CN109580720A - 一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，包括至少一个设置在桥面板上并位于焊缝一侧的压电陶瓷驱动器组、至少一个设置在焊缝另一侧并与压电陶瓷驱动器组相适配的传感器以及分别与压电陶瓷驱动器组及传感器电连接的分析系统。与现有技术相比，本发明基于压电阻抗法，利用压电陶瓷材料的机电耦合特性，将动态阻抗信息作为结构健康的诊断依据，能够实现对钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时在线监测，且工作频率高，对处在初始阶段的损伤及结构的微小变化非常敏感，便于及时采取有效措施防止损伤进一步发展。

Description

一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置

技术领域

本发明属于钢结构桥梁桥面板焊缝损伤检测技术领域，涉及一种基于压电阻抗法的钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置。

背景技术

在现阶段，由于预制水平提高、环境保护标准和建设速度要求等因素的影响，钢结构桥梁得到越来越多的重视，在我国各个地区也越来越常见。钢结构桥梁中的焊接，尤其是桥面板焊接，作为钢结构桥梁最重要的工艺之一，目前仍然存在一些问题，例如：焊缝尺寸不正确、未焊透、有裂纹、焊瘤、气孔、焊件断裂和变形等。这些问题若发生在焊接施工时，一般可以由射线或者超声波检测等手段探测得知，及时进行处理即可。但是，焊缝在焊接工艺结束后，在结构的全寿命周期中，还可能会因为疲劳、外界极端环境或者自然灾害等原因而产生缺陷和损伤。而上述提到的检测手段还很难做到对焊缝损伤情况的实时检测，因此亟需一种可以实时检测桥面板焊缝损伤的技术。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，桥面板上设有焊缝，所述的检测装置包括至少一个设置在桥面板上并位于焊缝一侧的压电陶瓷驱动器组、至少一个设置在焊缝另一侧并与压电陶瓷驱动器组相适配的传感器以及分别与压电陶瓷驱动器组及传感器电连接的分析系统。每个传感器与相对应的压电陶瓷驱动器组配合使用，共同构成一个测试系统。传感器为压电陶瓷传感器。

进一步地，所述的压电陶瓷驱动器组包括设置在桥面板顶面上的上压电陶瓷驱动器以及设置在桥面板底面上并与上压电陶瓷驱动器对应设置的下压电陶瓷驱动器。上压电陶瓷驱动器与相应的下压电陶瓷驱动器对称同向设置，以产生纵向振动。

作为优选的技术方案，所述的上压电陶瓷驱动器及下压电陶瓷驱动器的尺寸为(18-22)mm×(18-22)mm×(1.5-2.5)mm。

进一步地，所述的上压电陶瓷驱动器与桥面板之间、下压电陶瓷驱动器与桥面板之间均设有粘结剂。

作为优选的技术方案，所述的粘结剂为改性丙烯酸酯粘结剂，用于将压电陶瓷驱动器组粘结到桥面板上。

进一步地，所述的桥面板上沿焊缝长度方向共设有多个压电陶瓷驱动器组，相邻两压电陶瓷驱动器组之间的距离为0.8-1.2m。

进一步地，所述的传感器与相对应的压电陶瓷驱动器组对称设置在焊缝的两侧。传感器接收由压电陶瓷驱动器组发出的、并经过焊缝后的振动信号。

作为优选的技术方案，所述的传感器的尺寸为(18-22)mm×(18-22)mm×(1.5-2.5)mm。

进一步地，所述的传感器设置在桥面板的顶面上或底面上。

作为优选的技术方案，所述的传感器与桥面板之间设有粘结剂。

进一步地，所述的分析系统包括阻抗分析仪以及与阻抗分析仪电连接的计算机。阻抗分析仪和计算机都安装在进行桥梁健康检测的场地内，可以进行实时的抽样检测。

作为优选的技术方案，所述的阻抗分析仪为HP4194高性能阻抗分析仪。

进一步地，所述的阻抗分析仪与压电陶瓷驱动器组之间设有驱动器连接电路，所述的阻抗分析仪与传感器之间设有传感器连接电路。

进一步地，所述的桥面板上设有桥面铺装。可将压电陶瓷驱动器组埋在钢结构桥梁内部等一般方法接触不到的位置，以检测焊缝的关键部位。

压电阻抗法是近年来发展的无损检测新技术，是弹性波动理论在结构损伤评价中的又一重要应用。它将智能材料特性与波动理论相结合，运用阻抗信息对结构进行损伤检测，其基本思想是：如果结构中存在一些缺陷，如裂纹、孔、腐蚀等，结构的机械阻抗将会发生变化，通过在动力作用频率范围内测试阻抗的变化程度可判断缺陷和损伤程度。通常，机械阻抗的直接测试是比较困难的，但在该技术中，将低功率的压电陶瓷PZT(piezoelectricceramics)片作为驱动器和相应的传感器固结在结构上，并施加交流电场到压电陶瓷上，使得压电陶瓷和结构共同发生机械振动，由于压电陶瓷的机电耦合效应，使结构损伤引起的结构机械阻抗变化可以通过压电陶瓷的耦合电阻抗变化表现出来，并通过与结构在完好状态下压电陶瓷耦合电阻抗谱进行比较，就可以判断被检结构是否存在损伤。本发明基于这种压电阻抗技术，能够在全寿命周期内对钢结构桥梁中桥面板的焊缝损伤情况进行实时检测。

本发明在实际应用时，阻抗分析仪通过电路分别与压电陶瓷驱动器组、传感器相连接，给予各个压电陶瓷驱动器驱动信号并接受传感器接收到的信号，由计算机接收和分析阻抗分析仪的数据，最后显示出焊缝当前阻抗谱，与其在健康状况下的阻抗谱相比较，就可定性地确定焊缝损伤或缺陷的程度。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明基于压电阻抗法，利用压电陶瓷材料的机电耦合特性，将动态阻抗信息作为结构健康的诊断依据，能够实现对钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时在线监测，且工作频率高(3kHz)，对处在初始阶段的损伤及结构的微小变化非常敏感，便于及时采取有效措施防止损伤进一步发展；

2)压电陶瓷驱动器组的感应区域限于其附近一定区域范围内，使远场作用(如载荷、刚度、边界条件的改变)被隔离，因而能够准确识别焊缝损伤位置；

3)压电陶瓷材料在正常工作条件下呈现出良好的性质，响应快，线性范围大，质量轻，长期稳定性好，且结构简单，安装容易，不需要依赖准确的模型分析和复杂的数据计算，可应用于复杂的工程结构中。

附图说明

图1为本发明的主视剖视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图中标记说明：

1—上压电陶瓷驱动器、2—粘结剂、3—下压电陶瓷驱动器、4—传感器、5—驱动器连接电路、6—传感器连接电路、7—阻抗分析仪、8—计算机、9—焊缝、10—桥面板、11—桥面铺装。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种基于压电阻抗法的钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，包括测试系统和分析系统，测试系统包括两片压电陶瓷驱动器、一片压电陶瓷传感器4以及粘结剂2。上压电陶瓷驱动器1尺寸为20mm×20mm×2mm，通过粘结剂2粘结在桥面板10顶面上，其靠近焊缝9的一侧与焊缝9边缘的距离为10mm，被桥面铺装11覆盖。下压电陶瓷驱动器3的尺寸与上压电陶瓷驱动器1相同，通过粘结剂2粘结在桥面板10底面上，并位于与上压电陶瓷驱动器1垂直投影完全重合的位置。传感器4的尺寸为20mm×20mm×2mm，同样通过粘结剂2粘结在桥面板10上，其靠近焊缝9的一侧与焊缝9边缘的距离为10mm，且保证传感器4与下压电陶瓷驱动器3的连线垂直于焊缝9(即与下压电陶瓷驱动器3关于焊缝9对称布置)，并同样被桥面铺装11覆盖。如图2所示，在桥面板10横向方向上，每有1m长度的焊缝9，则布置一套测试系统。分析系统由阻抗分析仪7和计算机8组成，都安装在进行桥梁健康检测的场地内。阻抗分析仪7采用HP4194高性能阻抗分析仪，通过驱动器连接电路5和传感器连接电路6分别与上下压电陶瓷驱动器及传感器4相连接，给予压电陶瓷驱动器纵向振动的驱动信号，并接收传感器4接收到的信号。计算机8与阻抗分析仪7连接，接收和分析阻抗分析仪7的数据，最后显示出焊缝9当前阻抗谱，与其健康状况下的阻抗谱相比较，就可定性地确定焊缝9损伤或缺陷的程度。

本检测装置实现对钢结构桥梁桥面板10进行焊缝9损伤情况实时检测的过程为：在桥梁施工阶段，根据具体桥梁桥面板焊缝9宽度布置相应数量的测试系统，并在桥梁健康检测用地搭建分析系统，将二者通过导线连接。当焊缝9施工完毕并通过射线和超声波检查通过后，操作阻抗分析仪7向上下压电陶瓷驱动器发出特定的驱动信号，并接收传感器4接收到的已经通过焊缝9的信号，再将该信号发送到计算机8中进行分析，得出焊缝9在健康状态下的阻抗谱。在桥梁正常使用阶段，设置阻抗分析仪7以一定的时间间隔(或者在任何需要进行检测的时间点)向上下压电陶瓷驱动器发出相同的驱动信号，并接收传感器4接收到的已经通过焊缝9的信号，并将信号发送给计算机8。计算机8接收和分析阻抗分析仪7的数据，得出焊缝9当前阻抗谱，与其健康状况下的阻抗谱相比较，就可定性确定在当前时间的焊缝9损伤或缺陷的程度。

实施例2：

桥面板10上设有焊缝9，一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，包括一个设置在桥面板10上并位于焊缝9一侧的压电陶瓷驱动器组、一个设置在焊缝9另一侧并与压电陶瓷驱动器组相适配的传感器4以及分别与压电陶瓷驱动器组及传感器4电连接的分析系统。

其中，压电陶瓷驱动器组包括设置在桥面板10顶面上的上压电陶瓷驱动器1以及设置在桥面板10底面上并与上压电陶瓷驱动器1对应设置的下压电陶瓷驱动器3。上压电陶瓷驱动器1与桥面板10之间、下压电陶瓷驱动器3与桥面板10之间均设有粘结剂2。

传感器4与相对应的压电陶瓷驱动器组对称设置在焊缝9的两侧。传感器4设置在桥面板10的顶面上。

分析系统包括阻抗分析仪7以及与阻抗分析仪7电连接的计算机8。阻抗分析仪7与压电陶瓷驱动器组之间设有驱动器连接电路5，阻抗分析仪7与传感器4之间设有传感器连接电路6。

桥面板10上设有桥面铺装11。

本检测装置可对各类型的钢结构桥梁的桥面板10上的焊缝9进行从施工阶段到正常使用阶段的实时监控，可以通过计算机8在任意时间了解特定焊缝9的健康状况，为第一时间的损伤防控提供了可能性。

实施例3：

本实施例中，检测装置包括两个设置在桥面板10上并位于焊缝9一侧的压电陶瓷驱动器组、两个设置在焊缝9另一侧并与压电陶瓷驱动器组相适配的传感器4以及分别与压电陶瓷驱动器组及传感器4电连接的分析系统。桥面板10上沿焊缝9长度方向共设有两个压电陶瓷驱动器组，两压电陶瓷驱动器组之间的距离为0.8m。传感器4设置在桥面板10的底面上。其余同实施例2。

实施例4：

本实施例中，检测装置包括三个设置在桥面板10上并位于焊缝9一侧的压电陶瓷驱动器组、三个设置在焊缝9另一侧并与压电陶瓷驱动器组相适配的传感器4以及分别与压电陶瓷驱动器组及传感器4电连接的分析系统。桥面板10上沿焊缝9长度方向共设有三个压电陶瓷驱动器组，相邻两压电陶瓷驱动器组之间的距离为1.2m。传感器4设置在桥面板10的顶面上。其余同实施例2。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，桥面板(10)上设有焊缝(9)，其特征在于，所述的检测装置包括至少一个设置在桥面板(10)上并位于焊缝(9)一侧的压电陶瓷驱动器组、至少一个设置在焊缝(9)另一侧并与压电陶瓷驱动器组相适配的传感器(4)以及分别与压电陶瓷驱动器组及传感器(4)电连接的分析系统。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的压电陶瓷驱动器组包括设置在桥面板(10)顶面上的上压电陶瓷驱动器(1)以及设置在桥面板(10)底面上并与上压电陶瓷驱动器(1)对应设置的下压电陶瓷驱动器(3)。

3.根据权利要求2所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的上压电陶瓷驱动器(1)与桥面板(10)之间、下压电陶瓷驱动器(3)与桥面板(10)之间均设有粘结剂(2)。

4.根据权利要求1所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的桥面板(10)上沿焊缝(9)长度方向共设有多个压电陶瓷驱动器组，相邻两压电陶瓷驱动器组之间的距离为0.8-1.2m。

5.根据权利要求1所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的传感器(4)与相对应的压电陶瓷驱动器组对称设置在焊缝(9)的两侧。

6.根据权利要求1所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的传感器(4)设置在桥面板(10)的顶面上或底面上。

7.根据权利要求1所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的分析系统包括阻抗分析仪(7)以及与阻抗分析仪(7)电连接的计算机(8)。

8.根据权利要求7所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的阻抗分析仪(7)与压电陶瓷驱动器组之间设有驱动器连接电路(5)，所述的阻抗分析仪(7)与传感器(4)之间设有传感器连接电路(6)。

9.根据权利要求1所述的一种钢结构桥梁桥面板焊缝损伤的实时检测装置，其特征在于，所述的桥面板(10)上设有桥面铺装(11)。