CN103076393A - 敲击扫描式桥梁损伤检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种敲击扫描式桥梁损伤检测系统，包括：移动小车，能够在待测桥梁上移动；敲击子系统，设于所述移动小车，所述敲击子系统用于向待测桥梁施加敲击载荷；信号采集子系统，设于所述移动小车，所述信号采集子系统用于采集待测桥梁传递到所述移动小车上的响应信号；信号处理装置，连接所述信号采集子系统，接收所述信号采集系统所采集的信号并进行处理，输出桥梁损伤信息处理结果，本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统能够简便、高效且高精度地检测桥梁损伤。

Description

敲击扫描式桥梁损伤检测系统
技术领域
本发明涉及桥梁损伤检测系统，特别是涉及一种敲击扫描式桥梁损伤检测系统。
背景技术
伴随着科技的进步以及交通运输需求的提高，各式公路及轨道交通用桥梁的数量飞速增长，这些桥梁在使用的过程中，不断受到温度变化、强风、降雨等外界环境的侵蚀，同时受到车辆载荷、车辆冲击的长期反复作用，并且部分桥梁还会遭到洪水、地震等自然灾害的损伤，随着使用年限的增加，桥梁普遍出现不同程度的疲劳效应和老化现象，桥体累积了大量的外界损伤，导致很多桥梁成为一定意义上的危桥，国内外的桥梁均出现过大量的垮塌实例，严重的威胁到了人们的生命安全和财产安全，所以，实时有效的对桥梁进行损伤检测十分重要。
从实施周期和检测精度角度来说，桥梁检测主要包括定期检测和实时监测两种方式：定期检测，如人工检测、桥梁动静载试验等，这种方式精度虽高，但是时间间隔长，不利于及时发现桥梁病害，同时需要中断桥梁交通，实施难度高；实时监测，如一些桥梁健康监测系统，此种方式虽然实时性好，但是精度低、成本高，因此较难在短时期内得到广泛的使用。
从实际操作的角度来说，现有的桥梁损伤识别技术可以分为离线局部检测和在线整体监测两种方式：离线局部检测是指在桥梁不工作时，采用无损检测手段，如肉眼观察、超声波、电磁涡流、X射线等，来仔细探测结构中的损伤，此类方法检测精度较高，但是往往需要中断交通，影响桥梁的正常工作，且需要事先知道损伤的大概位置，存在检测死角，检测效率低；在线整体监测则是在桥梁结构内预置传感器，实时的获取结构响应信号，来推断其中的损伤情况，此种方法虽然不需要中断桥梁交通，但检测精度较低，并且还存在传感器的安装、海量信号的传输与存储以及传感器的抗噪性、耐久性等问题。
鉴于上述情况,亟需研发一种简便高效、高精度的桥梁检测方案。本设计人借其多年相关领域的技术经验以及丰富的专业知识，不断研发改进，并经大量的实践验证，提出了本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种敲击扫描式桥梁损伤检测系统，能够简便、高效且高精度地检测桥梁损伤。
为了实现上述目的，本发明提供了一种敲击扫描式桥梁损伤检测系统，包括：移动小车，能够在待测桥梁上移动；敲击子系统，设于所述移动小车，所述敲击子系统用于向待测桥梁施加敲击载荷；信号采集子系统，设于所述移动小车，所述信号采集子系统用于采集待测桥梁传递到所述移动小车上的响应信号；信号处理装置，连接所述信号采集子系统，接收所述信号采集系统所采集的信号并进行处理，输出桥梁损伤信息处理结果。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，还包括一驱动装置，所述移动小车连接所述驱动装置，并由所述驱动装置驱动而在待测桥梁上移动。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述移动小车包括：车身；车轮，设置于所述车身，所述车轮为刚性轮盘且直接接触待测桥梁表面。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述车轮包括一个前车轮和两个后车轮，所述前车轮位于所述移动小车的纵向车身轴线上，两个所述后车轮对称地设于所述纵向车身轴线的两侧。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述敲击子系统包括：敲击装置，固设于所述移动小车上，所述敲击装置用于产生敲击载荷并施加于待测桥梁；敲击控制装置，连接于所述敲击装置，用于控制所述敲击装置以产生预定的敲击载荷。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述敲击装置为激振器，所述激振器固设于所述移动小车的车身上，所述激振器产生的激振力作用于所述移动小车的车身，通过所述移动小车将敲击载荷传递到待测桥梁。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述信号采集子系统包括一个或者多个信号拾取装置，所述信号拾取装置设置于所述移动小车上，用于采集待测桥梁传递到所述移动小车上的响应信号。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述信号拾取装置为加速度传感器。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述加速度传感器设有一个，其设置于所述移动小车两个所述后车轮的通轴上。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述加速度传感器位于所述通轴的中间位置，所述敲击装置位于所述加速度传感器的正上方。
优选的，上述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其中，所述信号处理装置包括：谱图获取装置，连接于所述信号拾取装置，用于对所述信号拾取装置检测到的信号进行变换处理，以获取在桥梁表面的每个位置处的信号谱图；谱图包络线截取装置，用于从所述信号谱图中截取与所述敲击装置的敲击力频段相对应的谱图包络线；损伤指示值计算装置，根据所述截取的谱图包络线来计算待测桥梁表面的每个位置处的损伤指示值；损伤位置确定装置，根据待测桥梁表面的每个位置处的所述损伤指示值来确定结构中的损伤位置。
本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统至少具有以下优点及特点：
1、本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统具有严格的理论基础，其在待测桥梁上扫描一遍即可获得检测信号，并可根据检测信号经过相应的处理转换而得到桥梁的损伤信息，不需要预先知道桥梁损伤的大致位置，也不需要预先知道桥梁未损时的状态，操作简单易行，效率高。通过本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统的检测，即可方便快捷地掌握桥梁损伤情况，从而及时发现桥梁隐患，避免桥梁事故的发生。
2、本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统的灵敏度很高，检测时间短且不需要特殊的检测条件，检测精度高，成本低廉，与上述现有的桥梁检测方式相比，是集合了各种现有检测方式的优点，且避免了其缺陷。
3、本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统抗干扰性很强，进行桥梁检测时不需要中断桥梁交通即可得到准确的检测结果，可实施性强且不影响桥梁的正常交通运输功能。
4、本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统在进行桥梁检测之前，不需要事先知道桥梁结构的完整特征信息，即可方便快捷的实施检测。
5、本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统结构简单，检测时所需的人力成本低，且能够适应各种检测环境，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统组成示意图；
图2为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统一实施例的敲击子系统设于移动小车结构示意图；
图3为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统一实施例的信号检测装置设于移动小车结构示意图；
图4为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统一实施例的检测信号频谱示意图。
主要元件标号说明：
1   移动小车
10  驱动装置
11  车身
12  前车轮
13  后车轮
14  通轴
2   敲击子系统
21  敲击装置
22  敲击控制装置
3   信号采集子系统
31  信号拾取装置
4   信号处理装置
L   车身轴线
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。
请参考图1，为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统组成示意图，如图所示，本发明的敲击扫描式桥梁损伤检测系统主要包括：移动小车1，能够在待测桥梁上移动；敲击子系统2，设于移动小车1，能够随移动小车1一同运动，敲击子系统2主要用于向待测桥梁施加敲击载荷，并且其能够在移动小车1在待测桥梁移动的同时向待测桥梁施加敲击载荷；信号采集子系统3，设于移动小车1，用于采集待测桥梁传递到移动小车1上的敲击载荷的响应信号；信号处理装置4，连接信号采集系统3，接收信号采集系统3所采集到的信号并进行处理，输出反映桥梁损伤信息的处理结果。
移动小车1承载敲击子系统2，带动其在待测桥梁上移动，在移动小车1行走的同时，载敲击子系统2可持续施加敲击载荷，以实现对整个待测桥梁的敲击扫描。移动小车1可连接一驱动装置10，并由该驱动装置10驱动而在待测桥梁上移动，本实施例中，驱动装置10为一牵引车辆，牵引移动小车1运动。在其他实施例中，移动小车1也可自身具有动力，而可在桥梁上移动。另外，为了后期能够方便准确的确定桥梁损伤位置，驱动装置10和移动小车1应尽量保持匀速运动。
请参考图2，为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统一实施例的敲击子系统设于移动小车结构示意图，如图所示，敲击子系统2包括敲击装置21和敲击控制装置22，其中敲击装置21固设于移动小车1上，敲击装置21用于产生敲击载荷并施加于待测桥梁，本实施例中，敲击装置21为激振器，激振器固设于移动小车1的车身11上，激振器的产生的激振力直接作用于移动小车1的车身11，通过移动小车的车身及车轮等将敲击载荷传递到待测桥梁的桥面，也就是说，移动小车1除了提供支承作用之外，还负责传递由激振器产生的敲击载荷，所以，移动小车本身应经过特殊设计以降低或者完全消除对敲击载荷的缓冲作用，使敲击载荷能够完整有效地传递到待测桥梁，例如本实施例中，移动小车1可设计为刚性车身，车身各零部件之间采用固接方式连接，车轮设置于车身下方或两侧，车轮为刚性轮盘(如钢制轮盘)，车轮外缘无塑胶轮胎等缓冲部件，也就是说刚性轮盘外缘直接接触待测桥梁表面，小车悬挂系统进行改进，以上述结构来避免过滤掉敲击载荷，进一步优选的，移动小车的前车轮12设有一个，后车轮13设有两个，前车轮12位于移动小车的纵向车身轴线L上，两个后车轮13对称地设于车身轴线L的两侧，前车轮12和两个后车轮13形成等腰三角形，从而使移动小车1的移动更加稳定，并且当车身承受敲击载荷时，小车依然能够稳定前行，不发生跳动或者颠簸。
上述的激振器已为常规器件，市面上有多种规格可供选择，故其结构及功能不再详细说明。
敲击控制装置22与敲击装置21连接，其用于控制敲击装置21，例如其敲击的频率以及敲击力的幅值等等，使敲击装置能够将预定频段及预定幅值的敲击载荷施加到移动小车车身上，或者说是待测桥梁上，本实施例中敲击装置21为激振器，敲击控制装置22相应的为激振器控制器，其结构和原理已为常规技术，不再赘述。
请结合参考图3，为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统一实施例的信号采集子系统设于移动小车的结构示意图。如图所示，信号采集子系统设于移动小车1，用于采集待测桥梁传递到移动小车1上的响应信号，此处移动小车1又起到了传递桥梁响应信号的作用，所以进一步要求移动小车优选为刚性结构，如上所述，具有足够的刚性从而不削减响应信号的传递，并且移动小车的这种刚性结构使得其本身也不会产生干扰信号，影响信号采集子系统3的信号采集。
信号采集子系统3可包括一个或者多个信号拾取装置31，信号拾取装置31可直接设置于移动小车1上，用于直接采集待测桥梁传递到移动小车1上的敲击载荷的响应信号，信号拾取装置31可为传感器，例如常见的加速度传感器、速度传感器、位移传感器等。本实施例中，信号拾取装置31为加速度传感器，其设置有一个，该加速度传感器可设置于移动小车1上的任何位置，而为了使信号采集的灵敏度最高、精确度最高，优选的，加速度传感器设置于移动小车2两个后车轮13的通轴14上，且敲击装置21(即激振器)位于加速度传感器的正上方，一般来说，激振器为直接固设于移动小车车身11的中部位置，而加速度传感器则是位于通轴14的中间位置，此位置能够采集到最佳的敲击载荷的响应信号。
当然，信号拾取装置31所采用的种类、所设置的数量及位置等，都可以根据实际环境和需要进行灵活调整，本领域技术人员可根据上述公开的实施例内容变通出多种实施例，但其均应属于本发明的保护范围。
信号处理装置4连接信号采集系统3，接收其采集到的桥梁敲击载荷的响应信号并进行处理，输出反应桥梁损伤信息的处理结果。信号处理装置4可为一计算机系统，实际应用中，计算机系统可通过一常规的信号采集设备与移动小车上的传感器相连，以获得信号。为了获得高质量的检测数据，可选配高精度的数据采集卡，若为多通道数据采集，还应保证各个数据采集通道的同步性。本实施例中，信号拾取装置31为加速度传感器，所采集到的信号应为移动小车1所走过的待测桥梁的敲击响应加速度频谱，参考图4，为本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统一实施例的检测信号频谱示意图，相应的，本实施例的信号处理装置可包括有：谱图获取装置、谱图包络线截取装置、损伤指示值计算装置和损伤位置确定装置。
其中，谱图获取装置，连接于信号拾取装置31，即加速度传感器，用于对加速度传感器检测到的信号进行变换处理，以获取在桥梁表面的每个位置处的加速度信号谱图。具体来说，谱图获取装置根据检测精度的要求和实际环境情况，可以将待测桥梁表面划分为多个小部分，移动小车1带动敲击子系统2和信号采集子系统3扫描过每一个桥梁表面部分均需要一段时间，这期间，传感器所获取的信号对应为该段时间上的传感器信号分布，随后，谱图获取装置对一系列的传感器信号在时间上的分布进行变换处理，以获取上述信号相应的在频率域或者尺度域上的表示，上述的变换处理可利用现有的相关技术领域的常规变换处理进行，例如，该变换可以是短时傅立叶变换或小波变换等等。经过变换，谱图获取装置可获取对应桥梁表面的每个位置部分处的信号频谱或尺度谱。
谱图包络线截取装置从谱图获取装置所获取的信号谱图中截取与敲击装置的敲击力频段相对应的谱图包络线。
损伤指示值计算装置根据所截取的谱图包络线来计算待测桥梁表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度。计算损伤指示值的方法可有多种，根据本发明的一个实施例，可如下述来计算损伤指示值：首先将截取的谱图包络线转换为谱图向量，此步骤可以通过获取谱图包络线中的多个频率处的幅值作为谱图向量的分量来进行转换。谱图向量的分量数量可以根据检测精度以及系统的处理性能等来确定。分量对应的频率可以均匀分布在谱图包络线的频段中，也可以不均匀分布，但是，对于待测桥梁而言，每个位置处的频段选择方式应该是相同的；之后，可以利用MAC系数来获取损伤指示值，MAC系数矩阵的计算公式为：
MAC ( i , j ) = Y i · Y j | Y i | × | Y j |
其中Yi和Yj分别表示在桥梁结构上的第i个和第j个部分的谱图向量，Yi·Yj表示谱图向量的内积运算，︱Yi︱和︱Yj︱表示向量Yi和Yj的长度。MAC系数矩阵中的每个元素都表示了两个谱图向量之间的相似程度，其中对角线上的元素一定等于1。MAC系数矩阵的第i行或第i列元素的大小就能反映出对应于某个谱图向量Yi的损伤情况，因而也就是该谱图向量Yi所对应位置的损伤指示值。
损伤位置确定装置根据待测桥梁表面的每个位置处的损伤指示值来确定结构中的损伤位置。例如，损伤位置确定装置可以将损伤指示值发生突然下降的位置确定为存在损伤的位置，由于若没有结构损伤，那么损伤指示值的图形曲线应该是比较光滑的，如果曲线在某处出现突然下降，也就说明该处存在损伤，下降的幅度越大，损伤也就越严重。
经过信号处理装置的上述一系列的处理，即可得到桥梁损伤的信息，例如损伤的程度以及位置等等，关于更加详细的数据检测及处理内容和原理，在现有的相关专利中已有公开，不再过多赘述。
另外，本发明的检测系统可在不中断桥梁交通的情况下使用，因此需要设置信号分离模块和噪声过滤模块对检测信号进行处理，以提高信号的信噪比，得到理想的信号检测结果。
上述的敲击控制装置22和信号处理装置4可整合为一个计算机系统，而该计算机系统可整合到驱动装置10之中。
下面结合图1至图3来说明本发明敲击扫描式桥梁损伤检测系统的简单应用：由驱动装置10牵引移动小车1在待测桥梁上移动，同时，设置于移动小车1上的敲击装置21在敲击控制装置22的控制下对车身施加敲击载荷，敲击载荷的频率及大小均应符合预期，敲击载荷由小车车身、车轮传递而最终施加于待测桥梁，移动小车所走过的桥面，均受到敲击扫描。待测桥梁受到敲击载荷的同时，将作出反馈，产生如加速度、位移、速度等的响应信号，由于桥梁表面和移动小车的相互作用，该响应信号同样由小车进行传递，而最终由设置于小车上的信号拾取装置31采集获得，该响应信号的瞬时值大小等将可反映待测桥梁在敲击位置处的结构特征，本实施例中信号拾取装置为加速度传感器，则采集获得的响应信号为加速度频谱。由信号拾取装置31采集获得的桥梁响应信号最终被传送至信号处理装置4，经过相应的信号过滤、信号转换、数据整理、数据换算等等，最终输出能够反应桥梁损伤信息的处理结果。本发明检测系统的整个检测过程只需要移动小车对待测桥梁扫描一遍即可获得检测信号，操作简单易行，效率高，检测精度高，成本低，不需要中断桥梁交通即可得到准确的检测结果，可实施性强，通过本发明的桥梁损伤检测系统，可方便快捷的掌握桥梁损伤情况，从而及时发现桥梁隐患，避免桥梁事故的发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，包括：
移动小车，能够在待测桥梁上移动；
敲击子系统，设于所述移动小车，所述敲击子系统用于向待测桥梁施加敲击载荷；
信号采集子系统，设于所述移动小车，所述信号采集子系统用于采集待测桥梁传递到所述移动小车上的响应信号；
信号处理装置，连接所述信号采集子系统，接收所述信号采集系统所采集的信号并进行处理，输出桥梁损伤信息处理结果。
2.根据权利要求1所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，还包括一驱动装置，所述移动小车连接所述驱动装置，并由所述驱动装置驱动而在待测桥梁上移动。
3.根据权利要求1所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述移动小车包括：
车身；
车轮，设置于所述车身，所述车轮为刚性轮盘且直接接触待测桥梁表面。
4.根据权利要求3所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述车轮包括一个前车轮和两个后车轮，所述前车轮位于所述移动小车的纵向车身轴线上，两个所述后车轮对称地设于所述纵向车身轴线的两侧。
5.根据权利要求1至4任一项所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述敲击子系统包括：
敲击装置，固设于所述移动小车上，所述敲击装置用于产生敲击载荷并施加于待测桥梁；
敲击控制装置，连接于所述敲击装置，用于控制所述敲击装置以产生预定的敲击载荷。
6.根据权利要求5所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述敲击装置为激振器，所述激振器固设于所述移动小车的车身上，所述激振器产生的激振力作用于所述移动小车的车身，通过所述移动小车将敲击载荷传递到待测桥梁。
7.根据权利要求5所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述信号采集子系统包括一个或者多个信号拾取装置，所述信号拾取装置设置于所述移动小车上，用于采集待测桥梁传递到所述移动小车上的响应信号。
8.根据权利要求7所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述信号拾取装置为加速度传感器。
9.根据权利要求8所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述加速度传感器设有一个，其设置于所述移动小车两个所述后车轮的通轴上。
10.根据权利要求9所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述加速度传感器位于所述通轴的中间位置，所述敲击装置位于所述加速度传感器的正上方。
11.根据权利要求5所述的敲击扫描式桥梁损伤检测系统，其特征在于，所述信号处理装置包括：
谱图获取装置，连接于所述信号拾取装置，用于对所述信号拾取装置检测到的信号进行变换处理，以获取在桥梁表面的每个位置处的信号谱图；
谱图包络线截取装置，用于从所述信号谱图中截取与所述敲击装置的敲击力频段相对应的谱图包络线；
损伤指示值计算装置，根据所述截取的谱图包络线来计算待测桥梁表面的每个位置处的损伤指示值；
损伤位置确定装置，根据待测桥梁表面的每个位置处的所述损伤指示值来确定结构中的损伤位置。
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