（仪器科学与技术专业论文）基于超声波的pc轨道梁支座锚固螺杆健康监测研究.pdf

中文摘要 i 摘 要 本课题所检测的锚固螺杆应用于跨座式单轨制式交通系统该交通系统在国 内尚属首次应用所以在与其相关的众多学科和领域内的技术都不是非常成熟 在锚固螺杆检测中由于本课题的研究是针对应用而进行的所以在选择采用的 方法上必须以经济实用为前提经过多方面的考察分析并通过大量的实验研 究确定了以采用超声波技术进行锚固螺杆的检测 由于在该交通系统设计初期并没有考虑到锚固螺杆的健康问题对整个交通系 统的安全的影响因素导致本检测系统在实施过程中面临了许多非常困难的非技 术因素如锚固螺杆端面的顶针孔会使超声波的回波包含大量的杂波端面不平 整导致检测时耦合效果不好而不得不设计专用的超声波探头等等 基于这些因素在研究过程中通过对超声波检测技术的大量研究并做了大 量实验工作进行实际研究提出了一些新的简易方法来克服避免这些不利因素的 影响设计专用的超声波探头以克服表面不平整和顶针孔的回波干扰通过大量 的理论分析和实验验证提出一种新方法应用于锚固螺杆超声波应力检测构建 一个基于虚拟仪器技术的超声波检测系统以利用先进的计算机技术来处理大量的 检测数据利用强大的数字信号处理技术对超声波信号进行分析以获得准确的信 息等 本文在详细介绍了超声波无损检测技术的各个方面之后就本文提出的新型 超声波探头和新的检测方法做了阐述并对构建的超声波检测系统进行了说明 关键词锚固螺杆无损检测超声波探头应力检测缺陷检测 中文摘要 ii abstract the connected bolt well evaluate is part of bestraddle single rail traffic system and this system is first application in china. there are many premature technologies in related subjects and fields. within the connected bolt testing because of the goal of this research is to set up a application system for the testthe plan we choose to set up the system must be economized and be easy to practice. after do much research and analysis and with many experimentswe decide to use the ultrasonic testing technology to inspect the connected bolt. at beginning of design of the traffic system, they dont consider effect of the health of the connected bolt to the system, so there are much difficult within the inspecting system which come from the construction of the traffic system, such as the pinhole at the side of connected bolt that can produce many noise signals in ultrasonic feedback signals which trouble the inspecting system, the un-smooth of the top face of connected bolt can make the combine of the transducer and the top face become very difficult so that we must design a special transducer to fit to the situation. because of these factors, during our research, we think ultrasonic carefully and we do so many experiments to exam some important theory, at last we design a new special transducer to handle the situation of the un-smoothly top face and the noise signals coming from the pinhole, and we develop a new stress measure method adopted to inspecting the connected bolt, and base on the vi(virtual instruments) technology we set up a ultrasonic inspecting system to evaluate the health of the connected bolt, in which we use the advanced computer technology to deal with a mass of the measuring data and use powerful dsp(digital signal processing) technology to analyze the ultrasonic signal to obtain very useful information. within this paper, firstly we introduce many aspects of ultrasonic ndt particularly. then we expatiate the new measure method and the new special transducer carefully. at last we describe the ultrasonic inspecting system. key word: connected bolt, ndt, ultrasonic, transducer, stress measure, defect inspect 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究课题的提出及研究意义 1.1.1 研究课题的提出 重庆轨道交通在号线(较新线)号线(巴南区至机场)上采用跨座式交通制 式技术全部建成后约有总里程 80 余公里将使用 8200 余个 pc (prestressed concrete)轨道梁承拉铸钢支座 8200 余对锚固螺杆 65600 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 65600 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重庆地区位于四 川盆地东部丘陵地区地形起伏不平树枝状溪谷发育属亚热带季风气候空 气湿润春早夏长冬暖多雾秋雨连绵年无霜期 349 天左右 年平均气温 18.3 极端最高气温 42.2极端最低气温-1.8年平均降雨量 1082.6mm 左右 年平均相对湿度 79%绝对温度 17.7hpa年主导风向为北频率 13%左右年 平均风速为 1.3m/s极端最大风速 26.7m/s常年 r 气降水 ph 值为 4.06酸雨频 率为 37%地震基本烈度为度从重庆地区的空气湿度气候酸雨频率等指 标不难看出这些因素都将对金属结构件的耐久性使用产生很大的影响 在工程技术特点方面跨座式交通制式技术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通常称pc 轨道梁结构系统由此看出pc 轨道梁结构系统不但具有列车行驶安全性必须要求的刚度强度和空间受力工况要 求还须满足线路纵平面复杂的线形要求在技术上 pc 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 跨座式 pc 轨道梁承拉铸钢支座是连接 pc 轨道梁与墩台的重要部件 它除了 能够将 pc 轨道梁上的荷载有效地传递到墩台上外 还必须适应 pc 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 pc 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 pc 轨道梁 与墩台的重要结构部件结构部件的上端是浇筑在 pc 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这就是 pc 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一23 1 绪 论 2 此 零 件 以 上 部 分 为 轨 道 梁 此 零 件 以 下 部 分 为 墩 柱 图 1.1 锚固螺杆安装结构 fig1.1 the setting structure of connecting bolt 1 绪 论 3 图 1.2 在役锚固螺杆状态(a) fig1.2 connecting bolt structure on duty (a) 图 1.2 在役锚固螺杆状态(b) fig1.2 connecting bolt structure on duty (b) 1 绪 论 4 因此在经过多方讨论和研究之后决定研究开发能够在日常运行中用于检 测锚固螺杆的健康状态的监测系统本项目目标是设计一套系统巡回监测轻轨 pc 轨道梁锚固螺杆的疲劳腐蚀变化情况实现对在线工作的锚固螺杆健康(安全) 状况变化及损伤情况的监测评估 pc 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 警报锚固螺杆是一根长为 975mm直径为36mm 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 25mm 的扁方锚固螺杆的大部分是深埋在桥墩的锚箱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 1.1.2 无损检测技术简介及超声波检测方法的提出 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(或)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 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 1 绪 论 5 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)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 ndi(nondestructive inspection) ndt(nondestructive testing)和 nde(nondestructive evaluation)目前一般统 称之为无损检测(ndt)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 ndi 和 ndt 向 nde 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(nde)阶段自 动无损评价(ande)和定量无损评价(qnde)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1 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 70 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合理地选择无损检 测方法十分重要一般而言选择不同的检测方法主要基于经济和技术两方面 的考虑 (一)经济方面的考虑4 目前在加工制造业利用无损检测技术对成品进行最终检测其主要目的是 使用户满意当然将无损检测指定用作工艺质量控制时作为第一步便是根据产 品(或工程)的要求制订实用的验收/拒收标准 但无损检测技术在质量和成本竞争中的地位又如何呢?这里应评估的有两个 成本因子即制造成本和使用期成本成本的高低主要取决于对产品的内在质 量及对关键零部件及组装件的检测效能例如:日本小汽车中 30%的零件采用 无损检测后 质量迅速超过美国;德国奔驰汽车公司对汽车的几千个零件全部进行 1 绪 论 6 无损检测后运行公里数增加了一倍大大提高了在国际市场上的竞争能力 当然无损检测技术的应用必须有全局观念对其局部的有限的使用经济 收益未必能表现得那么明显例如:若能检测出钢中的夹层就可减少焊缝中产生 的缺陷而要防止钢中存在夹层在轧钢时就应检测钢坯当然要保证钢坯的质 量在连续铸造时就应对工艺过程进行有效的控制而这一切控制和检测工作 投入资本方面的计算往往是某些企业领导人最为关注的地方据资料统计世 界上先进的大型企业其在检测方面的投资有的高达整个企业投资的 10%也就 是说无损检测方法的采用 首先应考虑必要的资本投入 并详细评估资金的回收 (二)技术方面的考虑 在工程技术界人们普遍认为: 1.没有缺陷的材料是不存在的而所有的装置设备又都是选用不同材料来 制作零部件然后安装而成的 2.不产生缺陷的(缺陷的多少轻重不一)加工方法是没有的 而所有的零部件都 是经过多种加工工序制造的 在对材料或构件进行无损检测时 不论在什么情况下 首先检测对象要明确 才能确定应该采用怎样的检测方法和检测规范来达到预定的目的为此必须预 先分析被检测工件的材质成型方法加工过程和使用经历必须预先分析缺陷 的可能类型方位和性质以便有针对性地选择恰当的检测方法进行检测为 了达到各种不同的检测目的发展并应用了各种不同的检测方法在所有这些无 损检测方法中可以说都是很重要的且往往又是互不相干的也就是说在诸多 的无损检测方法中没有哪一种方法是万能的不同的方法各有特点也各有一 定的局限性因此很难互相代替 根据检测目的或被检对象的重要性需要用来描述材料和构件中缺陷状态的 数据相应地有多有少且任何一种检测方法都不可能给出所需要的全部信息因 此从发展来看有必要使用两种或多种无损检测方法并使之形成一个检测系 统才能比较满意地达到检测目的对大型复杂设备的检测就更是如此 就无损评价(nde)与无损检测(ndt)相比而言nde 所考虑的问题要复杂得 多在失效分析研究的基础上首先 nde 采用的检测技术通常不是单一检测技 术 往往是同时采用几种检测技术 其次 nde 利用传感器获取被检对象的信息 再将这些信息转换成材料性能和(或)缺陷的参数并对其进行模拟分析等以 便对被检对象的使用状态进行评价进而言之因为有些缺陷特别是它们的发 展趋势对系统服役寿命的影响是至关重要的因而有必要按照失效分析理论 做出合理的判定nde 技术的应用不仅仅限于冶金学领域它还能监控被检对象 内部损伤和疲劳积累的程度下面的金三角图(图 1.1)就表达了这种思想的内涵 1 绪 论 7 即 nde 是把材料微观结构与直观测量力学性能的方法相联系同时还与决定力 学性能的微观因子相结合这些细微的工作是利用计算机模拟以及神经网络系统 等先进工具进行的5 图 1.3 金三角(ndt)模式简图 fig1.3 sketch of golden triangle(ndt) pattern 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300mhz 300ghz相应的波长为 1m1mm由于它的波长短频带宽以及它与物质的相 互作用,由此发展了微波无损检测技术开始该项技术主要应用领域是军事工业 30 年来,微波无损检测的理论 技术和硬件系统都有了长足进展 大量的实验研究 业已证明该项技术的先进性和实用性它是无损检测新技术的重要组成部分微 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 ct 法等它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 的完整性评估由于趋肤效应,它无法贯穿金属件因而不能检查金属内部及碳纤 维类制品但可以检查金属表面裂纹及粗糙度检测灵敏度与波长有关波长越 短灵敏度就越高贯穿深度也越小微波 ndt 因具有非金属非电量非接 触非破坏的四非特点已受到国内外工业界的广泛重视其应用领域也从航 天航空领域向民用工业拓展在电力船舶石化及机械部门占有一席之地并 且进入毫米波技术发展新阶段4 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 无损评价 材料的微观结构 有损检测 建立神经网络系统及 把材料无损评价的检 测结果和材料性能联 系起来的计算方法 把用通用仪器设备得 到的无损评价结果和 决定材料性能的结构 因子之间建立联系 1 绪 论 8 很大的限制经过多次检验和试验该方法在螺杆检测中无法实施 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在对表面以下的缺陷随深度的增加检测灵敏度迅速下 降在检测表面缺陷时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冷隔等缺 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则不能对锚固螺杆进行磁化所以利用磁粉检测方法在 锚固螺杆检测中无法实施 射线探伤检测有 x 射线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其基本原理相同 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了以辐射 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 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 射线检测具有当裂纹面与射线近于垂直时就很难检测出来对微笑裂纹的检 测灵敏度较低生产成本较高检测周期长而且对人体有害等缺点这些因素在 锚固螺杆检测过程中与现实检测环境具有非常大的冲突导致最终放弃使用该方 法 超声检测的优点 (一) 超声波的方向性好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 犹如手电筒的灯光可以在黑暗中帮助人的眼睛探寻物体一样 利用超声波可在被检对象中进行有效的探测 (二) 超声波的穿透能力强对于大多数介质而言它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 1 绪 论 9 (三) 超声波的能量高超声检测的工作频率远高于声波的频率超声波的能 量远大于声波的能量研究表明材料的声速声衰减声阻抗等特性携带有丰 富的信息并且成为广泛应用超声波的基础 (四) 遇有界面时超声波将产生反射折射和波型的转换人们利用超声波 在介质中传播时这些物理现象经过巧妙的设计使超声检测工作的灵活性精 确度得以大幅度提高这也是超声检测得以迅速发展的原因 (五) 对人体无害 最后经过综合评定确定选用超声波方法进行锚固螺杆的健康监测 1.1.3 课题的研究意义 前面阐述到在日常轨道梁线路的运营安全性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变化情况这是 pc 轨道梁结构系统是否安全性使 用很难掌握的因素之一根据目前所掌握的技术水平也可以说锚固螺杆在锚箱 内的疲劳和腐蚀变化情况是不可知的这就是安全隐患如何掌握锚固螺杆在 锚箱内的疲劳和腐蚀变化情况这是确保 pc 轨道梁结构系统安全的关键问题 也就是说在过去 pc 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这就提出了承拉铸钢支座锚固螺杆健康安全监测系 统技术开发研究的重要性和必要性填补了跨座式轨道交通 pc 轨道梁结构系统 安全监测的空白 随着传感器技术数据传输技术计算机技术信号分析技术人工智能技 术的发展及智能材料与结构概念的提出和运用工程人员开展了基于计算机的自 动实时长期的桥梁健康监测系统的研究从而开创了桥梁健康监测新篇章 为保证桥梁安全运营和桥梁维护提供了可靠的技术和资料当出现损伤时可及 时对损伤进行定性定位定量分析及评价桥梁设计参数大多是由经验公式计 算而来而经验公式中的参数是在实践基础上用统计的方法得到的观测积累是 检验设计方法的有效措施和以后修改设计方法制定设计规范的依据通过积累 资料还可以验证理论的正确性修正设计理论所采用的参数通过积累的数据还 可以归纳出桥梁变化的过程变化规律及变化幅度 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开发我市的轻轨交通系统的安全监测评估系统是十分重要 的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 国内外研究现状6789 采用超声波研究物体内部结构的方法开始于 1930 年在 1944 年和 1946 年 1 绪 论 10 分别在美国和英国研制成功了脉冲反射式超声波探伤仪50 年代超声波探伤广 泛进入工业检验领域60 年代德国等国家研制出高灵敏度和高分辨率的超声波 仪器有效的解决了探伤精度等问题使超声波探伤的应用进一步扩大 在轨道交通系统的研究和建设方面虽然国外有非常大的发展近年来国内 许多城市也在大力的发展轨道交通运输系统但是在跨座式单轨交通系统方面 由于受到地理环境的影响在国外应用不多在国内重庆市的跨座式单轨交通系 统尚属首次引进因此在与之相应的轨道健康监测方面相对于其他轨道交通系统 而言发展还不是很好国内在锚固螺栓的安全检测上的发展几乎是一片空白在 锚固螺栓的安全使用性能上由于其工作环境处于不可见状态受力情况复杂 监测的数量庞大所以监测难度非常大国外的许多单位不愿意在这方面投入太 多的人力物力财力进行研究开发以至于现在国外还没有一个真正适用的监测方 案在国内由于重庆市是第一个引进跨座式单轨交通系统的城市所以也没有 形成一个可行的监测系统 重庆轨道交通运营工作者注意到该监测系统的重要性 决定研究开发这个健康监测系统基于此形成了本项目的研究开发动机 总体上来讲本课题的研究工作在国内外是首次提出对 pc 轨道梁结构系统 支座锚固螺杆健康状态进行跟踪监测 1.3 本文研究的目的和研究内容 1.3.1 论文研究目标 通过理论分析和实验测试验证利用超声波进行锚固螺杆的健康监测是可行 的并提供可靠的技术方案和完成超声波探头的设计选择和设计适用的超声波 设备和软件完成构建基于超声波的锚固螺杆健康监测系统初步框架为后期进 行锚固螺杆健康监测总体系统提供可靠的理论依据和实验数据 在超声波应力检测技术方面提出了一种简捷快速的在役锚固螺杆应力检测 方法通过理论分析和模拟实验台实验分析验证该方法的可行性和正确性为后 续锚固螺杆健康监测系统的开发提供了理论依据和实验数据 1.3.2 论文内容安排 第 1 章介绍了锚固螺杆健康监测系统的研究意义和无损检测技术在当前国内 外的发展现状通过分析各个检测技术的优缺点提出了采用超声波检测技术作为 该系统的主要的检测方法提出了本课题的研究目标 第 2 章描述了锚固螺杆健康监测系统总体系统规划和方案内容详细阐述了 超声波的一般概念并分析计算得到了锚固螺杆的超声波参数介绍了超声波的反 射和折射理论 最后简要介绍了超声波探伤的基本理论和 a 型脉冲反射法超声波 探伤的基本原理 1 绪 论 11 第 3 章详细介绍了超声波的纵波声场特性并介绍了超声波换能器(探头)的 设计参数针对锚固螺杆健康检测中使用的专用超声波探头的基本设计思想阐 述了探头的频率选择和探头的类型设计的原理 第 4 章介绍的基于虚拟仪器的超声波实时数据采集系统的硬件电路特性和软 件设计思路以及软件流程 第 5 章详细分析了锚固螺杆健康检测中的超声波应力检测的一种新方法并通 过实验分析验证了该方法的适用性该方法在锚固螺杆健康检测中得到了很好的 应用本章也着重介绍了锚固螺杆缺陷超声波检测中对回波信号的分析原理和方 法 第 6 章是对全文工作的总结和对该项目的后续工作的展望 2 总体系统方案简介与超声波检测理论基础 13 2 总体系统方案简介与超声波检测理论基础 2.1 系统方案简介 2.1.1 总体系统方案 桥梁健康监测对人民的生命财产安全国家的经济以及科学实践都有着重要 的作用开发我市的轻轨交通系统的安全监测评估系统是十分重要的它不仅能 保证轻轨交通系统的安全推动学科的交叉发展并且可以创造出巨大的社会效 益和难以想象的经济价值 一般工程界认为桥梁等交通设施安全监测的关键参数主要是三类参数1) 载荷监测包括风地震温度和交通负载等参数2)几何监测指监测桥梁各 部位的静态位置和静态位移参数3)结构的静动力反应监测如频率振动位 移应变阻尼模态等参数进行健康监测的工作主要是围绕这些项目的测量和 健康状况的评价而进行的监测工作包含了及其广阔的内容具体包括传感器 技术的研究信号提取及传输数据采集数据处理数据存储损伤定位和评 价及桥梁综合状况指标及评价软件等 重庆 pc 轨道梁系统工程中埋在墩座锚箱内的锚固螺杆的健康状况是主要 的安全问题 通过认真分析和全面考虑 我们认为应以监测结构静动力反应为主 所以主要采用的技术如下 ? 采用超声波技术可以在现场从锚固螺杆一端获得隐埋在钢筑混凝土锚箱 内的锚固螺杆拉伸情况预应力变化以及经过长期时效后的螺杆上可能 产生的缺陷信息 ? 采用激振器和加速度传感器可以在现场获得锚固螺杆固有频率及变化信 息也可以获得支座系统的系统固有频率及变化信息 ? 采用数字照相技术可获得高分辨率的支座体系外观结构图像变化或螺帽 位置的相对变化等信息 本项目主要测量锚固螺杆的预应力及变形固有频率几何位置变化内部 裂纹及评估杆件系统缺陷和腐蚀情况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数字分析方法 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 或支座锚杆群的健康(安全)状况的报告及评估结果并做出相应的预警级别警报 总体系统如图 2.1 所示由六个子系统构成 ? 超声波测试系统 ? 振动测试系统 2 总体系统方案简介与超声波检测理论基础 14 ? 状态图形监测系统 ? 综合分析评估决策系统 ? 数据存储及更新系统 ? 机械控制及定位系统 工 程 车 到 位 ? 定 位 机 构控 制 及 定 位 系 统操 作 台 升 降 及 移 动 机 构 检 测 工 作 台 图 像 检 测 系 统振 动 检 测 系 统超 声 检 测 系 统 数 据 存 储 系 统 评 估 决 策 预 警 ? 报 警问 题 锚 杆 原 因 分 析锚 杆 数 据 存 储 异 常 数 据 处 理 人 工 处 理 评 估 未 通 过 评 估 通 过无 法 决 策 3次 且从其界面上反射的波可以忽 略的对象)纵波的传播速度为 3 4 + = k cl (2.26) 或 )1)(21 ( )1 ( + = e cl (2.27) 而在小横截面(直径较波长小d2fm)计算得到需要的采样频率 fs约为 60mhz同时由于信号采集需要 四个通道同时进行在板卡总线要求上增加了额外的要求isa 总线类型的超声 波卡只有两通道而且其传输速度的限制和在系统中与其他板卡如振动测试和控 制系统等 pci 板卡存在兼容危机最后确定为采用 pci 总线类型的板卡 4 超声波数据实时采集分析 46 图 4.1 基于 pci 总线的超声波发射接收电路图 fig4.1 the ultrasonic emission and receiving circuit map based on pci bus 基于 pci 总线的多通道超声波 pci 插卡的系统结构如上图所示该系统以工 业控制或商用台式计算机为母体采用目前计算机工业应用最为广泛新型高 性能的 32 位 pci 局部总线结构高度集成了超声波的发送与接收100mhz 高速 信号采集大容量存储多通道的自动控制以及数字信号处理等多种功能使得 超声波探伤仪与计算机完美地结合在一起 4.1.2 主要电路模块技术特性 1发射接收电路 pci 板卡上具有四个独立的发射/接收通道每一通道的发射电压约为 600v 可调节输入阻抗匹配与输出探头匹配工作模式(一发一收自发自收)软件调节 这有利于利用双晶探头进行检测在锚固螺杆的检测中由于墩台上每一个下摆 是通过四个锚固螺杆固定所以为了提高检测的速度和发现下摆的整体联结安全 性和同时作用的四个锚固螺杆性能的相关性需要同时检测四个锚固螺杆而该 pci 超声波卡很好的适应了这个要求 2信号放大电路 采用多级压控超声波专业信号放大芯片每一通道具有 110db 的增益调节范 围 调节步距为 0.1db 放大器频带宽度为 0.5mhz15mhz 且检波方式(全检波 正/负检波射频)软件可调每一通道具有距离波幅自动补偿功能有效地提高 了探伤的动态范围若与 dac 曲线结合放大器可按 dac 曲线所描述的波幅/ 距离(时间)函数关系动态工作特别适合大工件远距离探伤场合的需要 3通道切换 4 超声波数据实时采集分析 47 采用程序控制的电子开关选用宽频超低导通电阻模拟开关 4电源电路 采用多路分级电源设计八层电路板使电源与信号互不干扰本卡也具有良 好的抗噪能力对计算机所产生的数字脉冲信号以及开关电源产生的高强调频信 号都具有良好的抑制作用 2ad 采集电路 对于超声波信号的实时信号采集速度越快每个采样点所代表的时间精度越 高相应所表示的范围越精细为了实现 100mhz 的高速数据采集我们选用了 adi 公司性能良好的 adc 模数转换芯片同时为了满足 100mhz 的高速实时 的数字信号处理 3fpga41 信号处理和逻辑控制部分采用了大容量高速的 fpga(field programmable gate array)芯片在 fpga 中主要完成与 pci 桥接芯片的接口模拟信号控制 采样数据压缩数字滤波距离补偿等诸多功能41除此之外还实现了线形精 度补偿采样法的先进采样技术 这样可以确保即便在很高的数据压缩率的情况下 也不会丢失线形精度本探伤系统的超声波数据采集深度可变最深可高达 32k 字节可以增大检测范围满足高精度超声检测时需要对超声回波细致而精确的 描述 4外围接口 为了易于与机械扫查部分接口在卡上内置四对编码器接口的位移传感器控 制器实现对 x 和 y 方向的二自由度的工件位置感知适合自动扫查超声波成像 等采用光电隔离的八路输出和八路输入可满足各种超声波自动检测系统 5pci 桥接电路42 pci 是一种新型的高性能的局部总线 是美国 intel 公司为了解决 isa 总线的 性能瓶颈而开发出来的具有下述明显的技术优势高性能支持 32 位或 64 位 数据总线总线速度为可达 66mhz传输速率峰值高达 528 兆字节每秒而 isa 总线仅仅支持 8 位或 16 位数据总线总线速度仅为 8mhz即插即用(pnp)pci 总线能够自动配置实现即插即用一旦 pci 插卡插入系统系统 bios 将能根 据读到的关于该插卡的信息结合系统实际情况为插卡分配存储器地址i/o 端 口地址中断号以及其他的系统资源从根本上免除了人工配置避免硬件冲突 而对于 isa 总线 由于它不是为 pnp 设计的 设计 isa 时并沒有任何 pnp 的概念 需要人工配置系统资源规范标准严格pci 总线对协议时序负载电性 能和机械性能指标等都有严格的规定这正是 isavesa 这类总线所不及的地 方从而保证了它的可靠性和兼容性 4 超声波数据实时采集分析 48 4.2 超声波回波信号分析软件 4.2.1 软件总体分析 1开发语言介绍 当今流行的可视化开发工具有 borland 公司的 delphic+buildermicrosoft 的 visual basicvisua1c+ibm 的 visualage forc等其中 vb 语言具有入 门快开发周期短控件丰富特别是用它实现软件系统的界面非常容易有效 但不易于 windows 深入编程用 vc 进行界面设计十分复杂但却十分灵活基 本的界面一般都可以实现只是复杂度不高再加上有诸多界面设计扩展包能 轻松实现高级界面特性如 visual s 集成开发环境的界面风格采用类来 封装数据和方法并且由 mfc 提供的序列化函数来实现类的持久化存储提高 了软件的可重用性考虑到本设计要求开发功能强大的数据处理系统并且原来 的软件系统是用 vc 开发的所以用 vc 开发是最合适的也是最有效的vc 又 称可视化 c+但它相对于其他可视化开发工具vc 提供的界面设计类相当原 始开发量大开发难度较大 2程序流程43 本软件主要包括三大模块设备控制对象应用逻辑处理对象和界面控制对 象其程序总流程图如图 4.2 所示 设备控制对象dll应用逻辑处理对象 界面控制对象 图 4.2 超声波检测系统软件总体框架 fig4.2 the general software frame map of ultrasonic inspecting system ? 设备控制对象 dll 中控制类的实例设备控制对象提供了一系列的功能接口函数这些接 口可以完成对超声波检测仪的硬件初始化和设置 ? 应用逻辑处理对象 应用程序根据要实现的功能要求而建立的类的实例主要包括采集数据实时 处理 采集数据实时显示 以上的功能大多需要并发运行来实现实时性和准确性 所以需要进行多线程处理 4 超声波数据实时采集分析 49 ? 界面控制对象 用于处理各种用户输入交互控制的类的实例主要包括各种窗口对象和参 数调节输入控制对象 csrdeviceadapter 设备控制类 csrdisplay 实时显示控制类 csrdispthread 实时显示控制线程类 csrchannparalist 通道参数调节类 cutmonitorapp 主应用程序框架类 cutmonitordlg 主应用程序窗口 a.建立设备控制对象 建立主窗口 b2.建立实时显示线程对象c.建立参数调节对象 b1.建立实时显示对象 调用并 显示 调用初始化显示控制 调用控制处理 图 4.3 超声波检测系统软件模块图 fig4.3 software module map of ultrasonic inspecting system ? 主应用程序框架 a建立设备控制对象 (cutmonitorapp:initializeresource() 1.实例化对象 csrdeviceadapter 2.枚举建立设备连接 csrdeviceadapter:enumeratedevice() 3.映射缓冲区csrdeviceadapter:mapsamplingbuf() 4.装载设备运行参数csrdeviceadapter:loadparameter() 5.初始化硬件设备 通道参数initchannpara() 全局参数initdevpara() a.退出程序的时候释放对象(cutmonitorapp:releaseresource) 关闭设备连接shutdowndevice() 保存设备运行参数saveparameter() b1. 建立实时显示对象(cutmonitordlg:localinitialize() 1.实例化对象 csrdisplay 2.初始化对象csrdisplay:initialize() 4 超声波数据实时采集分析 50 3.设置资源 csrdisplay:attachdispresource() b2. 建立实时显示线程(cutmonitordlg:localinitialize() 1.实例化对象csrdispthread() 2.启动线程 csrdispthread:start() b2.退出程序的时候释放对象(cutmonitordlg:unlocalinitialize() 1.首先确定采样关闭 2.删除实时显示线程对象 3.删除实时显示对象 c.建立参数调节对象(cutmonitordlg:setchannparalist() ? 设备及运行控制 a. 开关采样控制(控制超声波设备是否发射/接收或停止发射/接受超声波) 1.判断当前设备的发射/接收状态 _csrdeviceadapter:checksamplingonoffstatus() 2.开/关采样 csrdeviceadapter:optsamplingonoff() b. 开/关实时显示线程控制 1.开始显示 csrdispthread:resumethrd() 2.暂停显示 csrdispthread:suspendthrd() 4.2.2 软件实现4445 该超声波软件通过一个链接到底层的 dll(deviceadapter.dll)来提供对超声 波 pci 检测设备的控制可控制的内容包括各种硬件参数设置缓冲区处理内 核事件(中断)控制应用程序通过调用 dll 中的功能函数来实现超声波检测回 波数据处理 在用户界面程序(utmonitordlg.cpp)中实现超声波采集参数设置 过 程控制和回波数据实时显示等功能 1调用 dll 进行硬件初始化 在进行板卡初始化之前必须对 dll 接口调用即在 cutmornitorapp 的头 文件中添加一个 csrdeviceadapter 类型的指针 m_pdevadapter 在以后的程序代 码中可以通过这个指针来访问 dll 中提供的各种函数 这是为以后的进一步调用 函数提供接口 class cutmonitorapp : public cwinapp csrdeviceadapter* m_pdevadapter; 4 超声波数据实时采集分析 51 在 cutmonitorapp 的初始化中通过 m_pdevadapter 调用 csrdeviceadapter 的初始化硬件设备的函数为软件系统初始化的第一步 bool cutmonitorapp:initializeresource() / create device manager interface m_pdevadapter = new csrdeviceadapter(); if(!m_pdevadapter) return false; / enumerate device in machine u8 devcount = m_pdevadapter-enumeratedevice(); if(devcount = 0) / no device in machine delete m_pdeva