CN112629617A - 一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法及系统 - Google Patents

一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于无损检测领域，并具体公开了一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法及系统，其首先测试并获得缆索标样在不同积水长度下的导波信号，并提取导波信号中缆索下锚头第一次反射信号的波包峰峰值，根据积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线；然后获取待测缆索下锚头反射的信号波包峰峰值，根据该波包峰峰值及所述关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。本发明具有易于实施、检测结果可靠、适用性较强等优点。

Description

一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法及系统
技术领域
本发明属于无损检测领域，更具体地，涉及一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法及系统。
背景技术
桥梁缆索是大跨度桥梁的主要承载构件之一，在缆索的安装过程中钢丝间的空隙存在的潮湿空气冷凝形成液滴；缆索长期工作在严苛的户外环境下雨水或水雾的渗入，都将导致缆索的内部出现积水，从而引发缆索钢丝的锈蚀乃至断裂。为了避免这种安全隐患，应对其内部积水状态进行检测。
目前现有的检测方法主要为在缆索上开窗检测，在缆索下锚头的锚杯处开孔，观察是否有水渗出，但是该种方法会破坏缆索的防护体系。此外，本领域相关技术人员还提出了一些解决方案，例如专利CN201120328304.2公开了一种能感知内部湿度的桥梁用智能缆索，其在缆索内部预埋光纤湿度传感器，通过光纤湿度传感器检测缆索内部的湿度状况，该种设计需要在缆索制作过程中提前预埋，成本高，且无法用于已经投入使用的缆索。再如专利CN201610438580.1公开了一种内窥式缆索锈蚀检测方法及检测装置，其使用微型内窥装置上的摄像头和温湿度传感器，探测缆索内部的状态，需使用专用的仪器，检测过程复杂。因此，本领域技术人员仍需进行研究，以获得一种更简单、更实用、低成本的积水检测技术。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法及系统，其利用磁致伸缩导波技术实现了缆索内部积水状态的检测，具有易于实施，检测结果可靠，适用性较强等优点。
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法，其包括如下步骤：
S1在不同积水长度下的缆索标样上激励导波并采集导波信号，提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，根据积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线；
S2在待测缆索上激励导波并采集导波信号，提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，根据该波包峰峰值及所述关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。
作为进一步优选的，步骤S1中，利用检测模块实现导波的激励及导波信号的采集，该检测模块包括导波换能器及与其相连的磁致伸缩导波仪器，所述导波换能器安装在缆索上，其距离缆索下锚头上方预设距离L处。
作为进一步优选的，步骤S1中积水长度范围为0～L。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测系统，其包括：
检测模块，用于对不同积水长度下的缆索标样进行导波激励并采集导波信号，然后提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值；还用于对待测缆索进行导波激励并采集导波信号，并提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值；
模拟模块，用于根据缆索标样的积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线；还用于根据测得的待测缆索的波包峰峰值及所述关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。
作为进一步优选的，所述检测模块包括导波换能器及与其相连的磁致伸缩导波仪器，所述导波换能器安装在缆索上，其距离缆索下锚头上方预设距离L处。
作为进一步优选的，缆索标样检测时，积水长度范围为0～L。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明对缆索标样进行测试并采集导波信号，获取该缆索标样中积水长度和下锚头第一次反射信号波包峰峰值之间的关系曲线，作为检测的参考曲线，标定精度高，测试操作简单。
2.本发明通过将导波换能器安装在距离缆索下锚头固定距离处，即可采用磁致伸缩导波仪器激励导波并采集导波信号，相比于开窗检测，不破坏原有的缆索防护体系。
3.本发明基于磁致伸缩导波技术实现缆索积水状态的检测，相比于光纤湿度传感器和内窥检测技术，具有检测便捷、无需提前预埋传感器、无需特定仪器，因此更加适用于缆索内部积水的大批量快速检测。
4.本发明所提供的检测方法流程简单，易于实施，成本较低，可用于斜拉索、吊索等多种种类缆索内部积水检测，适用性较强，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测时导波换能器的布置示意图；
图3是本发明实施例1测得的缆索标样在6种不同积水长度下的信号波形图；
图4是本发明实施例1拟合获得的缆索内部积水长度与第一次反射的信号波包峰峰值之间的关系曲线图；
图5是本发明实施例1测得的待测缆索的信号波形图；
图6是图5中第一次反射的信号波包峰峰值在图4关系曲线中的位置示意图；
图7是本发明实施例2测得的待测缆索的信号波形图；
图8是图7中第一次反射的信号波包峰峰值在图4关系曲线中的位置示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-下锚头，2-缆索，3-导波换能器，4-永磁偏置磁化器，5-线圈，6-密封结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如背景技术部分所述，目前缆索积水检测方法主要有开窗检测、预埋湿度传感器检测以及采用内窥装置进行检测，上述方式均存在一定的弊端，本发明通过深入的研究，提出利用磁致伸缩导波法检测缆索内部积水，磁致伸缩导波具有非破坏性、适用性强、检测速度快和检测精度高的特点，而开窗检测具有破坏性、预埋湿度传感器对已服役缆索不适用、内窥检测复杂且速度慢的缺陷。目前，本领域未有人将导波应用于缆索内部积水检测，而本发明尝试将其用于缆索积水状态的检测，并提出以缆索下锚头第一次反射信号的波包峰峰值为测试依据，实现缆索积水长度的有效检测。之所以这样设计是因为本发明的发明人在研究中发现，若缆索内部有水的存在，利用磁致伸缩导波进行检测时，会有一部分导波能量从缆索钢丝泄露到水中去，使得导波的衰减增大，水的多少影响导波衰减程度，进而影响缆索下锚头反射回波的峰峰值，故可依据反射信号的波包峰峰值检测缆索内部的积水状态。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法，其包括如下步骤：
S1首先，在缆索标样上安装导波换能器3，导波换能器是将磁致伸缩导波仪器产生的激励信号转换成导波在缆索2中传播，同时能将接收的导波信号转换为电信号供导波仪器采集，将导波换能器连接到磁致伸缩导波仪器，使用磁致伸缩导波仪器产生激励信号并同时采集导波换能器转换的电信号；从无水到积水达预设长度，按一定的步长向缆索标样内部灌入水，使用磁致伸缩导波仪器激励并获取导波信号，并从获取的导波信号中提取缆索的下锚头1第一次反射的信号波包峰峰值，然后根据积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线。
具体的，缆索标样为与待测缆索同规格产品，使用磁致伸缩导波仪器同时完成导波激励和信号接收的功能，检测时，导波换能器安装在距离缆索下锚头上方预设距离L位置处，导波换能器包括永磁偏置磁化器4及线圈5，永磁偏置磁化器为若干个，依靠自身磁性吸附在缆索表面，围绕其一圈，线圈为可开合的线圈，设置在永磁偏置磁化器内部的空隙处。
更具体的，缆索主要包括聚乙烯护套、钢丝、纤维增强聚酯带，钢丝与钢丝及聚乙烯护套之间存在空隙，其内部的积水便充斥在这些空隙中间。缆索的下端安装下锚头1，下锚头的下方安装密封结构6，沿着缆索的上端部向内注水，水的存在导致钢丝的边界条件发生变化，一部分导波将泄漏到水中，水的增加导致导波泄露的能量增加，导致反射回导波换能器的信号幅值发生改变，基于此可以判断缆索内部的积水状态。所检测的积水的范围在导波换能器至缆索下锚头的区间内，取导波换能器至缆索下锚头的长度(具体为下锚头的下端面到导波换能器的中部)为L，所测积水长度取值范围为0～L。
检测时，将导波换能器安装在距离缆索下锚头固定距离的位置，然后按一定的步长向缆索内部灌入一定量的水，积水长度在换能器至下锚头的长度范围内，导波换能器激励出的导波同时向上和向下传播，其中向下传播的经下锚头反射，从而被换能器接收到的即为下锚头第一次反射的信号，第一次反射的信号的传播路径正为积水的检测范围，后面的反射信号是经过上下锚头多次反射，分析较为复杂且精度不高。获取一组缆索在不同积水长度下的导波信号，再求取该组信号的下锚头第一个反射信号波包的峰峰值，对峰峰值大小和积水长度的关系进行曲线拟合，得到积水长度与缆索下锚头第一次反射的导波信号波包峰峰值之间的关系曲线。具体可采用指数函数进行拟合，如下式，其中Vpp为下锚头第一个反射信号波包的峰峰值，l为积水长度，e为自然常数，a、b、c为拟合待求解的系数：
Vpp＝a×e-b×l+c
S2接着，获取待测缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，根据该波包峰峰值及关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。
具体的，保持和缆索标样相同的导波换能器、导波换能器的安装方式和位置、激励电压、采集信号的放大倍数，在待测缆索上安装导波换能器，使用磁致伸缩导波仪器获取通过待测缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，根据该波包峰峰值和参考曲线，得到待测缆索的积水长度，完成缆索的内部积水状态检测，当待测缆索内部积水长度接近0mm时，说明该缆索的健康状态越好。在获取信号波包峰峰值时，本发明优选取下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，该信号未经多次反射，分析简单且精度高。
本发明还提供了一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测系统，其包括检测模块和模拟模块，其中，检测模块用于对不同积水长度下的缆索标样进行导波激励并采集导波信号，然后提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值；还用于对待测缆索进行导波激励并采集导波信号，并提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值；模拟模块用于根据缆索标样的积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线；还用于根据测得的待测缆索的波包峰峰值及所述关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。
以下为具体实施例：
实施例1
本实施例的缆索标样为：长度为3000mm、内部为55根平行排列的钢丝、每根钢丝直径7mm的缆索，待测缆索为相同规格，检测步骤如下：
S1获取缆索标样下锚头第一次反射的导波信号波包峰峰值与积水长度之间的关系曲线作为参考曲线，具体如图3所示，在缆索标样上安装导波换能器，其距离缆索下锚头的底部1000mm处，激励信号为3周期的中心频率为60kHz的正弦信号；对缆索标样从无水按固定的步长向内部逐步加水，每加入200mm长度的水，从无水直到1000mm，使用磁致伸缩导波仪器进行信号采集，得到的6组信号如图3所示，再求取每组信号下锚头第一个反射信号波包的峰峰值，对峰峰值大小和积水长度的关系进行指数拟合，获得积水长度与下锚头第一个反射信号波包峰峰值之间的关系曲线，如图4所示。
S2在待测缆索试件上布置换能器，布置方式和测试参数均与S1中相同，使用磁致伸缩导波仪器进行信号采集得到的信号如图5所示，该信号第一个波包的峰峰值为9.116V，如图6所示，该值在步骤S1获得参考曲线中对应的横坐标为489.2，即测量得到积水长度为489.2mm，因此待测缆索内部存在积水，有锈蚀风险，存在安全隐患，需要在缆索的锚杯处开孔做排水处理，如果排出的水中出现锈迹，则需对缆索进行全面的检测和养护。
经实际测试，待测缆索的实际积水长度为500mm，本发明测量方法的绝对误差为1.08％，相对误差为2.16％，满足条件。因此，通过测量待测缆索反射信号波包峰峰值，将之与缆索标样参考曲线作比较，可以有效地测量缆索内部的积水状态。
实施例2
本实施例的待缆索规格和实施例1相同，同样为：长度为3000mm、内部为55根平行排列的钢丝、每根钢丝直径7mm的缆索，检测步骤如下：
S1在实施例1中，已获得该缆索标样的积水长度与下锚头第一个反射信号波包峰峰值之间的关系曲线，这里直接引用，如图4所示；
S2在待测缆索试件上布置导波换能器，布置方式和测试参数均与S1中相同，使用磁致伸缩导波仪器进行信号采集得到的信号如图7所示，该信号第一个波包的峰峰值为14.25V，如图8所示，该值在步骤S1获得参考曲线中对应的横坐标为0，即测量得到积水长度为0mm，因此待测缆索内部不存在积水，其状态为健康。
经实际测试，待测缆索的内部不存在积水，本发明测量方法的绝对误差为0％，相对误差为0％，检测结果符合实际情况，通过两个实施例可说明本发明检测方法的有效性。
本发明采用磁致伸缩导波检测技术实现缆索积水状态的检测，仅需在缆索的护套处安装换能器即可完成检测，具有非破坏性、适用性强、检测速度快和检测精度高等优点，本发明方法易于实施，检测结果可靠，可用于桥梁斜拉索、吊索等各类缆索的内部积水检测，适用性强。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在不同积水长度下的缆索标样上激励导波并采集导波信号，提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，根据积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线；
S2在待测缆索上激励导波并采集导波信号，提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值，根据该波包峰峰值及所述关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。
2.如权利要求1所述的基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法，其特征在于，步骤S1中，利用检测模块实现导波的激励及导波信号的采集，该检测模块包括导波换能器及与其相连的磁致伸缩导波仪器，所述导波换能器安装在缆索上，其距离缆索下锚头上方预设距离L处。
3.如权利要求2所述的基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测方法，其特征在于，步骤S1中积水长度范围为0～L。
4.一种基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测系统，其特征在于，包括：
检测模块，用于对不同积水长度下的缆索标样进行导波激励并采集导波信号，然后提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值；还用于对待测缆索进行导波激励并采集导波信号，并提取导波信号中缆索下锚头第一次反射的信号波包峰峰值；
模拟模块，用于根据缆索标样的积水长度及其对应的信号波包峰峰值拟合得到积水长度与信号波包峰峰值的关系曲线；还用于根据测得的待测缆索的波包峰峰值及所述关系曲线得到待测缆索内部的积水长度，以此完成缆索内部积水状态的检测。
5.如权利要求4所述的基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测系统，其特征在于，所述检测模块包括导波换能器及与其相连的磁致伸缩导波仪器，所述导波换能器安装在缆索上，其距离缆索下锚头上方预设距离L处。
6.如权利要求5所述的基于磁致伸缩导波的缆索内部积水检测系统，其特征在于，缆索标样检测时，积水长度范围为0～L。
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