CN209784263U - 用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤和检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤和检测系统，该激振力锤具有外壳、安装在所述外壳下端的可更换锤头和安装在所述外壳内部的测力芯体；所述测力芯体包括自上而下依次布置的附加质量块、压电元件和基座；所述压电元件采用叠层组合结构，包括至少一组由两片压电晶片和夹设在该两片压电晶片之间的金属连接块组成的单元；在最外两侧的所述压电晶片外侧还具有邻近的两个电极片。本实用新型的激振力锤测力芯体采用叠层结构，提高了激振力锤的分辨率，本实用新型提供的检测系统尤其适用于高铁或地铁的支撑层下的吊空检测。

Description

用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤和检测系统

技术领域

本实用新型涉及无损检测设备，特别涉及一种用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤。

背景技术

无砟轨道支撑层(也称为底座)是由混凝土整体灌筑而成，现在的高铁路基和地铁路基均采用无砟轨道。

脉冲响应法是一种利用机械冲击力引起的混凝土构件的瞬态响应的无损检测方法。该方法是利用激振力锤冲击混凝土板，通过对结构的快速扫描确定板下脱空区域。目前我国铁路建设快速发展，高铁路基的质量和安全性是关系乘客人身安全的备受关注的重要方面。高铁或地铁路基支撑层下往往形成脱空，这有可能对高铁或地铁运行安全带来隐患，因此很有必要对高铁或地铁路基轨道板支撑层脱空进行脉冲响应法检测。

高铁或地铁路基轨道板支撑层下脱空空隙很小，目前的地质雷达等检测方法难以达到这一精度要求。其中，如何提高力锤高端频率，从而提高脉冲响应法的检测精度，是一个有待解决的问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中的力锤检测精度不高的问题，本实用新型提供了一种无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，该激振力锤具有外壳、安装在所述外壳下端的可更换锤头和安装在所述外壳内部的测力芯体；所述测力芯体包括自上而下依次布置的附加质量块、压电元件和基座；所述压电元件采用叠层组合结构，包括至少一组由两片压电晶片和夹设在该两片压电晶片之间的金属连接块组成的单元；在最外两侧的所述压电晶片外侧还具有邻近的两个电极片。

优选地，该激振力锤还具有自两个所述电极片引出的信号输出线。

优选地，该激振力锤还具有设置在所述附加质量块和所述外壳上端之间的预压弹性件。

优选地，所述预压弹性件的中部设有调节形变量的调节件。

优选地，所述电极片为压电晶片表面上的镀银层。

优选地，所述外壳为金属外壳。

优选地，所述可更换锤头配备有钢、铝、尼龙、橡胶材质的多个锤帽。

优选地，所述外壳的下端具有安装孔或螺柱，所述可更换锤头通过安装孔或螺柱安装在所述外壳上。

优选地，所述外壳的上端一侧具有力锤手柄。

根据本实用新型的另一方面，也提供了一种检测系统，该系统包括：上述激振力锤，所述激振力锤用于检测敲击力信号；至少一个拾振传感器，所述拾振传感器用于检测振动信号；与所述激振力锤和所述拾振传感器连接的脉冲响应仪，所述脉冲响应仪用于接收敲击力信号和振动信号，对其进行放大和模数/转换，得到脉冲相应波形数据；与所述脉冲响应仪连接的处理器，所述处理器对脉冲相应波形数据进行处理，得到敲击点处单位力作用下的导纳谱，以及由导纳谱曲线的变化求取的特征参数。

根据本实用新型公开的内容，可获得的有益效果至少包括：

本实用新型的激振力锤测力芯体采用叠层结构，提高了激振力锤的分辨率；所述测力传感器采用预压弹性件对附加质量块预压方式，提高了对脉冲响应法检测准确度，本实用新型的激振力锤尤其适用于高铁或地铁的支撑层下吊空检测。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本实用新型所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本实用新型更多的目的、功能和优点将通过本实用新型实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为本实用新型实施例中的激振力锤示意图。

图2为本实用新型实施例中的激振力锤测力芯体的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中的脉冲响应检测系统的结构示意图。

附图标记说明：

1；激振力锤 2：拾振传感器 3：脉冲响应仪

4：处理器 5：高铁轨道板支承层； 6：连接线

7：测力芯体 8：可更换锤头 9：外壳

10：螺孔或螺柱 11：激振力锤手柄 21：电极片

22：预压弹性件 23：附加质量块 24：压电晶片

25：基座 26：信号输出线 27：金属连接块

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本实用新型的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本实用新型并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本实用新型的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

为了解决现有技术中的力锤检测精度不高的问题，本实用新型提供了一种用于无砟轨道支撑层检测的激振力锤，图1示出了该激振力锤的结构示意图，图2示出了该激振力锤的测力芯体的结构示意图。

如图1和图2所示，该激振力锤具有外壳9、安装在所述外壳9下端的可更换锤头8和安装在所述外壳9内部的测力芯体7。所述测力芯体7 包括自上而下依次布置的附加质量块23、压电元件和基座25。其中，压电元件采用叠层组合结构，包括至少一组由两片压电晶片24和夹设在该两片所述压电晶片24之间的金属连接块27组成的单元。在最外两侧的所述压电晶片24外侧还具有邻近的两个电极片21。

在上述实施方式中，压电元件可以采用一个单元构成的叠层组合结构，也可以包含多个单元上下叠加而成，最外层的压电晶片24外侧设有电极片21即可。可以理解的，压电元件也可不设置中间的金属连接块27，但其灵敏度也会相应降低。

在上述实施方式中，该激振力锤还具有自两个电极片21引出的信号输出线26。一般地，信号输出线26可以连接上下两端的电极片21，信号输出线26之一的也可以连接中间的金属连接块27(并联方式)。

采用本实用新型中的激振力锤，在可更换锤头8敲击底面或物品时，其内部的附加质量块23由于惯性而作用于压电晶片24上，压电晶片24 在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态。具有压电效应的压电晶片24由于产生形变，因此压电晶片24的上下两端的表面产生交变电荷(电压)，从而产生电量的变化，通过输出线26 给外接设备或电气元件，外接线路可以具有前置放大器或积分电路，就可以测试出力的大小。压电晶片24可以采用石英晶体压电片，也可采用闪锌矿、方硼石、电气石、红锌矿、钛酸钡及其衍生结构晶体。

为了消除从压电晶片到结构之间的质量对测力的影响，该激振力锤还具有设置在所述附加质量块23和所述外壳9上端之间的预压弹性件22。优选地，所述预压弹性件22的中部设有调节形变量的调节件。在本实用新型的一个较佳实施方式中，附加质量块23一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。对给定的压电材料而言，灵敏度随附加质量块的增大或压电元件的增多而增大。预压弹性件22一般选用弹簧或弹片，然后用调节件安装调节，调节件可采用可调节螺栓，被贯穿设置在附加质量块23、压电元件和基座25的中部。

具体实施时，所述电极片21可为压电晶片24表面上的镀银层，优选地，所述外壳9可为金属外壳。本实用新型的激振力锤可以采用一硬弹簧或螺栓，螺帽对附加质量块23预加载荷，将整个组件装在一个基座 25的金属外壳9中。为了隔离可更换锤头8的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，外壳和基座的重量差不多占激振力锤重量的一半。

为了适用于激振出不同的频率范围，所述可更换锤头8可配备有钢、铝、尼龙、橡胶材质的多个锤帽。频率范围根据选用的锤头材质不同而不同，较软的锤头适合低频，较硬的锤头适合高频。具体实施时，所述外壳9的下端具有安装孔或螺柱10，所述可更换锤头9通过安装孔或螺柱10安装在所述外壳9上。可更换锤头9也可采用其他实施方式安装连接。优选地，所述外壳9的上端一侧还具有力锤手柄11，以便使用者进行敲击动作，根据实际需要，也可将力锤手柄设置为与外壳9垂直或平行延伸的状态。

本实用新型的测力芯体灵敏度可为1mv/N，测试的动态力可为2kN 以上，其冲击谱频率范围15kHz以上。

根据本实用新型公开的内容，可获得的有益效果至少包括：

本实用新型的激振力锤测力芯体采用叠层结构，提高了激振力锤的分辨率；所述测力传感器采用预压弹性件对附加质量块预压方式，提高了对脉冲响应法检测准确度，本实用新型尤其适用于高铁或地铁的轨道板下吊空检测。

根据本实用新型的另一方面，也提供了一种脉冲响应检测系统。图 3示出了本实用新型用于高铁轨道板支撑层下吊空检测的脉冲响应检测系统的结构示意图。如图3所示，该系统包括上述激振力锤1、至少一个拾振传感器2、脉冲响应仪3和处理器4。

激振力锤1用于检测敲击力信号，作为信号的发生器，拾振传感器 2用于检测振动信号。脉冲响应仪3与激振力锤1和所述拾振传感器2连接，脉冲响应仪3用于接收敲击力信号和振动信号，对其进行放大和模数/转换，得到脉冲相应波形数据。处理器4与脉冲响应仪3连接，处理器4对脉冲相应波形数据进行处理，得到敲击点处单位力作用下的

在实际测试时，在敲击点半径10cm范围内，将拾振传感器2安置在待测的高铁轨道板支撑层5上，通过耦合剂使拾振传感器2与待测的高铁轨道板支撑层5粘合。脉冲响应仪3连接拾振传感器2用于接收拾振传感器检测到的电信号。测试时用激振力锤冲击支承层5表面，脉冲响应仪3接收敲击的力信号和振动信号，再通过处理器4对两种信号的分析计算，得到敲击点处单位力作用下的导纳谱，以及由导纳谱曲线的变化求取的一些特征参数，如动刚度、导纳谱比率，导纳均值，导纳曲线斜率等。用于评估混凝土板的质量状况，如混凝土板下脱空，基础软化等。

所述拾振传感器是宽频带，传感器采样频率大于15KHz。

在高铁轨道板支承层上按点距1-2米，连续进行测试，就会得到一条 V-L(长度＝点距*点数)曲线和K-L曲线，V值较大处和K值较低处则是不稳定区域，这样就达到了检测支承层5不稳定区域的目的。由于本实用新型的改进在于激振力锤部分，因此不对数据处理进行过多描述。

本实用新型的脉冲响应检测系统能够有效检测出高铁轨道支撑层下8mm吊空，实现高铁轨道板吊空的高精度检测，不仅适用于高铁轨道板支撑层检测，同样适用于其他同类型混凝土结构，例如隧道衬砌。

结合这里披露的本实用新型的说明和实践，本实用新型的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本实用新型的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，该激振力锤具有外壳、安装在所述外壳下端的可更换锤头和安装在所述外壳内部的测力芯体；所述测力芯体包括自上而下依次布置的附加质量块、压电元件和基座；所述压电元件采用叠层组合结构，包括至少一组由两片压电晶片和夹设在该两片压电晶片之间的金属连接块组成的单元；

在最外两侧的所述压电晶片外侧还具有邻近的两个电极片。

2.根据权利要求1所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，该激振力锤还具有自两个所述电极片引出的信号输出线。

3.根据权利要求1所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，该激振力锤还具有设置在所述附加质量块和所述外壳上端之间的预压弹性件。

4.根据权利要求3所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，所述预压弹性件的中部设有调节形变量的调节件。

5.根据权利要求1所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，所述电极片为压电晶片表面上的镀银层。

6.根据权利要求1所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，所述外壳为金属外壳。

7.根据权利要求1所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，所述可更换锤头配备有钢、铝、尼龙、橡胶材质的多个锤帽。

8.根据权利要求7所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，所述外壳的下端具有安装孔或螺柱，所述可更换锤头通过安装孔或螺柱安装在所述外壳上。

9.根据权利要求7所述的用于无砟轨道支撑层下吊空检测的激振力锤，其特征在于，所述外壳的上端一侧具有力锤手柄。

10.一种检测系统，其特征在于，该系统包括：

权利要求1中的所述激振力锤，所述激振力锤用于检测敲击力信号；

至少一个拾振传感器，所述拾振传感器用于检测振动信号；与所述激振力锤和所述拾振传感器连接的脉冲响应仪，所述脉冲响应仪用于接收敲击力信号和振动信号，对其进行放大和模数/转换，得到脉冲相应波形数据；

与所述脉冲响应仪连接的处理器，所述处理器对脉冲相应波形数据进行处理，得到敲击点处单位力作用下的导纳谱，以及由导纳谱曲线的变化求取的特征参数。