CN107102038B - 基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统及方法，该系统利用两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为评判拉索钢结构锈蚀损伤情况的指标因素，而拉索中钢结构因锈蚀损伤而产生的半径变化会相应表现为等效串联电容的变化，从而能够根据等效串联电容实施拉索锈蚀损伤无创检测，系统成本较为低廉；该检测方法流程操作简便，不需要对被测拉索进行专门的磁化处理，也不需要进行复杂的后期数据处理，且其检测原理不存在对测试人员的辐射伤害，所得到的检测结果能够直接定量地表征拉索上钢结构的锈蚀损伤程度，且检测结果较为准确可靠，有利于其在拉索钢结构锈蚀损伤无创探测技术领域中广泛应用。

Description

基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统及方法

技术领域

本发明属于拉索结构安全监测技术领域，尤其涉及一种基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统及方法。

背景技术

在桥梁等大跨度建筑结构工程中，缆吊系统有着非常重要的地位。拉索的锈蚀深度问题涉及到是否更换拉索等揽吊系统，在桥梁健康检测方面具有非常重要的意义。拉索因雨水、风的原因会造成腐蚀、断丝等损伤现象，对桥梁安全造成了很大的隐患。为了避免拉索的损伤缺陷对桥梁造成隐患，需要定期对拉索进行缺陷检测和维护。

无损检测在检测过程中对构件的损伤比较小或无损伤，这是桥梁拉索损伤检测的发展方向。针对无损检测，现已涌现出不少技术和方法，主要方法有：

人工检测法，主要是通过人工检查拉索系统是否遭受锈蚀，索体是否有破损，定期对索体各部件涂刷防护漆，对已锈蚀的及时除锈，其优点是可定性地直观检查，但缺点是检测费人力物力，检查范围有限，且检测结果仅可用于定性评估，难满足定量评定要求，无法实现对突发性事故隐患的及时发现。

放射线检测法，根据拉索上锈蚀部位与未锈蚀部位对射线吸收能力的不同来实现缺陷检测，可以检测拉索表面及内部的损伤和缺陷，但其缺点是为了屏蔽对人体的辐射，射线装置的整体体积往往较大，难以适用于实时长期监测，而且如果射线泄漏可能会带来辐射污染，存在较大的安全隐患。

超声波检测法，采用超声波技术检测拉锁内的锈蚀情况，依据超声波的不同振动频率来判别被测拉索内是否存在锈蚀情况，但是在检测斜拉桥拉锁及锚固系统和悬索桥吊索系统时要使结果理想，必须事先进行严格标定，且在实践上存在较大困难。

电化学检测法，电化学方法主要是根据电位差的范围判断缆索的锈蚀的可能性，实现缺陷检测，但受测试局部区域可能会受到温度、湿度等环境因素的影响，容易导致出现检测偏差，并且部分实验结果都比较模糊，并且需要进行复杂的后期数据处理，才能得到检测结果。

由此，为了对桥梁拉索实施更好地管理和维护，从新的技术角度提出拉索内部钢结构损伤的无创检测方案是十分有必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明目的在于提供一种基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统，该装置利用两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为评判拉索钢结构锈蚀损伤情况的指标因素，能够实施拉索锈蚀损伤无创检测，并通过检测结果表征拉索上钢结构的锈蚀损伤程度。

为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统，其特征在于，包括两个导电套筒、套筒支撑装置和检测装置；

两个导电套筒的结构相同，包括导电材料制成的圆筒状的导电筒体，在导电筒体的内壁上覆盖铺设有厚度均匀的弹性绝缘材料层，且弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上；两个导电套筒的导电筒体上各连接有一根导线；

所述套筒支撑装置包括用于对两个导电套筒提供支撑的支撑部，以及与所述支撑部传动连接且能够调节支撑力大小的支撑力控制部；

所述检测装置包括文氏电桥欠电容电路、频率分析仪、拉索锈蚀损伤检测计算机和稳压电源电路；所述文氏电桥欠电容电路为缺少串联电容或并联电容的文氏电桥剩余部分的电路，且文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端分别与两个导电套筒所连接的导线进行电连接，文氏电桥欠电容电路的振荡信号输出端通过放大电路与频率分析仪的信号输入端进行电连接，频率分析仪的频率输出端与拉索锈蚀损伤检测计算机的频率信号采集端进行电连接；所述稳压电源电路分别为文氏电桥欠电容电路、频率分析仪和拉索锈蚀损伤检测计算机供电。

上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统中，作为优选方案，所述导电套筒的弹性绝缘材料层为采用绝缘材料制成的充气囊结构，且在其完全充气状态时，弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上。

上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统中，作为优选方案，所述拉索锈蚀损伤检测计算机预设有频率-拉索半径函数关系模型，所述频率-拉索半径函数关系模型用以指示接收到的谐振频率值与被检测拉索的检测位半径比例值之间的对应关系，从而能够根据两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值，通过频率-拉索半径函数关系模型换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值，所述检测位半径比例值为被检测拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，进而通过换算所得的检测位半径比例值来表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统中，具体而言，所述频率-拉索半径函数关系模型的表达式为：

其中，λ_S表示被检测拉索的检测位置处钢结构对应的检测位半径比例值；r_C表示导电套筒中导电筒体的内壁半径，r₀表示被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径；f₀表示采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值，f_S表示采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值；e为自然常数。

相应地，本发明还提供了采用上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测装置进行拉索锈蚀损伤检测的方法。为此，本发明采用了如下的技术方案：

基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法，包括如下步骤：

1)获取上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统；

2)预先获取拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的导电筒体内壁半径r_C、被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径r₀以及采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀，记录在拉索锈蚀损伤检测系统的拉索锈蚀损伤检测计算机中作为已知参数；

3)将拉索锈蚀损伤检测系统中的两个导电套筒均通过其各自的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上，且两个导电套筒之间的间隔距离为单个导电筒体长度的1～3倍，被检测拉索上两个导电套筒所套设覆盖的位置即为检测位置；

4)通过拉索锈蚀损伤检测系统中的套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ，G_筒表示单个导电套筒的重力，θ表示导电套筒的导电筒体轴线方向相对于水平方向的夹角；

5)启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测，由两个导电套筒与被检测拉索上检测位置处的钢结构之间形成的等效串联总电容接入至检测装置中文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端，从而形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测由此形成的完整文氏电桥电路的谐振频率值f_S输出至拉索锈蚀损伤检测计算机；

6)拉索锈蚀损伤检测系统中的拉索锈蚀损伤检测计算机预设有频率-拉索半径函数关系模型，所述频率-拉索半径函数关系模型用以指示接收到的谐振频率值与被检测拉索的检测位半径比例值之间的对应关系；拉索锈蚀损伤检测计算机根据两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f_S，通过频率-拉索半径函数关系模型换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值λ_S，检测位半径比例值λ_S为被检测拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，进而通过换算所得的检测位半径比例值λ_S来表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法中，具体而言，所述频率-拉索半径函数关系模型的表达式为：

其中，e为自然常数。

上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法中，具体而言，所述步骤2)中获取采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀的具体方式是：

将拉索锈蚀损伤检测系统中的两个导电套筒均通过其各自的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上的无损伤位置处，通过套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ；然后启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测，由两个导电套筒与被检测拉索上无损伤位置处的钢结构之间形成的等效串联总电容接入至检测装置中文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端，从而形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测得到由此形成的完整文氏电桥电路的谐振频率值f₀。

上述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法中，作为优选方案，拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的弹性绝缘材料层为采用绝缘材料制成的充气囊结构，且在其完全充气状态时，弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上；将导电套筒通过其弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上的具体方式是：

先将导电套筒的弹性绝缘材料层的充气囊结构中的气体放出，使得导电套筒的弹性绝缘材料层松弛地套设在被检测拉索上，将导电套筒套设在被检测拉索上并移动至需检测的位置处，然后对导电套筒的弹性绝缘材料层的充气囊结构中冲入气体，直至导电套筒的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上时停止充气。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统的整体结构设计较为简单，不需要使用高精密度设备和仪器，系统成本较为低廉。

2、本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统利用两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为评判拉索钢结构锈蚀损伤情况的指标因素，而拉索中钢结构因锈蚀损伤而产生的半径变化会相应表现为等效串联电容的变化，从而能够根据等效串联电容实施拉索锈蚀损伤无创检测。

3、本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法流程操作简便，不需要对被测拉索进行专门的磁化处理，也不需要进行复杂的后期数据处理，复杂度低、易于操作实施。

4、本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统及方法，其检测原理不存在对测试人员的辐射伤害，所得到的检测结果能够直接定量地表征拉索上钢结构的锈蚀损伤程度，且检测结果较为准确可靠，可用于对拉索锈蚀损伤情况的定量判定，既可以用于拉索锈蚀损伤的在线检测、也可以用于对拉索的长期监测，有利于其在拉索钢结构锈蚀损伤无创探测技术领域中广泛应用。

附图说明

图1为本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统的结构示意图。

图2为本发明拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒套设在拉索上的结构截面示意图。

图3为本发明拉索锈蚀损伤检测系统中两个导电套筒套设在拉索上形成等效串联电容的等效电路示意图。

图4为本发明拉索锈蚀损伤检测系统中文氏电桥欠电容电路的示意图。

图5为两个导电套筒套设在拉索上形成等效串联电容接入文氏电桥欠电容电路后形成完整的文氏电桥欠电路的示意图。

图6为本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法流程图。

具体实施方式

针对于桥梁拉索中钢结构的锈蚀损伤无创检测问题，本发明提出了一种基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统和检测方法，目的是在探索一种新的、更简单高效的拉索锈蚀损伤无创检测方案；其基本原理是利用两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为评判拉索钢结构锈蚀损伤情况的指标因素，而拉索中钢结构因锈蚀损伤而产生的半径变化会相应表现为等效串联电容的变化，从而能够根据等效串联电容实施拉索锈蚀损伤无创检测，并通过检测结果表征拉索上钢结构的锈蚀损伤程度。

基于上述的技术思路，本发明相应提供了一种基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统，如图1所示，其包括两个导电套筒10、套筒支撑装置20和检测装置30，用于对被检测拉索40进行锈蚀损伤检测。其中，两个导电套筒10的结构相同，如图2所示，包括导电材料制成的圆筒状的导电筒体11，在导电筒体11的内壁上覆盖铺设有厚度均匀的弹性绝缘材料层12，且弹性绝缘材料层12的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索40上；两个导电套筒10的导电筒体11上各连接有一根导线13。套筒支撑装置20则包括用于对两个导电套筒提供支撑的支撑部21，以及与所述支撑部传动连接且能够调节支撑力大小的支撑力控制部22。检测装置30包括文氏电桥欠电容电路31、频率分析仪32、拉索锈蚀损伤检测计算机33和稳压电源电路34；文氏电桥欠电容电路31为缺少串联电容或并联电容的文氏电桥剩余部分的电路，且文氏电桥欠电容电路31中所欠缺电容位置的两个节点端分别与两个导电套筒10所连接的导线13进行电连接，文氏电桥欠电容电路31的振荡信号输出端通过放大电路与频率分析仪32的信号输入端进行电连接，频率分析仪32的频率输出端与拉索锈蚀损伤检测计算机33的频率信号采集端进行电连接；稳压电源电路34则分别为文氏电桥欠电容电路31、频率分析仪32和拉索锈蚀损伤检测计算机33供电。

本发明的拉索锈蚀损伤检测系统，是利用两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为评判拉索钢结构锈蚀损伤情况的指标因素，因此系统中的两个导电套筒、套筒支撑装置和检测装置都是基于等效串联电容测量而加以针对性设计的。

由于拉索中钢结构的横截面通常为圆形，为了能够简化两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容的测算，最好使得导电套筒的导电筒体与拉索的钢结构之间同心设置构成圆柱型电容器。因此，本发明的拉索锈蚀损伤检测系统中，将两个导电套筒的导电筒体设计为圆筒状，且在导电筒体的内壁上覆盖铺设厚度均匀的弹性绝缘材料层，使得弹性绝缘材料层能够紧密包裹地套设在被检测拉索上，这样两个导电套筒套设在被检测拉索上时，能够由弹性绝缘材料层提供基础的重力和摩擦力支撑，但由于导电套筒的整体重力对弹性绝缘材料层的施压会导致导电筒体与拉索钢结构之间的同心设置关系存在些许偏心；为了解决这一问题，需要依靠套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，以平衡导电套筒的重力作用，加之导电筒体内壁上覆盖铺设的弹性绝缘材料层厚度均匀，因此弹性绝缘材料层包裹地套设在被检测拉索上所提供的周向支撑力是均匀的，使得两个导电套筒套设在拉索上时，导电筒体与拉索的钢结构之间能够很好的形成同心设置。由此，如图3所示，两个导电套筒10套设在拉索40上分别构成两个圆柱型电容器，而在两个导电套筒10之间的拉索部分则可视为将两个圆柱式电容器相连的导线，从而构成等效于由两个圆柱式电容器串联的等效串联电容电路，且通过两根导线13引出；并且，导电筒体内壁上覆盖铺设弹性绝缘材料层的厚度可以设计得较薄，对形成的等效圆柱式电容器在介电性能上的影响可以忽略。

在具体实施时，两个导电套筒中的弹性绝缘材料层可以直接采用弹性绝缘材料均匀地覆盖铺设在导电筒体的内壁而构成，但这样的弹性绝缘材料层结构实现方式，需要针对不同直径的拉索制作具有不同弹性绝缘材料层厚度的导电套筒，并且弹性绝缘材料层的厚度固定也会使得导电套筒通过其弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上时，不便于移动检测位置，在移动过程中容易造成弹性绝缘材料层的磨损。因此，作为一种优选的结构设计方案，导电套筒的弹性绝缘材料层可以设计为采用绝缘材料制成的充气囊结构，且在其完全充气状态时，弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上。由此，采用充气囊结构的弹性绝缘材料层，既可以在需要移动检测位置时对弹性绝缘材料层进行放气以便于移动，避免导电套筒套设在被检测拉索上进行移动时造成弹性绝缘材料层磨损的问题，又可以通过调整弹性绝缘材料层的充气量使其能够适用于不同直径的拉索测量，使得导电套筒具备更好的适用性。

另一方面，为了能够简便、准确的实施对两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容的测量，在本发明拉索锈蚀损伤检测系统的检测装置中，两个导电套筒的导电筒体上各连接有一根导线，并在检测装置中设置了文氏电桥欠电容电路，该文氏电桥欠电容电路为缺少串联电容或并联电容的文氏电桥剩余部分的电路；图4示出了缺少并联电容的文氏电桥剩余部分形成的文氏电桥欠电容电路，其中电阻R₁和电容C₁构成了文氏电桥中的RC串联支路，电阻R₂和缺少并联电容的ab端构成了文氏电桥中的RC并联支路，U_输入和U_输出分别为文氏电桥的电压输入端和振荡信号输出端；若图4中的ab端接入电容且电容C₁位置的电容缺失，则形成了缺少串联电容的文氏电桥欠电容电路；文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端分别与两个导电套筒所连接的导线进行电连接，这样以来，两个导电套筒套设在拉索上形成等效串联电容之后，该等效串联电容(若标记为C)就接入至文氏电桥欠电容电路文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端(即图4中的ab端)，从而就联合构成完整的文氏电桥电路，如图5所示；同时由于两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为文氏电桥电路的一部分，其总电容值的大小将直接影响到所构成的文氏电桥电路的谐振频率，而文氏电桥欠电容电路的振荡信号输出端即成为等效串联电容接入后形成完整文氏电桥电路的振荡信号输出端，因此通过频率分析仪分析得出该文氏电桥电路的谐振频率输出给拉索锈蚀损伤检测计算机，由拉索锈蚀损伤检测计算机根据接收到的谐振频率，进行拉索中钢结构锈蚀损伤的检测。由此，利用检测装置直接测量两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容，不需要在拉索内部引出导线作为测量接线端，因此完全不会对被检测拉索造成接线损伤，从而真正实现对拉索锈蚀损伤的无创检测，同时这也是本发明的拉索锈蚀损伤检测系统区别于其他现有电容式拉索损伤检测方案的重要创新。

而拉索锈蚀损伤检测计算机要根据谐振频率进行拉索锈蚀损伤的检测，需要利用如下的等效串联电容测量原理。

图2示出了导电套筒套设在拉索上的结构截面图。设导电套筒中导电筒体的内壁半径为r_C，拉索上无损伤位置处钢结构的半径为r₀，两个导电套筒套设在拉索的无损伤位置处，所形成的两圆柱形电容器的等效串联总电容C₀可以表达为：

其中，r_C为导电套筒中导电筒体的内壁半径，r₀为被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径，ε₀为真空绝对介电常数，ε_r为的弹性绝缘材料层的相对介电常数，L为单个导电套筒中导电筒体的长度，π为圆周率。

如果两个导电套筒套设在拉索上检测位置处的钢结构已发生锈蚀损伤，假设所检测位置范围内拉索的钢结构半径减小为λ_S·r₀(λ_S为拉索的检测位置处钢结构对应的检测位半径比例值，该检测位半径比例值为拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，用以表征拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度)，由于已锈蚀损伤位置处的钢结构半径小于r₀，因此，此时有0＜λ_S＜1(若在拉索上钢结构无损伤位置处，则相应有λ_S＝1)，相应的，两个导电套筒套设在拉索上检测位置处的等效串联总电容C_S相应减小为：

可见，拉索的钢结构锈蚀损伤将减少两个导电套筒套设在拉索上所形成的两圆柱形电容器的等效串联总电容。由式(1)和式(2)可以推出：

而若将两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联总电容接入至文氏电桥欠电容电路构成完整的文氏电桥电路后，该文氏电桥电路的谐振频率会随等效串联总电容的改变而改变；若将等效串联总电容值记为C，那么文氏电桥电路的谐振频率相应表达为：

其中，R₁、R₂、C₁分贝为文氏电桥电路中所配置的两个已知电阻值和一个已知电容值。因此，所得文氏电桥电路谐振频率f可换算为电容C的表达为：

由此可知，等效串联总电容C₀和C_S与文氏电桥电路谐振频率之间的表达式分别为：

其中，f₀表示采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处时对应的文氏电桥谐振频率值，f_S表示采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处时对应的文氏电桥谐振频率值，该两个谐振频率值可以通过频率分析仪检测而得到。e则为自然常数。

将式(6)和式(7)代入式(3)可得：

由此便能够确定拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值λ_S，用以表征拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

基于上述的等效串联电容测量原理，在本发明拉索锈蚀损伤检测系统的拉索锈蚀损伤检测计算机中，可以预设频率-拉索半径函数关系模型，该频率-拉索半径函数关系模型用以指示接收到的谐振频率值与被检测拉索的检测位半径比例值之间的对应关系，具体而言，该频率-拉索半径函数关系模型的表达式为

并可以预先获取拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的导电筒体内壁半径r_C、被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径r₀以及采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀，记录在拉索锈蚀损伤检测系统中的拉索锈蚀损伤检测计算机中作为已知参数；由此，拉索锈蚀损伤检测计算机便能够根据两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值，通过频率-拉索半径函数关系模型换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值λ_S，该检测位半径比例值λ_S为被检测拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，进而通过换算所得的检测位半径比例值λ_S来表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

由此，利用基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统进行的拉索锈蚀损伤检测的方法流程如图6所示，检测执行步骤如下：

1)获取本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统。

本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统构架结构如前文所述。

2)预先获取拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的导电筒体内壁半径r_C、被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径r₀以及采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀，记录在拉索锈蚀损伤检测系统的拉索锈蚀损伤检测计算机中作为已知参数。

这些参数数据都可以通过预先的测量、检测而获得，如果已经获得了这些参数数据，则可以直接录入到拉索锈蚀损伤检测系统中的拉索锈蚀损伤检测计算机中，作为已知参数参与后续检测的运算处理。

3)将拉索锈蚀损伤检测系统中的两个导电套筒均通过其各自的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上，且两个导电套筒之间的间隔距离为单个导电筒体长度的1～3倍，被检测拉索上两个导电套筒所套设覆盖的位置即为检测位置。

两个导电套筒套设在被检测拉索上间隔一定的距离，是为了避免相互之间的电容干扰。而两个导电套筒的导电筒体与其所套设覆盖的拉索钢结构位置区域在通电后形成等效串联的两个两圆柱形电容，因此被检测拉索上两个导电套筒所套设覆盖的位置即为检测位置。

4)通过拉索锈蚀损伤检测系统中的套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ，G_筒表示单个导电套筒的重力，θ表示导电套筒的导电筒体轴线方向相对于水平方向的夹角。

由于导电套筒中的弹性绝缘材料层为弹性材质，导电套筒整体的重力会对弹性绝缘材料层形成下压力，导致导电套筒与拉索之间的同心度偏离。因此，通过套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ，是为了平衡套筒重力在垂直于导电筒体轴线的方向上的分力，避免重力作用对导电套筒与拉索之间的同心度造成影响，从而更好的保证导电套筒的导电筒体与拉索中钢结构之间同心设置。要使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ的支撑实现方式有很多，例如可以对每个导电套筒提供竖直向上、且大小为G_筒的支撑力就能够实现，也可以对每个导电套筒提供垂直于其导电筒体轴线方向、大小为G_筒·cosθ的支撑力来得以实现，只是后者的支撑实现方式需要确保导电套筒与拉索之间存在足够的摩擦力以避免导电套筒在拉索上滑动。

5)启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测，由两个导电套筒与被检测拉索上检测位置处的钢结构之间形成的等效串联总电容接入至检测装置中文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端，从而形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测由此形成的完整文氏电桥电路的谐振频率值f_S输出至拉索锈蚀损伤检测计算机。

启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测后，两个导电套筒套以及其他各设备上电，因此两个导电套筒套设在被检测拉索上检测位置处形成的等效串联电容接入至文氏电桥欠电容电路，形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测其此时的谐振频率值f_S输出至拉索锈蚀损伤检测计算机。

6)拉索锈蚀损伤检测系统中的拉索锈蚀损伤检测计算机预设有频率-拉索半径函数关系模型，所述频率-拉索半径函数关系模型用以指示接收到的谐振频率值与被检测拉索的检测位半径比例值之间的对应关系；拉索锈蚀损伤检测计算机根据两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f_S，通过频率-拉索半径函数关系模型换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值λ_S，检测位半径比例值λ_S为被检测拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，进而通过换算所得的检测位半径比例值λ_S来表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

由拉索锈蚀损伤检测计算机将接收到的谐振频率值f_S带入至频率-拉索半径函数关系模型

即可换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值λ_S，该检测位半径比例值λ_S便能够很好的表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度，实现拉索的锈蚀损伤检测。

在上述的检测流程中，拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的导电筒体内壁半径r_C和被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径r₀可以通过对导电筒体和被检测拉索进行实际测量而获得。而获取采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀，则可以通过如下的实际测量而获得：将拉索锈蚀损伤检测系统中的两个导电套筒均通过其各自的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上的无损伤位置处，通过套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ；然后启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测，由两个导电套筒与被检测拉索上无损伤位置处的钢结构之间形成的等效串联总电容接入至检测装置中文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端，从而形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测得到由此形成的完整文氏电桥电路的谐振频率值f₀。由此通过实际检测测量而得到的谐振频率值f₀，能够实际反映采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值，从而有助于提高在相同条件下采用拉索锈蚀损伤检测系统对被检测拉索的检测位置处进行锈蚀损伤检测的精度。

在具体检测应用中，若拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的弹性绝缘材料层设计为前述采用绝缘材料制成的充气囊结构，那么在检测过程中将导电套筒通过其弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上的具体方式则为：先将导电套筒的弹性绝缘材料层的充气囊结构中的气体放出，使得导电套筒的弹性绝缘材料层松弛地套设在被检测拉索上，将导电套筒套设在被检测拉索上并移动至需检测的位置处，然后对导电套筒的弹性绝缘材料层的充气囊结构中冲入气体，直至导电套筒的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上时停止充气。这样以来，就可以方便的将导电套筒方便的移动到被检测拉索上的不同位置处进行锈蚀损伤检测，避免导电套筒套设在被检测拉索上进行移动时造成弹性绝缘材料层磨损的问题，同时还可以通过调整弹性绝缘材料层的充气量使其能够适用于不同直径的拉索测量，使得导电套筒具备更好的适用性。

综上所述，可以看到，本发明基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统的整体结构设计较为简单，利用两个导电套筒套设在拉索上形成的等效串联电容作为评判拉索钢结构锈蚀损伤情况的指标因素，而拉索中钢结构因锈蚀损伤而产生的半径变化会相应表现为等效串联电容的变化，从而能够根据等效串联电容实施拉索锈蚀损伤无创检测，系统成本较为低廉；其检测流程操作简便，不需要对被测拉索进行专门的磁化处理，也不需要进行复杂的后期数据处理，且其检测原理不存在对测试人员的辐射伤害，所得到的检测结果能够直接定量地表征拉索上钢结构的锈蚀损伤程度，且检测结果较为准确可靠，可用于对拉索锈蚀损伤情况的定量判定，既可以用于拉索锈蚀损伤的在线检测、也可以用于对拉索的长期监测，有利于其在拉索钢结构锈蚀损伤无创探测技术领域中广泛应用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统，其特征在于，包括两个导电套筒、套筒支撑装置和检测装置；

两个导电套筒的结构相同，包括导电材料制成的圆筒状的导电筒体，在导电筒体的内壁上覆盖铺设有厚度均匀的弹性绝缘材料层，且弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上；两个导电套筒的导电筒体上各连接有一根导线；

所述套筒支撑装置包括用于对两个导电套筒提供支撑的支撑部，以及与所述支撑部传动连接且能够调节支撑力大小的支撑力控制部；

所述检测装置包括文氏电桥欠电容电路、频率分析仪、拉索锈蚀损伤检测计算机和稳压电源电路；所述文氏电桥欠电容电路为缺少串联电容或并联电容的文氏电桥剩余部分的电路，且文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端分别与两个导电套筒所连接的导线进行电连接，文氏电桥欠电容电路的振荡信号输出端通过放大电路与频率分析仪的信号输入端进行电连接，频率分析仪的频率输出端与拉索锈蚀损伤检测计算机的频率信号采集端进行电连接；所述稳压电源电路分别为文氏电桥欠电容电路、频率分析仪和拉索锈蚀损伤检测计算机供电；

所述拉索锈蚀损伤检测计算机预设有频率-拉索半径函数关系模型，所述频率-拉索半径函数关系模型用以指示接收到的谐振频率值与被检测拉索的检测位半径比例值之间的对应关系，从而能够根据两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值，通过频率-拉索半径函数关系模型换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值，所述检测位半径比例值为被检测拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，进而通过换算所得的检测位半径比例值来表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

2.根据权利要求1所述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统，其特征在于，所述导电套筒的弹性绝缘材料层为采用绝缘材料制成的充气囊结构，且在其完全充气状态时，弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上。

3.根据权利要求1所述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统，其特征在于，所述频率-拉索半径函数关系模型的表达式为：

其中，λ_S表示被检测拉索的检测位置处钢结构对应的检测位半径比例值；r_C表示导电套筒中导电筒体的内壁半径，r₀表示被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径；f₀表示采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值，f_S表示采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值；e为自然常数。

4.基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取如权利要求1所述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测系统；

2)预先获取拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的导电筒体内壁半径r_C、被检测拉索上无损伤位置处钢结构的半径r₀以及采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀，记录在拉索锈蚀损伤检测系统的拉索锈蚀损伤检测计算机中作为已知参数；

3)将拉索锈蚀损伤检测系统中的两个导电套筒均通过其各自的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上，且两个导电套筒之间的间隔距离为单个导电筒体长度的1～3倍，被检测拉索上两个导电套筒所套设覆盖的位置即为检测位置；

4)通过拉索锈蚀损伤检测系统中的套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ，G_筒表示单个导电套筒的重力，θ表示导电套筒的导电筒体轴线方向相对于水平方向的夹角；

5)启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测，由两个导电套筒与被检测拉索上检测位置处的钢结构之间形成的等效串联总电容接入至检测装置中文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端，从而形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测由此形成的完整文氏电桥电路的谐振频率值f_S输出至拉索锈蚀损伤检测计算机；

6)拉索锈蚀损伤检测系统中的拉索锈蚀损伤检测计算机预设有频率-拉索半径函数关系模型，所述频率-拉索半径函数关系模型用以指示接收到的谐振频率值与被检测拉索的检测位半径比例值之间的对应关系；拉索锈蚀损伤检测计算机根据两个导电套筒套设在被检测拉索的检测位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f_S，通过频率-拉索半径函数关系模型换算得到被检测拉索上检测位置处的钢结构对应的检测位半径比例值λ_S，检测位半径比例值λ_S为被检测拉索上检测位置处钢结构的半径与无损伤位置处钢结构的半径的比值，进而通过换算所得的检测位半径比例值λ_S来表征被检测拉索上检测位置处钢结构的锈蚀损伤程度。

5.根据权利要求4所述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法，其特征在于，所述频率-拉索半径函数关系模型的表达式为：

其中，e为自然常数。

6.根据权利要求4所述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法，其特征在于，所述步骤2)中获取采用拉索锈蚀损伤检测系统的两个导电套筒套设在被检测拉索的无损伤位置处进行检测时频率分析仪所输出的谐振频率值f₀的具体方式是：

将拉索锈蚀损伤检测系统中的两个导电套筒均通过其各自的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上的无损伤位置处，通过套筒支撑装置对两个导电套筒提供支撑，并通过套筒支撑装置的支撑力控制部调节支撑力大小，使得每个导电套筒在垂直于其导电筒体轴线的方向上受到的支撑力大小为G_筒·cosθ；然后启动拉索锈蚀损伤检测系统进行检测，由两个导电套筒与被检测拉索上无损伤位置处的钢结构之间形成的等效串联总电容接入至检测装置中文氏电桥欠电容电路中所欠缺电容位置的两个节点端，从而形成完整的文氏电桥电路，由频率分析仪检测得到由此形成的完整文氏电桥电路的谐振频率值f₀。

7.根据权利要求4所述基于等效串联电容测量的拉索锈蚀损伤检测方法，其特征在于，拉索锈蚀损伤检测系统中导电套筒的弹性绝缘材料层为采用绝缘材料制成的充气囊结构，且在其完全充气状态时，弹性绝缘材料层的铺设厚度使得其能够紧密包裹地套设在被检测拉索上；将导电套筒通过其弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上的具体方式是：

先将导电套筒的弹性绝缘材料层的充气囊结构中的气体放出，使得导电套筒的弹性绝缘材料层松弛地套设在被检测拉索上，将导电套筒套设在被检测拉索上并移动至需检测的位置处，然后对导电套筒的弹性绝缘材料层的充气囊结构中冲入气体，直至导电套筒的弹性绝缘材料层紧密包裹地套设在被检测拉索上时停止充气。

Images