CN211291329U - 一种公路护栏立柱埋深检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种公路护栏立柱埋深检测装置，由信号激励电路、信号接收电路、激励换能器和接收换能器组成。其中激励换能器和接收换能器的结构相同，均包括绝缘骨架、N个跑道线圈和2N个永磁铁。激励换能器和接收换能器采用基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器进行检测，其激发导波类型为扭转导波，通过采集扭转导波的回波信号得到直达波信号和底端反射信号的时间差，并根据埋深计算公式计算护栏立柱的埋深。本实用新型具有结构安装简单便捷，测量结果衰减小，检测效率高，信号波形清晰可以辨别的特点。

Description

一种公路护栏立柱埋深检测装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术领域，具体涉及一种公路护栏立柱埋深检测装置。

背景技术

公路护栏立柱被称为“保障驾驶员生命安全的最后一根安全带”，可以防止事故车辆冲出车道，缓冲撞击能量，将事故的损失降到最小。但是在安装过程中，施工人员偷工减料，操作不当致使立柱埋置深度不符合国家标准，导致防撞强度降低，形成潜在的安全隐患，因此有必要对立柱进行埋深检测。目前护栏立柱的埋深检测主要采用拔桩法，拔桩法耗时费力，不仅会对路基造成破坏，而且会对立柱造成损伤，且存在二次埋深的问题，该方法具有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有公路护栏立柱埋深检测存在耗时费力和局限性的问题，提供一种公路护栏立柱埋深检测装置。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种公路护栏立柱埋深检测装置，由信号激励电路、信号接收电路、激励换能器和接收换能器组成。

激励换能器和接收换能器均由绝缘骨架、N个跑道线圈和2N个永磁铁组成，其中N为大于1的正整数。每个跑道线圈均绕制成单层跑道形，即包括左右两段直线段和上下两段弧形段；每个永磁铁均呈条状；2个永磁铁分别固定在1个跑道线圈左右两段直线段上，并共同形成一组换能线圈组；绝缘骨架整体呈环状，且该绝缘骨架的周向上间隔地开设有N个安装孔，N组换能线圈组分别直立地安装在这N个安装孔内；在绝缘骨架上，每2个相邻的永磁铁的磁场方向相反，即其中一个永磁铁的磁场方向朝向绝缘骨架的径向内侧，另一个永磁铁的磁场方向朝向绝缘骨架的径向外侧。

激励换能器的N组换能线圈组的跑道线圈呈串联连接，激励换能器套设在护栏立柱的顶端，激励换能器的内侧表面与护栏立柱的外侧表面相贴且绝缘；信号激励电路的输出端与激励换能器的输入端相连。接收换能器的N组换能线圈组的跑道线圈呈串联或并联连接，接收换能器套设在护栏立柱的中部即护栏立柱与土壤的交界面处，接收换能器的内侧表面与护栏立柱的外侧表面相贴且绝缘；接收换能器的输出端与信号接收电路相连。

上述方案中，激励换能器和接收换能器的所有换能线圈组的结构相同。

上述方案中，换能线圈组的跑道线圈位于绝缘骨架的径向内侧，2个永磁铁位于绝缘骨架的径向外侧。

上述方案中，信号激励电路包括信号发生器、功率放大器和阻抗匹配器；信号发生器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与阻抗匹配器的输入端连接，阻抗匹配器的输出端连接激励换能器的输入端。

上述方案中，信号接收电路包括信号滤波器、信号放大器和示波器；信号滤波器的输入端连接接收换能器的输出端，信号滤波器的输出端连接信号放大器的输入端，信号放大器的输出端连接示波器的输入端。

上述方案中，信号接收电路还进一步包括上位机，该上位机的输入端与示波器的输出端连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、激励换能器和接收换能器采用基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器进行检测，其激发导波类型为扭转导波。与基于磁致伸缩机理的电磁超声换能器不同点在于：结构比较简单，驱动质点振动的力为洛伦兹力。与压电换能器不同的地方在于：该检测方法具有无需耦合剂，非接触测量的特点。

2、本实用新型能激发单一模态的导波，速度快，受到立柱周围介质干扰小，且衰减小，信号处理能滤掉高频噪声。

3、具有结构安装简单便捷，测量结果衰减小，检测效率高，信号波形清晰可以辨别的特点。

4、可方便将换能器安装于立柱上进行检测，实现对公路防撞工程的质量评估。

附图说明

图1为一种公路护栏立柱埋深检测装置的原理图。

图2为激励换能器和接收换能器的结构示意图。

图3为跑道线圈的结构示意图。

图4为一种公路护栏立柱埋深检测装置的安装示意图。

图5为示波器所接收到的信号的波形图。

图中标号：1、激励换能器；2、接收换能器；3、绝缘骨架；4、跑道线圈；5、永磁铁；6、护栏立柱；7、土壤。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

一种公路护栏立柱埋深检测装置，如图1所示，由信号激励电路、信号接收电路、激励换能器1和接收换能器2组成。

激励换能器1和接收换能器2的结构相同，如图2所示，均包括绝缘骨架3、N个跑道线圈4和2N个永磁铁5，其中N为大于1的正整数，其取值一般为10～60，在本实施例中，N＝25。每个跑道线圈4均是由漆包线紧密绕制成而成的中部呈空心矩形的跑道形的单层线圈，即每个跑道线圈4均包括左右两段直线段和上下两段弧形段，跑道线圈4的内圈和外圈均有由引线引出。在本实用新型优选实施例中，绕制所有跑道线圈4的线材需保证长度一致。每个永磁铁5均呈条状。在本实用新型优选实施例中，永磁体为钕铁硼永磁体，磁感强度为0.4T-1T。2个永磁铁5分别固定在1个跑道线圈4左右两段直线段上，并共同形成一组换能线圈组。固定在同一个跑道线圈4上的2个永磁铁5的磁场方向相反，用于产生偏置磁场。2个永磁铁5可以同时固定在跑道线圈4所处平面的内侧或外侧的同一侧，也可以处于内侧或外侧的不同侧。在本实用新型优选实施例中，2个永磁铁5同时固定在跑道线圈4所处平面的同一侧即外侧。在本实用新型优选实施例中，每组换能线圈组的结构完全相同，即所有换能线圈组的形状，尺寸，材料及制作方法完全相同。

绝缘骨架3整体呈环状，绝缘骨架3的尺寸与护栏立柱6尺寸相配合，即绝缘骨架3的内直径与护栏立柱6的外直径相配合，绝缘骨架3的内直径比护栏立柱6的外直径略大4-7mm。绝缘骨架3的高度视换能线圈组的高度而定，绝缘骨架3的高度略小于换能线圈组的高度，以使得换能线圈组的引线能够露出。绝缘骨架3选用PLA塑料制备。绝缘骨架3的周向上间隔地开设有N个安装孔。在本实用新型优选实施例中，每2个安装孔之间的间距约为5mm。N组换能线圈组分别直立地安装在这N个安装孔内，并沿着绝缘骨架3的周向按照一定的间距分布，且每2组换能线圈组之间的间距相等。在本实用新型优选实施例中，由于换能线圈组的2个永磁铁5是同时固定在跑道线圈4所处平面的外侧的，因此每组换能线圈组的跑道线圈4均安装在绝缘骨架3的径向内侧，2个永磁铁5均安装在绝缘骨架3的径向外侧。在绝缘骨架3上，永磁体的磁场方向按照相邻磁铁相反的准则进行布置，即每2个相邻的永磁铁5的磁场方向相反，即其中一个永磁铁5的磁场方向朝向绝缘骨架3的径向内侧，另一个永磁铁5的磁场方向朝向绝缘骨架3的径向外侧。

使用时，将激励换能器1的N组换能线圈组的跑道线圈4的首尾端采用串联连接在一起，并将激励换能器1套设在护栏立柱6的顶端，激励换能器1的内侧表面与护栏立柱6的外侧表面相贴且绝缘。将激励换能器1的N组换能线圈组的跑道线圈4的首尾端采用串联或并联的方式连接在一起，并将接收换能器2套设在护栏立柱6的中部即护栏立柱6与土壤7的交界面处，接收换能器2的内侧表面与护栏立柱6的外侧表面相贴且绝缘。此外，为了能进一步避免漏电，并减小冲击噪声，在护栏立柱6的顶端和中部，即激励换能器1和接收换能器2的安装处，均包裹有绝缘层。参见图3。

信号激励电路的输出端与激励换能器1的输入端相连。信号激励电路包括信号发生器、功率放大器和阻抗匹配器。信号发生器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与阻抗匹配器的输入端连接，阻抗匹配器的输出端连接激励换能器1的输入端。当在激励换能器1的线圈上加载高频脉冲电流时，待测护栏立柱6内产生了由高频交变磁场和所述偏置磁场叠加形成的合成磁场，待测护栏立柱6表面产生感应涡流，感应涡流在交变磁场和稳恒磁场的共同作用下产生沿立柱管壁周向的洛伦兹力，驱动质点振动，形成沿立柱轴向传播的扭转模态导波。

接收换能器2的输出端与信号接收电路相连，接收换能器2将接收到回波信号送至信号接收电路。信号接收电路包括信号滤波器、信号放大器和示波器。信号滤波器的输入端连接接收换能器2的输出端，信号滤波器的输出端连接信号放大器的输入端，信号放大器的输出端连接示波器的输入端。当示波器作为信号接收电路的最终输出终端时，直达波信号和底端反射信号的时间差需要通过人工读数的方式获得。为了能够实现直达波信号和底端反射信号的时间差的自动获取，在本实用新型优选实施例中，信号接收电路还进一步包括上位机，该上位机的输入端与示波器的输出端连接。上位机通过对示波器输出的波形信号进行信号处理即可得到直达波信号和底端反射信号的时间差。

上述装置所实现的一种公路护栏立柱埋深检测方法，包括步骤如下：

步骤1、信号激励电路产生正弦波形的交变脉冲电流信号并送入到激励换能器1。

在信号激励电路中，信号发生器反复产生预置的正弦信号波形，经过功率放大器提高幅值后，采用阻抗匹配器与被测立柱进行阻抗匹配，使得电能转变为声能的效率达到最大。

测试之前，在低输出功率的条件下对电磁超声发射器进行阻抗匹配，选择合适的电感及电容组合使得波形幅值最大且波形不失真。测试时，可逐步增大输出功率，使得超声发射能量越来越大。

步骤2、位于护栏立柱6顶端的激励换能器1在交变脉冲电流信号的激励下形成了扭转模态的导波信号，且导波信号沿着护栏立柱6轴向传播。

当激励换能器1的线圈通入高频交变脉冲电流信号时，相邻磁铁下面的线圈电流流向恰好相反，立柱端面则会感应出涡流，涡流在交变磁场与恒定磁场的综合作用下，产生了洛伦兹力，洛伦兹力在交变脉冲电流的变化下发生改变，这种力的大小方向将有规律变化，并且力的方向始终沿着周向，驱动质点脱离平衡位置产生振动，在激励换能器1正下方形成了扭转模态导波，且由上往下传播。

步骤3、导波信号在护栏立柱6的轴向传播过程中，被位于护栏立柱6的中部的接收换能器2拾取为回波信号，并送至信号接收电路。

当扭转模态的导波传播到接收换能器2正下方时，在稳恒磁场的作用下，金属质点作切割磁感线运动，使得线圈里面产生感应电流，接收换能器2拾取立柱中传播的回波信号。

在信号接收电路中，回波信号先通过信号滤波器抑制电路中噪声干扰；再通过信号放大器，将有用信号放大；后采用示波器采集信号。

步骤4、信号接收电路对回波信号进行处理，获得直达波信号和底端反射信号的时间差，并根据埋深计算公式计算护栏立柱6的埋深；其中埋深计算公式为：

式中c为导波信号在护栏立柱6中的传播速度，为已知值。

式中L₀为接收换能器2至护栏立柱6与土壤7的交界面处的高度差。在本实用新型优选实施例中，由于激励换能器1和接收换能器2自身存在一定的高度，在本实用新型中，将激励换能器1和接收换能器2的下端面高度视为其基准测量线。此时，由于接收换能器2套设在护栏立柱6的中部即护栏立柱6与土壤7的交界面处的，因此L₀为0。

式中t为直达波信号和底端反射信号的时间差。直达波信号和底端反射信号的时间差既可以通过示波器人工读数得出，也可以通过上位机进行信号处理后自动得出。

在示波器中，回波信号的波形如图4所示，图中将信号幅度作为纵坐标，时间作为横坐标。回波波形的第一个波包视为直达波信号，第二个波包视为底端反射信号。此时，利用底端反射信号中的最大幅度值所对应的时间减去直达波信号中最大幅度值所对应的时间即可得到直达波信号和底端反射信号的时间差。所检测的回波信号波形为一个周期或者多个周期的正弦波，其检测频率范围在30kHz-120kHz。

由于采用人为读数方式存在一定的误差，因此可以通过上位机对示波器的回波信号进行进一步数字信号处理。数字信号处理具体方法：首先对示波器输出的回波信号进行傅里叶降噪处理，以保证信号特征清晰可以识别；接着截取去除冲击信号的部分输入信号，输入信号通过离散傅里叶变换由时域转换为频域；然后通过判定端面回波信号所在的频率范围，选择合适的频率范围进行带通滤波，并且由离散傅里叶逆变换重构波形并输出检测的最终波形；之后利用小波变换提取信号的包络线，得到直达波与反射波之间的时间差；最后利用埋深计算公式自动计算埋深大小。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims (6)

1.一种公路护栏立柱埋深检测装置，其特征在于：由信号激励电路、信号接收电路、激励换能器(1)和接收换能器(2)组成；

激励换能器(1)和接收换能器(2)均由绝缘骨架(3)、N个跑道线圈(4)和2N个永磁铁(5)组成；每个跑道线圈(4)均绕制成单层跑道形，即包括左右两段直线段和上下两段弧形段；每个永磁铁(5)均呈条状；2个永磁铁(5)分别固定在1个跑道线圈(4)左右两段直线段上，并共同形成一组换能线圈组；绝缘骨架(3)整体呈环状，且该绝缘骨架(3)的周向上间隔地开设有N个安装孔，N组换能线圈组分别直立地安装在这N个安装孔内；在绝缘骨架(3)上，每2个相邻的永磁铁(5)的磁场方向相反，即其中一个永磁铁(5)的磁场方向朝向绝缘骨架(3)的径向内侧，另一个永磁铁(5)的磁场方向朝向绝缘骨架(3)的径向外侧；

激励换能器(1)的N组换能线圈组的跑道线圈(4)呈串联连接，激励换能器(1)套设在护栏立柱(6)的顶端，激励换能器(1)的内侧表面与护栏立柱(6)的外侧表面相贴且绝缘；信号激励电路的输出端与激励换能器(1)的输入端相连；

接收换能器(2)的N组换能线圈组的跑道线圈(4)呈串联或并联连接，接收换能器(2)套设在护栏立柱(6)的中部即护栏立柱(6)与土壤(7)的交界面处，接收换能器(2)的内侧表面与护栏立柱(6)的外侧表面相贴且绝缘；接收换能器(2)的输出端与信号接收电路相连；

上述N为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种公路护栏立柱埋深检测装置，其特征在于：激励换能器(1)和接收换能器(2)的所有换能线圈组的结构相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种公路护栏立柱埋深检测装置，其特征在于：换能线圈组的跑道线圈(4)位于绝缘骨架(3)的径向内侧，2个永磁铁(5)位于绝缘骨架(3)的径向外侧。

4.根据权利要求1所述的一种公路护栏立柱埋深检测装置，其特征在于：信号激励电路包括信号发生器、功率放大器和阻抗匹配器；信号发生器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与阻抗匹配器的输入端连接，阻抗匹配器的输出端连接激励换能器(1)的输入端。

5.根据权利要求1所述的一种公路护栏立柱埋深检测装置，其特征在于：信号接收电路包括信号滤波器、信号放大器和示波器；信号滤波器的输入端连接接收换能器(2)的输出端，信号滤波器的输出端连接信号放大器的输入端，信号放大器的输出端连接示波器的输入端。

6.根据权利要求5所述的一种公路护栏立柱埋深检测装置，其特征在于：信号接收电路还进一步包括上位机，该上位机的输入端与示波器的输出端连接。

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