CN110672714A - 一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，属于桥梁检测领域。该方法包括以下步骤：1)涡流效应电磁参数的获取；2)磁场在空气中的传播的确定；3)数据传输与信号分析处理。本发明中，激励信号为具有一定占空比低频的脉冲方波，这种低频脉冲信号包含频率的信息量丰富、频谱宽、信号穿透力强；传统涡流检测传感器近场距离下，相比而言，脉冲涡流检测传感器具有更大的近场区域，就算传感器的提离高度比较大，依然在检测信号覆盖范围内。

Description

一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法

技术领域

本发明属于桥梁检测领域，涉及一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法。

背景技术

检测钢筋腐蚀状况与混凝土护筋参数的方法可分为物理和电化学两大类，物理方法有外观检查、称重、电阻探头、声发射、膨胀应变探头等。电阻探针检测钢筋腐蚀的原理是利用电阻探针长度不变，截面积均匀减小，而电阻值随之增大的特性来测量探针电阻值的改变量，从而推算出探针直径变化量，得出腐蚀深度。声发射是物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象。不同信号源产生的弹性波会有所区别，采集声发射信号能够从一定程度上反映声发射源的相关特性。将声发射源的性质与特定现象对应起来，分析采集到的声发射信号的特征，以此判断及评价被检测主体的实时状态。光纤检测是根据光子在玻璃或者有机纤维中沿长度方向传播，当玻璃或纤维应变、温度等发生改变，光的物理特性(波长、频率、偏振态、相位等)随之改变的原理而进行腐蚀检测。电化学检测是通过测量钢筋混凝土电解质溶液体系的电化学特性改变量(如电位等)来推算钢筋的腐蚀速率或腐蚀程度，常用方法包括线性极化法、交流阻抗谱法、自然电位法等。

上述物理检测法的问题为仅能用于腐蚀检测的定性分析，主要用于实验室测试阶段，实际工程腐蚀测量中存在较大误差。电化学检测方法因测量过程中必须要有信号注入，一方面会对桥梁本身进行一定程度的损坏，另一方面某些工况下信号无法注入腐蚀钢筋。本发明的目的在于提供一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，该方法无需接触桥梁的表面，也不需要耦合剂，采用非接触磁感应的方式，通过对检测线圈收集到的信号进行信号分析处理来判断桥梁钢筋混凝土中的钢筋腐蚀程度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，采用非接触磁感应的方式，调节激励源对激励线圈的信号输出，通过检测线圈的检测并进行信号分析处理，进而判断桥梁钢筋混凝土中的钢筋腐蚀程度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，该方法包括以下步骤：

1)涡流效应电磁参数的获取；

2)磁场在空气中的传播的确定；

3)数据传输与信号分析处理。

可选的，所述步骤1)具体为：

激励源产生的激励信号加在激励线圈L1的两端时，此时L1产生的磁力线必然切割被检测的腐蚀钢筋M，并在其中产生涡流i，这个涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁力线减少，从而引起f下降；M的厚度A越大，涡流损耗也越大，检测线圈感应电动势E就越小；E的大小间接反映M的大小，当钢筋发生腐蚀后，其直径必然会发生减小，通过E的大小判断完成对钢筋腐蚀程度的判断；

E与h关系用下式表示

E＝KUe^-d/h

式中，d是腐蚀钢筋的厚度；h是涡流贯穿深度；K是比例常数。

可选的，所述步骤2)具体为：

在无限大的无源空间中；充满线性、各向同性的均匀理想介质；时谐场；均匀平面波；

设均匀平面波沿z轴传播，等相位面即为xy平面，则电磁强度和磁场强度均不是x和y的函数，即

由于

得

同理

得H_Z＝0；

得到在均匀平面波的电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向；

这时

设电场只有x分量，即

解为E_x(z)＝A₁e^-jkz+A₂e^jkz

第一项

第二项

由得

其中

称为媒质的本征阻抗；在真空中

同理，对于

在理想介质中，均匀平面波的电场强度与磁场强度相互垂直，且同相位。

可选的，所述步骤3)具体为：

下位机将采集数据及数据分析处理向上位机发送，上位机后台软件实现数据记录；通过希尔伯特变换将数据解析化；

任意一个时间序列g(t)通过希尔伯特变换变为

式中，P为柯西主值，取值为1；信号g(t)的希尔伯特变换

是原信号g(t)与1/(πt)在时域的卷积，通过将其转换到频域中去，时域中的卷积相当于频域中的相乘：

代表傅里叶变化；

通过希尔伯特变换将原信号幅值和频率不变，相位平移90°；生成解析信号，分析钢筋混凝土中钢筋腐蚀程度。

本发明的有益效果在于：

(1)不需要耦合剂，可以非接触进行检测；

(2)检测时探头无需与工件接触，检测速度快；

(3)可用于高温检测等；

(4)激励信号为具有一定占空比低频的脉冲方波，这种低频脉冲信号包含频率的信息量丰富、频谱宽、信号穿透力强；

(5)传统涡流检测传感器近场距离下，相比而言，脉冲涡流检测传感器具有更大的近场区域，就算传感器的提离高度比较大，依然在检测信号覆盖范围内。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明工作原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明可以通过以下技术方案来实现：一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，它由一个激励源(1)，一个激励线圈(2),一个感应线圈(3)，一个信号处理电路(4)，一个上位机(5)五部分组成，通过激励源产生不同频率、幅值、波形的激励信号。然后将激励信号输入激励线圈中去,激励线圈在激励源的作用下在空间产生磁场，钢筋混凝土中的钢筋在空间磁场的作用下产生了涡流效应，同时也产生一个磁场，此时感应线圈中受到的磁场为激励线圈的和钢筋涡流所产生的磁场的共同效应，再通过差分放大电路将激励线圈所产生的信号剔除，只留下钢筋混凝土中钢筋涡流效应所产生的磁场，通过信号处理电路，将数据向上位机传输，通过对信号的分析处理即可完成对钢筋混凝土中钢筋腐蚀程度的判断。本发明采用激励源为脉冲方波信号的磁感应检测技术。

一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，方法包括以下步骤：

1)涡流效应电磁参数的获取；

激励源产生的激励信号加在激励线圈L1的两端时，此时L1产生的磁力线必然切割被检测的腐蚀钢筋M(M可以看作是一匝短路线团)，并在其中产生涡流i，这个涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁力线减少，从而引起f下降。M的厚度A越大，涡流损耗也越大，检测线圈感应电动势E就越小，如图1所示。由此可知，E的大小间接反映了M的大小，当钢筋发生腐蚀后，其直径必然会发生减小，因此通过E的大小判断即可完成对钢筋腐蚀程度的判断。

E与h关系可用下式表示

E＝KUe^-d/h

式中，d是腐蚀钢筋的厚度；h是涡流贯穿深度；K是比例常数。

2)磁场在空气中的传播的确定；

在无限大的无源空间中；充满线性、各向同性的均匀理想介质；时谐场；均匀平面波。

设均匀平面波沿z轴传播，等相位面即为xy平面，则电磁强度和磁场强度均不是x和y的函数，即

由于

得

同理

得H_Z＝0

得到在均匀平面波的电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向——横电磁波(TEM波)

这时

设电场只有x分量，即

其解为E_x(z)＝A₁e^-jkz+A₂e^jkz

第一项

第二项

由

可得

其中称为媒质的本征阻抗。在真空中

同理，对于

因此，在理想介质中，均匀平面波的电场强度与磁场强度相互垂直，且同相位。

3)数据传输与信号分析处理

下位机将采集数据及数据分析处理向上位机发送，上位机后台软件实现数据记录。瞬时频率没有唯一的定义方法，通过希尔伯特变换可以将数据解析化。

任意一个时间序列g(t)可以通过希尔伯特变换变为

式中，P为柯西主值，为简单计可取值为1.由上式可见，信号g(t)的希尔伯特变换是原信号g(t)与1/(πt)在时域的卷积，通过将其转换到频域中去，可以看到时域中的卷积相当于频域中的相乘：

代表傅里叶变化。因此通过希尔伯特变换可以将原信号幅值和频率不变，相位平移90°。进而可以生成解析信号，分析钢筋混凝土中钢筋腐蚀程度。

设此时激励源信号为脉冲方波，频率为f，电流为I₁,将此方波通入匝数为a，直径为d的激励线圈，当电流恒为I₁时，此时会在激励线圈空间内产生一个磁场强度为

的空间磁场，当脉冲信号上升沿或者下降沿到来时空间磁场会发生，从而形成交变磁场，混凝土中的腐蚀钢筋在交变磁场中产生涡流效应，产生一个感应电动势ε＝n*ΔΦ/Δt，电流为i＝ε/R,该电流也会产生一个反向时变场B₂。此时感应线圈受到磁场B₁和B₂的共同作用，通过差分放大的方式将激励线圈所产生的磁场B₁的影响所抵消掉，是的所获取信号为感应线圈中的只受到磁场B₂的所产生的感应信号。该感应信号为一条电压振荡-衰减曲线，取检测线圈感应信号的峰值E作为特征值，假设此时钢筋腐蚀掉了一部分，根据E＝KUe^-d/h可知，由于钢筋直径d变化了，对应所产生的E也发生变化，即其导电部分减少了。此时该腐蚀钢筋所产生的涡流效应相对较弱，电流相对较小，导致产生的磁场B₃也较小，通过检测线圈所收集到的B₂，B₃的电信号，将采集到的数据向上位机发送，上位机后台软件实现数据记录与分析，即可完成对钢筋混凝土中的钢筋腐蚀程度进行判断。

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 (4)

1.一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)涡流效应电磁参数的获取；

2)磁场在空气中的传播的确定；

3)数据传输与信号分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，其特征在于：所述步骤1)具体为：

激励源产生的激励信号加在激励线圈L1的两端时，此时L1产生的磁力线必然切割被检测的腐蚀钢筋M，并在其中产生涡流i，这个涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁力线减少，从而引起f下降；M的厚度A越大，涡流损耗也越大，检测线圈感应电动势E就越小；E的大小间接反映M的大小，当钢筋发生腐蚀后，其直径必然会发生减小，通过E的大小判断完成对钢筋腐蚀程度的判断；

E与h关系用下式表示

E＝KUe^-d/h

式中，d是腐蚀钢筋的厚度；h是涡流贯穿深度；K是比例常数。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：

在无限大的无源空间中；充满线性、各向同性的均匀理想介质；时谐场；均匀平面波；

设均匀平面波沿z轴传播，等相位面即为xy平面，则电磁强度和磁场强度均不是x和y的函数，即

由于

得

同理

得H_Z＝0；

得到在均匀平面波的电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向；

这时

设电场只有x分量，即

解为E_x(z)＝A₁e^-jkz+A₂e^jkz

第一项

第二项

由

得

其中

称为媒质的本征阻抗；在真空中

同理，对于

在理想介质中，均匀平面波的电场强度与磁场强度相互垂直，且同相位。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式桥梁腐蚀钢筋磁感应检测方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：

下位机将采集数据及数据分析处理向上位机发送，上位机后台软件实现数据记录；通过希尔伯特变换将数据解析化；

任意一个时间序列g(t)通过希尔伯特变换变为

式中，P为柯西主值，取值为1；信号g(t)的希尔伯特变换

是原信号g(t)与1/(πt)在时域的卷积，通过将其转换到频域中去，时域中的卷积相当于频域中的相乘：

代表傅里叶变化；

通过希尔伯特变换将原信号幅值和频率不变，相位平移90°；生成解析信号，分析钢筋混凝土中钢筋腐蚀程度。

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