CN104034803A - 主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍；所述卡箍的轴向上开设有5道第一刻槽；上箍体和下箍体分别在周向上开设有2道第二刻槽；上箍体和下箍体一侧面分别开设有一与卡箍同长的线槽；刻槽上设置有20个压电陶瓷传感器；压电陶瓷传感器的上表面焊接一根信号传输线，传输线沿着线槽进行走线，传输线为高屏蔽同轴电缆，所述传感装置表面布设有一绝缘层；所述绝缘层表面布设有一电磁屏蔽层。本发明还提供了一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，本发明能很好地采集桥梁拉吊索损伤的数据，能实现无损探测全桥梁拉吊索的损伤。

Description

主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置及其监测方法。

背景技术

大跨桥梁结构是一个国家和地区的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施的重要部分。在大跨桥梁结构中，拉吊索是主要的受力构件。在长达几十年的使用期内，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应和突然灾变效应等因素的耦合作用下，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用下的能力下降，极端情况下将引发灾难性的突发事故。新建桥梁拉吊索的造价一般占全桥的25％～30％，如果对其进行换索，换索的价钱为新建的3～4倍。目前桥梁拉吊索损伤监测方法有人工检测法，该方法主要通过肉眼或者放大镜进行结构表面观测，对内部缺陷无能为力；超声波检测方法通过回波时间及信号强度，获知损伤的位置。该方法在桥梁拉吊索检测中效果不理想，主要是因为拉吊索内部钢丝(钢绞线)之间存在一些空隙，表面凸凹不平，损伤区域不固定，导致回波信号不清晰。射线检测只能一段检测，检测费用比较高、仪器昂贵、具有一定的辐射性。漏磁检测法尽管可以较清楚地判断断丝的位置和数量，但是该设备复杂，对于有外保护层的拉吊索，检测精度不高、同一缺陷空间分辨率不高，对于埋在梁内的拉吊索损伤，检测效果更差。

自从压电效应被发现以来，对压电材料的研究和应用在桥梁拉吊索损伤监测中的应用得到了广泛关注。压电陶瓷具有正逆压电效应。利用压电陶瓷的正效应，发展了主动波导监测技术(超声导波)，通过“询问”结构来检测损伤的存在，并估计其程度；利用它的逆效应，发展成了被动波导监测技术(声发射技术)，通过“听”结构的响应而不需要其相互作用，监测结构损伤。波导检测技术有很多突出的优点：传播距离长、灵敏度高、不同的模态对不同的损伤类型敏感、检测面广。导波在拉吊索的内部和表面都有质点的振动，声场遍及整个波导，接收到的信号包含拉吊索内部及接触界面的整体性信息，因此导波检测技术可以检测整个波导的信息，而不是一个点或一个面。目前基于主动波导监测技术(超声导波)已经在桥梁拉吊索的损伤监测得到一些应用，该方法对已经存在的损伤有很好的检测精度，但是对于拉吊索的损伤演化监测效果不理想。而被动波导监测技术(声发射)对桥梁拉吊索中已经存在的损伤无能无力，但对拉吊索损伤演化具有较高的监测精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，能很好地采集桥梁拉吊索损伤的数据，为实现无损探测全桥梁拉吊索的损伤提供了一个硬件平台。

本发明问题之一是这样实现的：一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍；所述卡箍的轴向上开设有至少5道第一刻槽，且各第一刻槽均匀分布；所述卡箍包括上、下两箍体；所述上箍体和下箍体分别在周向上开设有至少2道第二刻槽；上箍体和下箍体总的4道第二刻槽均匀分布，且上箍体和下箍体扣紧后两对角线的第二刻槽成90度夹角；所述上箍体和下箍体一侧面分别开设有一与卡箍同长的线槽；所述5道第一刻槽上的第1、3、5道上均设置有4个压电陶瓷传感器，且各4个压电陶瓷传感器的长边沿卡箍周向布置并位于4道第二刻槽上，作为产生扭转模态的传感装置；5道第一刻槽上的第2、4道上均设置有4个压电陶瓷传感器，且各4个压电陶瓷传感器的长边沿卡箍轴向布置并位于4道第二刻槽上，作为产生纵向模态的传感装置；所述压电陶瓷传感器的上表面焊接一根信号传输线，传输线沿着线槽进行走线，所述传输线为高屏蔽同轴电缆，所述传感装置表面布设有一绝缘层；所述绝缘层表面布设有一电磁屏蔽层，且电磁屏蔽层与绝缘层通过环氧树脂进行连接；其中设置5道第一刻槽的3道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；或者5道第一刻槽的2道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器作为被动监测。

进一步地，所述卡箍为圆柱形卡箍。

进一步地，所述5道第一刻槽的相邻两第一刻槽之间距离为15～25mm；所述各第二刻槽深度为3～4mm，长度为20～30mm；所述线槽的宽度为5～10mm；所述绝缘层厚度为0.1～0.3mm；电磁屏蔽层的厚度为0.5～2mm。

进一步地，所述绝缘层为热固性亚胺薄粘带；所述电磁屏蔽层为超高导电硅橡胶。

进一步地，所述压电陶瓷传感器采用粘结剂固定在第一刻槽或第二刻槽上。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，能很好地采集桥梁拉吊索损伤的数据，能实现无损探测全桥梁拉吊索的损伤。

本发明问题之二是这样实现的：一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法；

所述监测方法需提供所述传感装置、主被动波导传感器触发单元、被动波导反馈单元以及一PC机；所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍；所述卡箍的轴向上开设有5道第一刻槽，所述卡箍包括上、下两箍体；所述上箍体和下箍体分别在周向上开设有2道第二刻槽；上箍体和下箍体总的4道第二刻槽均匀分布，所述上箍体和下箍体一侧面分别开设有一与卡箍同长的线槽；所述5道第一刻槽上的第1、3、5道上均设置有4个压电陶瓷传感器，作为产生扭转模态的传感装置；5道第一刻槽上的第2、4道上均设置有4个压电陶瓷传感器，作为产生纵向模态的传感装置；所述主被动波导传感器触发单元包括依次连接的信号发生器和压电陶瓷功率放大器；所述被动波导反馈单元包括依次连接的放大器和信号A/D转换器；

所述方法具体为：设置5道第一刻槽的3道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；或者5道第一刻槽的2道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；所述PC机发出控制信号经所述信号发生器处理后给所述压电陶瓷功率放大器，压电陶瓷功率放大器进行放大后触发所述传感装置进行监测；所述传感装置利用压电陶瓷传感器的正效应，发展主动波导监测来测试获取桥梁拉吊索损伤的程度；将获得的损伤程度直接发送给PC机，PC机进行采集处理；传感装置利用压电陶瓷传感器的逆效应，发展被动波导监测来响应桥梁拉吊索损伤而不需要相互作用，从而测试获取桥梁拉吊索损伤的程度，将损伤程度信号经过放大器放大后，发送给所述信号A/D转换器，信号A/D转换器经处理发送给PC机，PC机进行采集处理。

进一步地，所述卡箍为圆柱形卡箍。

进一步地，所述5道第一刻槽的相邻两第一刻槽之间距离为15～25mm；所述各第二刻槽深度为3～4mm，长度为20～30mm；所述线槽的宽度为5～10mm；所述绝缘层厚度为0.1～0.3mm；电磁屏蔽层的厚度为0.5～2mm。

进一步地，所述绝缘层为热固性亚胺薄粘带；所述电磁屏蔽层为超高导电硅橡胶。

进一步地，所述压电陶瓷传感器采用粘结剂固定在第一刻槽或第二刻槽上。

本发明的优点在于：本发明把产生纵向模态和扭转模态的两种传感器集成到一起，形成5道探测，并在卡箍上设置有高屏蔽同轴电缆、绝缘层以及电磁屏蔽层；从而形成具有电磁屏蔽和滤波功能的主被动波导测试传感器；其中三道传感器作为主动监测、剩下的两道传感器作为被动监测；或者两道传感器作为主动监测、剩下的三道传感器作为被动监测。本发明能很好地采集桥梁拉吊索损伤的数据，能实现无损探测全桥梁拉吊索的损伤。

附图说明

图1是本发明去掉绝缘层和电磁屏蔽层的结构示意图。

图2是本发明的截面示意图。

图3是本发明监测方法的原理框图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍1；所述卡箍1的轴向上开设有至少5道第一刻槽11，且各第一刻槽11均匀分布；所述卡箍1包括上、下两箍体(12、13)；所述上箍体12和下箍体13分别在周向上开设有至少2道第二刻槽14；上箍体12和下箍体13总的4道第二刻槽14均匀分布，且上箍体12和下箍体13扣紧后两对角线的第二刻槽14成90度夹角α；所述上箍体12和下箍体13一侧面分别开设有一与卡箍1同长的线槽(未图示)；所述5道第一刻槽11上的第1、3、5道上均设置有4个压电陶瓷传感器3，且各4个压电陶瓷传感器3的长边沿卡箍周向布置并位于4道第二刻槽14上，作为产生扭转模态的传感装置；5道第一刻槽11上的第2、4道上均设置有4个压电陶瓷传感器，且各4个压电陶瓷传感器的长边沿卡箍轴向布置并位于4道第二刻槽14上，作为产生纵向模态的传感装置；所述压电陶瓷传感器3的上表面焊接一根信号传输线(未图示)，传输线沿着线槽进行走线，所述传输线为高屏蔽同轴电缆，所述传感装置表面布设有一绝缘层4；所述绝缘层4表面布设有一电磁屏蔽层5，且电磁屏蔽层5与绝缘层4通过环氧树脂(未图示)进行连接。其中设置5道第一刻槽11的3道上的压电陶瓷传感器3作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器3作为被动监测；或者5道第一刻槽11的2道上的压电陶瓷传感器3作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器3作为被动监测。

在本发明中所述卡箍1为圆柱形卡箍。实际应用中也可以为其他形状的只要能将桥梁拉吊索抱紧即可。

其中，所述5道第一刻槽11的相邻两第一刻槽11之间距离为15～25mm。所述各第二刻槽14深度为3～4mm，长度为20～30mm；所述线槽的宽度为5～10mm。

另外，所述压电陶瓷传感器采用粘结剂固定在第一刻槽11或第二刻槽14上。所述绝缘层厚度为0.1～0.3mm；屏蔽层的厚度为0.5～2mm。所述绝缘层4为热固性亚胺薄粘带；所述电磁屏蔽层5为超高导电硅橡胶。

请参阅图1至图3所示，一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法；

所述监测方法需提供所述传感装置、主被动波导传感器触发单元、被动波导反馈单元以及一PC机；所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍1；所述卡箍1的轴向上开设有至少5道第一刻槽11，所述卡箍1包括上、下两箍体(12、13)；所述上箍体12和下箍体13分别在周向上开设有至少2道第二刻槽14；上箍体12和下箍体13总的4道第二刻槽14均匀分布，所述上箍体12和下箍体13一侧面分别开设有一与卡箍1同长的线槽(未图示)；所述5道第一刻槽11上的第1、3、5道上均设置有4个压电陶瓷传感器3，作为产生扭转模态的传感装置；5道第一刻槽11上的第2、4道上均设置有4个压电陶瓷传感器，作为产生纵向模态的传感装置；所述主被动波导传感器触发单元包括依次连接的信号发生器和压电陶瓷功率放大器；所述被动波导反馈单元包括依次连接的放大器和信号A/D转换器；

所述方法具体为：设置5道第一刻槽11的3道上的压电陶瓷传感器3作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器3作为被动监测；或者5道第一刻槽11的2道上的压电陶瓷传感器3作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器3作为被动监测；所述PC机发出控制信号经所述信号发生器处理后给所述压电陶瓷功率放大器，压电陶瓷功率放大器进行放大后触发所述传感装置进行监测；所述传感装置利用压电陶瓷传感器的正效应，形成主动波导监测来测试获取桥梁拉吊索损伤的程度；将获得的损伤程度直接发送给PC机，PC机进行采集处理；传感装置利用压电陶瓷传感器的逆效应，形成被动波导监测来响应桥梁拉吊索损伤而不需要相互作用，从而测试获取桥梁拉吊索损伤的程度，将损伤程度信号经过放大器放大后，发送给所述信号A/D转换器，信号A/D转换器经处理发送给PC机，PC机进行采集处理。

在本发明中所述卡箍1为圆柱形卡箍。实际应用中也可以为其他形状的只要能将桥梁拉吊索抱紧即可。

其中，所述5道第一刻槽11的相邻两第一刻槽11之间距离为15～25mm。所述各第二刻槽14深度为3～4mm，长度为20～30mm；所述线槽的宽度为5～10mm。

另外，所述压电陶瓷传感器采用粘结剂固定在第一刻槽11或第二刻槽14上。所述绝缘层厚度为0.1～0.3mm；屏蔽层的厚度为0.5～2mm。所述绝缘层4为热固性亚胺薄粘带；所述电磁屏蔽层5为超高导电硅橡胶。

这里值得一提的是：

主被动波导监测桥梁拉吊索的一体化传感装置设计需要解决两个技术问题：1)主被动测试传感器压电陶瓷数量、布设方式优化与电磁屏蔽技术。由于桥梁拉吊索失效的因素很多，不同的缺陷对不同激励模态的敏感度不一样。以往的文献，不论什么样的缺陷，都采用纵向导波模态。在工程应用中，有时效果不太理想。本发明采用多个压电陶瓷传感器波导测试装置，选用轴对称的纵向模态和扭转模态来进行激励。在测试过程中，对这种两模态测试结果进行对比，确定选择什么样的模态，以便提高测试精度。另外在选择高阶模态进行激励时，必须对压电陶瓷传感器的圈数进行优化，以便抑制低阶模态的影响。本发明把产生纵向模态和扭转模态的两种传感器集成到一起，形成5圈探头的最佳设计。目前主动波导传感器都是直接应用压电传感器作为激励和接收传感器，但是直接应用压电陶瓷作为被动波导探头因电磁干扰导致信号的信噪比过小，应发展电磁屏蔽技术和滤波技术集成于压电陶瓷被动波导探头。从而形成具有电磁屏蔽和滤波功能的主被动波导测试传感器。2)传感器触发方式及其主被动监测方案选择。采集系统提供准确的信号触发和传感器切换，准确按需进行主被动监测；甚至同时进行主被动测试(其中设置5道第一刻槽的3道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；或者5道第一刻槽的2道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器作为被动监测)。在波导监测时，将主被动传感器连接到采集仪上，在采集仪中根据监测信号幅值的大小，选择合理的监测方式。

总之，本发明将有效解决目前桥梁拉吊索损伤监测困难问题。该方法不但可以检测桥梁拉吊索既有的损伤，还可以监测桥梁拉吊索损伤演化过程。尤其对于埋在梁内、锚室内等不可见桥梁拉吊索损伤监测更具有优势，不需要像目前的常规检测方法，需要破坏梁或者打开锚室等检测方法，带来结构的二次损伤。本发明的直接将传感装置布设在索体上，不破坏任何索体结构，真正实现无损探测全桥梁拉吊索损伤。在桥梁拉吊索损伤检测中具有极大的社会和经济效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，其特征在于：所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍；所述卡箍的轴向上开设有至少5道第一刻槽，且各第一刻槽均匀分布；所述卡箍包括上、下两箍体；所述上箍体和下箍体分别在周向上开设有至少2道第二刻槽；上箍体和下箍体总的4道第二刻槽均匀分布，且上箍体和下箍体扣紧后两对角线的第二刻槽成90度夹角；所述上箍体和下箍体一侧面分别开设有一与卡箍同长的线槽；所述5道第一刻槽上的第1、3、5道上均设置有4个压电陶瓷传感器，且各4个压电陶瓷传感器的长边沿卡箍周向布置并位于4道第二刻槽上，作为产生扭转模态的传感装置；5道第一刻槽上的第2、4道上均设置有4个压电陶瓷传感器，且各4个压电陶瓷传感器的长边沿卡箍轴向布置并位于4道第二刻槽上，作为产生纵向模态的传感装置；所述压电陶瓷传感器的上表面焊接一根信号传输线，传输线沿着线槽进行走线，所述传输线为高屏蔽同轴电缆，所述传感装置表面布设有一绝缘层；所述绝缘层表面布设有一电磁屏蔽层，且电磁屏蔽层与绝缘层通过环氧树脂进行连接；其中设置5道第一刻槽的3道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；或者5道第一刻槽的2道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器作为被动监测。

2.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，其特征在于：所述卡箍为圆柱形卡箍。

3.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，其特征在于：所述5道第一刻槽的相邻两第一刻槽之间距离为15～25mm；所述各第二刻槽深度为3～4mm，长度为20～30mm；所述线槽的宽度为5～10mm；所述绝缘层厚度为0.1～0.3mm；电磁屏蔽层的厚度为0.5～2mm。

4.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，其特征在于：所述绝缘层为热固性亚胺薄粘带；所述电磁屏蔽层为超高导电硅橡胶。

5.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置，其特征在于：所述压电陶瓷传感器采用粘结剂固定在第一刻槽或第二刻槽上。

6.一种主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，其特征在于：

所述监测方法需提供所述传感装置、主被动波导传感器触发单元、被动波导反馈单元以及一PC机；所述传感装置包括一与所述桥梁拉吊索直径相匹配的卡箍；所述卡箍的轴向上开设有5道第一刻槽，所述卡箍包括上、下两箍体；所述上箍体和下箍体分别在周向上开设有2道第二刻槽；上箍体和下箍体总的4道第二刻槽均匀分布，所述上箍体和下箍体一侧面分别开设有一与卡箍同长的线槽；所述5道第一刻槽上的第1、3、5道上均设置有4个压电陶瓷传感器，作为产生扭转模态的传感装置；5道第一刻槽上的第2、4道上均设置有4个压电陶瓷传感器，作为产生纵向模态的传感装置；所述主被动波导传感器触发单元包括依次连接的信号发生器和压电陶瓷功率放大器；所述被动波导反馈单元包括依次连接的放大器和信号A/D转换器；

所述方法具体为：设置5道第一刻槽的3道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的2道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；或者5道第一刻槽的2道上的压电陶瓷传感器作为主动监测、剩下的3道上的压电陶瓷传感器作为被动监测；所述PC机发出控制信号经所述信号发生器处理后给所述压电陶瓷功率放大器，压电陶瓷功率放大器进行放大后触发所述传感装置进行监测；所述传感装置利用压电陶瓷传感器的正效应，发展主动波导监测来测试获取桥梁拉吊索损伤的程度；将获得的损伤程度直接发送给PC机，PC机进行采集处理；传感装置利用压电陶瓷传感器的逆效应，发展被动波导监测来响应桥梁拉吊索损伤而不需要相互作用，从而测试获取桥梁拉吊索损伤的程度，将损伤程度信号经过放大器放大后，发送给所述信号A/D转换器，信号A/D转换器经处理发送给PC机，PC机进行采集处理。

7.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，其特征在于：所述卡箍为圆柱形卡箍。

8.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，其特征在于：所述5道第一刻槽的相邻两第一刻槽之间距离为15～25mm；所述各第二刻槽深度为3～4mm，长度为20～30mm；所述线槽的宽度为5～10mm；所述绝缘层厚度为0.1～0.3mm；电磁屏蔽层的厚度为0.5～2mm。

9.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，其特征在于：所述绝缘层为热固性亚胺薄粘带；所述电磁屏蔽层为超高导电硅橡胶。

10.根据权利要求1所述的主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置监测方法，其特征在于：所述压电陶瓷传感器采用粘结剂固定在第一刻槽或第二刻槽上。