CN111141824A - 一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统及方法 - Google Patents

一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统，包括：上位机：用于调制激励信号；接收回波信号；超声导波仪器：用于生成激励信号；定位测厚基座：用于定位、安装和支撑所述上声发射传感器和所述下声发射传感器；上声发射传感器：用于将所述激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；下声发射传感器：用于将所述激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构上，并将接收到的反射回波转换为回波信号。本发明还公开了一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹检测方法。本发明可实现远距离无损检测能力，具有检测速度快、效率高，安装使用方便，检测成本低，检测精准度好等优点。

Description

一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统及方法
技术领域
本发明涉及钢结构无损检测领域，具体涉及一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统及方法。
背景技术
中国大跨度桥梁多采用钢结构桥梁，其具有轻质、高强、施工周期短等特点，为保障钢结构桥梁的质量安全和平稳运营，桥梁钢结构无损检测成为桥梁检测的重要一环，新型的桥梁钢结构检测技术已成为桥梁无损检测的研究热点。
目前钢结构桥梁的检测多采用易损部位逐点排查和人工巡检的方式，钢结构裂纹在萌生阶段微小，早期不易被发现，存在漏检的风险；钢结构裂纹进入扩展阶段后，裂纹快速增长，甚至达到不可控制的阶段，造成整个桥梁结构的失效。
桥梁钢结构构件多属于薄壁结构，基于超声导波的无损检测技术可以在桥梁钢结构检测中推广使用。超声导波检测时一般采用低频超声波，常采用双面对称入射或单面楔形入射，并且需要对信号进行功率放大，并且对于桥梁常用钢结构也没有准确的检测频率。目前市场上没有适用于桥梁钢结构的超声导波检测的一体化设备，对于桥梁钢结构的检测复杂繁琐，亟需一种适用于桥梁钢结构的智能化超声导波检测设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中缺少对桥梁钢结构的超声导波检测的一体化设备，目的在于提供一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统及方法，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹检测系统，包括：上位机：用于调制激励信号；接收上声发射传感器和下声发射传感器反馈的回波信号，并对所述回波信号分析和处理；超声导波仪器：用于根据激励信号的调制结果生成激励信号，并将生成的激励信号导入所述上声发射传感器和所述下声发射传感器；定位测厚基座：用于定位、安装和支撑所述上声发射传感器和所述下声发射传感器，并夹持待测钢结构；所述定位测厚基座还用于测量待测钢结构的厚度；；上声发射传感器：用于将生成的激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；下声发射传感器：用于将生成的激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；所述反射回波为超声导波在所述待测钢结构中反射产生；所述定位测厚基座上设置有凹槽；所述上声发射传感器和所述下声发射传感器均设置于所述凹槽的侧壁上，且所述上声发射传感器和所述下声发射传感器对向设置；所述上声发射传感器和所述下声发射传感器夹持所述待测钢结构。
现有技术中，虽然存在很多超声波探伤技术，也存在对钢材的超声波的探伤技术，但是现有的超声波探伤技术均为点探伤技术，点探伤技术的检测范围很小，在小规模应用时可以有效的对钢材裂纹进行检测，但是对于桥梁钢结构这种大规模钢结构来说，很难有效的进行整体测试。本发明应用时，通过一个定位测厚基座对待测钢结构进行夹持，在夹持面上设置有上声发射传感器和下声发射传感器，这两个声发射传感器均可以根据激励信号生成超声波，也均可以接收反射回来的超声波；在这两个声发射传感器的共同作用下，超声波在桥梁钢结构内形成导波，并且在遇到裂纹的情况下反射回来由声发射传感器接收，实现裂纹检测，检测范围可达几十米，并且在大型桥梁检测时，通过不同的测点布置和测试频率、位置的改变，可以完成桥梁钢结构的快速检测。
由于本发明中采用了两个传感器，两个传感器在信号发射时，相位相同或者相位相差180°，方便控制导波的对称或非对称振动模态。在已经建成的桥梁内检测不方便夹具使用时，可以将两个传感器改成一个单面楔形传感器。
现有一般的导波检测是在频率范围内做频扫，做各个频率的测试，哪个效果用哪个，偶然性大，检测效率低。并且目前市场上没有成套的超声导波仪器，一般的超声仪器频率都比较高，超声导波检测一般需要的是频率低、功率高、精度高的测试设备（所以仪器里有功率放大模块和信号放大模块）。
桥梁缆索和管道中的超声导波，因为其截面简单，反射信号易于分析。但是桥梁钢结构一般截面比较复杂，所以检测困难，对各个部分的要求都比较高，比如在设置声发射传感器时，不易控制位置，加入定位测厚基座就是基于这个原因。目前缆索和钢管也有自己独特的夹具，是环形的，在桥梁钢结构中不适用。
而本发明主要用于对桥梁常用钢结构的快速检测，例如不同型号的工字钢、H型钢等，已知钢结构的截面特性，上位机根据截面信息和测厚信息，给出一个建议测试频率范围，从而实现钢结构的长距离快速检测。
进一步的，所述超声导波仪器包括：
激励模块：用于根据所述上位机激励信号的调制结果生成激励信号；
功率放大模块：用于对生成的激励信号进行功率放大，并将放大后的激励信号发送至所述上声发射传感器和所述下声发射传感器；
接收模块：用于接收所述上声发射传感器和所述下声发射传感器接收到的回波信号；
信号放大模块：用于对所述回波信号进行放大；
采集模块：用于对放大后的所述回波信号进行采集，并将采集的结果发送至上位机进行分析和处理。
进一步的，所述上声发射传感器包括上端口，上适配线圈，上压电材料和上阻尼块；所述上端口连接于所述上适配线圈，并接收激励信号后发送至上适配线圈，且所述上端口还用于接收回波信号并发送至所述超声导波仪器；
所述上适配线圈，上压电材料和上阻尼块自上而下依次设置，且所述上阻尼块接触于所述待测钢结构。
进一步的，所述下声发射传感器包括下端口，下适配线圈，下压电材料和下阻尼块；所述下端口连接于所述下适配线圈，并接收激励信号后发送至下适配线圈，且所述下端口还用于接收回波信号并发送至所述超声导波仪器；
所述下适配线圈，下压电材料和下阻尼块自下而上依次设置，且所述下阻尼块接触于所述待测钢结构。
进一步的，所述定位测厚基座上还设置有旋钮，所述旋钮用于调节所述凹槽的开口对待测钢结构的压力和所述凹槽的开口尺寸。
一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹检测系统的检测方法，包括以下步骤：S1：将所述上声发射传感器和所述下声发射传感器通过所述定位测厚基座安装在所述待测钢结构上；S2：调节定位测厚基座压力分布使得所述上声发射传感器和所述下声发射传感器对所述待测钢结构的压力相等；S3：通过所述定位测厚基座对所述待测钢结构的厚度进行获取并获取所述待测钢结构的截面信息，并根据所述待测钢结构的厚度和截面信息获取调制激励信号参数；S4：根据所述调制激励信号参数调制激励信号后，根据激励信号的调制结果生成激励信号；S5：所述上声发射传感器和所述下声发射传感器根据生成的激励信号在所述待测钢结构上产生超声导波，并接收所述待测钢结构上所述超声导波反射生成的回波信号；S6：对所述回波信号进行分析和处理后获取所述待测钢结构预设范围内的裂纹信息；S7：调整所述定位测厚基座在所述待测钢结构上的位置和/或激励信号参数，并重复执行步骤S4~S7直至检测完成。
本发明应用时，由于通过设置了一个定位测厚基座，定位测厚基座本身即可以作为设备夹持安装在钢结构上的构件，也可以作为对声发射传感器压力调节的装置，可以非常方便的进行调试和检测。而定位测厚基座还可以对待测钢结构的厚度进行测量，待测钢结构的截面信息一般都是已知的，通过这两个参数就可以得到最优的激励信号参数，从而提高本发明的使用效率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统及方法，搭建的基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统通过计算机、超声导波仪器、声发射传感器的信号传递作用及超声导波在钢结构中的传递特性，实现钢结构的裂纹检测，检测系统设计合理，形成完整可靠的钢结构超声导波检测系统，可以对各种不同截面的钢结构进行快速检测，降低检测复杂度，提高检测效率；设计的定位测厚基座较为方便完成实际钢结构超声导波双面对称入射中定位和双面声发射传感器压力相等的检测要求，并且定位测厚基座测得的检测位置处的实际厚度为计算机建议检测频率提供依据；该检测系统可实现远距离无损检测能力，具有检测速度快、效率高，安装使用方便，检测成本低，检测精准度好等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明定位测厚基座的示意图；
图3为本发明的工作流程图;
图4为本发明实施例示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-上位机，2-超声导波仪器，3-定位测厚基座，4-上声发射传感器，5-下声发射传感器，6-待测钢结构，41-上端口，42-上适配线圈，43-上压电材料，44-上阻尼块，51-下端口，52-下适配线圈，53-下压电材料，54-下阻尼块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹检测系统，包括：
上位机1：用于调制激励信号；接收上声发射传感器4和下声发射传感器5反馈的回波信号，并对所述回波信号分析和处理；
超声导波仪器2：用于根据激励信号的调制结果生成激励信号，并将生成的激励信号导入所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5；
定位测厚基座3：用于定位、安装和支撑所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5，并夹持待测钢结构6；
上声发射传感器4：用于将生成的激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构6上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；
下声发射传感器5：用于将生成的激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构6上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；
所述反射回波为超声导波在所述待测钢结构6中反射产生；
所述定位测厚基座3上设置有凹槽；所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5均设置于所述凹槽的侧壁上，且所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5对向设置；所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5夹持所述待测钢结构6。
本实施例实施时，通过一个定位测厚基座3对待测钢结构进行夹持，在夹持面上设置有上声发射传感器和下声发射传感器，这两个声发射传感器均可以根据激励信号生成超声波，也均可以接收反射回来的超声波；在这两个声发射传感器的共同作用下，超声波在桥梁钢结构内形成导波，并且在遇到裂纹的情况下反射回来由声发射传感器接收，实现裂纹检测，检测范围可达几十米，并且在大型桥梁检测时，通过不同的测点布置和测试频率、位置的改变，可以完成桥梁钢结构的快速检测。
如图3所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述超声导波仪器2包括：
激励模块：用于根据所述上位机1激励信号的调制结果生成激励信号；
功率放大模块：用于对生成的激励信号进行功率放大，并将放大后的激励信号发送至所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5；
接收模块：用于接收所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5接收到的回波信号；
信号放大模块：用于对所述回波信号进行放大；
采集模块：用于对放大后的所述回波信号进行采集，并将采集的结果发送至上位机1进行分析和处理。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述上声发射传感器4包括上端口41，上适配线圈42，上压电材料43和上阻尼块44；所述上端口41连接于所述上适配线圈42，并接收激励信号后发送至上适配线圈42，且所述上端口41还用于接收回波信号并发送至所述超声导波仪器2；
所述上适配线圈42，上压电材料43和上阻尼块44自上而下依次设置，且所述上阻尼块44接触于所述待测钢结构6。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述下声发射传感器5包括下端口51，下适配线圈52，下压电材料53和下阻尼块54；所述下端口51连接于所述下适配线圈52，并接收激励信号后发送至下适配线圈52，且所述下端口51还用于接收回波信号并发送至所述超声导波仪器2；
所述下适配线圈52，下压电材料53和下阻尼块54自下而上依次设置，且所述下阻尼块54接触于所述待测钢结构6。
如图2所示，本实施例实施时，阻尼块位于压电材料和待测钢结构之间，用于压电材料和钢材之间的电磁隔离；适配线圈和接口用于超声导波仪器和压电材料之间电压信号的传输；声发射传感器在使用时，需将安慰位置的钢结构表面打磨平整，使其表面露出金属光泽，并涂上超声耦合剂，用定位测厚基座3精准地安装在待测钢结构上。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述定位测厚基座3上还设置有旋钮，所述旋钮用于调节所述凹槽的开口尺寸。
采用上述任意一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹检测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1：将所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5通过所述定位测厚基座3安装在所述待测钢结构6上；
S2：调节定位测厚基座3压力分布使得所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5对所述待测钢结构6的压力相等；
S3：通过所述定位测厚基座3对所述待测钢结构6的厚度进行获取并获取所述待测钢结构6的截面信息，并根据所述待测钢结构6的厚度和截面信息获取调制激励信号参数；
S4：根据所述调制激励信号参数调制激励信号后，根据激励信号的调制结果生成激励信号；
S5：所述上声发射传感器4和所述下声发射传感器5根据生成的激励信号在所述待测钢结构6上产生超声导波，并接收所述待测钢结构6上所述超声导波反射生成的回波信号；
S6：对所述回波信号进行分析和处理后获取所述待测钢结构6预设范围内的裂纹信息；
S7：调整所述定位测厚基座3在所述待测钢结构6上的位置和/或激励信号参数，并重复执行步骤S4~S7直至检测完成。
本实施例实施时，由于通过设置了一个定位测厚基座3，定位测厚基座3本身即可以作为设备夹持安装在钢结构上的构件，也可以作为对声发射传感器压力调节的装置，可以非常方便的进行调试和检测。而定位测厚基座3还可以对待测钢结构的厚度进行测量，待测钢结构的截面信息一般都是已知的，通过这两个参数就可以得到最优的激励信号参数，从而提高本发明的使用效率。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，
本实施例中利用压电材料的正压电效应将激励电压信号转换为超声导波信号传输至钢结构中；本实施例中利用压电材料的逆压电效应将反射超声导波信号转换为反射电压信号；
在本实施例中，还包括有显示模块，显示模块可以将可控放大模块放大后的超声导波信号在超声导波仪器上进行实时显示。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，如图4所示，待探测构件的截面为H型钢，弹性模量为208GPa，泊松比0.28，密度7800kg/m3，构件长度为1.5m，通过定位测厚基座3进行厚度测定后，根据截面参数得到获取激励信号，本实施例中激励信号的中心频率为87.5kHz，然后采用该激励信号对构件进行激励，获取缺陷位置为0.745m。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统，其特征在于，包括：
上位机（1）：用于调制激励信号；接收上声发射传感器（4）和下声发射传感器（5）反馈的回波信号，并对所述回波信号分析和处理；
超声导波仪器（2）：用于根据激励信号的调制结果生成激励信号，并将生成的激励信号导入所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）；
定位测厚基座（3）：用于定位、安装和支撑所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5），并夹持待测钢结构（6）；所述定位测厚基座（3）还用于测量待测钢结构的厚度；
上声发射传感器（4）：用于将生成的激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构（6）上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；
下声发射传感器（5）：用于将生成的激励信号转换为超声波后发射到所述待测钢结构（6）上，并将接收到的反射回波转换为回波信号；
所述反射回波为超声导波在所述待测钢结构（6）中反射产生；
所述定位测厚基座（3）上设置有凹槽；所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）均设置于所述凹槽的侧壁上，且所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）对向设置；所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）夹持所述待测钢结构（6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统，其特征在于，所述超声导波仪器（2）包括：
激励模块：用于根据所述上位机（1）激励信号的调制结果生成激励信号；
功率放大模块：用于对生成的激励信号进行功率放大，并将放大后的激励信号发送至所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）；
接收模块：用于接收所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）接收到的回波信号；
信号放大模块：用于对所述回波信号进行放大；
采集模块：用于对放大后的所述回波信号进行采集，并将采集的结果发送至上位机（1）进行分析和处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统，其特征在于，所述上声发射传感器（4）包括上端口（41），上适配线圈（42），上压电材料（43）和上阻尼块（44）；所述上端口（41）连接于所述上适配线圈（42），并接收激励信号后发送至上适配线圈（42），且所述上端口（41）还用于接收回波信号并发送至所述超声导波仪器（2）；
所述上适配线圈（42），上压电材料（43）和上阻尼块（44）自上而下依次设置，且所述上阻尼块（44）接触于所述待测钢结构（6）。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统，其特征在于，所述下声发射传感器（5）包括下端口（51），下适配线圈（52），下压电材料（53）和下阻尼块（54）；所述下端口（51）连接于所述下适配线圈（52），并接收激励信号后发送至下适配线圈（52），且所述下端口（51）还用于接收回波信号并发送至所述超声导波仪器（2）；
所述下适配线圈（52），下压电材料（53）和下阻尼块（54）自下而上依次设置，且所述下阻尼块（54）接触于所述待测钢结构（6）。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统，其特征在于，所述定位测厚基座（3）上还设置有旋钮，所述旋钮用于调节所述凹槽开口对待测钢结构的压力和所述凹槽的开口尺寸。
6.采用权利要求1~5任意一项权利要求所述的一种基于超声导波的桥梁钢结构裂纹智能检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）通过所述定位测厚基座（3）安装在所述待测钢结构（6）上；
S2：调节定位测厚基座（3）压力分布使得所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）对所述待测钢结构（6）的压力相等；
S3：通过所述定位测厚基座（3）对所述待测钢结构（6）的厚度进行获取并获取所述待测钢结构（6）的截面信息，并根据所述待测钢结构（6）的厚度和截面信息获取调制激励信号参数；
S4：根据所述调制激励信号参数调制激励信号后，根据激励信号的调制结果生成激励信号；
S5：所述上声发射传感器（4）和所述下声发射传感器（5）根据生成的激励信号在所述待测钢结构（6）上产生超声导波，并接收所述待测钢结构（6）上所述超声导波反射生成的回波信号；
S6：对所述回波信号进行分析和处理后获取所述待测钢结构（6）预设范围内的裂纹信息；
S7：调整所述定位测厚基座（3）在所述待测钢结构（6）上的位置和/或激励信号参数，并重复执行步骤S4~S7直至检测完成。
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