CN103278558A - 一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩的斜拉索(吊杆)锚固系统无损检测装置及方法，包括信号产生与激励部分、传感器模块部分、信号采集与处理部分。该装置利用便携式控制单元控制信号发生器产生一定频率的交变电流经功率放大器放大后直接作用在激励模块的激励线圈上，根据磁致伸缩效应，激励单元在斜拉索中产生弹性应力波和磁场，弹性波通过磁场沿着缆索(吊杆)向两端传播，检测模块的感应线圈接收来自激励单元的弹性波，将其转换为电信号，电信号经过信号预处理模块的前置放大和滤波等预处理环节，进入便携式处理单元进行处理得到检测的结果。此装置可以量化不同锚具的超声检测的准确度，结构简单，操作方便，具有很好的实际应用价值。

Description

一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置及方法

技术领域

本发明属于锚固系统无损检测领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置及方法。 

背景技术

桥梁拉(吊)索的材质一般采用高强度钢材制成，具体包括高强度钢筋、钢丝或钢绞线等不同类型，目前国内外常用的索体是平行钢丝索和平行钢绞线索，其中平行钢丝索的锚固系统主要是镦头锚和冷铸镦头锚，平行钢绞线索的锚固系统是夹片式群锚，无论是索体还是锚固系统都处于防腐保护系统中，因此拉(吊)索的受力元件是属于不直接外露元件，拉(吊)索锚固系统的病害表象为腐蚀、裂纹、断丝、滑丝等，主要病害是腐蚀，它直接导致拉索抗力的降低。水和氧气是腐蚀的两大必要条件。对锚固系统进行检测，首先需要检查其保护系统是否遭到破坏，在保护系统遭到破坏的情况下，需检测锚固系统受影响的程度，锚具是特别敏感的部位，腐蚀气体、积水和污染物通常会积聚在这里，使这里的情况恶化，拉索还承受弯矩和其他作用，所以拉索常常在这里发生损伤。而锚具构造的特殊性，使常规方法往往无法触及，大多采用无损方法进行检测，目前对拉吊索锚固系统检测的方法和工具很有限，射线成像方法和超声波法可实现对锚固系统检测的手段，但是目前困难仍然比较大，射线成像方法为了提供足够能量的射线和安全保证，装置本身比较笨重，索锚固区域周围空间往往有限，而且射线图像也不易解释；1988年，Suzuki等人采用超声 检测技术对斜拉桥HiAm冷铸锚头内的钢丝状态进行了评估，他们将超声传感器耦合在钢丝的一个端头上，并通过它将高频应力波射入钢丝中，同时这个传感器也用来监测反射波，根据观察记录下的反射波便可以判断是否有断丝存在，超声脉冲沿放置在空气中的钢丝能够传播较远距离，但是锚具内的钢丝被灌浆和环氧包裹着，超声波被严重衰减，因而减小了有效检测长度，Suzuki等人的研究表明HiAm锚具内断丝的有效检测深度仅为几米，但是对于大多数锚具来讲，几米的检测深度已经足够了；1997年，Prato等人在阿根廷Zarate斜拉桥(7mm钢丝的平行钢丝索)的锚杯上做了一系列的超声检测试验，先将钢丝自由端的半圆头磨平，在垂直于钢丝方向的空间可以容纳6mm直径超声探头。试验的钢丝有效检测长度约1.2m，在这些试验中，他们发现锚具里面存在大量的断丝，也有学者使用斜射入超声束，在冷铸锚头50mm-150mm范围内检测了苏格兰一座桥的45mm扭绞钢丝绳的外层钢丝，锚具内钢丝断丝的超声检测中，操作者的经验及判断能力对于检测结果的解释是至关重要的。目前还没有系统、严格的研究，可以量化不同锚具的超声检测的准确度，并提供改善结果解释的方法，只能在现场试验以前，做一个与实桥相同类型且已知缺陷的锚具的超声检测试验，以提供现场试验结果的校正。 

发明内容

本发明的目的在于利用一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置及方法，旨在解决现有对拉(吊)索锚固系统无损检测的方法和工具非常有限，并且困难很大的问题。目前，射线成像方法和超声波法虽然有望实现对锚固系统进行初步检测，但困难仍然比较大，比如射线成像方法为了提供足够能量的射线和安全保证，相应的检测装置本身比较笨重，并且所检测的缆索锚固周围空间往往有限，而且射线图像也不易解释的问题。 

本发明的目的在于提供一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置，所述基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置主要包括： 

信号产生与激励部分，用于将220V的交流电通过可调变压器和直流整流模块，得到38V的电压，提供功率放大器的工作电压，信号发生器产生脉冲信号经功率放大器放大后驱动绝缘栅双极晶体管，利用精密的可调恒压源输出稳恒电压，并受到绝缘栅双极晶体管的控制，从而产生可控的近似恒流源，作用在激励线圈上； 

传感器模块部分，主要包含激励传感器和感应传感器，用于利用磁致伸缩效应，缆索轴向被磁化区域将产生交变的应变，成为导波的震源，在钢缆索轴向激励出相应的导波；当缆索轴向存在缺陷时，导波将在缺陷处被反射返回；当反射回来的应力波通过感应检测线圈时，由于逆磁致伸缩效应会引起通过感应检测线圈的磁通量发生变化，检测线圈将磁通量变化转换为相应的电信号，通过分析该电信号波形，可以获取钢缆索锚固区的缆索缺陷信息； 

信号采集与处理部分，主要包含放大和滤波模块，用于数据采集后及时送入便携式计算机进行分析。 

进一步，传感器部分主要包含：激励传感器和感应传感器，可通过激励线圈和感应线圈分别实现。 

进一步，信号采集与处理部分包含信号的预处理和采集部分。 

本发明的另一目的在于提供一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法，其特征在于，所述基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法包括以下步骤： 

激励线圈和接收线圈之间的距离为L，当激励线圈在激励处产生弹性波后，弹性波沿缆索传播； 

接着检测线圈接收到的是向右传播的弹性波，通过检测信号可知道其到达时间为ΔT，根据弹性波传播的距离L，可得弹性波速度v： 

v＝L/ΔT 

利用弹性波的波速，再结合缺陷的回波时间可以确定缺陷的定位； 

由于磁致伸缩效应，缆索轴向被磁化区域将产生交变的应变，成为导波的震源，在缆索轴向激励出相应的导波； 

反射回来的应力波通过感应检测线圈时，会引起穿过线圈的磁通量发生变化，检测线圈将磁通量变化转换为相应的电信号，通过分析该电信号波形，可以获取钢缆索锚固区的缆索缺陷信息。 

进一步，交流激励下，该检测方法利用信号发生器产生一定频率的交变电流经功率放大器放大后直接作用在激励线圈上，先通过磁化器对缆索进行磁化。 

进一步，交流激励下，该检测方法根据磁致伸缩，激励单元在斜拉索中产生弹性波和磁场，弹性波通过磁场向外传播，感应线圈接收来自激励单元的弹性波，将其转换为电信号，电信号依次通过信号预处理、程控放大滤波、进入计算机进行处理。 

进一步，交流激励下，该检测方法在信号采集与处理单元部分可采用美国国家仪器有限公司NI的数据采集卡，然后在可视化软件labview中编程实现信号的分析，显示各种波形等一系列环节。 

本发明的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置及方法，利用便携式控制单元控制信号发生器产生一定频率的交变电流经功率放大器放大后直接作用在激励模块的激励线圈上(同样是先通过磁化器对钢缆索进行磁化)，根据磁致伸缩，激励单元在斜拉索中产生弹性波和磁场，弹性波通过磁场向外传播，检测模块的感应线圈接收来自激励单元的弹性波，将其转换为电信号，电信号经过信号预处理模块的前置放大和滤波等预处理，进入计算机进行处理得到检测的结果，此装置可以量化不同锚具的超声检测的准确度，提供了改善结果解释的方法，此外本发明结构简单，操作方便，结果准确，稳定性强，具有很好的实际 应用价值。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置的结构示意图。 

图2是本发明实施例提供的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法的具体实现流程图。 

图3是本发明实施例提供的交流激励下桥梁拉索锚固系统无损检测系统方案 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

图1为本发明实施例提供的桥梁拉索锚固系统无损检测装置示意图，主要包含信号产生与激励部分，钢缆索及传感器部分，信号采集与处理三大部分。 

信号产生与激励部分思路如下：首先是220V的交流电，通过可调变压器和直流整流模块，得到38V的电压，提供功率放大器的工作电压。而信号发生器产生一定频率的脉冲信号经功率放大器放大后驱动绝缘栅双极晶体管，利用精密的可调恒压源输出稳恒电压，并受到绝缘栅双极晶体管的控制，从而产生可控的近似恒流源，作用在激励线圈上。 

传感器部分主要包含：激励传感器和感应传感器，可通过激励线圈和感应线圈分别实现。由于磁致伸缩效应，缆索轴向被磁化区域将产生交变的应变， 成为导波的震源，在钢缆索轴向激励出相应的导波；当缆索轴向存在缺陷时，导波将在缺陷处被反射返回；当反射回来的应力波通过感应检测线圈时，由于逆磁致伸缩效应会引起通过感应检测线圈的磁通量发生变化，检测线圈将磁通量变化转换为相应的电信号，通过分析该电信号波形，可以获取钢缆索锚固区的缆索缺陷信息。 

信号采集与处理部分包含：放大和滤波模块，数据采集后及时送入便携式计算机进行分析。 

以下参照附图，对本发明一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置及方法作进一步详细描述。 

如图2所示，本发明的一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置主要由磁化器1、信号发生器2、功率放大器3、激励线圈4、检测线圈5、预处理模块6、信号采集模块7、计算机8组成；激励线圈4和检测线圈5分别安装在接近拉索(吊杆)锚固区的缆索上，激励线圈4和检测线圈5的对应上下位置安装磁化器1；信号发生器2连接功率放大器3，功率放大器3的另一端连接激励线圈4；检测线圈5的输出端连接预处理模块6，预处理模块6的另一端布置信号采集模块7，信号采集模块7连接在计算机8上；磁化器1，用于产生偏置磁场，将钢缆索磁化到组成缆索材料的磁致伸缩效应非常敏感和足够合适的工作点，然后将瞬态激励电流(通过磁场产生激励模块实现)输入到激励线圈中，产生激励磁场；信号发生器2，用于产生脉冲信号；功率放大器3，用于将脉冲信号放大；激励线圈4，用于通过磁致伸缩效应在缆索中产生弹性波；检测线圈5，利用逆磁致伸缩效应将弹性波信号转化成电信号；信号预处理模块6，用于将电信号经过前置放大和滤波；数据采集模块7，用于将处理完的电信号经过其中的A/D转换后，进入计算机处理得到检测的结果；计算机8，用于计算处理得到检测结果。 

缆索及锚固区的损伤定位原理：制作的基于磁致伸缩导波检测思路中包括 一个激励线圈和接收线圈，激励线圈和接收线圈之间的距离为L，当激励线圈在激励处产生弹性波后，弹性波沿缆索传播，由于电磁脉冲的传播速度接近光速比弹性波在缆索中的传播速度快的多，所以最先到达检测线圈的是通过空气传播的电磁脉冲信号。接着检测线圈接收到的是向右传播的弹性波，通过检测信号可知道其到达时间为ΔT，根据弹性波传播的距离L，可得弹性波速度v： 

v＝L/ΔT 

利用弹性波的波速，再结合缺陷的回波时间可以确定缺陷的定位。 

磁致伸缩效应：由于磁致伸缩效应，缆索轴向的被磁化区域将产生交变的应变，成为导波的震源，在钢缆索轴向激励出相应的导波；当缆索轴向往锚固区方向若存在某种缺陷(开裂或比较大的腐蚀或断丝)时，导波将在缺陷处被反射返回。当反射回来的应力波通过感应检测线圈时，由于逆磁致伸缩效应会引起通过感应检测线圈的磁通量发生变化，检测线圈将磁通量变化转换为相应的电信号，通过分析该电信号波形，可以获取钢缆索锚固区的缆索缺陷(开裂或比较大的腐蚀)信息。 

本发明的工作原理为：首先将激励线圈4和检测线圈5安装在接近拉索(吊杆)锚固区的缆索上，即使缆索带有保护层PE套也没关系，利用便携式控制单元控制信号发生器1产生一定频率的交变电流经功率放大器2放大后直接作用在激励线圈4上(同样是先通过磁化器对钢缆索进行磁化)。根据磁致伸缩，激励单元在斜拉索中产生弹性波和磁场，弹性波通过磁场向外传播，检测线圈5接收来自激励单元的弹性波，将其转换为电信号，电信号经过预处理模块6的前置放大和滤波等预处理，然后进入数据采集单元7后进入计算机8进行处理得到检测的结果。 

本发明实施例提供的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法在交流激励下，对应的拉索锚固系统无损检测系统图3所表示：信号发生器产生一定频率的交变电流经功率放大器放大后直接作用在激励线圈上(同样是先通过磁化器对 钢缆索进行磁化)。根据磁致伸缩，激励单元在斜拉索中产生弹性波和磁场，弹性波通过磁场向外传播，感应线圈接收来自激励单元的弹性波，将其转换为电信号，电信号依次通过信号预处理、程控放大滤波、进入计算机进行处理。在信号采集与处理单元部分可采用美国国家仪器有限公司NI的数据采集卡，然后在可视化软件labview中编程实现信号的分析，显示各种波形等一系列环节。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置，其特征在于，所述基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置主要包括： 

信号产生与激励部分，用于将220V的交流电通过可调变压器和直流整流模块，得到38V的电压，提供功率放大器的工作电压，信号发生器产生脉冲信号经功率放大器放大后驱动绝缘栅双极晶体管，利用精密的可调恒压源输出稳恒电压，并受到绝缘栅双极晶体管(简称IGBT管)的控制，从而产生可控的近似恒流源，作用在激励线圈上； 

传感器模块部分，主要包含激励传感器和感应传感器，用于利用磁致伸缩效应，缆索轴向被磁化区域将产生交变的应变，成为导波的震源，在钢缆索轴向激励出相应的导波；当缆索轴向存在缺陷时，导波将在缺陷处被反射返回；当反射回来的应力波通过感应检测线圈时，由于逆磁致伸缩效应会引起通过感应检测线圈的磁通量发生变化，检测线圈将磁通量变化转换为相应的电信号，通过分析该电信号波形，可以获取钢缆索锚固区的缆索缺陷信息； 

信号采集与处理部分，主要包含放大和滤波模块，用于数据采集后及时送入便携式计算机进行分析。 

2.如权利要求1所述的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置，其特征在于，传感器部分主要包含：激励传感器和感应传感器，可通过激励线圈和感应线圈分别实现。 

3.如权利要求1所述的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测装置，其特征在于，信号采集与处理部分包含信号的预处理和采集部分。 

4.一种基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法，其特征在于，所述基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法包括以下步骤： 

激励线圈和接收线圈之间的距离为L，当激励线圈在激励处产生弹性波后，弹性波沿缆索传播； 

接着检测线圈接收到的是向右传播的弹性波，通过检测信号可知道其到达 时间为ΔT，根据弹性波传播的距离L，可得弹性波速度v： 

v＝L/ΔT 

利用弹性波的波速，再结合缺陷的回波时间可以确定缺陷的定位； 

由于磁致伸缩效应，缆索轴向的被磁化区域将产生交变的应变，成为导波的震源，在钢缆索轴向激励出相应的导波； 

反射回来的应力波通过感应检测线圈时，检测线圈将磁通量变化转换为相应的电信号，通过分析该电信号波形，可以获取钢缆索锚固区的缆索缺陷信息。 

5.如权利要求4所述的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法，其特征在于，交流激励下，该检测方法利用信号发生器产生一定频率的交变电流经功率放大器放大后直接作用在激励线圈上，先通过磁化器对钢缆索进行磁化。 

6.如权利要求4所述的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法，其特征在于，交流激励下，该检测方法根据磁致伸缩，激励单元在斜拉索中产生弹性波和磁场，弹性波通过磁场向外传播，感应线圈接收来自激励单元的弹性波将其转换为电信号，电信号依次通过信号预处理、程控放大滤波、进入计算机进行处理。 

7.如权利要求5所述的基于磁致伸缩的锚固系统无损检测方法，其特征在于，交流激励下，该检测方法在信号采集与处理单元部分可采用美国国家仪器有限公司NI的数据采集卡，然后在可视化软件labview中编程实现信号的分析，显示各种波形等一系列环节。 

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