CN114002331B - 一种用于钢绞线受损程度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钢绞线受损程度的检测方法，所述方法是通过在待测钢绞线两端进行声波检测，在接收到的声波信号的时域图中提取特征值首波最大峰值，对首波最大峰值进行数据处理后即可判断钢绞线的受损程度。与现有技术相比，本发明的优点在于可以计算出钢绞线受损程度精确值，误差小，应用广。
Description
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受损程度的检测方法，属于工程结构缺陷与声波检测技术领域。
背景技术
预应力混凝土结构因其具有抗裂性好、刚度大等优点，广泛应用于土木工程的各个领域。在预应力混凝土结构中，钢绞线是重要长形受力单元，出现缺陷而受损程度具有不确定性。钢绞线出现缺陷会影响着预应力结构的承载能力，因此在工程领域对于钢绞线的受损检测显得尤为重要。
声波检测作为一种有效的无损检测方法，广泛应用于结构的内部缺陷检测。声波法具有激发容易、检测工艺简单、操作方便等优点。并且根据不同的检测对象可以选用不同频率的声波来进行检测。研究表明，能够描述结构内部缺陷的信息很多隐藏在声波仪所接收到的脉冲信号中。国内外的一些研究人员针对用声波法进行钢绞线缺陷检测开展了相关检测研究，如Rizzo等通过采用激光激励宽频纵向导波的方式检测了钢绞线应力大小，并对其人工缺陷进行了检测，得出外围钢丝中导波信号幅值是中心钢丝的1.85倍，表明了导波能量主要集中在钢绞线的外围钢丝中传播。刘增华等釆用模数为2的L(0，2)纵向导波检测钢绞线中的缺陷，结果显示该方法对外围钢丝缺陷检测效果优于中心钢丝，可利用缺陷回波的幅值表征缺陷的大小。王良云采用磁致伸缩导波检测技术对钢绞线磨损、断丝等类型缺陷进行检测，得到断丝数量与回波幅值的线性关系。何存富等设计了一种频率在兆赫兹以上的磁致伸缩导波探头，并结合小波降噪的方法，提高了对钢绞线中轴向缺陷的检测能力。目前声波检测法主要是利用缺陷回波幅值与反射系数的提取，关键在于回波信号的识别和将回波信号与噪音信号分离，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，则不易提取回波信号，并且均未定量的检测出受损程度。
但是对于如何定量的检测出钢绞线受损程度方面的研究不多，准确的检测结构内部缺陷的尺寸是声波检测领域的研究重点，是现在工程结构缺陷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受损程度的检测方法，采用“一发双收”的测试方法，通过提取声波信号时域图中的特征参数进行数据处理，从而实现对钢绞线受损程度的精确检测。
一种用于钢绞线受损程度的检测方法，包括如下步骤：
步骤a)在待测钢绞线一端激发应力波，分别在待测钢绞线上距激发端20cm处与待测钢绞线另一端面处接收脉冲透射信号；
步骤b)将步骤a)所得脉冲透射信号进行数据处理，得声波信号时域图，计算两处接收点声波信号时域图的首波最大峰值之比得衰减值η；
步骤c)对步骤b)所得衰减值η进行对比，判断所测钢绞线的受损程度。
优选地，通过公式(1)计算衰减值η：
η＝|A(k)/A(i)| (1)
其中，衰减值η为两处接收点声波信号时域图的首波最大峰值之比，A(i)为待测钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A(k)为待测钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值，首波段最大峰值的取值，为信号起跳点后3个波峰峰值中的最大绝对值。
需要注意的是，由于η为衰减值，其将根据测试对象的不同而变化，仅可通过衰减值的数值判断有缺陷(衰减值越小即受损程度越高)，较难通过单一的衰减值直接判断钢绞线的受损程度，故发明人将衰减值η进行进一步的数据处理，从而得到公式(2)，即定义了一个特征参数时域衰减比μ，以此来判断钢绞线的受损程度；公式(2)具体为：
μ＝1-|(A(k)/A(i))/(A0(k)/A0(i))| (2)
其中，时域衰减比μ为被测钢绞线与无缺陷钢绞线衰减值的绝对值比同1的差值，A(i)为待测钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A(k)为待测钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值；A0(i)为无缺陷钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A0(k)为无缺陷钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值，首波段最大峰值的取值，为信号起跳点后3个波峰峰值中的最大绝对值。
则上述用于钢绞线受损程度的检测方法包括如下步骤：
步骤a)在待测钢绞线一端激发应力波，分别在待测钢绞线上距激发端20cm处与待测钢绞线另一端面处接收脉冲透射信号；
步骤b)将步骤a)所得脉冲透射信号进行数据处理，得声波信号时域图，将两处接收点的声波信号时域图进行首波最大峰值提取，通过公式(2)计算时域衰减比μ，判断所测钢绞线的受损程度。
优选地，所述脉冲波为纵波，频率范围选自25KHz～35KHz。
优选地，所述首波段最大峰值的取值，为信号起跳点后3个波峰峰值中的最大绝对值。
值得一提的是，在发射点附近的接收点(即接收点一)的设置作用在于以下几点：
1：接收点一距离激发端近，得到的首波段最大峰值是未经过缺陷处的直达波信号幅值(即初始信号幅值)，接收点二得到的首波段最大峰值是经过缺陷处的直达波信号幅值，接收点一得到的首波段最大峰值用作接收点二(远离发射点的接收点)采集信号中首波段最大峰值(经过缺陷处的直达波信号幅值)的参照，通过对二者进行比值对比分析，可以得到缺陷对首波段最大峰值的影响。因此，接收点一不能距离激发端太远。
2：通过将接收点一与激发端的距离长度除以首波抵达的时间，可以得到声波在钢绞线传播中的实际声速，由于声波在钢绞线传播速度快，接收点一距离激发端太近，则首波抵达时间不易识别，因此接收点一不能距离激发端太近。
3：在接收点一的时域图中，还可以通过提取缺陷反射波信号抵达的时间，将其与实际声速进行计算，进一步计算出缺陷位置，即将实际声速乘以缺陷反射波抵达时长，得到应力波从激发至碰到缺陷反射回来所传播的总路径长，将其减去接收点一与激发端的距离长度，就可以得到缺陷位置。
故发射点与接收点之间的距离长度需根据具体检测情况判定。
此外，发明人在通过声波检测钢绞线时，从两处接受点声波信号时域图上对比分析发现当有缺陷存在的时候两点首波最大峰值的比值变小，推测首波最大峰值可能与受损程度有关联，因此求出基于两处接受点声波信号时域图的衰减值公式(1)，测试结果发现衰减值会随着受损程度的增大而减小。又因为所得衰减值只能定性分析与受损程度的关系，不能定量化检测受损程度，为了解决这一问题，将待测钢绞线测得衰减值和无缺陷钢绞线测得衰减值进行比值，后将1与比值做差，得到时域衰减比μ计算公式(2)，时域衰减比μ随着受损程度的增加同样呈增长趋势，同时因为与无缺陷状态进行比较，故时域衰减比μ可以看作是待测钢绞线相对于无缺陷状态的受损程度而定义的一无量纲参数，以使受损程度更直观，得到量化。
与现有技术相比，本发明提供的用于钢绞线受损程度的检测方法是采用“一发双收”对钢绞线进行声波检测；将所接收到脉冲透射信号进行数据处理，得到声波信号的时域图；从所得到的时域图进行首波段最大峰值的提取，得到衰减值；将待测钢绞线衰减值与无缺陷状态相比，得到一种基于时域信号的特征参数；将该参数定义为时域衰减比μ，从而判断钢绞线的受损程度大小。该方法流程简单，直观可量化，优势明显：
1、“一发双收”的方式，能够通过声波仪所接收到的脉冲信号，获得更丰富的结构内部缺陷信息；
2、通过将信号起跳点后3个波峰峰值中的最大绝对值定义为首波段最大峰值，两处接受点声波信号时域图的首波最大峰值之比定义为“衰减值η”，克服了现有技术中由于识别缺陷回波困难，从而影响缺陷状态判定的问题；
3、通过将被测钢绞线与无缺陷钢绞线衰减值的绝对值比同1的差值定义为“时域衰减比μ”，通过时域衰减比μ的值判断钢绞线受损程度，判断结果直观；
4、通过将待测钢绞线衰减值与无缺陷状态相比的方法，能够将受损程度量化，操作简单。
附图说明：
图1为无缺陷状态下的钢绞线有限元模型示意图；
图2为有缺陷状态下的钢绞线有限元模型示意图；
图3为钢绞线截面受损程度示意图；
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5a为有限元模型在不同缺陷深度下接收点一所获取的时域图；
图5b为有限元模型在不同缺陷深度下接受点二所获取的时域图；
图6a为本发明实验模型在不同缺陷深度下接收点一所获取的脉冲信号时域图；
图6b为本发明实验模型在不同缺陷深度下接收点二所获取的脉冲信号时域图；
图7为实验与有限元模拟结果对比图；
图8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受损程度钢绞线(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/m3 | 泊松比 |
| 2E5 | 7850 | 0.3 |
(2)如图3所示，为钢绞线截面受损程度示意图，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(3)计算受损程度ɑ：
α＝A/A0 (3)
其中，受损程度ɑ为缺陷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与受损程度ɑ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，在A处右侧0.2m处(接收点一的位置是灵活的，只要保证两接收点分别布置于缺陷的两边，且当我们检测时，需要保证待测钢绞线中接收点一的布置位置要与无缺陷钢绞线中接收点一的布置位置相同。而在实际情况中，我们不知道钢绞线中缺陷的位置，所以将两接收点布置在两端面或者端面附近位置。本实例中接收点一布置在距离激发端20cm处，接收点二布置在另一端端面处。)的B点和1m处的D点(图4中的0.2m即为对应的A、B两点之间距离，也就是激发点与接收点一之间距离，图4中的1m即为对应的A、D两点之间距离，也就是激发点与接受点二之间距离)接受应力波透射信号，即时域震动信号；
(4)将步骤(3)所得各有限元模型接收的时域震动信号(波形信号)进行处理，所得脉冲波传播的两种情况时域图如图5a、图5b所示；
(5)通过观察图5a、图5b，得到首波段最大峰值，将所得首播最大峰值代入公式(2)计算时域衰减比μ：
μ＝1-|(A(k)/A(i))/(A0(k)/A0(i))| (2)
其中，时域衰减比μ为被测钢绞线与无缺陷钢绞线衰减值的绝对值比同1的差值，A(i)为待测钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A(k)为待测钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值；A0(i)为无缺陷钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A0(k)为无缺陷钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值；首波段最大峰值的取值，为信号起跳点后3个波峰峰值中的最大绝对值。
(6)本实施例中，分别进行缺陷高度为0、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm时的时域衰减比μ的计算，计算结果如表3所示，得缺陷高度d，受损程度ɑ与时域衰减比μ的对应数据。
表3
(7)将表3内的数据进行数据拟合，拟合后时域衰减比μ与受损程度ɑ的二项式关系，其关系式(4)具体为：
α＝-1.1037μ2+2.1037μ (4)
式中，ɑ为受损程度，μ为时域衰减比。
实验模型验证
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；
在声波信号采集过程中，本验证模型与实施例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(2)计算时域衰减比μ，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，受损程度ɑ与时域衰减比μ的对应数据。
表4
将表4内的时域衰减比μ代入公式(4)，计算得钢绞线实测受损程度ɑ，对应数据如表5：
表5
| 实测时域衰减比μ | 实测受损程度ɑ |
| 0.00000 | 0.00000 |
| 0.01154 | 0.02414 |
| 0.05893 | 0.12013 |
| 0.16635 | 0.31941 |
| 0.30037 | 0.53231 |
| 0.44251 | 0.71479 |
| 0.65103 | 0.90178 |
| 0.86327 | 0.99354 |
将所得结果与模拟数据进行对比，如图7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，图7所示模拟值关系曲线为模拟设置受损程度ɑ与时域衰减比μ的关系，理论值关系曲线为实验设置受损程度ɑ与实测时域衰减比μ的关系，实测值关系曲线为实测受损程度ɑ与实测时域衰减比μ的关系。
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 (3)
1.一种用于钢绞线受损程度的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a)在待测钢绞线一端激发应力波，分别在待测钢绞线上激发端的相邻位置处与待测钢绞线另一端面处接收脉冲透射信号；
步骤b)将步骤a)所得脉冲透射信号进行数据处理，得声波信号时域图，将两处接收点的声波信号时域图进行首波最大峰值提取，通过公式(2)计算时域衰减比μ，判断所测钢绞线的受损程度ɑ；
μ＝1-|(A(k)/A(i))/(A0(k)/A0(i))| (2)
时域衰减比μ与受损程度ɑ的关系式具体为：
α＝-1.1037μ2+2.1037μ (4)
其中，时域衰减比μ为被测钢绞线与无缺陷钢绞线衰减值的绝对值比同1的差值，A(i)为待测钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A(k)为待测钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值；A0(i)为无缺陷钢绞线接收点1采集信号中首波段最大峰值，A0(k)为无缺陷钢绞线接收点2采集信号中首波段最大峰值。
2.根据权利要求1所述的用于钢绞线受损程度的检测方法，其特征在于，步骤a)中应力波为纵波，频率范围选自25KHz～35KHz。
3.根据权利要求1所述的用于钢绞线受损程度的检测方法，其特征在于，所述首波段最大峰值的取值，为信号起跳点后3个波峰峰值中的最大绝对值。
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|---|
| 基于钢绞线断丝检测的超声导波传播特性试验;熊红芬;《无损检测》;第33卷(第5期);第12-13页，图6 * |
| 钢绞线中纵向模态衰减特性的试验研究;刘溯;刘增华;何存富;张易农;吴斌;;建筑结构学报(第S1期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114002331A (zh) | 2022-02-01 |
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