CN111912907B - 一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统及其分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统及其分析方法，包括拉索、磁致伸缩导波传感器、监测设备以及远程设备，磁致伸缩导波传感器包括激励单元和接收单元，激励单元和接收单元与拉索的索体耦合为一体；监测设备与激励单元和接收单元线缆连接，监测设备与远程设备信号连接；监测设备用于接收远程设备的指令并控制激励单元和接收单元进行磁致伸缩导波监测；远程设备用于远程遥控监测设备发送监测指令并接收采集到的导波信号进行实时对比分析，评估拉索腐蚀断丝状态。本发明能够实时监控动态导波数据，自动快速识别导波信号中索力、边界条件等动态变化并修正，准确识别出腐蚀断丝反馈信号。

Description

一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统及其分析方法
技术领域
本发明涉及桥梁拉索监测技术领域，具体是一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统及其分析方法。
背景技术
近年来开始兴起通过磁致伸缩效应原理来检测钢索损伤的检测方法，相比其他检测方法，磁致伸缩导波无损检测技术在桥梁缆索腐蚀断丝检测方面具有检测长度大，覆盖结构区域广，可接近位置远离检测仪器难以到达的区域，无需开挖或拆除包覆层、防腐层等独特的优势，但目前在应用过程中，基于单次检测拉索腐蚀断丝导波信号，没有拉索完好状态下导波信号，即本底信号的特性参数作为依据，使得判定拉索腐蚀断丝程度存在分析复杂、精度不高，在不同索力和边界条件等因素下导波信号存在差异等问题，这给导波检测带来许多不确定性。
发明内容
针对上述现有缺陷，本发明提供了一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统及其分析方法，能够实时监测拉索的磁致伸缩导波信号，解决了现有磁致伸缩导波在检测拉索腐蚀断丝过程中精度不高、操作不便等问题。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统，其特征在于：包括拉索、磁致伸缩导波传感器、监测设备以及远程设备，所述磁致伸缩导波传感器包括激励单元和接收单元，所述激励单元和接收单元为圆环结构，所述激励单元和接收单元与拉索的索体耦合为一体；所述监测设备与激励单元和接收单元线缆连接，监测设备与远程设备信号连接；所述监测设备用于接收远程设备的指令并控制激励单元和接收单元进行磁致伸缩导波监测；所述远程设备用于对远程遥控监测设备发送监测指令并接收采集到的导波信号进行实时对比分析，评估拉索腐蚀断丝状态。
作为优选地，所述激励单元和接收单元耦合于预埋管内的索体上。
作为优选地，所述激励单元和接收单元耦合在拉索锚拉板上部外露的索体上。
作为优选地，本发明还提供一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统的分析方法，包括以下步骤：
(1)将激励单元和接收单元耦合在拉索出厂前的索体上，监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索张拉过程中不同张拉力下接收单元的感应电信号，获取多组无缺陷标样的测量信号a0，通过检测设备发送至远程设备作为开始服役后的识别参考信号；
(2)监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索在桥梁上张拉和附件安装完成开始服役后接收单元的感应电信号为测量信号a1，发送至远程设备与测量信号a0对比，识别出测量信号a1在该张拉力下对应的测量信号a0的本底信号参数b1，以及索力、边界条件反馈信号a2；
(3)监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索在监测服役期间接收单元的感应电信号为测量信号a3，发送至远程设备与开始服役拉索的测量信号a1实时对比；如有异常，远程设备将对测量信号a3和测量信号a1两信号相减或平方放大后再相减，并实时显示相减后信号a4，将相减后信号a4与索力、边界条件反馈信号a2对比，如一致，则拉索无损伤，并重新识别该张拉力下对应的测量信号a0的本底信号参数b1’，以及索力、边界条件反馈信号a2’；如果相减后信号a4与索力、边界条件反馈信号a2对比不一致，则远程设备判定该异常信号为拉索腐蚀断丝反馈信号；
(4)监测设备进一步对异常的测量信号a3进行分析，根据本底信号参数b1在其索力、边界条件下的衰减系数α计算公式如下：
Figure GDA0003783459120000031
式中d为接收单元距被测构件要测量处的距离；A0为被测构件端部处的信号幅值；Ad为所要测量处的信号幅值；
根据如下公式计算出异常的测量信号a3位置的本底信号参数b1的幅值
Figure GDA0003783459120000032
Figure GDA0003783459120000033
式中d异为接收单元距异常的测量信号a3的距离；α本为本底信号参数b1的衰减系数；
根据
Figure GDA0003783459120000034
拟合出的本底信号参数b1的衰减曲线，并计算该位置异常的测量信号a3实际幅值
Figure GDA0003783459120000035
与拟合幅值
Figure GDA0003783459120000036
比值作为反射系数K：
Figure GDA0003783459120000037
根据不同腐蚀等级、断丝截面积损失率S与导波反射系数K的线性关系：
K＝aS+b
其中，a、b为常数，其中a为拟合直线的斜率，b为拟合直线S为0时的值；可判定拉索腐蚀、断丝程度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将磁致伸缩导波激励和接收传感器与拉索耦合组成智能拉索，基于耦合磁致伸缩导波传感器的智能拉索，通过监测设备监测拉索全生命周期导波动态数据，程序自动识别拉索完好状态下导波信号、索力、边界条件特性参数，并将实时动态导波数据与本底信号对比分析，自动快速识别导波信号中索力、边界条件等动态变化并修正，从而准确识别出腐蚀断丝反馈信号，判断拉索在服役中的实时腐蚀断丝损伤状况，可以通过导波本底信号特性参数拟合出的衰减曲线来判断拉索腐蚀断丝程度，解决了现有磁致伸缩导波基于单次检测拉索腐蚀断丝导波信号，没有拉索完好状态下导波信号特性参数作为依据，使得判定拉索腐蚀断丝程度存在分析复杂、精度不高，在动态索力和边界条件等因素下导波信号存在差异带来检测的不确定性等问题，实现了对拉索腐蚀断丝状态实时监测评估及预警，为拉索在役运营安全提供了有效保障，也为拉索维护更换提供了准确的数据支持，避免了因拉索损伤断裂导致桥梁的整体垮塌带来的严重后果。
附图说明
图1为实施例1检测腐蚀断丝的智能拉索系统的整体示意图。
图2为实施例2检测腐蚀断丝的智能拉索系统的整体示意图。
图3为本发明实施例检测腐蚀断丝的智能拉索系统的分析流程图。
图4为本发明实施例导波信号对比分析图。
图5为本发明实施例导波信号相减分析图。
图6为本发明实施例拟合曲线判定损伤程度示意图。
图7为本发明实施例不同腐蚀等级、断丝截面积损失率与导波反射系数的线性关系曲线图。
图中，1-拉索；2-激励单元；3-接收单元；4-监测设备；5-远程设备；6-脉冲信号；7-通过信号；8-异常信号；9-左端部回波信号；10-右端部回波信号；11-相减后异常信号；12-损伤判定线；13-本底特性信号；14-采样点；15-线性关系拟合曲线。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施例并配合附图予以说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统，包括拉索1、激励传感器、监测设备4以及远程设备5，所述磁致伸缩导波传感器包括激励单元2和接收单元3，所述激励单元2和接收单元3为圆环结构，所述激励单元2和接收单元3与拉索1的索体耦合为一体；所述监测设备4分别与激励单元2和接收单元3、远程设备5信号连接，所述监测设备4用于接收远程设备5的指令并控制激励单元2和接收单元3进行磁致伸缩导波监测；所述远程设备5用于远程遥控监测设备4发送监测指令并接收采集到的导波信号进行实时对比分析，评估拉索腐蚀断丝状态。在有预埋管结构实桥安装中，激励单元2和接收单元3可同下锚头一起内置于预埋管内，避免外界环境对传感器寿命的影响，如图1所示。激励单元2和接收单元3线缆通过预埋管与防水罩间隙连接监测设备4，通过远程设备5或现场手动控制监测设备4进行磁致伸缩导波监测，采集拉索全生命周期动态导波数据，通过分析软件评估拉索1服役中实时腐蚀断丝损伤状况。
本发明通过将磁致伸缩导波激励和接收传感器与拉索耦合组成智能拉索，基于耦合磁致伸缩导波传感器的智能拉索，通过监测设备4监测拉索1全生命周期导波动态数据，程序自动识别拉索完好状态下导波信号、索力、边界条件等特性参数，并将实时动态导波数据与本底信号对比分析，自动快速识别导波信号中索力、边界条件等动态变化并修正，从而准确识别出腐蚀断丝反馈信号，判断拉索在服役中的实时腐蚀断丝损伤状况，通过该拉索智能系统可以实现通过导波本底信号特性参数拟合出的衰减曲线来判断拉索腐蚀断丝程度，解决了磁致伸缩导波在检测拉索腐蚀断丝过程中信号分析复杂、精度不高、在动态索力和边界条件等因素下导波信号存在差异带来检测的不确定性等问题，实现了对拉索腐蚀断丝状态实时监测评估及预警，为拉索在役运营安全提供了有效保障，也为拉索维护更换提供了准确的数据支持，避免了因拉索损伤断裂导致桥梁的整体垮塌带来的严重后果。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，在为锚拉板结构实桥安装中，激励单元2和接收单元3安装在拉索1锚拉板上部外露索体上，如图2所示。激励单元2和接收单元3通过线缆连接监测设备4，通过远程设备5或现场手动控制监测设备进行磁致伸缩导波监测，采集拉索全生命周期导波数据，通过分析软件评估拉索1服役中腐蚀断丝损伤状况。
实施例3
本实施例为结合分析方法对本发明内容提供的实施例，评估腐蚀断丝的智能拉索系统的分析方法流程如图3所示，包括以下步骤：
(1)将激励单元和接收单元耦合在拉索出厂前的索体上，监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索张拉过程中不同张拉力下接收单元的感应电信号，获取多组无缺陷标样的测量信号a0，通过检测设备发送至远程设备作为开始服役后的识别参考信号；
(2)监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索在桥梁上张拉和附件安装完成开始服役后接收单元的感应电信号为测量信号a1，发送至远程设备与测量信号a0对比，识别出测量信号a1在该张拉力下对应的测量信号a0的本底信号参数b1，以及索力、边界条件反馈信号a2；
(3)监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索在监测服役期间接收单元的感应电信号为测量信号a3，发送至远程设备与开始服役拉索的测量信号a1实时对比；如图4所示为实时测量信号a3与本底的测量信号a1对比图，可看出有明显异常信号8，对两信号相减或平方放大后再相减，并实时显示相减后信号a4，如图5为异常的信号处相减后异常信号11，可看出此处信号发生变化；与索力、边界条件反馈信号a2对比，判断该处是否为本底信号特性，与索力、边界条件反馈信号a2对比，如果与索力、边界条件反馈信号a2一致，则拉索1无损伤，并重新识别该张拉力下对应的测量信号a0的本底信号参数b1’，以及索力、边界条件反馈信号a2’；
如果与索力、边界条件反馈信号a2不一致，则可立即判定该异常信号为拉索腐蚀断丝反馈信号；
(4)监测设备进一步对异常的测量信号a3进行分析，根据本底信号参数b1在其索力、边界条件下的衰减系数α计算公式如下：
Figure GDA0003783459120000071
式中d为接收单元距被测构件要测量处的距离；A0为被测构件端部处的信号幅值；Ad为所要测量处的信号幅值；以此为基准值结合结合计算出如图4所示，d7为通过信号距接收单元的距离d7＝0.7338m,d9为左端部回波信号距接收单元的距离d9＝2.3038m,d10为右端部回波信号距接收单元的距离d10＝2.8262m，A0、A7为通过信号处的信号幅值A0＝A7＝0.7427V,A9为左端部回波信号处的信号幅值A9＝0.2763V,A10为右端部回波信号处的信号幅值A10＝0.2452V；结合计算公式计算拟合得衰减系数α＝-4.802；
根据如下公式计算出异常的测量信号a3位置的本底信号参数b1的幅值
Figure GDA0003783459120000072
Figure GDA0003783459120000081
式中d异为接收单元距异常的测量信号a3的距离；α本为本底信号参数b1的衰减系数；d异＝1.80625m-d7＝1.07245m，计算出
Figure GDA0003783459120000082
Figure GDA0003783459120000083
根据
Figure GDA0003783459120000084
拟合出的本底信号参数b1的衰减曲线，确定损伤判定线12，如图6所示，并计算该位置异常的测量信号a3实际幅值
Figure GDA0003783459120000085
与拟合幅值
Figure GDA0003783459120000086
比值作为反射系数K：
Figure GDA0003783459120000087
如图5所示实际幅值
Figure GDA0003783459120000088
则反射系数K＝0.1431V/0.4105V×100＝34.86％；
如图7所示，根据不同腐蚀等级、断丝截面积损失率S与导波反射系数K的线性关系：
K＝aS+b
其中，a、b为常数，其中a为拟合直线的斜率，b为拟合直线S为0时的值；通过拟合参数a＝0.756，b＝2.152，得异常的测量信号a3处拉索截面积损失率S＝(34.86-2.152)/0.756＝43.26％，则可判定拉索腐蚀、断丝程度。
虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统，其特征在于：包括拉索、磁致伸缩导波传感器、监测设备以及远程设备，所述磁致伸缩导波传感器由激励单元和接收单元构成，所述激励单元和接收单元为圆环结构，所述激励单元和接收单元与拉索的索体耦合为一体；所述监测设备与激励单元和接收单元线缆连接，监测设备与远程设备信号连接；
所述监测设备用于接收远程设备的指令并控制激励单元和接收单元进行出厂前、开始服役时、服役过程中磁致伸缩导波监测；
所述远程设备用于接收监测设备的出厂前磁致伸缩导波信号、开始服役时磁致伸缩导波信号作比对，识别出索力、边界条件反馈信号；
所述远程设备还用于远程遥控监测设备发送监测指令并接收采集到的服役过程中磁致伸缩导波信号与开始服役时磁致伸缩导波信号进行实时对比分析是否有异常信号；
所述远程设备还用于判断所述异常信号是否为索力、边界条件反馈信号，从而评估拉索腐蚀断丝状态。
2.根据权利要求1所述的一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统，其特征在于：所述激励单元和接收单元耦合于预埋管内的索体上。
3.根据权利要求1所述的一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统，其特征在于：所述激励单元和接收单元耦合在拉索锚拉板上部外露的索体上。
4.一种评估腐蚀断丝的智能拉索系统的分析方法，采用权利要求1的智能拉索系统，其特征在于，包括以下分析步骤：
(1)将激励单元和接收单元耦合在拉索出厂前的索体上，监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索张拉过程中不同张拉力下接收单元的感应电信号，获取多组无缺陷标样的测量信号a0，通过监测设备发送至远程设备作为开始服役后的识别参考信号；
(2)监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索在桥梁上张拉和附件安装完成开始服役后接收单元的感应电信号为测量信号a1，发送至远程设备与测量信号a0对比，识别出测量信号a1在该张拉力下对应的测量信号a0的本底信号参数b1，以及索力、边界条件反馈信号a2；
(3)监测设备发送激励信号至激励单元中，采集拉索在监测服役期间接收单元的感应电信号为测量信号a3，发送至远程设备与开始服役拉索的测量信号a1实时对比；如有异常，远程设备将对测量信号a3和测量信号a1两信号相减或平方放大后再相减，并实时显示相减后信号a4，将相减后信号a4与索力、边界条件反馈信号a2对比，如一致，则拉索无损伤，并重新识别该张拉力下对应的测量信号a0的本底信号参数b1’，以及索力、边界条件反馈信号a2’；如果相减后信号a4与索力、边界条件反馈信号a2对比不一致，则远程设备判定该异常信号为拉索腐蚀断丝反馈信号；
(4)监测设备进一步对异常的测量信号a3进行分析，通过本底信号参数b1或b1’拟合出衰减曲线，根据衰减曲线与异常的测量信号a3位置实际幅值对比判定拉索腐蚀程度。
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Weischedel et al. Inspection of wire ropes for offshore applications: Materials Evaluation, Vol. 49, No. 3, pp. 362–367 (Mar. 1991)

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