CN103940893A - 一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置及方法，在拉索自由段的表面粘贴压电驱动器，对压电驱动器施加交变电压信号，激励压电驱动器使其振动并在拉索内部产生应力波信号；在拉索锚固段的端头位置表面粘贴压电传感器，采集压电传感器在应力波作用下的电压输出信号；将采集到的信号传递并保存到计算机，并进行分析；选择拉索锚固段无锈蚀缺陷时压电传感器的信号测量结果为参考值；定义损伤指标，对比健康状况和不同锈蚀缺陷状况下压电传感器对应的损伤指标的大小，对拉索锚固段的锈蚀缺陷情况进行评估。本发明能精确快速地监测到锈蚀缺陷，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。可以实现实时在线测量，设备简单，实现对隐蔽缺陷的检测。

Description

一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构中拉索锚固段缺陷监测领域,特别是一种基于应力波测量与分析的压电材料的拉索锚固段锈蚀缺陷的监测装置和方法。

背景技术

拉索的锚固系统作为桥梁的拉索与主梁或桥面之间传力的关键部位，其受力性能对桥梁结构的安全有重要影响。由于雨水等环境因素的长期影响，桥梁结构的拉索锚固段容易产生锈蚀。我国的多起桥梁桥面坍塌事故的原因就是拉索锚固段锈蚀导致桥面板坍塌并下落引起。拉索的锚固段的锈蚀等缺陷和损伤将直接损害桥梁结构安全性和耐久性，锚固段的锈蚀等缺陷往往难以通过定期点检的肉眼来观察及时发现。国内外的多起的桥梁结构的破坏事例证明，人工定期点检并未及时发现锚固段的锈蚀破坏，未能避免由于拉索的锚固段的缺陷等引起的桥梁结构的严重突发破坏事故，给人民的生命和财产造成极大损失。通过使用新型材料实现对锚固段缺陷的自动监测具有重要意义。

目前，拉索的锚固段锈蚀缺陷检测的由于其隐蔽性对其进行有效的检测具有一定的难度，现有的检测方法有超声检测法、涡流检测法和射线检测法等。超声检测法不适用于形状复杂的工件，对检测构件的表面光洁度有较高的要求，并且对检测人员要求有相应的操作和检测判断经验；涡流检测法同样不适用于复杂工件，检测深度和灵敏度有限，只能检测导电材料近表面区域的损伤；射线检测法要求材料表面不能有覆盖物，且对人体和环境有辐射伤害。这些方法都需要依赖于较为复杂的设备，而且只能进行定期点检，无法实现实时在线检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置及方法，对拉索锚固段的锈蚀缺陷进行高灵敏度的实时在线检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置，拉索自由段和锚固段端头表面分别固定有压电驱动器和用于测量所述压电驱动器发送的应力波信号的压电传感器；或者拉索自由段和锚固段端头表面分别固定有压电传感器和压电驱动器；所述压电驱动器与用于对所述压电驱动器施加交变电压信号的信号发生器电连接；所述压电传感器通过高频数据采集系统与计算机电连接；所述计算机通过损伤指标D_I或D_II评估拉索锚固段锈蚀缺陷的程度；在简谐信号激励情况下，所述损伤指标D_I表达式为：在扫频信号激励情况下，所述损伤指标D_II表达式为：A_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的幅值，A_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的幅值；E_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的小波包能量值，E_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的小波包能量值。

本发明还提供了一种利用上述装置监测拉索锚固段锈蚀缺陷的方法，该方法实现过程如下：定义简谐信号激励情况下损伤指标为D_I，或定义扫频信号激励情况下损伤指标为D_II，其中 $D_I=\frac{A_H-A_D}{A_H}\×100\%,D_H=\frac{E_H-E_D}{E_H}\×100\%;$ A_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的幅值，A_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的幅值；E_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的小波包能量值，E_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号的小波包能量值； $E_H=\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i,i=1,...,2^N,e_i=\underset{j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i,j}^2;E_D=\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{e_i}^{\′},$ ${e_i}^{\′}=\underset{j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{i,j}^2;$ N为对压电传感器所测电压信号进行小波分解的层数；e_i和e_i'分别为无锈蚀缺陷状况下和有锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号经过小波包分解后第i个频段的能量，v_i,j和k_i,j分别为无锈蚀缺陷状况下和有锈蚀缺陷状况下压电传感器所测电压信号进行小波包分解后第i个频段上第j个数据采集点的数值，M是所述第i个频段上数据采集总点数；比较拉索锚固段在无锈蚀缺陷状况下和有锈蚀缺陷状况下压电传感器所对应的损伤指标，得到压电传感器所测拉索锚固段锈蚀损伤状况。

本发明在拉索的自由段的表面粘贴压电驱动器，对压电驱动器施加交变电压信号，激励压电驱动器使其振动并在拉索内部产生应力波信号；在拉索锚固段的端头位置表面粘贴压电传感器，采集压电传感器在应力波作用下的电压输出信号；将采集到的信号传递并保存到计算机，并进行分析；选择拉索锚固段无锈蚀损伤时压电传感器的信号测量结果为参考值；定义损伤指标，对比健康状况和不同锈蚀缺陷状况下压电传感器对应的损伤指标的大小，对拉索锚固段的锈蚀缺陷情况进行评估。压电驱动器和压电传感器采用压电陶瓷片或压电薄膜片。

因损伤的存在，应力波的幅值和能量值将产生变化，通过应力波信号的变化可判断出波传播区域内的损伤状态。但现实中本体结构中的应力波信号难以直接监测，利用基于压电陶瓷片测量的方法可以实现应力波信号和电信号之间的转换，使基于应力波测量和分析的方法能够在拉索锚固段锈蚀缺陷监测中得以实现。压电陶瓷的正逆压电效应使得测得的压电陶瓷电压信号与被监测对象中的应力波信号直接相关，因此可以通过分析压电陶瓷所测信号的变化来评估拉索锚固段锈蚀情况。

在同一激励信号作用下，将拉索的锚固段在无锈蚀缺陷状况下压电传感器的测量信号作为基准，定义基于响应幅值或小波包能量的损伤指标，通过比较压电传感器所测信号对应的损伤指标的大小，评估拉索锚固段的锈蚀损伤情况。

本发明监测方法的技术原理如下：当压电材料受到外力作用时，在其表面会产生电荷，这种现象称为正压电效应；相反，当在压电材料上施加电场时，其会发生形变，这种现象称为逆压电效应。利用压电材料的压电效应将其制作成压电驱动器和压电传感器实现对拉索和吊杆锚固段锈蚀缺陷的监测。信号发生器利用交流电激励粘贴在拉索和吊杆锚头段表面的压电陶瓷片或者压电薄膜片，根据压电材料的逆压电效应使之振动产生应力波信号，根据压电材料的正压电效应，利用粘贴于拉索和吊杆的锚固端端头表面的压电陶瓷片或压电薄膜片作为传感器接收应力波信号并转化为电信号。利用压电材料的正逆压电效应实现对应力波的测量，根据锈蚀前后介质的变化对应力波传播的影响来判断拉索锚固端锈蚀缺陷情况。钢材锈蚀后体积膨胀，内部有孔隙产生，这将影响应力波的传播，因而可通过压电传感器测量信号间接反映出被监测拉索锚固区的锈蚀状况。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能精确快速地监测到锈蚀损伤，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉；可以实现实时在线测量，设备简单，实现对隐蔽缺陷的检测。本发明为拉索锚固段的损伤情况的检测提供了新的实现手段。

附图说明

图1为本发明所述监测系统的组成示意图；其中图1(a)为监测系统的结构原理图；图1(b)为监测系统的流程图；

图2(a)为本发明用作压电驱动器和压电传感器的翻边压电陶瓷片剖面示意图；图2(b)为本发明所用作为压电驱动器和压电传感器的翻边压电陶瓷片平面示意图；

图3为本发明所述翻边压电陶瓷片在拉索的自由段和锚固段端头上的粘结方法示意图；

图4(a)为本发明用作压电驱动器4和压电传感器6的常规双面压电陶瓷片粘帖于导电片上的剖面示意图；图4(b)为本发明所用作为压电驱动器4和压电传感器6的常规双面压电陶瓷片粘帖于导电片上的平面示意图；

图5为本发明所述常规双面压电陶瓷片在拉索的自由段和锚固段端头上的粘结方法示意图；

图6表示作为本发明实施例之一的拉索锚固段在不同锈蚀等级时，简谐激励下基于压电陶瓷测量信号的幅值定义的损伤指标变化示意图；

图7表示作为本发明实施例之一的拉索锚固段在不同锈蚀等级时，扫频激励下基于压电陶瓷测量信号的小波包能量定义的损伤指标变化示意图；

其中：

1：拉索；2：锚固段；3：自由段；4：压电驱动器；5：锚固段端头；6：压电传感器；7：信号发生器；8：数据采集系统；9：控制计算机；10：翻边压电陶瓷正极；11：翻边压电陶瓷负极；12：正负极隔离带；13：翻边压电陶瓷基体；14：环氧树脂绝缘层；15：导线；16：常规双面压电陶瓷正极；17：常规双面压电陶瓷正极；18：常规双面压电陶瓷基体；19：导电片；20：导电胶。

具体实施方式

如图1(a)所示，在拉索1的自由段3和锚固段端头5一侧的外表面分别安装一个压电驱动器4和一个压电传感器6。为检验该方法的有效性，在模拟拉索锚固段无锈蚀缺陷状态下测一组数据作为基准值。然后将实例中拉索锚段置于潮湿易生锈的环境中，待其产生不同锈蚀缺陷时，再分别测一组数据与基准值进行对比。

本发明采用图2和图4所示的两种压电陶瓷片。图2为翻边压电陶瓷片，其结构为，在压电陶瓷基体13上正极10镀层通过下表面镀到上表面，在上表面正负极隔离带12的另一侧镀上负极11镀层。图4为常规双面压电陶瓷，其结构为，在压电陶瓷基体18上下表面分别镀上两极16、17，然后将负极17和导电片19通过导电胶20粘贴成一体。

两种压电陶瓷的安装位置预先设有绝缘层，该绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层14，该绝缘层厚度为0.08-0.12mm，优选为0.1mm。如图3、图5所示，在翻边压电陶瓷片的两极10、11或常规双面压电陶瓷片的正极16以及与负极相连的导电片19上焊接导线15。本实施例中监测方法的具体操作步骤为：

a、在拉索1的自由段3和锚固段端头5一侧的表面分别粘贴压电驱动器4和压电传感器6，压电驱动器4和压电传感器6采用压电陶瓷片或者压电薄膜片；

b、由信号发生器7对粘贴在拉索自由段3表面的压电驱动器4施加交变电压信号，根据压电材料的逆压电效应在拉索中产生应力波，如图1所示。

c、根据压电材料的正压电效应，测量粘贴于拉索锚固段端头5的压电传感器6接收从压电驱动器4传来的应力波信号引起的电信号。

d、由高频数据采集系统8对压电传感器6进行电信号数据采集，并将采集到的信号传递并保存到控制计算机9；

e、分析各个状态下压电传感器6所测得的信号，分别将简谐激励下和扫频激励下压电传感器6测量的信号代入式(1)或(2)，分别计算基于幅值定义和基于小波包能量值定义的损伤指标。根据损伤指标的值，评估拉索锚固段锈蚀缺陷情况。

$D_I=\frac{A_H-A_D}{A_H}\×100\%---\left(1\right)$

$D_{\mathrm{II}}=\frac{E_H-E_D}{E_H}\×100\%---\left(2\right)$

D_I表示在简谐信号激励下压电传感器6所测信号基于幅值定义的损伤指标；D_II表示在扫频信号激励下压电传感器6所测信号基于小波包能量定义的损伤指标。

图6表示在简谐信号激励情况下，拉索锚固段分别在A、B、C、D四个不同锈蚀等级状态下压电传感器6的基于幅值定义的损伤指标的结果示意图。基于幅值定义的损伤指标值的变化表明，锈蚀等级增加，压电传感器6所对应的幅值归一化损伤指标的值增大，以此可以评估拉索锚固段锈蚀损伤的情况。

图7表示在扫频信号激励情况下，拉索锚固段分别在A、B、C、D四个不同锈蚀等级状态下压电传感器6的基于小波包能量值定义的损伤指标的结果示意图。基于小波包能量值定义的损伤指标值变化的结果表明，锈蚀等级增加，压电传感器6所对应的基于小波包能量定义的损伤指标值随之增大，以此可以评估拉索锚固段锈蚀损伤的情况。

由于压电材料同时具有正压电效应和逆压电效应，本实施例中压电驱动器4和压电传感器6可以互换使用。本方法同样适用。

Claims (2)

1.一种拉索锚固段锈蚀缺陷监测装置，其特征在于，拉索(1)自由段(3)和锚固段端头(5)表面分别固定有压电驱动器(4)和用于测量所述压电驱动器(4)发送的应力波信号的压电传感器(6)；或者拉索(1)自由段(3)和锚固段端头(5)表面分别固定有压电传感器(6)和压电驱动器(4)；所述压电驱动器(4)与用于对所述压电驱动器(4)施加交变电压信号的信号发生器(7)电连接；所述压电传感器(6)通过高频数据采集系统(8)与计算机(9)电连接；所述计算机(9)通过损伤指标评估拉索(1)锚固段锈蚀缺陷的程度；在简谐信号激励情况下，所述损伤指标D_I表达式为：

$D_I=\frac{A_H-A_D}{A_H}\×100\%;$

在扫频信号激励情况下，所述损伤指标D_II表达式为：

$D_{\mathrm{II}}=\frac{E_H-E_D}{E_H}\×100\%;$

A_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的幅值，A_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的幅值；E_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的小波包能量值，E_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的小波包能量值。

2.一种利用权利要求1所述装置监测拉索锚固段锈蚀缺陷的方法，其特征在于，该方法实现过程如下：定义简谐信号激励情况下损伤指标为D_I，或定义扫频信号激励情况下损伤指标为D_II，其中 A_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的幅值，A_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的幅值；E_H表示无锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的小波包能量值，E_D表示有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号的小波包能量值； $E_H=\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i,i=1,...,2^N,e_i=\underset{j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i,j}^2;E_D=\underset{i=1}{\overset{2^N}{\mathrm{\Σ}}}{e_i}^{\′},{e_i}^{\′}=\underset{j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{i,j}^2;$ N为对压电传感器(6)所测电压信号进行小波包分解的层数；e_i和e_i'分别为无锈蚀缺陷状况下和有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号经过小波包分解后第i个频段的能量，v_i,j和k_i,j分别为无锈蚀缺陷状况下和有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所测电压信号进行小波包分解后第i个频段上第j个数据采集点的数值，M是所述第i个频段上数据采集总点数；比较拉索锚固段在无锈蚀缺陷状况下和有锈蚀缺陷状况下压电传感器(6)所对应的损伤指标，得到压电传感器(6)所测拉索锚固段锈蚀损伤状况。