（仪器科学与技术专业论文）基于超声波的轻轨在役锚固螺杆检测研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 文章的主要研究对象是重庆市轻轨交通的在役锚固螺杆。它们是连接轻轨轨 道梁和墩的关键受力部件，它们的健康对轻轨的正常运荦亍起着关键的作用。因此 对在役锚固螺杆的监控与检测显得极为重要。 由于超声波探伤技术具有定位定量方便、检测厚度大、灵敏度高、成本低及 检测速度快等优点，已经发展成为无损检测领域中一种非常重要的检测手段。尽 管国内已经出现了多种数字式超声波探伤仪，但不同程度的存在着通用性不足， 数据分析及处理能力较弱等缺点，难以满足各种各样的检测要求。为此，本文在 详细分析了轻轨在役锚固螺杆特点的基础上，设计出一套基于超声波的在役锚固 螺杆检测系统，包括了总体方案的设计、硬件部分的设计以及软件部分的设计， 并对具体的设计流程进行了说明。 为了便于后续的信号分析，对超声波进行了预处理，包括了零均值化处理及 噪声的消除，着重阐述了小波分析方法在超声波信号去噪中的应用。针对经典阈 值函数的不足，提出了一种基于改进阂值的小波域超声波信号去噪方法，并通过 了具体的例子证明了该方法的有效性和优越性。 利用所采集的超声波信号，对锚固螺杆的病害特性进行了分析，并通过大量 的样本，总结出锚固螺杆超声波信号的特点以及假信号识别的方法，提高了超声 波无损检测的可靠性。 本文最后总结了目前项目的发展状况，并提出一些展望，为后续的研究指明 了方向。 关键词：轻轨，锚固螺杆，超声波，数据采集，缺陷，无损检测，小波分析 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h es c r e w sa s s e m b l e do nl i g h t - r a i lo fc h o n g q i n gf i r et h ek e yr e s e a r c ho b j e c to f t h i sp a p e r s i n c et h e ya r et h em o s ti m p o r t a n tp a r tf o r c e dt oc o n n e c tp i e ra n d 舀r d e ro f l i g h t r a i l ，t h e i rh e a l t hm a k e st h ek e yp o i n to ft h el i g h t r a i l sd a i l yf u n c t i o n s o s u p e r v i s i o na n dd e t e c t i o no ft h ef i e l d w o r ka n c h o r i n gs c r e w so ft h el i g h t r a i la r ev e r y i m p o r t a n t w i t hm a n ym e r i t ss u c ha sa c c u r a t eq u a n t i t a t i o na n do r i e n t a t i o no ff l a wi nt h e m a t e r i a l s ，l o n gr a n g eo fd e t e c t i o nf i e n d s ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dl o wc o s t u tt e c h n o l o g y h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tm e t h o di nn d ta r e a al o to fk i n d so fd i l g i t a lu l t r a s o n i c d e f e c t o s c o p e sh a v eb e e np r e s e n t e d 幻h o m em a r k e ti nl a t ey e a r s ，b u tm o r eo rl e s s ，t h e y a r el o s so fu n i v e r s a l i t ya n dl o wa b i l i t yo fa n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gt h es i g n a l t h e r e f o r ea f t e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i e l d w o r ka n c h o r i n gs c r e w so ft h e l i g h t - r a i l ，t h i sp a p e rd e s i g n e dat e s t i n gs y s t e mt ot h ef i e l d w o r ka n c h o r i n gs c r e w s b a s e do i lu l t r a s o n i c ，i n c l u d i n gt h ew h o l ep r o j e c td e s i g n ，t h ec h o i c eo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n ，a n de x p l a i n st h ed e s i g nf l o wc o n c r e t e l y f o rt h es a k eo fs i g n a la n a l y z i n gl a t e r , w eh a v ed o n es o m ep r e t r e a t m e n t st ot h e u l t r a s o n i cs i g n a l ，i n c l u d i n gt h ez e t - om e a np r o c e s s i n ga n dt h ee l i m i n a t i n gt h en o i s e s a n d e m p h a s i z e dt h eo p e r a t i o no fw a v e l e ta n a l y z i n gi nt h eu l t r a s o m cs i g n a ld e n o i s i n g a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lt h r e s h o l d i n gf u n c t i o n s ，w ep u tf o r w a r da m e t h o do fu l t r a s o m cs i g n a ld e n o i s i n gi nw a v e l e td o m a i nb a s e do nak i n do fa l l i m p r o v e dt h r e s h o l d i n gf u n c t i o na n dp r o v e dt h ev a l i d i t ya n ds u p e r i o r i t yo f t h i sm e t h o d b yi d i o g r a p h i ce x a m p l e s b yt h eu l t r a s o n i cs i g n a ls a m p l e d ，w ea n a l y z e dt h ed i s e a s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e a n c h o r i n gs c r e w s ，a n db yal o to fs a m p l e s ，c o n c l u d e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i c s i g n a lo ft h ea n c h o r i n gs c r e w sa n dt h em e t h o dt or e c o g n i z et h eu n r e a ls i g n a l ，a n d i n c r e a s e dt h er e l i a b i l i t yo f t h eu l t r a s o n i cn d t i ti sc o n c l u d e dt h es t a t u so ft h ep r o j e c ta tt h ee n do ft h i sp a p e r ，a n dp u tf o r w a r d s o m ee x p e c t a t i o n s ，w h i c hp o i n t e do u tt h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：l i g h t r a i l ，a n c h o r i n g , s c r e w s ，u l t r a s o n i c ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f l a w , n d t , w a v e l e ta n a l y z i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：圣0 彖轵签字日期：c 2 矿。) 年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：；j 家复 导师签名： 签字日期：如6 7 年二月日 签字日期： 欠彤 帆 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 课题的提出 本课题来源于重庆轨道交通总公司之研发项目“p c 轨道梁铸钢拉力支座锚固 螺杆健康检测系统”。 随着科学技术的进步和交通运输的要求，促进国内各大城市发展自己的城市 轨道交通系统。世界发达国家在发展自己的城市交通轨道交通的同时，无不非常 重视轨道交通安全运营的研究，均都有一套完整的确保轨道交通安全的系统措施 和抢险预案。健康检测的基本内涵是通过对轨道梁结构状态的监控与评估，为工 程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、 维修与管理决策提供依据和指导。由于缺乏必要的监测和相应的养护，世界各地 出现了大量桥梁损坏事故，给国民经济和生命财产造成了巨大损失。因此，如何 确保轨道交通系统的安全性已经成为一个非常重要的课题。 业已建成通车的重庆轻轨i i 号线一较( 较场口) 新( 新山村) 线和待建的i i i 号线( 巴南区至机场) 是采用从国外引进的跨座式轨道交通制式技术，这在国内 尚属首次。重庆轻轨采用的跨座式交通制式技术，是一种较新的交通形式，属于 单轨交通的范畴，一般采用高架形式。该技术由日本首创，在国内尚属首次引进， 其技术的主要特点是以梁代轨，这种桥梁不但具有传统桥梁的承载功能作用，更 重要的还具有列车行驶的轨道功能作用( 如图1 1 所示) ，通常称其为“p c ( p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ) 轨道梁结构系统”。 在技术上p c 轨道梁结构系统技术的安全可靠度，特别是在结构的设计寿命 期内的安全可靠度比一般桥梁要求更高。如图1 2 a 、1 2 b 所示，跨座式p c 轨道梁 承拉铸钢支座是连接p c 轨道梁与墩台的关键部件，它除了能够将p c 轨道梁上的 荷载有效地传递到墩台上外，还必须适应p c 轨道梁体的荷载与温度作用下的纵 向水平位移和角位移，保证p c 轨道梁与墩台连接在设计的寿命期内安全可靠并 且有足够的疲劳寿命要求。承拉铸钢支座是连接p c 轨道梁与墩台的重要结构部 件，结构部件的上端是浇筑在p c 轨道梁体内的，而下端是靠四根锚固螺杆固定 在墩台上，由于结构的特殊性，一旦承拉铸钢支座的锚固螺杆固定在墩台上后， 在日常轨道梁线路的运营安全维护过程中很难掌握锚固螺杆在墩台上锚箱内是否 安全使用的情况。如图1 3 所示，锚固螺杆是一根长为9 7 5 m m ，直径为3 6 r a m 双 头螺杆，但在锚箱内的一端焊接了一个球面螺母，在锚箱外面的一端有一个用于 在安装时定位的，长度为2 5 m m 的扁方。锚固螺杆的大部分是深埋在桥墩的锚箱 重庆大学硕士学位论文1 绪论 内，无法接触和直接查看，所有能够直接利用来作为检测的接触位置为锚固螺杆 的螺纹一端的端头部分，这在很大程度上限制了该健康检测的所采用的方法并增 加了检测难度，这就是p c 轨道梁结构系统是否在安全性使用中带来的很难掌握的 因素之一。重庆轨道交通系统全部建成后约有总里程8 0 余公里，将使用8 2 0 0 余 个p c 轨道梁，承拉铸钢支座8 2 0 0 余对，锚固螺杆6 5 6 0 0 余根，工程在关键受力 结构上大量采用机加工金属件，尤其是6 5 6 0 0 余根锚固螺杆在煅造和机加工及热 处理过程中，尽管在加工的各工艺流程中采取了各种严格的质量捡测措施，但也 难免在个别锚固螺杆及其他受力构件中存在着加工缺陷，另外，随着p c 轨道梁 结构系统的运行，由于受力等原因，锚固螺杆也可能出现疲劳或断裂，从而影响 锚固螺杆的服役能力。因此，如何掌握锚固螺杆在锚箱内的疲劳和腐蚀变化情况 是确保p c 轨道梁结构系统安全的关键因素问题。但依据目前所掌握的技术水平， 锚固螺杆在锚箱内的疲劳和腐蚀变化情况是不可知的，这就是严重的安全“隐患”， 也即是说在过去p c 轨道梁结构系统运营过程中的定期维护检修技术已满足不了 其安全性所必需的措施需要，而现时我国又尚无成熟的技术可以引进，这就提出 了承拉铸钢支座在役锚固螺杆健康安全监测系统技术的开发和研究，以填补跨座 式轨道交通p c 轨道梁结构系统健康监测的空白，为重庆市轻轨跨座式p c 轨道结 构交通系统线路的安全运营提供保障。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 1 锚固螺杆安装结构 f i 9 1 1t h es e t t i n gs t r u c t u r eo f c o n n e c t i n gb o l t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 2 a 在役锚同螺杆状态 f i 9 1 2 ac o n n e c t i n gb o l ts t r u c t u r eo nd u t y ( a ) 图1 2 b 在役锚圃螺杆状态 f i 9 1 2 bc o n n e c t i n gb o l ts t r u c t u r eo i ld u t y ( b ) 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 3 锚固螺杆结构示意图 f i g1 3s k e t c hm a po f s c r e w s 因此，在经过多方讨论和研究之后， 测在役锚固螺杆的健康状态的检测系统。 决定研究开发能够在日常运行中用于检 本项目的目标是设计一套检测系统，巡 回检测轻轨轨道梁锚固螺杆的疲劳腐蚀变化情况，实现对在役工作的锚固螺杆健 康( 安全1 状况变化及损伤情况的监测，评估轨道梁结构系统或某一部份在运行中 的健康状况，提供预警及是否维修或更换零部件的报告及报警，主要测量锚固螺 杆的预应力及疲劳变形、固有频率、几何位置变化及内部缺陷和腐蚀情况，测量 支座系统固有频率及图像变化的内外部缺陷等物理及几何量，采取与标准数据、 历史数据( 前一次测试数据) 以及周边数据作统计分析对比等相应的数学计算及分 析方法，利用计算机系统强大的计算能力和储存能力以及图像处理技术，快速地 给出每一个锚固螺杆或支座的健康( 安全) 状况的报告及评估，并做出相应的预警 级别警报。作为本系统的一个子系统及重要组成部分，基于超声波的在役锚固螺 重庆大学硕士学位论文1 绪论 杆检测研究是本课题的主要研究内容。 1 1 2 课题的研究意义 轨道梁建成通车后，随着桥龄的增长，会受到气候、环境等自然因素的影响 而逐渐老化或承受日益增加的交通量和日益增大的荷载作用而损坏。轨道梁是轨 道交通的咽喉，其服役能力直接影响着整条线路的安全及畅通，已经运营通车的 重庆轻轨交通，是一典型的城市高架轨道系统，一方面大部分p c 轨道梁都高架 在城市人口较密集处，另一方面列车乘坐定员较多，一旦p c 轨道梁结构系统发 生安全事故都将导致不可想象的灾难性后果。由于缺乏必要的监测和相应的养护， 世界各地出现了大量桥梁损坏事故，给国民经济和生命财产造成了巨大损失。要 保证p c 轨道结构系统在营运过程中的安全，除了科学的设计和严把工程的施工 和加工质量关外，进行营运过程中的定期维护检修以及结构的健康安全状况监测 和评价，掌握其健康状况的变化情况具有非常重大的理论意义和现实意义。 综上所述，桥梁健康监测对人民的生命财产安全、以及国家的经济、科学实 践都有着重要的作用。另外，本课题的研究工作在国内外是首次提出对p c 轨道 梁结构系统支座锚固螺杆健康状态进行跟踪监测。它不仅能保证轻轨交通系统的 安全，还将会推动学科的交叉发展，而且可以创造出巨大的社会效益和难以想象 的经济价值。 1 2 无损检测技术简介 无损检测以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学 现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试，借以评价它们 的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能，包括探测材料或构件中是否有 缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断，还 能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测技术的应用 范围十分广泛，已在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业 中被普遍采用。无损检测工序在材料和产品的静态和动态检测以及质量管理中， 已成为一个不可缺少的重要环节。 无损检测技术的理论基础是材料的物理性质，其发展过程几乎利用了世界上 所有物理研究的新成就、新方法，可以说材料物理性质研究的进展与无损检测技 术的发展是一致的。目前，在无损检测技术中利用的材料的物理性质有：材料在弹 性波作用下呈现出的性质，在射线照射下呈现出的性质，在电场、磁场、热场作 用下呈现出的性质等，例如射线检测( x 射线、y 射线、高能x 射线、中子射线、 质子和x 光工业电视等) 、超声和声振检测( 超声脉冲反射、超声透射、超声共振、 超声成像、超声频谱、电磁超声和声振检测等) 、电学和电磁检测( 电位法、电阻 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 法、涡流法、微波法、录磁与漏磁、磁粉法、核磁共振、巴克豪效应和外激电子 发射等) 、力学和光学检测( 目视法和内窥镜、荧光法、着色法、光弹性覆膜法脆 性涂层、激光全息干涉法、泄漏检查、应力测试等) 热力学方法( 热电势法、液晶 法、红外线热图法等) 和化学分析方法( 电解检测法、离子散射、俄歇电子分析和 穆斯堡尔谱等) 。现代无损检测技术还应包括计算机数据和图像处理、图像的识别 与合成以及自动化检测技术。无损检测是一门理论上综合性较强，又非常重视实 践环节的很有发展前途的学科，它涉及到材料的物理性质、产品设计、制造工艺、 断裂力学以及有限元计算等诸多方面。 综上所述，分析材料( 或构件) 在不同势场作用下的物理性质，并测量材料( 或 构件1 性能的细微变化，说明产生变化的原因并评价其适用性，就构成了无损检测 工作的基本内容。 长期以来，无损检测有3 种简称，既n d i ( n o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 、 n d t ( n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 和n d e ( n o n _ d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) ，目前一般统称 之为无损检测( n d t ) 。二十世纪后半叶无损检测技术得到了迅速的发展，从无损 检测的三个简称及其工作内容中，便可清楚地了解其发展过程，实际上国外工业 发达国家的无损检测技术已逐步从n d i 和n d t 向n d e 过渡，即用无损评价来代 替无损探伤和无损检测。在无损检测技术日益发展的无损评价( n d e ) 阶段，自动 无损评价( a n d e ) 和定量无损评价( q n d e ) 是该发展阶段的两个组成部分，他们都 以自动检测工艺为基础，非常注意对客观( 或人为) 影响因素的排除和解释，前者 多用于大批量、同规格产品的生产加工和在役检查，而后者多见诸于关键零部件 的检测。 综上所述，分析材料( 或构件) 在不同势场作用下的物理性质，并测量材料( 或 构件) 性能的细微变化，说明产生变化的原因并评价其适用性，就构成了无损检测 工作的基本内容。按照不同的原理和不同的探测方法及信息处理方式，详细地统 计了各种无损检测方法，总共达7 0 余种，其中最常用的，仍然是射线检测，超声 检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测五种常规检测方法，在其它无损检测方法 中，用的比较多的有声发射检测、红外线检测和声振检测等。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 锚固螺杆检测的研究现状 针对锚固螺杆的检测，目前具有以下的几种方法： 拉拔法7 3 8 3 拉拔法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法，通常是通过用千斤顶进行机械 破损性拉拔试验测量锚杆的抗拔力来评价锚杆的锚固质量。由于拉拔法是一种破 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 坏性试验，故常用于锚杆抗拔力的抽样检测，而不适合对轻轨线路上在役锚固螺 杆的检测。 微波探测法 微波是介于红外线与无线电波之间的电磁辐射，其频率范围大约为 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ，相应的波长为l m l m m 。由于它具有波长短、频带宽以及 它与物质的相互作用的特点，据此发展了微波无损检测技术。微波无损检测方法 主要有下列十种：连续波穿透法、扫频波穿透法、脉冲调制波穿透法、连续波反 射法、扫频波反射法、脉冲调制波反射法、驻波干涉法、散射法、全息法以及c t 法等。它具有“非金属、非电量、非接触、非破坏”四种特点，对于声学传输性能 不良的非金属材料的检测以及非接触非电量测量是十分有用的。同时，该方法还 可以用于其它无损检测技术无法探测的材料和结构的完整性评估。但是由于趋肤 效应，它虽然可以检查金属表面裂纹及粗糙度，却无法贯穿金属件，因而不能检 查金属内部。由于微波在金属中不良的传输能力使得在锚固螺杆检测中应用该方 法受到了很大的限制，经过多次检验和试验，也证明该方法在锚固螺杆检测中无 法实施。 磁粉检测法 磁粉检测是用于检测铁磁性材料表面上或者近表面的裂纹以及其它缺陷。磁 粉检测对表面缺陷最灵敏，但对表面以下的缺陷随深度的增加检测灵敏度就会迅 速下降，在检测表面缺陷方面它比采用超声波或者射线检测方法的灵敏度高。其 基本原理如下：当材料或工件被磁化以后，若在工件表面或近表面存在裂纹等缺 陷，便会在该处形成一个磁场。此漏磁场将吸引、聚集检测过程中施加的磁粉， 而形成缺陷显示，因此磁粉检测首先要对被测工件加以外磁场进行磁化。在工件 磁化后，在工件表面上均匀喷洒微颗粒的磁粉，如果被测工件没有缺陷，则磁粉 在工件表面均匀分布。当工件上有缺陷时，由于缺陷内含有空气或非金属，其磁 导率远远小于工件的磁导率，由于磁阻的变化，位于工件表面或近表面的缺陷处 产生漏磁场，形成小磁场，则由于缺陷处堆积较多磁粉而被显示出来。 由于在锚固螺杆检测中，锚固螺杆在安装好之后，锚固螺杆的大部分位于锚 箱内，处于不可见状态，故不能对其进行磁化，所以磁粉检测方法在锚固螺杆检 测中无法实施。 射线检测法 射线探伤检测有x 射线、 r 射线和中子射线等检测方法，它是利用各种射线 源对材料的透射性能及不同材料的射线的衰减程度的不同，使底片感光成黑度不 同的图像来观察的，其主要方法有透视照相法、电离检测法、x 射线荧光屏观察 法和电视观察法以及正在发展中的x 射线计算机层析摄像等。它们的基本原理相 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 同，都是利用射线通过物质时的衰减规律，即当射线通过物质时，由于射线与物 质的相互作用发生吸收和散射而衰减。其衰减程度，则会根据其被通过部位的材 质、厚度、和存在的缺陷的性质不同而异，因而在被检测工件的另一面就形成辐 射线强度不均匀的分布图，通过一定方式将这种不均匀的射线强度进行照相或转 变，使其变为电信号指示、记录或显示，就可以评定被检测工件内部质量，达到 无损检测的目的。 射线检测具有生产成本较高、安装复杂、检测周期长、对人体有害等缺点， 再考虑到现场工作环境的限制，检测仪器的安装难度很大。 超声波检测9 1n 0 1 相对第种的射线检测，超声波同样具有界面反射的变化，且超声波方向性 好、穿透能力强、能量高和对人体无害等优点，被广泛应用于金属材料内部裂纹 检测中。超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门的设计可以定向发射， 并按照该方向传播，因此可在锚固螺杆中进行有效的探测。超声波在大多数介质 中都具有较强的穿透能力，例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米，因此 可以穿透锚固螺杆，所以可用超声波检测锚固螺杆内部损伤。近年来，经过巧妙 的设计，超声检测工作灵活性、精确度得到了大幅度提高。 振动检测法 采用振动检测法时，首先必须对被测系统施加一个振动激励信号，信号采集 方法一般包括两种：一是获取激振信号的回波；二是获取被测系统的振动响应信 号。 在岩土工程中，为了检测锚杆的锚固质量，人工锤击锚杆端部发射弹性应力 波，应力波在向锚杆底端传播的过程中，当砂浆充填不均匀、不密实时，将产生 反射和透射，通过反射波的波幅和相位特征及相应的传播时间即可判定锚杆的长 度和缺陷的位置及程度c 7 3 。在桩基的无损检测中，也常采用这种方式。由振动的 动力学理论可知，每个物体在振动时都有它固定的频率和模态，固有频率和模态 是由振动系统本身的特性所决定的，它决定于振动系统本身的质量、刚度及其分 布，只有在系统结构变化或系统部件出现故障时才会改变，目前，在机械设备的 故障检测中常常是获取设备的振动信号，通过系统固有频率的变化检测出设备是 否存在故障及故障类型。对于本文所研究的锚固螺杆系统，螺母的松动，锚固螺 杆与锚箱接触处的腐蚀变化都会引起系统固有频率的变化，因此，可以采用振动 检测法，通过分析锚固螺杆系统固有频率的变化情况，监测系统安装工况是否发 生变化以及系统构件是否出现损伤等。 1 3 2 超声波探伤系统的研究现状 由于被检测材料的几何形状和声学性能千差万别，用户对检验的工艺方法、 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 技术标准、检验速度等方面的要求也各不相同，超声波探伤设备也是多种多样的， 但它们的基本构成原理和发展趋势却是相同的。 超声波探伤系统的发展过程可分为三个阶段，即模拟探伤系统、数字化探伤 系统、以计算机软件为核心的虚拟探伤系统。 传统的超声波探伤设备是由分立器件组成的模拟电路实现的。这类仪器只能 完成接受回波、放大、显示等基本功能，操作复杂，对回波的分析和缺陷的判定 依赖于探伤人员的观察和实际经验，所以测量精度低，主观误差较大。对于自动 探伤设备，多采用模拟多通道组合方式工作。其存在的问题在于动态的波形难以 同时观察，因而只能采用闸门内阈值报警和记录的方法。同时由于静态时缺陷回 波高度与动态时不同，缺陷的当量也难以判别。 数字化超声波探伤设备是计算机技术和超声技术相结合的产物。它承袭了传 统超声波探伤设备的基本模式，即脉冲反射法，并对回波信号进行a d 采样，使 用单片机实现数据的采集、显示、存储等功能。从a d 的采样位置分类，数字化 超声波探伤设备又可分为模拟数字混合式和全数字式。前者的a d 采样是在模拟 检波电路之后，由于检波后的波形是缺陷回波的包络，采样频率只需探头工作频 率的2 - 5 倍；后者的a d 是对放大后的射频信号直接采样，为确保采到峰值，采 样频率要高得多。两种探伤设备都具有数据存储和运算功能，所以可以实现探伤 过程中缺陷的自动判别、定位、当量计算、存储和打印探伤报告。这不但解决了 缺陷的记录问题，而且减少了人为误差，提高了探伤结果的可信性。但是对自动 化探伤而言，由于通道数目多，控制复杂，用数字的方式进行数据处理和通道间 协调控制有很大的难度。 尽管国外己经有全数字式的产品，但价格极其昂贵，所以国内目前仍然采用 多个模拟通道组合起来使用。随着电子技术的发展以及计算机的普及应用，近年 来出现的虚拟式超声波探伤仪，是数字化超声波探伤设备向便携式手动探伤设备 发展的产物。这类探伤仪主要采用p c 机配合超声波数据采集卡。缺陷回波的采 样数据通过i s a 或p c i 总线进入计算机，利用计算机强大的运算能力和丰富的软、 硬件资源，实现缺陷的定位识别、显示、通道控制、存储和打印等功能，不但提 高了仪器的性价比，而且提高的仪器的智能化程度，使得探伤更加简便和灵活。 同样，把多通道数据采集卡插到计算机中，可以实现多通道超声波探伤，利用数 据采集卡提供的丰富的a p i ，就可以按照项目需求设计自己的超声波探伤系统及 专家分析系统。 针对重庆市轻轨交通系统，如何设计基于超声波的在役锚固螺杆检测系统， 也是本课题重点研究的内容之一。 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 本文的研究目的和研究内容 1 4 1 本文的研究目的 保障p c 轨道结构系统在营运过程中的安全是轨道公司的职责，也是关系民 生的大事。除了科学的设计和严把工程的施工和加工质量关外，进行营运过程中 的定期维护检修以及结构的健康安全状况监测和评价，掌握其健康状况的变化情 况具有非常重大的理论意义和现实意义。重庆轨道交通运营工作者也注意到了锚 固螺杆结构的重要性，从而决定研究开发一个健康监测系统，对连接墩台和轨道 梁的主要部件的锚固螺杆进行健康监测。作为这项检测系统的一个重要分支，基 于超声波的在役锚固螺杆监测系统技术的开发和研究，成为本课题研究的主要目 的。本文的研究目的在于设计一套检测系统，利用超声波无损检测技术，提供一 种可靠的技术方案，完成对重庆轻轨在役锚固螺杆超声波信号的采集并存储，并 通过相应的信号分析手段，对所采集的超声波信号进行分析处理，以判断对应锚 固螺杆内部是否存在缺陷。 1 4 2 本文的研究内容 根据本文的研究方向以及研究目的，本文的研究内容主要有以下几个方面： 设计一套基于超声波的轻轨在役锚固螺杆信号采集系统，提供具体的解决 方案。 采集系统硬件的选型以及软件部分的设计。 为提高超声波检测的可靠性，利用信号分析手段对超声波信号进行预处理。 锚固螺杆超声信号特征的提取，即通过对大量锚固螺杆样本的超声波信号 进行分析，总结出一些重要的特征，以便更好的对其进行分析。 分析锚固螺杆的超声波信号，并对其缺陷进行大小、位置的判断，即锚固 螺杆病害特性分析。 1 4 3 本文章节组织 第一章绪论部分。介绍本文的研究背景、研究意义和研究内容，概述了当 前国内外超声波无损检测及锚固螺杆检测的研究现状。 第二章详细介绍了超声波无损检测的理论基础，如超声波一些重要的物理 参数和常用的检测方法等，并总结出超声波检测的优点。 第三章锚固螺杆超声波数据采集系统的设计。阐述了采集系统的硬件选择 设计和应用于p c 机上的软件系统的设计思路并结合案例实际进行介绍。 第四章超声波信号的预处理及其方法介绍，并通过具体的实例加以说明。 第五章锚固螺杆病害特性分析，具体包括缺陷的定位、定量等。 第六章针对目前项目进展情况，提出结论与展望。 重庆大学硕士学位论文 2 超声波无损检测理论基础 2 超声波无损检测的理论基础 超声波检测己经发展成一种很重要的无损检测方法，在生产实践中得到了广 泛的应用。以频率厂来表征声波时，以人可感知的频率作为分界线，可把声波分 为次声波( f 2 0 k h z ) 。 在超声波无损检测中，最常用的频率范围是o 5 m h z i o m h z 。由于声源在介质中 的振动方向与波在介质中的传播方向可以相同，也可以不同，从而产生不同类型 的超声波。超声波波型主要有纵波、横波、瑞利波和板波。 2 1 超声波物理特性 2 1 1 超声波基本参数 超声波的主要特性参数有声速c 、频率厂、周期r 和波长兄，除此之外还有 声压p 、声强j 以及声阻抗ze l i 。 频率、波长和声速 频率是指点在每秒钟内的振动次数，用厂表示；波长是两个处于同样运动状 态的质点问的距离，用旯表示；声速是介质的特征量，用c 表示。介质中超声波 的频率厂和周期r ( 频率的倒数) 一般取决于超声声源的振动频率和周期，而超声 波在介质中的传播速度要取决于介质的弹性摸量和密度。 介质中声波传播的速度c 、波长频率兄及周期r 之间的关系为： c = 旯t = , t f ( 2 1 ) 声压 垂直作用于单位面积上的压力称为声强。当介质中有超声波传播时，介质质 点的振动使得介质中压强交替变化。声压就是超声场中某一点在某一瞬间所具有 的压强只与没有超声波存在时同一点的静态压强r 之差称为该点的声压，用p 表 示，单位帕斯卡。 超声场中某一点的声压可以用公式2 2 表示： p = 最一e o = p c a c o s i n h f 一丢) 】 ( 2 r 2 ) l 其中p 是介质密度，c 表示超声波在介质中的传播速度，一是介质质点的振幅，珊 是介质质点的角频率，石是该点与波源的距离。又因为w = 2 矿，所以，超声场中 某一点的声压跟超声波的频率成正比。 声强 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 超声波无损检测理论基础 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，用，表示。超声波在介质中 传播时，若单位时间内传递的能量越多，则声强就越大。平均声强，的计算公式 为： ，一p , o c a 2 c 0 2 ( 2 3 ) a 2 由上式可知，平均声强与声压的平方成正比，因此超声波的声强远大于可闻 声波的声强。 声阻抗 超声波在介质中传播时任何一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻 抗，声阻抗越大，质点的振动速度就越小，声阻抗用z 表示，其计算式常以下式 表示： z = p c ( 2 4 ) 声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量，超声波在两种介质组成的界面上 的反射和透射与两种介质的声阻抗密切相关。 2 2 2 超声波的反射与折射 超声波的反射和折射是超声波探伤中的一个重要的物理基础。在超声波探伤 中，当超声波在一个有限尺寸的介质中传播时，如果界面处于真空中，此时传播 至边界处的超声波将以某种形式返回，若界面是光滑的，声波返回现象称为反射； 若界面是粗糙的( 通常以波长的倍数来表示粗糙度) ，声波返回现象称为散射，如 果光滑界面与某种介质相联系，在这两种不同介质的界面上除发生反射外，还可 能发生波的透射和折射，并按几何光学的反射和折射定律在原来介质和第二种介 质中继续传播。 反射与折射 这里主要讨论入射波、反射波和透射波三者之间的声强及声压之间的关系。 设第一种介质的密度为p l 、声速为c 1 ，声阻抗为z i = nc l ；第二种介质的密度为 p 2 、声速为c 2 ，声阻抗为z 2 = p 2 c 2 。 在两种介质的界面上，以反射波声强与入射波声强j ，的比值表示声强反射 率r ，即： ， r = 二( 2 5 ) j 在两种介质的界面上，以透射波声强与入射波声强的比值表示声强反射 率r ： 重庆大学硕士学位论文 2 超声波无损检测理论基础 r = 争 ， r 和t 都是无量纲的纯数。 当平面声波入射，在介质中没有衰减时，有以下关系式： r = t = 吐型：睦 ( 慧) 2 ( 瓜+ 鲁 4 m c o s p 4 旦 p 2 ( 等 2 ( 一噜乒 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中： m 两种介质声阻抗之比，即 m = z i z 2 ( 2 9 ) a 入射角 口折射角 比较以上两式，可以得到： r + t = 1 ( 2 1 0 ) 在两种介质的界面上，以反射声压e 与入射声压只的比值表示声压 反射率： ，= p p , ( 2 1 1 ) 在两种介质的界面上，以透射声压只与入射声压只的比值表示声压透射 率： t = 只只 ( 2 1 2 ) 由声压与声强的换算关系可以得到声压反射率，、声压透射率t 、声强透 射率r 和声强折射率r 之间的关系为： r = r 2 r ：1 - ，2 ：拿f ： 3 ) z t = l + ， 1 4 重庆大学硕士学位论文2 超声波无损检测理论基础 垂直入射超声波的反射与透射 当一束平面超声波从垂直方向入射到两种不同介质足够大的界面时，不会发 生波型的转换。此时，入射波的一部分发生反射，其余部分透过界面进入第二种 介质。 由于是垂直入射，入射角口、折射角等于零，c o s 口= c o s = 1 ，代入r 和r 的计算式中，得到： 肚m l - m m ，2 = ( 穗 2 r 。丽4 m2 器2( 1 + m ) 2( z i + z 2 同样可以通过r 、t 、r 、t 的关系式得到： ，：曼：丝 只z 2 + z l ，；墨：旦 只z 1 + z 2 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 2 2 超声波探伤基本原理 超声波检测的基木原理是：超声波在均匀连续弹性介质中传播时，将产生极少 能量损失；但当材料中存在着晶界、缺陷等不连续阻隔时，将产生反射、折射、 散射、绕射和衰减等现象，从而损失比较多的能量，使我们由接收换能器上接收 的超声波信号的声时、振幅、波形或频率发生了相应的变化，测定这些变化就可 以判定材料的某些方面的性质和结构内部构造的情况达到测试的目的。当超声波 遇到缺陷面时，反射回波幅度会异常增大，根据反射幅度、延迟和相位等就可以 判断缺陷的位置、面积和形状。 工业上常用数兆赫兹的超声波来探伤。超声波频率高，则传播的直线性强， 又易于在固体中传播，并且遇到两种不同介质形成的界面时易于反射，这样就可 以用它来探伤。通常用超声波探头与待测工件表面良好的耦合，探头则可有效地 向工件发射超声波，并能接收( 缺陷) 界面反射来的超声波，同时转换成电信号， 再传输给仪器进行处理。根据超声波在介质中传播的速度( 常称声速) 和传播的时 间，就可知道缺陷的位置。当缺陷越大，反射面则越大，其反射的能量也就越大， 重庆大学硕士学位论文 2 超声波无损检测理论基础 故可根据反射能量的大小来判断缺陷( 当量) 的大小。 2 2 1 超声波脉冲反射法探伤基本原理 目前的超声波探伤仪按照其显示缺陷的方式不同，可分为： a 型显示超声波探伤仪。 b 型显示超声波探伤仪。 c 型显示超声探伤仪。 其他显示方式超声探伤仪。 在本健康监测超声波子系统中，采用了a 型显示超声波探伤方式，所以这里 以a 型显示为例来介绍超声探伤仪的基本原理。a 型显示是目前脉冲反射式超声 波探伤仪最基本也是最常见的一种显示方式，在显示屏上以纵坐标代表反射波的 幅度，以横坐标代表声波的传播时间，从缺陷波的幅度和位置来确定缺陷的大小 和存在的位置。 在超声波探伤中所用的声波多为脉冲超声波，脉冲波是持续时间有限( 以微秒 数量级) 的波动，如图2 1 所示。 图2 1 脉冲波示意图 f i 9 2 1s k e t c hm a po f p u l s ew a v e 图2 2 周期性脉冲波示意图 f i 9 2 2s k e t c hm a po f p e r i o d i cp u l s ew a v e 1 6 重庆大学硕士学位论文2 超声波无损检测理论基础 超声波探伤仪周期性地发射和接收超声脉冲信号，其波形如图2 2 所示。当 探头被激励而向工件发射超声脉冲波时，激励脉冲也被反馈至接收电路，即使基 电路开始扫描，即显示器上的时基轴和激励信号是同步被触发的，处于同步工作 方式，这样在时基轴的始端就出现了一个很强的脉冲波形( 始波r ) ，当探头接收 到从工件底面反射回来的声波信号时，时基轴右端又显示出相应的底波曰，如图 2 3 ( a ) 所示。如果工件中有缺陷且缺陷的大小小于声束截面的时候，在始波r 和底 波曰之间就有缺陷波f 出现，如图2 3 ( b ) 所示。如果工件中有缺陷及缺陷的大小 大于声束截面的时候，全部声波被反射回去，并被探头接收，在显示器上只有始 波丁和很强的缺陷波f ，底波b 消失，如图2 3 ( c ) 所示。采用一个兼发兼收的超 声探头，检出缺陷反射声压信号，并将其显示于探伤仪显示器上，由缺陷回波在 显示器上出现的位置和波幅高低来确定缺陷在工件中的位置和当量大小。 眉匠衄 tt f ( b )( c ) 图2 3 脉冲反射法探伤原理与波形 f i 9 2 3p r i n c i p l ea n dw a v e so f p u l s er e f l e c t i o n 脉冲反射法检测所具有的优点有： 灵敏度高，当反射声压达到晶片起始声压的1 时即能检侧，因此，可发 现较小的缺陷。 缺陷定位精度高。它是利用缺陷波的传播时间，通过调节扫描速度，即调 节时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。因此只要仪器水平线性好，缺陷 定位就准确。 适应范围广，改变耦合、探头和波型可实现不同方法的检测。 操作方便，脉冲反射波一般不需要专门的扫查装置，这就为各种场合下的 1 7 重庆大学硕士学位论文2 超声波无损检测理论基础 检测作业带来了极大的方便和灵活性。 但脉冲反射法检测也有一定的不足之处： 存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用。 对于声束轴线不垂直的缺陷反射面，由于折射的结果，使探头往往收不 到缺陷回波信号，容易造成漏检。 因声波往返传播，对于高衰减材料的检测不适用。