CN203241387U

CN203241387U - 用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测装置

Info

Publication number: CN203241387U
Application number: CN 201320273529
Authority: CN
Inventors: 张继东; 孙灏; 潘根东; 颜永先; 范厚彬; 任旭初; 陈星宇; 畅卫杰
Original assignee: ZHEJIANG ZHOUSHAN KUAHAI BRIDGE Co Ltd; ZHEJIANG NINGBO YONGTAIWEN EXPRESSWAY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG ZHOUSHAN KUAHAI BRIDGE Co Ltd; ZHEJIANG NINGBO YONGTAIWEN EXPRESSWAY Co Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2023-05-20

Abstract

本实用新型公开了一种用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测装置，包括发射单点激励扭转或纵向模态导波的激励传感器、接收传感器、前置放大器和检测系统主机；其中检测系统主机包括通过前置放大器和放大滤波电路与接收传感器连接的数据采集单元、连接数据采集单元的便携计算机、与便携计算机连接的信号发生单元、与信号发生单元和便携计算机分别连接的门控电路、与门控电路和信号发生单元分别连接的功率放大器，所述激励传感器与功率放大器连接。本实用新型可以解决对斜拉桥、悬索桥中缆索进行有效、便捷和准确检测的技术问题。

Description

用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种桥梁安全检测装置，特别是对斜拉桥、悬索桥的安全使用检测装置。

背景技术

斜拉桥、悬索桥由于其造价低，建设速度快，在大跨距的桥梁建设中得到飞速发展。世界上已建成的主跨在200米以上的以缆索为主要承载部件的桥梁有几百座，其中跨径大于400米的斜拉桥或悬索桥共有近百座。我国至今已建成各种类型的斜拉桥或悬索桥有近200座，其中有几十座跨径大于200米，已成为拥有缆索桥梁最多的国家。

缆索作为这类桥梁的主要承载部件，其健康状况对保证桥梁的健康与安全具有重要意义。而缆索的锚头索体又是整个拉索结构中受力情况最为恶劣的部位，随着桥梁服役时间的增长，由于风振、雨滴等微振动引起缆索的振动传送至缆索端部锚固部件，使得锚头索体域的安全问题更加严重和突出。国内外均出现过由于锚头索体的率先腐蚀、破裂而导致的缆索脱落、断裂进而造成换索、塌桥等重大事故，损失巨大。

上述断索事故及拉索使用寿命过早衰退的原因是，由于拉索长期处于露天服役状态，直接受日照、温度变化影响以及风雨侵蚀作用，导致其防护系统老化失效，引起拉索外保护PE套开裂，水气进入拉索的高强度钢丝中，顺着钢丝汇集于拉索的锚头区域；同时由于拉索工作时拉力一般在几十吨至几百吨，经国外学者研究表明，拉索在高应力状态下，腐蚀速度将达到无应力状态下的两倍甚至更快。另外，风、雨、车辆载荷激励下产生的随机振动会引起钢丝间的相互磨损、拉索钢丝的疲劳及拉索防护层的损伤，这些都会影响拉索的使用寿命，给桥梁的安全使用埋下严重的隐患。

对于上述问题，专家们用振动信号分析系统对与发生晃动的拉索平行的四根拉索进行索力检测；用仪器检测拉索在风作用下自身的振动频率，并用这个振动频率反算出拉索的索力，再将测出的索力同以前做比较，才能判断拉索是否存在问题。然而，如果拉索锚固端存在局部的断丝或腐蚀损伤，拉索的索力变化微乎其微，因此无法仅通过索力来判断拉索的健康状况。同时由于拉索外面包裹有保护层，因此里面的钢丝是否断裂或锈蚀暂时缺乏有效的检测方法。

目前国内外在锚头索体检测的研究非常少，主要有超声检测法，检测时必须在拉索锚板处直接接触平行钢丝或预应力钢绞线实现检测，然而由于拉索锚板一般利用环氧树脂和铁砂封死，没有空间实现检测，同时在拉索的实际应用中没有空间利用该方法进行检测。

综上，寻找一种全面、远距离、在线检测斜拉桥、悬索桥中缆索的锚头索体方法，是有效解决桥梁的安全使用的有力保障。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测装置，以解决对斜拉桥、悬索桥中缆索进行有效、便捷和准确检测的技术问题。

本实用新型实现上述发明目的，所采用的技术方案如下：

一种用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测装置，包括发射单点激励扭转或纵向模态导波的激励传感器、接收传感器、前置放大器和检测系统主机；其中检测系统主机包括通过前置放大器和放大滤波电路与接收传感器连接的数据采集单元、连接数据采集单元的便携计算机、与便携计算机连接的信号发生单元、与信号发生单元和便携计算机分别连接的门控电路、与门控电路和信号发生单元分别连接的功率放大器，所述激励传感器与功率放大器连接。

本实用新型的优点是利用导波在不同材料中的频散特性和多模式特性，实现拉索端部锚头索体缺陷检测，并通过对拉索定期检查获得在役缆索的工作状况，指导缆索的维护工作、延长缆索使用寿命、减少断索几率，保证桥梁的安全运营。由此，一方面可以避免由于拉吊杆锚头区域断裂而导致桥梁倒坍等重大安全事故，更重要的是利用检测数据可以避免盲目更换拉吊杆而导致的浪费。

附图说明

图1是本实用新型的电路组成原理框图。

图2是本实用新型的检测信号的采集流程图。

具体实施方式

本实用新型的电路组成参见图1所示，它包括发射单点激励扭转或纵向模态导波的激励传感器、接收传感器、前置放大器和检测系统主机；其中检测系统主机包括通过前置放大器和放大滤波电路与接收传感器连接的数据采集单元、连接数据采集单元的便携计算机、与便携计算机连接的信号发生单元、与信号发生单元和便携计算机分别连接的门控电路、与门控电路和信号发生单元分别连接的功率放大器，所述激励传感器与功率放大器连接。

本实用新型的参数设置包括外层结构参数设置、内层结构参数设置、计算参数设置和显示参数设置等。

（4）外层结构参数设置

需要根据外层结构的尺寸输入外层的外半径、内半径、泊松比、声速和材料密度，其中声速是超声波在材料中传播的速度。

（2）内层结构参数设置

需要根据外层结构的尺寸输入外层的内半径、泊松比、声速和材料密度，其中声速是超声波在材料中传播的速度。

（3）计算参数设置

“最小频率”和“最大频率”是计算的频率范围，初始设置频率范围为0-600kHz。“频率步进”是计算的步长，初始设置为10kHz。“最大速度”是设置图像纵轴的参数，代表图像纵轴的最大值，初始设置的图像纵轴范围是8000m/s。速度误差和截止频率误差都是设置计算精确度的，误差越小，精度越高，初始设置为0.01m/s和0.1Hz。

（4）显示参数设置

“相速度范围”和“群速度范围”是设置显示结果的纵轴参数范围，初始设置速度范围均为0-8000m/s。“是否显示相速度曲线”和“是否显示群速度曲线”是设置是否显示曲线。“是否计算L(0,m)模态”、“是否计算T(0,m)模态”、“是否计算F(n,m)模态”是设置是否计算3种不同的模态，“n”为弯曲模态的阶数。

从检测信号中提取频散曲线的方法，激励信号为对余弦信号加窗得到的脉冲信号经功率放大器放大后得到的，由信号加窗的特性可以知道，实际得到的信号为以激励频率为主要频率的复杂成分信号。实际的激励信号的频率主要分布在[-df＋f , df＋f]的范围内，其中f为激励频率。导波检测的信号转化过程如图2.1.10所示，激励线圈激励的导波的能量取决于激发频率和激发信号的强度，激发频率越靠近构件的固有振动频率，激发信号的强度越搞，导波的能量越高。构件的固有振动频率通常都集中在频率比较低的频段，故在激励频率为f时，获得的导波信号的频率范围为[0 , f+df]，且低频段的导波信号强度要强于其他频段。接收线圈接收到的信号的强度是于导波信号的强度相关的，导波信号强度越大，信号越强，故接收信号的频率分布在[0 , f+df]，且低频段的信号强度相对较强。

在实际导波检测中，激励线圈和接收线圈的距离很近甚至重合，使得第一个信号的频散现象不明显，故不取第一个信号用于获取频散曲线。导波在构件中传播和发射会带来衰减和模式转化。综合考虑，取只经过一次反射的第二个信号来获取频散曲线。

磁致伸缩导波检测信号一般覆盖一段较宽的频率段，同时由于存在频散、多模态等现象及各种噪声，导致难以直接通过检测信号获得缺陷信息，所以需要通过适当的信号处理方法将检测信号处理为直观的波形，易于辨别缺陷。根据信号处理方法实时性的需要，可分为实时信号处理方法和后续信号处理方法。根据缺陷信号特征分析的结果，选用由硬件电路搭建的带通滤波器作为实时信号处理方法和由软件编写的带通滤波器作为后续信号处理方法。

检测软件的主要功能有信号发生单元控制、门控单元控制、数据采集、数据分析、数据处理、数据压缩等。根据软件平台体系结构的特征，将软件分为采集控制和数据分析处理两个模块。

采集控制模块包括检测数据的采集、信号发生单元和门控单元的控制。

数据采集通过采集单元实现，需要在软件平台进行设置的内容包括：

(1)模拟通道选择

模拟通道的选择一般结合采集单元的模拟输入通道总数和传感器的数目确定，考虑到磁致伸缩导波检测的需要，一般选用1至2个通道。

(2)采样频率选择

采样频率必须在采集单元可用范围内，需要考虑信号中最高有效频率f_max，基于采样定律要求采样频率大于2*f_max，如为了保证信号不失真，要求采样频率大于10*f_max。频率的选择一般有两种形式，区域选择和离散选择。区域选择是接收在一个范围内的所有数值；离散选择是仅接收一组固定的数值。由于检测系统的激励频率一般为多个离散值，所以软件只提供相匹配的离散采样频率。

(3)采样量程选择

采样量程需要考虑信号的最大有效幅值，太小无法获取完整的信号信息，太大会降低信号的最小可辨精度，要综合考虑设定采样量程。

(4)采样精度选择

采样精度为A/D的位数，可根据信号的最小有效幅值确定，过大会大幅度增加数据量，过小会丢失有效数据。

(5)采样时间选择

采样时间为每次采样持续的时间，需要根据弹性波实际传播的距离和检测的距离确定。

(6)采样次数选择

多次采样的目的是为了利用数字平均算法降噪，当重复次数N→∞时，对于零均值噪声，其数学期望为零，平均后输出的信号信噪比为无穷大。当N有限时，对于白噪声，累积平均可以使信噪比改善倍。对于有色噪声，信噪改善比要低于白噪声的情况。根据经验采样次数一般在300至500之间。

(7)触发方式选择

触发方式主要有软件触发和外部触发两种。一般认为外部触发功能是通过外部的触发脉冲来实现对数据采集单元开始和停止采集的控制。另外，在数据采集单元中也可以通过软件查询的方式根据数字口或模拟口的输入信号进行触发控制。

信号发生单元和门控单元的控制用于控制产生特定的脉冲信号输出给功率放大器，需要设定值为激励频率、幅值、周期数、发送间隔，并且给采集单元提供触发信号以启动采样。

磁致伸缩导波检测的信号采集过程参见图2：首先初始化采集单元，成功后校正各参数确认各设备的工作状态，参数正确则启动数据采集程序，开启流程控制线程；线程中首先读取触发口状态，如果接收到触发信号则启动单次采集，单次采集完毕后判断总采集次数时候达到设定值，如未达到再次进入循环直至达到设定的采集次数为止，采集完毕后存储采集的数据结束整个采样程序。程序运行的过程中可以手动结束采样程序，但程序不会保存任何数据。

数据分析处理模块包括数据分析、数据处理、数据压缩等功能。

数据分析用于检测信号时域、频域和时频域分析。时域分析主要获得如下信息：第一次通过信号的到达时间和幅值；端部回波信号的时间和幅值；异常信号的时间和幅值。频域分析给出信号的频率分量，可获得激励模态的截止频率等特征量。时频域分析基于短时傅里叶变换，获得信号的时频分布，验证导波的模态，确定异常信号的模态给缺陷判断提供参考。

通过对缆索断丝检测实验可以看到，导波检测传感器无需通过缺陷部位，远距离即可检测出缺陷，因此导波检测精度与缺陷和传感器之间距离有关，在导波检测范围内，传感器越靠近缺陷，检测精度越高，但无法区分断丝在斜拉索的周向分布位置。通过缆索检测初步试验，得到目前缆索检测可以达到的技术指标为：检测最小量度：2m距离内可检测3.2%的缺陷；6m距离内可检测5.41%的缺陷；8m距离内可检测8.11%的缺陷。损伤定位精度：相对误差一般在3%以内；绝对误差目前理想情况下仪器达到缺陷定位精度达1-2波长（波长等于波速除激励频率）。

缆索锚头索体检测流程如下：

第一步：通过发电机连接电源，检查设备情况并识别现场电源噪声。发电机提供交流220V电源，供电波动范围较大，最大值达250V，通过稳压器（600VA）进行稳压后供电稳定在220V，且噪声对检测无影响。

第二步：首先将激励传感器和接收传感器安装在待测缆索下部，再利用便携计算机控制主机产生特定大功率低频率的正弦波信号，输入到激励传感器，基于磁致伸缩效应在缆索中产生导波。

第三步：将接收传感器的检测信号通过采集端口输入到数据采集单元，经其中的A/D转换器后进入计算机，经计算机处理后得到缆索锚头索体的导波检测信号。

第四步：通过回波信号的幅值和到达时间，判断缆索锚头索体的腐蚀和损伤状况及位置。

Claims

1.一种用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测装置，其特征在于，包括发射单点激励扭转或纵向模态导波的激励传感器、接收传感器、前置放大器和检测系统主机；其中检测系统主机包括通过前置放大器和放大滤波电路与接收传感器连接的数据采集单元、连接数据采集单元的便携计算机、与便携计算机连接的信号发生单元、与信号发生单元和便携计算机分别连接的门控电路、与门控电路和信号发生单元分别连接的功率放大器，所述激励传感器与功率放大器连接。