CN113219048A - 一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统及方法，包括电涡流检测子系统、微型计算机子系统和驱动子系统；电涡流检测子系统包括检测模块；微型计算机子系统包括数字孪生模型建立模块、数据处理模块、神经网络识别模块；驱动子系统包括驱动模块；检测模块用于获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；数字孪生模型建立模块用于根据电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；数据处理模块用于对电流频率数据进行降噪、特征化预处理以获得处理后的电流频率数据；神经网络识别模块用于对处理后的电流频率数据进行识别判断钢结构桥梁是否存在损伤。

Description

一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统及方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统及方法。
背景技术
钢结构桥梁安全检测是一项必不可少的工作，关系到行车安全。钢结构桥梁具有材质均匀、可靠性高、强度高、重量轻的特点，但在材料上有着易腐蚀、不耐疲劳的缺陷。所以在钢结构大桥的使用过程中，自然灾害如洪水、台风等极端条件能够对我们的钢结构桥梁产生威胁，并且钢结构桥梁面对高速重载容易出现疲劳、老化问题，从而导致承载能力下降的情况，需要与之相配套的检修手段。
桥梁的钢结构一般不会直接裸露在空气中，其上会覆盖有混凝土，所以视觉识别无法直接检测钢结构损伤。由于工作环境的限制，对桥梁的检测工作一般需要使用大型的检修设备对桥梁进行检测维修，需要大量的人力物力消耗。传统技术如人工检测需要使用较大型的桥梁检测工具，会产生过多人力物力损耗，同时还需占道检测，影响正常交通秩序；超声波梁损伤检测需要耦合剂来辅助检测，不易实现自动化；而视觉识别桥梁损伤检测只能检测桥梁表面损伤，存在局限；而也同样适合检测钢结构的磁粉检测对被检测钢结构表面的光滑度要求较高，对于检测人员的技术要求也较高，检测范围与检测速度较为有限；其他检测如渗透检测技术，只能大致确定缺陷性质，并且存在一定污染。钢结构由于本身的化学与物理性质，在工作中会出现腐蚀、裂纹等情况，传统检测只能做到损伤报告，无法判断不同损伤对桥梁健康的影响程度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，现有的钢结构桥梁检测工作需要使用大型检测设备进行检测，可穿透性较弱，以及自动化检测设备难以实现的问题，目的在于提供一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统及方法，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，包括电涡流检测子系统、微型计算机子系统和驱动子系统；
所述电涡流检测子系统包括检测模块；所述微型计算机子系统包括数字孪生模型建立模块、数据处理模块、神经网络识别模块；所述驱动子系统包括驱动模块；
所述检测模块用于获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；具体地，检测模块使用电容三点式振荡电路为电路产生固定频率的振荡电信号，基于电涡流检测原理，使用单片机的时钟信号对电路中的振荡电信号进行实时的监测，获得电流频率，将电流频率进行数据化后存储并发送给数据处理模块与数字孪生模型建立模块。
所述数字孪生模型建立模块用于根据电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；数字孪生模型建立模块基于钢结构桥梁数字孪生模型直观的显示出桥梁损伤的位置与状况，同时对钢结构桥梁的健康状态进行预期，为桥梁的维护与修复提供参照。
所述数据处理模块用于对电流频率数据进行降噪、特征化预处理以获得处理后的电流频率数据，并将处理后的电流频率数据实时传递给神经网络识别模块；
所述神经网络识别模块用于对处理后的电流频率数据进行识别判断钢结构桥梁是否存在损伤；
所述驱动模块用于对驱动电机进行实时控制，承载微型计算机子系统与电涡流检测子系统在钢结构桥梁表面运行，进行损伤检测。
本发明在钢结构桥梁表面以上1~3mm处使用激励线圈进行电涡流检测，实时检测电路中的电流频率，将电流频率数据进行记录并转发给微型计算机子系统。在检测过程中，针对被检测钢结构桥梁表面可能存在的不平整问题，线圈提离高度自动调节模块实时的调节激励线圈距离钢结构桥梁表面的提离高度，保证检测数据的同一条件，使得检测的结果更加准确。当检测到损伤时使用语音预警模块进行语音预警。本发明在检测的同时使用检测数据创建相应带损伤的数字孪生模型，在检测到损伤后能够更加直观的在数字模型上显示损伤，方便进行钢结构桥梁的维护与修缮。
进一步地，所述电涡流检测子系统还包括线圈提离高度自动调节模块；
所述线圈提离高度自动调节模块包括激励线圈；所述线圈提离高度自动调节模块用于实时调节激励线圈距离被检测钢结构桥梁表面的提离高度。
进一步地，所述线圈提离高度自动调节模块还包括双舵电驱动舵机、升降臂、超声波测距仪；所述超声波测距仪用于实时检测激励线圈与钢结构桥梁表面之间的距离；所述线圈提离高度自动调节模块用于通过双舵电驱动舵机、升降臂和超声波测距仪实时调节激励线圈距离被检测钢结构桥梁表面的提离高度。
进一步地，所述电涡流检测子系统还包括语音预警模块；所述语音预警模块用于当检测到钢结构桥梁存在损伤时进行语音预警。
一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测方法，基于所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，包括如下步骤：
S1：将所述钢桥损伤检测系统置于需检测部位，调整检测模块的高度，使检测模块与钢结构桥梁表面保持一定的提离高度；打开开关，使所述钢桥损伤检测系统通电并平稳行驶；
S2：基于电涡流无损检测原理，使用检测模块获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；
S3：使用数字孪生模型建立模块根据接收到的电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；同时，使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪、特征化预处理获得处理后的电流频率数据，并将处理后的电流频率数据实时传递给神经网络识别模块；
S4：使用神经网络识别模块根据处理后的电流频率数据进行识别，判断钢结构桥梁是否存在损伤；
S5：若不存在损伤，则返回S2；若存在损伤，则对钢结构桥梁数字孪生模型进行相应调整，建立带有损伤数据的钢结构桥梁数字孪生模型。
进一步地，步骤S3，所述使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪、特征化预处理，具体包括：使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪得到降噪后的电流频率数据；对降噪后的电流频率数据进行小波变换特征化预处理得到处理后的电流频率数据。
进一步地，所述钢桥损伤检测方法还包括使用线圈提离高度自动调节模块实时调节激励线圈距离钢结构桥梁的提离高度，使得激励线圈距离钢结构桥梁的距离保持一致。
进一步地，步骤S5还包括：若存在损伤，则将损伤信息发送给语音预警模块报警。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明首次将电涡流检测技术与数字孪生技术相结合，提出了在检测的同时使用检测数据创建相应带损伤的数字孪生模型，在检测到损伤后能够更加直观的在数字模型上显示损伤，更方便的进行钢结构桥梁的维护与修缮，并且还能根据数字模型进行进一步的损伤估计预测，最终实现桥梁在全寿命周期即建造期、运营期巡检、维修后的检测期间的损伤检测与维护。
本发明提出使用电涡流检测，穿透混凝土等非铁磁性材料，对内部钢结构进行损伤检测，实现了更加便捷的全自动化检测。
本发明在检测过程中实时的建立桥梁的损伤情况数字模型，对于桥梁的数字模型进行分析，进一步对损伤进行测试，查看损伤对桥梁的危害程度，实现了桥梁的实时数字模型分析。
本发明可以减少人力物力消耗，同时对于桥梁钢结构不会造成负面影响，对于损伤类型也能够进行更加精确的判断，对于表面以及内部近表面损伤都具有检测能力，不会污染环境，具有更强实用性。
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是本发明全自动钢结构桥梁裂缝检测车的组成框图；
图2是本发明全自动钢结构桥梁裂缝检测车的检测原理框图；
图3是本发明全自动钢结构桥梁裂缝检测车的实际应用侧视示意图；
图4是本发明全自动钢结构桥梁裂缝检测车的线圈提离高度自动调节模块的详细结构图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-微型计算机装置，2-单片机装置，3-语音报警装置，4-轮胎，5-车载电源，6-电机驱动，7-上下底板，8-螺柱，9-激励线圈，10-双舵电驱动舵机，11-升降臂，12-超声波测距仪。
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1
如图1和图2所示，一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，包括电涡流检测子系统、微型计算机子系统和驱动子系统；
所述电涡流检测子系统包括检测模块；所述微型计算机子系统包括数字孪生模型建立模块、数据处理模块、神经网络识别模块；所述驱动子系统包括驱动模块；
所述检测模块用于获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；
所述数字孪生模型建立模块用于根据电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；
所述数据处理模块用于对电流频率数据进行降噪、特征化预处理以获得处理后的电流频率数据，并将处理后的电流频率数据实时传递给神经网络识别模块；
所述神经网络识别模块用于对处理后的电流频率数据进行识别判断钢结构桥梁是否存在损伤；
所述驱动模块用于对驱动电机进行实时控制，承载微型计算机子系统与电涡流检测子系统在钢结构桥梁表面运行，进行损伤检测。
所述电涡流检测子系统还包括线圈提离高度自动调节模块；
所述线圈提离高度自动调节模块包括激励线圈9；所述线圈提离高度自动调节模块用于实时调节激励线圈距离被检测钢结构桥梁表面的提离高度。
如图4所示，所述线圈提离高度自动调节模块还包括双舵电驱动舵机10、升降臂11、超声波测距仪12；所述超声波测距仪12用于实时检测激励线圈9与钢结构桥梁表面之间的距离；所述线圈提离高度自动调节模块用于通过双舵电驱动舵机10、升降臂11和超声波测距仪12实时调节激励线圈距离被检测钢结构桥梁表面的提离高度。
所述电涡流检测子系统还包括语音预警模块；所述语音预警模块用于当检测到钢结构桥梁存在损伤时进行语音预警。
如图3所示，本发明全自动钢结构桥梁裂缝检测车具体结构包括：微型计算机装置1、单片机装置2、语音报警装置3、轮胎4、车载电源5、电机驱动6、上下底板7、螺柱8、激励线圈9、双舵电驱动舵机10、升降臂11以及超声波测距仪12。微型计算机1用于对检测数据进行必要的数据处理和数据特征提取，以及神经网络分类检测，识别检测件是否有裂纹；单片机2是基于涡流检测的数据采集装置，是对检测件进行检测的直接装置；单片机2与微型计算机1连接，为单片机2供电并进行串口通信，将检测数据存储在微型计算机1中；语音报警装置3与微型计算机1连接，受其控制，当检测到裂缝时，微型计算机1传递相应信号给语音报警装置3，其发出警报；轮胎4用于使整个检测装置平稳地运行在检测件之上；车载电源5与微型计算机连接，提供电源；电机驱动6与轮胎4的马达连接，也与微型计算机1连接，微型计算机1发出控制电机驱动6的信号，电机驱动6控制马达的转速；上下底板7、螺柱8用于固定整个检测系统；激励线圈9与单片机2嵌合，当激励线圈9在检测件上方不远处平稳移动时，激励线圈中电流频率会随裂缝的有无发生灵敏的变化，单片机2以高速率计算电流频率的变化，发送至微型计算机1进行处理；双舵电驱动舵机10、升降臂11、超声波测距仪用于保证激励线圈始终与钢结构桥梁保持一定的距离，不随其运动而产生很大的变化。
一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测方法，基于所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，包括如下步骤：
S1：将所述钢桥损伤检测系统置于需检测部位，调整检测模块的高度，使检测模块与钢结构桥梁表面保持一定的提离高度；打开开关，使所述钢桥损伤检测系统通电并平稳行驶；
S2：基于电涡流无损检测原理，使用检测模块获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；
S3：使用数字孪生模型建立模块根据接收到的电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；同时，使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪、特征化预处理获得处理后的电流频率数据，并将处理后的电流频率数据实时传递给神经网络识别模块；
S4：使用神经网络识别模块根据处理后的电流频率数据进行识别，判断钢结构桥梁是否存在损伤；
S5：若不存在损伤，则返回S2；若存在损伤，则对钢结构桥梁数字孪生模型进行相应调整，建立带有损伤数据的钢结构桥梁数字孪生模型。
步骤S3，所述使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪、特征化预处理，具体包括：使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪得到降噪后的电流频率数据；对降噪后的电流频率数据进行小波变换特征化预处理得到处理后的电流频率数据。
数据处理模块首先对数据进行小波变换系数三层分解，得到小波变换的低频系数和高频系数的幅度与数量。对高频系数的三层分别进行小波变换重构信号，得到三维信号。该三维信号分别在不同程度上表征了原始检测信号的突变特征。
所述钢桥损伤检测方法还包括使用线圈提离高度自动调节模块实时调节激励线圈9距离钢结构桥梁的提离高度，使得激励线圈9距离钢结构桥梁的距离保持一致。
步骤S5还包括：若存在损伤，则将损伤信息发送给语音预警模块报警。
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 (8)

1.一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，其特征在于，包括电涡流检测子系统、微型计算机子系统和驱动子系统；
所述电涡流检测子系统包括检测模块；所述微型计算机子系统包括数字孪生模型建立模块、数据处理模块、神经网络识别模块；所述驱动子系统包括驱动模块；
所述检测模块用于获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；
所述数字孪生模型建立模块用于根据电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；
所述数据处理模块用于对电流频率数据进行降噪、特征化预处理以获得处理后的电流频率数据，并将处理后的电流频率数据实时传递给神经网络识别模块；
所述神经网络识别模块用于对处理后的电流频率数据进行识别判断钢结构桥梁是否存在损伤；
所述驱动模块用于对驱动电机进行实时控制，承载微型计算机子系统与电涡流检测子系统在钢结构桥梁表面运行，进行损伤检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，其特征在于，所述电涡流检测子系统还包括线圈提离高度自动调节模块；
所述线圈提离高度自动调节模块包括激励线圈（9）；所述线圈提离高度自动调节模块用于实时调节激励线圈距离被检测钢结构桥梁表面的提离高度。
3.根据权利要求2所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，其特征在于，所述线圈提离高度自动调节模块还包括双舵电驱动舵机（10）、升降臂（11）、超声波测距仪（12）；所述超声波测距仪（12）用于实时检测激励线圈（9）与钢结构桥梁表面之间的距离；所述线圈提离高度自动调节模块用于通过双舵电驱动舵机（10）、升降臂（11）和超声波测距仪（12）实时调节激励线圈距离被检测钢结构桥梁表面的提离高度。
4.根据权利要求2所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，其特征在于，所述电涡流检测子系统还包括语音预警模块；所述语音预警模块用于当检测到钢结构桥梁存在损伤时进行语音预警。
5.一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测方法，基于权利要求1~4任意一项所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测系统，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将所述钢桥损伤检测系统置于需检测部位，调整检测模块的高度，使检测模块与钢结构桥梁表面保持一定的提离高度；打开开关，使所述钢桥损伤检测系统通电并平稳行驶；
S2：基于电涡流无损检测原理，使用检测模块获得电流频率数据，并将电流频率数据实时传输给数字孪生模型建立模块和数据处理模块；
S3：使用数字孪生模型建立模块根据接收到的电流频率数据实时建立钢结构桥梁数字孪生模型；同时，使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪、特征化预处理获得处理后的电流频率数据，并将处理后的电流频率数据实时传递给神经网络识别模块；
S4：使用神经网络识别模块根据处理后的电流频率数据进行识别，判断钢结构桥梁是否存在损伤；
S5：若不存在损伤，则返回S2；若存在损伤，则对钢结构桥梁数字孪生模型进行相应调整，建立带有损伤数据的钢结构桥梁数字孪生模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测方法，其特征在于，步骤S3，所述使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪、特征化预处理，具体包括：使用数据处理模块对电流频率数据进行降噪得到降噪后的电流频率数据；对降噪后的电流频率数据进行小波变换特征化预处理得到处理后的电流频率数据。
7.根据权利要求5所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测方法，其特征在于，所述钢桥损伤检测方法还包括使用线圈提离高度自动调节模块实时调节激励线圈（9）距离钢结构桥梁的提离高度，使得激励线圈（9）距离钢结构桥梁的距离保持一致。
8.根据权利要求5所述的一种基于涡流与数字孪生技术的钢桥损伤检测方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：若存在损伤，则将损伤信息发送给语音预警模块报警。
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