CN105806944A - 一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置，该方法包括：在缆索上安装激励传感器和接收传感器；控制激励传感器产生激励导波，接收传感器获取通过信号的时域波形图；根据时域波形图获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值；根据所述幅值得到非线性声学参数，根据非线性声学参数确定缆索的疲劳损伤状态。所述装置用于实现所述方法，包括信号发生模块、信号接收模块和信号处理模块。本发明通过获取由于缆索微观损伤造成的非线性声学参数，实现缆索微观损伤的检测，具有检测精度高、检测方便等优点。

Description

一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置。

背景技术

缆索广泛应用于斜拉桥、悬索桥、摩天轮等结构中，作为上述结构的关键受力部件，对其进行检测对保证结构安全具有重要意义，在桥梁运营中，目前一般通过测量缆索的索力评估缆索的健康状况。近年来，无损检测技术开始应用于缆索的宏观缺陷检测，如漏磁检测技术和磁致伸缩导波检测技术等。

漏磁检测由于快速、高精度等优点，被广泛用于管道、缆索等无损检测，但该检测方法仅能检测传感器到达的区域，是一种局部扫描的检测方法。如武新军等基于漏磁检测原理研制了斜拉桥缆索检测装置和斜拉桥缆索缺陷检测专用机器人，该装置只能对传感器到达的部位进行检测，能够检出的缺陷的类型主要为腐蚀、断丝等宏观缺陷。

而磁致伸缩导波无损检测技术利用弹性波在管道、缆索的传播，通过单点激励实现长距离检测，只需将传感器安装在可达区域，就能够实现不可达区域的检测。如CN200810196821.1公开的一种斜拉索锚固区磁致伸缩导波检测装置，利用磁致伸缩导波技术实现缆索锚固区检测，但其对于索体检测的精度远低于漏磁检测方法。

上述两种方法及装置只能对金属损失后的宏观缺陷进行检测，而对未产生金属损失的疲劳损伤无能为力。然而缆索在长期高强度循环载荷作用下会产生疲劳损伤，且在整个生命周期的80％-95％内疲劳损伤仅表现为晶格位错等微观结构组织变化，这类微观损伤难以被常规宏观缺陷检测方法探测到。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置，其利用高能声波遇到疲劳损伤产生高次谐波的非线性声学现象，通过获取由于缆索微观损伤造成的非线性声学参数，实现缆索微观损伤的检测，具有检测精度高、检测方便等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种缆索疲劳损伤的检测方法，其包括以下步骤：

1)在待检测的缆索上安装激励传感器和接收传感器；

2)控制所述激励传感器在缆索上产生激励导波，所述接收传感器获取通过信号的时域波形图；

3)根据所述时域波形图获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值；

4)根据所述基频和二倍频分量对应的幅值得到用以评价缆索疲劳损伤状态的非线性声学参数β，根据非线性声学参数β确定缆索的疲劳损伤状态。

作为进一步优选的，所述激励导波的激励频率的取值范围为[1kHz,1MHz]。

作为进一步优选的，所述激励传感器和接收传感器的相对位置固定。

作为进一步优选的，所述非线性声学参数β采用如下计算公式获得：

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\frac{A_2}{A_1^2};$

其中，A₁为基波的幅值，A₂为二次谐波的幅值，k为激励波的波数，x为波传播的距离。

按照本发明的另一方面，提供了一种缆索疲劳损伤的检测装置，其用于实现所述的方法，包括信号发生模块、信号接收模块和信号处理模块，其中：

所述信号发生模块用于产生激励信号，其包括依次相连的信号发生器、功率放大器和激励传感器；

所述信号接收模块用于接收激励信号，其包括依次相连的接收传感器、信号放大滤波器和数据采集器；所述激励传感器和接收传感器安装在待检测的缆索上；

所述信号处理模块分别与所述信号发生器和数据采集器相连，其用于获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值，并计算用以评价缆索疲劳损伤状态的非线性声学参数，最后根据非线性声学参数确定缆索的疲劳损伤状态。

作为进一步优选的，所述激励传感器包括激励线圈和第一偏置磁化器，所述激励线圈通过所述功率放大器与所述信号发生器相连。

作为进一步优选的，所述接收传感器包括接收线圈和第二偏置磁化器，所述接收线圈与所述信号放大滤波器相连。

作为进一步优选的，所述第一偏置磁化器和第二偏置磁化器均由衔铁和永磁铁组成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明有别于现有缆索导波无损检测方法，其利用高能声波遇到疲劳损伤会产生高次谐波的非线性声学现象，通过获取由于缆索微观损伤造成的非线性声学参数，实现缆索微观损伤的检测，为缆索的寿命评估提供支持。

2.本发明基于磁致伸缩效应的导波换能方式，可在不拆除缆索包覆层的前提下实现缆索微观损伤的检测，具有检测精度高、检测便利等优点；此外，本发明提供的检测方法及装置可以忽略桥梁振动的影响，可有效提高检测的准确度和可重复性，并且可以在不影响交通的前提下实现缆索疲劳损伤的检测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的缆索疲劳损伤检测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的缆索疲劳损伤检测装置的结构图；

图3是本发明实施例提供的缆索疲劳损伤检测时传感器布置示意图；

图4是标准试件激励频率为50kHz时通过信号的时域波形图；

图5是标准试件激励频率为50kHz时通过信号的频域波形图；

图6是所测缆索激励频率为50kHz时通过信号的频域波形图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种缆索疲劳损伤的检测方法，其主要包括以下步骤：

1)将激励传感器和接收传感器分别安装在待测缆索上，其中激励传感器和接收传感器的相对位置固定，由于激励传感器和接收传感器的相对位置与公式(1)中的信号传播距离有关，为了保证特征参数的对比一致性，使两者的相对位置固定；

2)激励传感器在缆索上进行激励导波，接收传感器获取通过信号的时域波形图，通过多次重复激励消除桥梁振动对检测信号的影响，其中，激励的频率和周期数根据激励传感器和接收传感器间的距离确定，优选地，激励频率的取值范围为[1kHz，1MHz]；

3)根据时域波形图获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值，具体的，通过时域波形图计算通过信号的幅值谱，获取通过信号的频谱图，根据频谱图获得幅值；

4)根据基频和二倍频分量对应的幅值得到用以评价缆索疲劳损伤状态的非线性声学参数β：

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\frac{A_2}{A_1^2}---\left(1\right)$

式(1)中，A₁为基波的幅值(即基频对应的幅值)，A₂为二次谐波的幅值(即二倍频对应的幅值)，k为激励波的波数，x为波传播的距离；

最后，根据非线性声学参数β确定缆索的疲劳损伤状态。具体的，通过所测非线性声学参数β与标准试样的非线性声学参数β₀进行比较，以确定缆索的疲劳损伤状态。当所测非线性声学参数β大于非线性声学参数β₀时，判断所测缆索存在疲劳损伤，当所测非线性声学参数β小于等于非线性声学参数β₀时，判断所测缆索不存在疲劳损伤。

如图2所示，本发明的一种缆索疲劳损伤的检测装置，其主要包括信号发生模块、信号接收模块和信号处理模块，其中：

信号发生模块用于产生激励信号，其包括依次相连的信号发生器、功率放大器和激励传感器；其中，信号发生器用于输出导波激励信号，功率放大器用于增大信号发生器输出的激励信号的功率并驱动激励传感器工作，激励传感器用于在缆索中产生激励导波，实现电磁-声场耦合；

信号接收模块用于接收激励信号，其包括依次相连的接收传感器、信号放大滤波器和数据采集器；接收传感器用于产生感应电压，获取检测信号的时域波形图；信号放大滤波器用于对接收传感器的接收信号进行放大滤波；数据采集器用于对检测信号进行A/D转换后传送给信号处理模块；其中，激励传感器和接收传感器安装在待检测的缆索上；

信号处理模块分别与信号发生器和数据采集器相连，其用于对通过信号时域波形图进行频谱分析，获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值，并计算用以评价缆索疲劳损伤状态的非线性声学参数，最后根据非线性声学参数确定缆索的疲劳损伤状态，其中通过信号指的是导波振动通过接收线圈，接收线圈获得的电信号，在电磁脉冲信号之后。

进一步的，激励传感器包括激励线圈和第一偏置磁化器，激励线圈通过功率放大器连接信号发生器，第一偏置磁化器由永久磁铁和衔铁组成，为导波激励提供恒定的偏置磁场。

进一步的，接收传感器包括接收线圈和第二偏置磁化器，接收线圈与信号放大滤波器连接，第二偏置磁化器由永久磁铁和衔铁组成，为导波接收提供恒定的偏置磁场。

以下结合具体尺寸的缆索对本发明的检测方法进行更为具体的说明。

缆索规格为PES(C)7-055，55×7mm，钢丝等级1860MPa，上限载荷为35％极限张应力，应力范围150MPa，加载频率2Hz，检测时应力循环暂停索力调节为30％UTS，利用检测装置采集数据，包括如下步骤：

1)将激励传感器和接收传感器分别安装在待测缆索上，激励传感器(包括激励线圈1和第一偏置磁化器2)和接收传感器(包括接收线圈3和第二偏置磁化器4)在缆索的布置如图3所示，激励传感器距左端部1m处，接收传感器距激励传感器1m；

2)信号处理模块控制信号发生器发出频率为50kHz周期数为4个的信号，信号输入功率放大器，经功率放大器放大后再输入到激励传感器中；获取检测信号，具体为接收传感器将导波信号转换为电信号并输入至所述信号放大滤波器；信号经放大滤波处理后输入到数据采集器中，数据采集器将模拟信号转换为数字信号输入到信号处理模块中，标准试件的检测信号如图4所示，其中A指电磁脉冲，B指通过信号；

3)根据时域波形图获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值，计算得到50kHz信号幅值和100kHz的信号幅值：本实施例以应力循环总次数若干万次且开始出现疲劳损伤的缆索为标准试样，其通过信号的幅值谱如图5所示；所测缆索通过信号的幅值谱如图6所示；

4)分别计算得到标准试件与所测缆索的非线性特征参数β₀与β，通过对比β₀与β确定缆索的疲劳损伤状态：

标准试件：50kHz的信号幅值为4.690，100kHz的信号幅值为0.198；

所测缆索：50kHz的信号幅值为4.110，100kHz的信号幅值为0.232。波的速度为5200m/s，50kHz对应的波数为9.615m^-1，传播距离为1m，根据公式(1)得到β₀＝0.000779，β＝0.001188，通过对比发现，β大于标准非线性声学参数β₀，即可判断缆索存在疲劳损伤，由此实现缆索疲劳损伤检测。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种缆索疲劳损伤的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待检测的缆索上安装激励传感器和接收传感器；

2)控制所述激励传感器在缆索上产生激励导波，所述接收传感器获取通过信号的时域波形图；

3)根据所述时域波形图获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值；

4)根据所述基频和二倍频分量对应的幅值得到用以评价缆索疲劳损伤状态的非线性声学参数β，根据非线性声学参数β确定缆索的疲劳损伤状态。

2.如权利要求1所述的缆索疲劳损伤的检测方法，其特征在于，所述激励导波的激励频率的取值范围为[1kHz,1MHz]。

3.如权利要求1所述的缆索疲劳损伤的检测方法，其特征在于，所述激励传感器和接收传感器的相对位置固定。

4.如权利要求1所述的缆索疲劳损伤的检测方法，其特征在于，所述非线性声学参数β采用如下计算公式获得：

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\frac{A_2}{A_1^2};$

其中，A₁为基波的幅值，A₂为二次谐波的幅值，k为激励波的波数，x为波传播的距离。

5.一种缆索疲劳损伤的检测装置，其用于实现如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，包括信号发生模块、信号接收模块和信号处理模块，其中：

所述信号发生模块用于产生激励信号，其包括依次相连的信号发生器、功率放大器和激励传感器；

所述信号接收模块用于接收激励信号，其包括依次相连的接收传感器、信号放大滤波器和数据采集器；所述激励传感器和接收传感器安装在待检测的缆索上；

所述信号处理模块分别与所述信号发生器和数据采集器相连，其用于获取通过信号中基频和二倍频分量对应的幅值，并计算用以评价缆索疲劳损伤状态的非线性声学参数，最后根据非线性声学参数确定缆索的疲劳损伤状态。

6.如权利要求5所述的缆索疲劳损伤的检测装置，其特征在于，所述激励传感器包括激励线圈和第一偏置磁化器，所述激励线圈通过所述功率放大器与所述信号发生器相连。

7.如权利要求5所述的缆索疲劳损伤的检测装置，其特征在于，所述接收传感器包括接收线圈和第二偏置磁化器，所述接收线圈与所述信号放大滤波器相连。

8.如权利要求6或7所述的缆索疲劳损伤的检测装置，其特征在于，所述第一偏置磁化器和第二偏置磁化器均由衔铁和永磁铁组成。