CN107941898B - 一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，该装置的主要特征是采用了相位匹配的、叠加的低频正弦和高频脉冲调制波作为传感器的励磁信号，在高、低频同步励磁条件下，沿钢索传播可进行长距离缺陷检测；基于逆磁致伸缩效应，钢索的拉力变化可被传感器感应线圈输出的低频响应电压信号所反映。磁声一体化传感器包括静态偏置磁路、励磁线圈、感应线圈、霍尔元件和温度传感器等。宽频带功率放大器用于放大高、低频叠加励磁信号；信号采集电路用于接收所有检测元件的输出电压；主控板卡控制各模块的运行，并与上位机进行信息交互；上位机综合显示控制界面和检测信号。适用于各类固定式拉索结构健康状态的长期监测。

Description

一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置
技术领域
本发明为磁声复用的钢索缺陷与拉力同步检测装置，属于电磁声学技术领域，适合于钢杆、钢索等圆柱型铁磁性材料的缺陷、拉力状态检测。
背景技术
钢索广泛应用于斜拉桥结构当中，钢索中是否存在缺陷和所受拉力的大小是评价其健康状态的重要参量。导波具有长距离检测的优势，常用于钢索缺陷的检测和定位；磁弹可以检测钢索真实拉力状态，是铁磁性材料力学性能的常用测试方法。当前市场上的检测设备大多只能进行单一的缺陷检测或单一的应力测量，当需要同时获取被测结构的应力状态和缺陷信息时，必须使用不同的检测设备，增加检测成本和时间成本。根据检测对象的不同，导波检测的频率范围通常在10kHz-1MHz之间，而磁弹检测的频率范围通常在DC-500Hz之间，两者在检测频率上的差异使得一般检测设备难以兼顾两种检测模式。论文《磁致伸缩与磁弹一体化传感器的研制》，机械工程学报.2013,49(22):46-52，提供了一种结构一体化传感器，但需采用两套试验***，分别进行导波缺陷检测和磁弹应力测量，未能实现缺陷与应力的同步检测。
针对这一问题，本发明提出利用相位匹配的、叠加的低频正弦和高频脉冲调制波作为励磁信号，构建单一装置用于磁声同步检测，实现钢索缺陷与拉力的一体化检测。
发明内容
本发明的目的是搭建一种磁声复用的钢索缺陷与拉力同步检测装置，可同步实现磁滞伸缩导波缺陷检测和磁弹拉力检测。该装置可提供相位匹配的、叠加的低频正弦和高频脉冲调制波作为传感器的励磁信号，对静态偏置磁化的钢索进行高、低频同步动态励磁，由此在钢索材料中产生磁致伸缩纵向模态超声导波，而磁声一体化传感器接收的感应电压信号中的高频成分为纵向模态导波检测信号，低频成分可反映钢索拉力变化引起的磁通量变化。
为实现上述目的，本发明提供了一种钢索缺陷与拉力同步检测装置。包括上位机1、主控板卡2、信号发生源3、信号采集电路4、宽频带功率放大器5和一体化传感器7。上位机1中的软件确定励磁信号的各项参数，并将参数传至主控板卡2，主控板卡2控制信号发生源3与信号采集电路4。信号发生源3将所设定的励磁信号传输给宽频功率放大电路5，由宽频功率放大电路5向磁声一体化检测传感器7提供大功率励磁信号，磁声一体化检测传感器7安装在被检钢索14上，其静态偏置磁路、励磁线圈提供的高、低频同步动态励磁场和霍尔传感器10测量方向均沿钢索长度方向。磁声一体化检测传感器7和霍尔传感器10输出至程控增益电路6，信号经放大后与温度传感器11的信号传递至信号采集电路4，信号采集电路4与主控机2实现数据交换，最终将所有数据交由上位机1软件***，综合分析处理后进行实时显示。
宽频功率放大电路5的频带范围为检测仪器的主要工作范围，磁声一体化检测传感器7的高频导波频率fH和低频磁弹频率fL应在宽频功率放大电路5的工作频带之内。宽频功率放大电路5在高频导波和低频磁弹两个中心工作频率可保持信号波形、相位无失真。fH取值范围10kHz-1MHz，fL取值范围DC-500Hz。
磁声一体化检测传感器7能同时进行导波和磁弹两种不同的检测模式：一体化检测信号中的高频成分经功放放大后进入传感器7，此时进行导波检测，导波激励信号由传感器外层线圈8激励，使被测钢索14中形成纵向模态的导波信号，导波信号在经过传播后遇到端面或缺陷形成回波信号，由传感器内层线圈9接收，形成自激自收的检测模式，内层线圈9上的信号经信号采集电路4采集后通过主控板卡2传输至上位机1分析***；一体化检测信号中的低频成分经功放放大后进入传感器，此时传感器进行磁弹检测，磁弹励磁信号由传感器外层线圈8励磁，使被测钢索14中形成周期变化的励磁磁场，励磁磁场对被测钢索14进行磁化，由传感器内层线圈9接收磁感应强度的变化，同时由霍尔传感器10和温度传感器11检测环境参量的变化，经采集电路4采集后通过主控板卡2输出至上位机1分析***综合处理。
一体化检测信号的基本构成形式如图2所示。一体化检测信号包含高频和低频两种不同频率的成分。一体化检测信号输出至传感器外层线圈8后，其高频脉冲调制波频率fH范围为10kHz-1MHz，应用于导波缺陷检测，可选取设置高频导波信号中的频率、周期数、加窗形式等参数，在被测钢索14中形成相应的磁致伸缩导波；其低频正弦波频率fL范围为DC-500Hz，应用于磁弹应力检测，可在选取设置低频磁弹信号中的幅值、频率、励磁波形等参数。其中，低频正弦波和高频脉冲调制波的频率比控制在20≤fH/fL≤10000，幅值比控制在50≤AH/AL≤1000，初相角差为
Figure BDA0001471448190000031
传感器内层线圈9进行接收后，交由上位机1软件，***在频域上对接收信号进行分解，分别得到导波缺陷检测和磁弹应力检测结果。
综上所述，本发明通过提供上述技术方案，简化钢索结构健康检测流程，提高缺陷检测和拉力测量效率。
附图说明
图1a为检测装置模块示意图。
图1b为检测装置整体示意图。
图2激励信号时域示意图。
图3接收信号时域示意图。
图4所提取的导波检测信号。
图5所提取的霍尔元件和磁弹检测信号。
图6不同拉力时的磁弹检测的椭圆型图案。
图7拉力与特征幅值的关系。
图中：1-上位机 2-主控板卡 3-信号发生源 4-信号采集电路 5-宽频功率放大电路 6-程控增益电路 7-磁声一体化检测传感器 8-传感器外层线圈 9-传感器内层线圈10-霍尔传感器 11-温度传感器 12-外加磁铁 13-外加扼铁 14-被测钢索。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步的详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，包括上位机1、主控板卡2、信号发生源3、信号采集电路4、宽频带功率放大器5和磁声一体化检测传感器7。如图1a-1b所示，上位机1与主控板卡2相连，主控板卡2分别控制信号发生源3和信号采集电路4。信号发生源3的输出端与宽频功率放大电路5输入端相连，所输出的功率信号传导到磁声一体化检测传感器7的外层线圈8，对被测钢索14进行磁化。传感器7中内层线圈9、霍尔传感器10的输出信号传输至程控增益电路6，放大后与温度传感器11的输出信号由信号传输线传输给信号采集电路4，最终提供给上位机1进行分析处理。
如图3所示，外径为D的被测钢索14从传感器中心穿过，功率信号由平行于被测钢索14的传感器外层线圈8形成励磁磁场，传感器外层线圈8应长于内层线圈9，保证在磁弹应力检测时可在内层线圈9检测范围内形成均匀的励磁磁场。一体检测信号中的高频脉冲调制波在被测钢索14形成导波传播，由内层线圈9接收磁致伸缩导波的回波信号；低频正弦波进行磁弹检测，内层线圈9同时接收感应磁场的变化。温度传感器11处于传感器内部，测量被测钢索14表面温度，霍尔传感器10处于传感器中心位置，其敏感方向沿钢索长度方向，测量钢索表面切向磁场强度。磁声一体化检测传感器7的所有信号线由同轴电缆与外部接口相连，传输至信号采集电路4。
磁声复用一体化激励信号如图2所示。对被测钢索14实施检测时，可根据被测对象的不同对检测信号参数进行选择设置。磁声复用一体化激励信号同时包含了高频脉冲调制波和低频正弦波两种激发信号成分。其中，高频脉冲调制波幅值为AH，频率fH取值范围为10kHz-1MHz，初相角
Figure BDA0001471448190000043
可设置频率、周期数、加窗形式等参数；低频正弦波幅值为AL，频率fL取值范围为DC-500Hz，初相角
Figure BDA0001471448190000042
可设置幅值、频率、励磁波形等参数。高低频信号之间频率比控制在20≤fH/fL≤10000，幅值比控制在50≤AH/AL≤1000，初相角差为
Figure BDA0001471448190000041
传感器7所获得的接收信号如图3所示。采用低通滤波器对接收信号进行处理，提取导波检测信号，其检测结果如图4所示；采用高通滤波器对接收信号进行处理，提取磁弹检测信号，其检测结果如图5所示。由霍尔传感器10所得的切向磁场信息和传感器内层线圈9所得的感应电压信号组成被测钢索14的局部磁滞回线，如图6所示。在不同的拉力下，被测钢索14的局部磁滞回线产生一定的变化，取局部磁滞回线中对拉力变化的灵敏点，得到特征值与被测钢索14拉力的关系结果，如图7所示。温度传感器10提供温度状态，对不同温度下的检测结果进行校正。

Claims (5)

1.一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，其特征在于：包括上位机（1）、主控板卡（2）、信号发生源（3）、信号采集电路（4）、宽频功率放大电路（5）和磁声一体化检测传感器（7）；上位机（1）中的软件确定励磁信号的各项参数，并将参数传至主控板卡（2），主控板卡（2）控制信号发生源（3）与信号采集电路（4）；信号发生源（3）将所设定的励磁信号传输给宽频功率放大电路（5），由宽频功率放大电路（5）向磁声一体化检测传感器（7）提供大功率励磁信号，磁声一体化检测传感器（7）安装在被测钢索（14）上，其静态偏置磁路、励磁线圈提供的高、低频同步动态励磁场和霍尔传感器（10）测量方向均沿钢索长度方向；磁声一体化检测传感器（7）和霍尔传感器（10）输出至程控增益电路（6），信号经放大后与温度传感器（11）的信号传递至信号采集电路（4），信号采集电路（4）与主控板卡（2）实现数据交换，最终将所有数据交由上位机（1）软件***，综合分析处理后进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，其特征在于：宽频功率放大电路（5）的频带范围为检测仪器的工作范围，磁声一体化检测传感器（7）的高频导波频率f H和低频磁弹频率f L应在宽频功率放大电路（5）的工作频带之内；宽频功率放大电路（5）在高频导波和低频磁弹两个中心工作频率保持信号波形、相位无失真；f H取值范围10kHz-1MHz，f L取值范围0-500Hz。
3.根据权利要求1所述的一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，其特征在于：磁声一体化检测传感器（7）能同时进行导波和磁弹两种不同的检测模式：一体化检测信号中的高频成分经功放放大后进入磁声一体化检测传感器（7），此时进行导波检测，导波激励信号由传感器外层线圈（8）激励，使被测钢索（14）中形成纵向模态的导波信号，导波信号在经过传播后遇到端面或缺陷形成回波信号，由传感器内层线圈（9）接收，形成自激自收的检测模式，内层线圈（9）上的信号经信号采集电路（4）采集后通过主控板卡（2）传输至上位机（1）分析***；一体化检测信号中的低频成分经功放放大后进入传感器，此时传感器进行磁弹检测，磁弹励磁信号由传感器外层线圈（8）励磁，使被测钢索（14）中形成周期变化的励磁磁场，励磁磁场对被测钢索（14）进行磁化，由传感器内层线圈（9）接收磁感应强度的变化，同时由霍尔传感器（10）和温度传感器（11）检测环境参量的变化，经信号采集电路（4）采集后通过主控板卡（2）输出至上位机（1）分析***综合处理。
4.根据权利要求3所述的一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，其特征在于：一体化检测信号包含高频和低频两种不同频率的成分；一体化检测信号输出至传感器外层线圈（8）后，其高频脉冲调制波频率f H范围为10kHz-1MHz，应用于导波缺陷检测，选取设置高频导波信号中的频率、周期数、加窗形式参数，在被测钢索（14）中形成相应的磁致伸缩导波；其低频正弦波频率f L范围为0-500Hz，应用于磁弹应力检测，在选取设置低频磁弹信号中的幅值、频率、励磁波形参数；其中，低频正弦波和高频脉冲调制波的频率比控制在20≤f H/f L≤10000，幅值比控制在50≤AH/AL≤1000，初相角差为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
≤φ L -φ H ≤
Figure 421056DEST_PATH_IMAGE002
；传感器内层线圈（9）进行接收后，交由上位机（1）软件，***在频域上对接收信号进行分解，分别得到导波缺陷检测和磁弹应力检测结果。
5.根据权利要求1所述的一种磁声复用的钢索缺陷与应力一体化检测装置，其特征在于：外径为D的被测钢索（14）从传感器中心穿过，功率信号由平行于被测钢索（14）的传感器外层线圈（8）形成励磁磁场，传感器外层线圈（8）应长于内层线圈（9），保证在磁弹应力检测时可在内层线圈（9）检测范围内形成均匀的励磁磁场；一体检测信号中的高频脉冲调制波在被测钢索（14）形成导波传播，由内层线圈（9）接收磁致伸缩导波的回波信号；低频正弦波进行磁弹检测，内层线圈（9）同时接收感应磁场的变化；温度传感器（11）处于传感器内部，测量被测钢索（14）表面温度，霍尔传感器（10）处于传感器中心位置，其敏感方向沿钢索长度方向，测量钢索表面切向磁场强度；磁声一体化检测传感器（7）的所有信号线由同轴电缆与外部接口相连，传输至信号采集电路（4）。
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