令给脉冲发射接收器；

(2)脉冲发射接收器给超声波换能器发出一个高电压，在高电压作用下，超声波换能器发生晶振从而产生超声波脉冲；

(3)超声波脉冲在水线/水膜上下表面发生两次反射，其回波信号通过超声波换能器和脉冲发射接收器转换成低电压信号传递给A/D高速数据转换卡；

(4)通过A/D转换，将回波信号以数字形式进行存储。

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