CN114002327A - 一种用于钢绞线完整程度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢绞线完整程度的检测方法，所述方法是通过在待测钢绞线两端进行声波检测，将接收到的声波信号的频域图进行归一化处理，再从声波信号归一化频域图中提取图中两个最明显频峰所在频率段，根据两频率段的最大峰值之比β通过β＝Max(A(f₁))/Max(A(f₂)),{f₁∈(f_1',f_2')，f₂∈(f_3',f_4')}计算频峰峰值比β，频峰峰值比β大于1则判断钢绞线完整；频峰峰值比β越小，则钢绞线完整程度越低。与现有技术相比，本发明的优点在于可以计算出钢绞线完整程度精确值，误差小，应用广。

Description

一种用于钢绞线完整程度的检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，尤其涉及一种用于钢绞线完整程度的检测方法，属于工程结构缺陷与声波检测技术领域。

背景技术

钢绞线是预应力结构和大跨索承体系桥梁的核心受力构件，其健康状况的好坏直接影响预应力结构的耐久性及整体的安全性。由于具有松弛性能好、高效经济、强度高等特点，钢绞线已被广泛应用于工程建设中。在疲劳应力与环境侵蚀作用下，钢绞线容易产生应力腐蚀、压痕、突发性断裂等缺陷。据调查世界范围内的预应力混凝土结构发生事故中，绝大部分是由钢绞线的失效引起的。因此，在生产和使用过程中，针对钢绞线完整程度的无损检测具有非常重要的意义。

声波检测作为一种有效的无损检测方法，被广泛应用于结构的内部缺陷检测。声波法具有灵敏度高、操作简单、无损精确、快速便捷等优点。研究表明，声波仪所接收到的声波信号中隐藏着反映结构内部缺陷的丰富信息。国内外的一些研究人员针对用无损检测法进行钢绞线缺陷检测开展了相关检测研究，Rizzo等开发了磁致伸缩导波传感器，用来研究钢绞线中的缺陷检测，得出了导波能量主要集中在钢绞线的外围钢丝中传播，此结果暗示磁致伸缩导波检测技术对钢绞线外围钢丝中的缺陷比较敏感。

等通过在多股钢丝中人工模拟缺陷，并进行超声导波实验，成功识别出缺陷钢丝，为钢绞线缺陷识别提供一种导波无损方法。徐江等利用导波检测钢绞线单处断丝缺陷，得出断丝回波峰峰值与断丝根数成线性关系。刘增华等釆用0.86MHz的二阶纵向导波检测钢绞线中的缺陷，结果显示可利用缺陷回波的幅值表征缺陷的大小。熊红芬对钢绞线中L(0,1)导波的反射特性进行了研究，利用反射系数反映钢绞线断丝情况。目前上述检测方法主要是提取缺陷回波幅值与反射系数，其关键在于识别回波信号和将回波信号与噪音信号分离，但回波信号属于接收信号中的局部信号，当回波信号小或噪音类型不明，则不易识别回波信号，并且均未定量的检测出受损程度，从而无法确定钢绞线完整程度。

综上，对于如何定量的检测出钢绞线完整程度方面的研究不多，如何准确的检测待测物结构完整程度是声波检测领域的研究重点，也是现在工程结构安全性检测技术领域急需解决的问题之一。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种用于钢绞线完整程度的检测方法，采用“一发一收”的测试方法，通过提取声波信号频域图中的特征参数进行数据处理，从而实现对钢绞线完整程度的精确检测。

本发明提供的用于钢绞线完整程度的检测方法，是通过在待测钢绞线两端进行声波检测，将接收到的声波信号的频域图进行归一化处理，再从声波信号归一化频域图中提取图中两个最明显频峰所在频率段，根据两频率段的最大峰值之比通过公式(1)计算频峰峰值比β，频峰峰值比β大于1则判断钢绞线完整；频峰峰值比β越小，则钢绞线完整程度越低：

β＝Max(A(f₁))/Max(A(f₂)),{f₁∈(f_1',f_2')，f₂∈(f_3',f_4')} (1)

其中，频峰峰值比β为声波信号的归一化频域信号在两个最明显频峰所在频率段的最大峰值之比，A(f)是声波信号的归一化频域图中频率f所对应幅度，f₁是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的频率，f₂是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的频率，f_1'是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的起始频率，f_2'是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的截止频率，f_3'是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的起始频率，f_4'是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的截止频率。

上述用于钢绞线完整程度的检测方法，包括如下步骤：

步骤a)在待测钢绞线一端点激发应力波，在待测钢绞线上另一端面处接收声波信号，即采用“一发一收”对测方法；

步骤b)将步骤a)所得声波信号进行数据处理，得声波信号频域图；

步骤c)对步骤b)所得声波信号频域图进行归一化处理，得归一化频域图；

步骤d)在步骤c)所得归一化频域图中选取两个最明显频峰所在频率段的频率值，代入公式(1)得频峰峰值比β；当β＞1时，所测钢绞线完整，当β＜1时，所测钢绞线不完整。

优选地，步骤a)中应力波为纵波，频率范围选自25KHz～35KHz。

优选地，步骤b)中的数据处理为将得到的声波信号采用快速傅里叶变化处理。

优选地，为进一步测量钢绞线的完整程度，本发明还包括步骤e)：根据预先设置的钢绞线完整程度λ与其对应的频峰峰值比β进行拟合得其线性关系式，再将步骤d)所得频峰峰值比β代入所述线性关系式求得待测钢绞线的完整程度λ。

更优选地，步骤e)可以为：将步骤d)所得频峰峰值比β代入公式(3)，得钢绞线完整程度λ：

λ＝1.2079β-0.2357 (3)

式中，λ为完整程度，β为频峰峰值比。

在钢绞线测完整度的研发过程中，发明人发现，在通过声波检测钢绞线时，其声波频域图中，第一个频率最大峰值将随不同钢绞线的完整程度降低而升高，第二个频率最大峰值将随不同钢绞线完整程度降低而降低。经分析得知，因不同操作者而导致声波时域信号整体变化较大，但其两频率段的最大峰值关系稳定，为了排除不同操作者、操作方法的影响，可以将频域图进行归一化处理，再将第二个频率最大峰值和第一个频率最大峰值进行比值，所得频峰峰值比β用来评价钢绞线完整程度。

当钢绞线无缺陷，即完整程度为1时，频峰峰值比β大于1；当钢绞线存在缺陷，即完整程度小于1时，频峰峰值比β小于1，且频峰峰值比β随着完整程度的降低呈降低趋势，同时因为是统一操作者、同一操作手法，故频峰峰值比β可以看作是为避免误差而定义的一无量纲参数，以使完整程度测试结果更直观、更准确、可量化。

与现有技术相比，本发明提供的用于钢绞线完整程度的检测方法引入了频峰峰值比(采用两个不同频率段的最大峰值相比)这一概念，不仅可以在对钢绞线进行声波检测过程中，避免不同操作者、不同操作手法所带来的误差，有效排除检测过程中人为误差或外部因素干扰，从而准确可量化地判断钢绞线是否存在缺陷，并判断其完整程度；还克服了现有技术从时域图中识别回波信号困难的问题。该方法流程简单，结果直观准确、可量化，优势明显。

附图说明：

图1为完整程度等于1状态下的钢绞线有限元模型示意图；

图2为完整程度小于1状态下的钢绞线有限元模型示意图；

图3为钢绞线截面完整程度示意图；

图4为本发明有限元模型与实验模型提供的换能器检测位置示意图；

图5为有限元模型在不同缺陷深度下的时域图；

图6为有限元模型在不同缺陷深度下的归一化频域图；

图7为本发明实验模型在不同缺陷深度下所获取的声波信号时域图；

图8为本发明实验模型在不同缺陷深度下所获取的声波信号归一化频域图；

图9为实验结果与有限元模拟结果对比图；

图10为本发明实验模型示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

实施例1

(1)选取材料模型，根据钢绞线的实际情况(如图1、图2所示)设置相关材料的弹性模量(Ε)、密度(ρ)、泊松比(v)，在COMSOL Multiphysics中分别建立存在不同完整程度钢绞线(即缺陷位置位于图4模型中B处，缺陷宽度为2mm,缺陷高度为0、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm的钢绞线)的有限元模型，使用材料参数如表1所示：

表1

弹性模量Mpa	密度kg/m<sup>3</sup>	泊松比
			2E5	7850	0.3

(2)如图3所示，为钢绞线完整程度示意图，在本发明有限元模型与实验模型中将不同缺陷高度d换算成缺陷面积A，通过公式(2)计算完整程度λ：

λ＝1-(A/A₀) (2)

其中，完整程度λ为剩余面积与无缺陷截面面积之比，A是缺陷面积，A₀为无缺陷截面面积，本发明采用公称直径15.2mm钢绞线，故A₀为137.44468mm²，表2为缺陷高度d，缺陷面积A与完整程度λ具体对应数据：

表2

(3)如图4所示，为本发明有限元模拟与实验模型提供的换能器检测位置示意图，在模型中的A处激发30KHz的应力波，将模型的右边界定义为固定边界，信号接受点设置在距离几何模型右边界1mm处(图4中C处)，由于在实际检测中，接收到的是右边界的轴向信号，故模拟时提取信号接收点的轴向速度来得到声波测试信号，得有限元模型在不同缺陷深度下的时域图，如图5所示；

(4)将步骤(3)所得各有限元模型接受的时域震动信号(波形信号)进行滤波处理，其中，低截至频率设置11000为Hz，高截至频率设置为32000Hz，将滤波后的时域震动信号进行快速傅里叶变换处理再归一化，所得有限元模型在不同缺陷深度下的归一化频域图如图6所示；

(5)从步骤(4)所得归一化频域图中分别找出两频率段的最大峰值，将两处最大峰值代入公式(1)计算频峰峰值比β：

β＝Max(A(f₁))/Max(A(f₂)),{f₁∈(f_1',f_2')，f₂∈(f_3',f_4')} (1)

其中，频峰峰值比β为声波信号的归一化频域信号在两个最明显频峰所在频率段的最大峰值之比，A(f)是声波信号的归一化频域图中频率f所对应幅度，f₁是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的频率，f₂是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的频率，f_1'是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的起始频率，f_2'是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的截止频率，f_3'是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的起始频率，f_4'是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的截止频率。

(6)本实施例中，分别进行缺陷高度为0、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm时的频峰峰值比β的计算，计算结果如表3所示，得缺陷高度d，完整程度λ与频峰峰值比β的对应数据。

表3

(7)从表3可以发现当完整程度λ为1时，频峰峰值比β大于1，故可以通过频峰峰值比β是否大于1，判断待测钢绞线是否存在缺陷，将表3内完整程度λ大于1的数据进行数据拟合，拟合后频峰峰值比β与完整程度λ的线性关系，其关系式(3)具体为：

λ＝1.2079β-0.2357 (3)

式中，λ为完整程度，β为频峰峰值比。

分析完整程度λ与频峰峰值比β的关系机理：无缺陷状态下的频域图中，第一个最大峰值频域段为低频信号段，是由于股与股之间的间隙局部震动所引起；第二个最大峰值频域段为高频信号段，是由于结构整体震动所引起。缺陷的存在与增大，使得间隙局部震动与缺陷局部震动等低频信号幅度增大，结构整体性下降导致结构整体震动高频信号幅度减小。

所以不同型号的钢绞线对应完整程度λ与频峰峰值比β关系相同，不会随不同型号钢绞线而改变，而完整程度λ与频峰峰值比β均为0～1范围内的数值，故不同型号的钢绞线所对应公式常数，其值与1.2076，-0.2357接近。因此，可以将公式(3)作为不同型号钢绞线共同的频峰峰值比β与完整程度λ的线性关系式。

实验模型验证

验证模型(1)

钢绞线，选取7丝直径为15.2mm钢绞线，长度为1m，缺陷设置与数学模型相同；

测量仪器，选取使用本课题组的B508—Wireless型高精度无线超声波仪进行数据采集，通过稀土超磁致伸缩换能器激发应力波，KD1002压电换能器接收应力波；

采用“一发一收”对测方法，在钢绞线一端通过稀土超磁致伸缩换能器激发30KHz的应力波，在钢绞线另一端通过KD1002压电换能器接收声波信号；

与实施例1相同，分别采集该实物钢绞线对应缺陷高度为0、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm时的钢绞线声波信号，所得声波信号的数据代入公式(1)计算频峰峰值比β，为了减少误差，在每种缺陷高度下，进行5次声波信息采集后取平均值，计算结果如表4所示，得缺陷高度d、完整程度λ实际值与频峰峰值比β的对应数据。

表4

从表4可以发现，当完整程度λ为1时，频峰峰值比β大于1，故可以通过频峰峰值比β是否大于1，判断待测钢绞线是否存在缺陷，将表4内的均值β'小于1的数据代入公式(3)，计算得钢绞线实物所对应的完整程度计算值λ′，对应数据如表5：

表5

均值β'	完整程度计算值λ′	完整程度实际值λ
			0.96802	0.93357	0.94664
0.81955	0.75424	0.80540
			0.67500	0.57963	0.62317
0.59308	0.48068	0.46707
			0.51361	0.38469	0.28571
0.40665	0.25549	0.15771
			0.23391	0.04684	0.02034

将所得结果与模拟数据进行对比，如图9所示，模拟数据与实验数据具有良好的统一性。

由上述内容可知，我们可以通过频峰峰值比β是否大于1，来判断待测钢绞线是否完整，频峰峰值比β大于1则待测钢绞线完整，频峰峰值比β小于1则待测钢绞线存在缺陷。若为了进一步判断钢绞线的缺陷程度，可按照有限元模型模拟实际待测钢绞线的完整程度λ，将不同完整程度λ数值与其所对应的频峰峰值比β拟合而得的关系式，可以用来评价待测钢绞线的具体完整程度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，是通过在待测钢绞线两端进行声波检测，将接收到的声波信号的频域图进行归一化处理，再从声波信号归一化频域图中提取图中两个最明显频峰所在频率段，根据两频率段的最大峰值之比通过公式(1)计算频峰峰值比β，频峰峰值比β大于1则判断钢绞线完整；频峰峰值比β越小，则钢绞线完整程度越低：

β＝Max(A(f₁))/Max(A(f₂)),{f₁∈(f_1',f_2')，f₂∈(f_3',f_4')} (1)

其中，频峰峰值比β为声波信号的归一化频域信号在两个最明显频峰所在频率段的最大峰值之比，A(f)是声波信号的归一化频域图中频率f所对应幅度，f₁是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的频率，f₂是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的频率，f_1'是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的起始频率，f_2'是声波信号的归一化频域图中第一个峰值的截止频率，f_3'是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的起始频率，f_4'是声波信号的归一化频域图中第二个峰值的截止频率。

2.根据权利要求1所述的用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，本发明还可以根据已知的钢绞线完整程度λ与其对应的频峰峰值比β拟合而得的线性关系式，通过待测钢绞线的频峰峰值比β计算待测钢绞线的完整程度λ。

3.根据权利要求1所述的用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a)在待测钢绞线一端点激发应力波，在待测钢绞线上另一端面处接收声波信号，即采用“一发一收”对测方法；

步骤b)将步骤a)所得声波信号进行数据处理，得声波信号频域图；

步骤c)对步骤b)所得声波信号频域图进行归一化处理，得归一化频域图；

步骤d)在步骤c)所得归一化频域图中选取两个最明显频峰所在频率段的频率值，代入公式(1)得频峰峰值比β；当β＞1时，所测钢绞线完整，当β＜1时，所测钢绞线不完整。

4.根据权利要求3所述的用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，步骤a)中应力波为纵波，频率范围选自25KHz～35KHz。

5.根据权利要求3所述的用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，步骤b)中的数据处理为将得到的声波信号采用快速傅里叶变化处理。

6.根据权利要求3所述的用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，本发明还可以包括步骤e)：根据预先设置的钢绞线完整程度λ与其对应的频峰峰值比β进行拟合得其线性关系式，再将步骤d)所得频峰峰值比β代入所述线性关系式求得待测钢绞线的完整程度λ。

7.根据权利要求3所述的用于钢绞线完整程度的检测方法，其特征在于，本发明还可以包括步骤e)：将步骤d)所得频峰峰值比β代入公式(3)，得钢绞线完整程度λ：

λ＝1.2079β-0.2357 (3)

式中，λ为完整程度，β为频峰峰值比。

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