CN105021699A - 一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，属于无损伤检测技术领域。该装置包括设置在每个桥墩处的检测节点、远程监控中心和通信模块，其中远程监控中心与检测节点通过通信模块进行信息传输，所述的检测节点处设置有压电传感器、信号发生器、低频激振器、高频激振器和信号采集系统。该装置可以实时检测桥墩是否出现裂纹以及裂纹的开裂程度，实时预警及时采取防护措施，避免出现桥梁坍塌事故。

Description

一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置

技术领域

本发明涉及一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，属于无损伤检测技术领域。

背景技术

 随着经济的发展和交通运输需求的增长，许多跨江、跨海大桥纷纷建成，而有些桥梁，如长江大桥已经使用多年。桥梁在使用过程中，不断受雨水、风沙等外界环境的侵蚀，以及车辆荷载的影响；随着使用年限的增长，桥梁出现了不同程度的损伤，其中当有裂缝出现后，桥梁的使用寿命会随裂缝的扩展而缩减，使桥梁的安全系数降低，甚至造成事故。因此，桥梁的结构健康安全监控就显得尤为重要。

  申请号为201110232014.2，申请日为2011年8月15日的发明公开了一种桥梁结构裂纹缺陷的图像采集与分析系统，包括裂纹图像采集子系统、裂纹分析与数据库管理子系统及供电与支撑子系统三部分组成，其中图像采集子系统主要由裂纹成像设备(1)、距离传感器(2)、角度传感器(3)及数据传输设备(4)组成；裂纹分析与数据库管理子系统由便携式计算机(5)及自主研发的一套图像处理及数据库管理软件组成；供电与支撑子系统由高能蓄电池(6)、支撑平台(7)组成。该发明具有高效、快速、便捷的特点，广泛应用于桥梁检测领域。

申请号为201310576306.7 ，申请日为2013年11月18日的发明专利申请公开了一种桥梁结构健康监测系统，属于桥梁监测技术领域。该发明提供一种低成本、便捷性好的桥梁结构健康监测系统。该发明包括电源管理电源、数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元，其结构要点电源管理电源分别与数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元相连，数据采集单元包括压力传感器和加速度传感器，数据处理单元包括AM29F032E芯片、RAMCY62512芯片、MSF43CF14S芯片；数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元依次相连。

申请号为201410145554.0 ，申请日为2014年4月11日的发明专利申请公开了一种桥梁实时监测系统，包括核心控制处理模块（7）和与核心控制处理模块（7）联接的环境检测传感器单元（2）、流量检测传感器单元（3）、结构检测传感器单元（4）、抓拍像机（6）、GPS授时单元（1）和无线数据传输单元（5）；该发明将GPS的时间信号引入测量结果，并为传感器和像机的输出数据增加了时间标示码，实现了数据的精确同步，为后续数据处理和分析提供了同步基准。同时根据对结构检测传感器数据的分析和阈值判断，确定目标物体是否为动态变形，并根据信号阈值触发抓拍像机工作，实现了对动态形变的完整监测，确保了对桥梁全面合理的监测，并具有节省数据资源，减小无线数据传输和数据存储备份的压力的效果。

现有技术对桥梁的健康监控大多采取图像采集的方法，而桥梁的桥墩如跨海、跨江大桥的桥墩多浸泡在水中，安装图像采集设备多为不便，且成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，采用超声检测技术，实时检测桥墩是否出现裂纹以及裂纹的开裂程度，实时预警以便及时采取防护措施，避免出现桥梁坍塌事故。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，包括设置在每个桥墩处的检测节点、远程监控中心和通信模块，其中远程监控中心与检测节点通过通信模块进行信息传输，所述的检测节点处设置有压电传感器、信号发生器、低频激振器、高频激振器和信号采集系统，所述信号发生器接收到远程监控中心的指令后发出激励信号，并分别通过低频激振器和高频激振器同时输出两路不同频率的简谐激励信号，所述的压电传感器固定在桥墩上并接收到桥墩的振动信号，所述的信号采集系统接收到压电传感器采集的振动信号，并对信号进行分析处理，判断该桥墩处是否有裂纹及裂纹的损伤程度，同时将判断结果传送给远程监控中心。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号采集系统包括信号采集单元、信号放大单元和信号处理单元。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号放大单元采用前置放大器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的通信模块为GSM通信模块或3G通信模块。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的压电传感器为AD200TT。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的远程监控中心包括桥墩预警保护单元。

本发明所述的一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1） 本装置在每个桥墩处设置检测节点，实时检测桥墩是否出现裂纹以及裂纹的开裂程度， 实现对桥梁的结构健康安全监测。

（2）本发明采用超声检测技术，实现对桥梁结构健康的无损伤检测。

（3）本发明利用裂纹结构在多频激励下的非线性调制效应来进行缺陷检测，可以显著提高超声检测的灵敏度，克服了常规线性超声方法对微小裂纹及闭合裂纹不敏感的不足。

具体实施方式

下面结合对本发明创造做进一步详细说明。

一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，包括设置在每个桥墩处的检测节点、远程监控中心和通信模块，其中远程监控中心与检测节点通过通信模块进行信息传输，所述的检测节点处设置有压电传感器、信号发生器、低频激振器、高频激振器和信号采集系统，所述信号发生器接收到远程监控中心的指令后发出激励信号，并分别通过低频激振器和高频激振器同时输出两路不同频率的简谐激励信号，所述的压电传感器固定在桥墩上并接收到桥墩的振动信号，所述的信号采集系统接收到压电传感器采集的振动信号，并对信号进行分析处理，判断该桥墩处是否有裂纹及裂纹的损伤程度，同时将判断结果传送给远程监控中心。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号采集系统包括信号采集单元、信号放大单元和信号处理单元。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号放大单元采用前置放大器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的通信模块为GSM通信模块或3G通信模块。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的压电传感器为AD200TT。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的远程监控中心包括桥墩预警保护单元。

本发明采用超声检测技术，实现对桥梁结构健康的无损伤检测。

超声波检测技术是当今社会无损检测技术领域中的一种非常重要的手段和方法，已被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障。通常人耳能够听到的声波的频率范围在20-20000Hz之间，人们习惯上把频率超过20KHz的声波称为超声波。

声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:

   

其中，为超声波的波长、为超声波在介质中的的波速、为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。

超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性(即通常所说的缺陷)的一种方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。

超声波探伤法的种类很多， 在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。

换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关。由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射波，两者之间没有其它回波。当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始波和底波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。

本发明利用裂纹结构在多频激励下的非线性调制效应来进行缺陷检测，可以显著提高超声检测的灵敏度，克服了常规线性超声方法对微小裂纹及闭合裂纹不敏感的不足。

本发明的基本原理为：向被测构件同时输入高频() 超声波和低频() 振动信号，如果被测构件中无损伤存在，则输出响应信号为两个激励信号的线性叠加；反之，如果存在结构损伤，则两个激励信号产生非线性调制响应效应，即高频超声波被低频振动信号调制。在响应频域中，这种调制表现为在超声频率的两侧出现包含振动频率分量的边频带()，且边频的幅值和数量与裂纹大小直接相关，故可以通过测量响应谱中的边频数量和幅值来直接判断结构中是否存在裂纹以及裂纹的大小。

实施例一：

 首先在每个桥墩处设置检测节点，然后根据桥墩的材料查找相应的固有频率范围，根据这个频率范围选择合适的输出激励信号频率；高频输出激励信号选择超过20kHz 的超声波信号，低频输出激励信号频率选择接近固有频，并且使两个激励信号频率的差或和值等于桥墩固有频率的倍数；利用信号发生器产生两组根据前述方法确定的低频和高频激励信号，分别输入到低频激振器和高频激励器上，桥墩被施加低频和高频激励后，压电传感器采集到桥墩中的振动信号，并传送至信号采集系统；信号采集系统接收到信号后，经前置放大器放大后进行分析处理，根据得到的响应谱中高频超声频率两侧的边频数量和幅值，直接判断被测构件是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度。

上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，包括设置在每个桥墩处的检测节点、远程监控中心和通信模块，其中远程监控中心与检测节点通过通信模块进行信息传输，其特征在于所述的检测节点处设置有压电传感器、信号发生器、低频激振器、高频激振器和信号采集系统，所述信号发生器接收到远程监控中心的指令后发出激励信号，并分别通过低频激振器和高频激振器同时输出两路不同频率的简谐激励信号，所述的压电传感器固定在桥墩上并接收到桥墩的振动信号，所述的信号采集系统接收到压电传感器采集的振动信号，并对信号进行分析处理，判断该桥墩处是否有裂纹及裂纹的损伤程度，同时将判断结果传送给远程监控中心。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，其特征在于所述的信号采集系统包括信号采集单元、信号放大单元和信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，其特征在于所述的信号放大单元采用前置放大器。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，其特征在于所述的通信模块为GSM通信模块或3G通信模块。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，其特征在于所述的压电传感器为AD200TT。

6.根据权利要求1所述的一种桥梁桥墩裂纹无损伤检测装置，其特征在于所述的远程监控中心包括桥墩预警保护单元。