CN110161118B - 一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，涉及结构无损检测技术、超声检测技术领域。本发明是为了解决现有的检测方式不能做到对桥面无损的情况下检测桥面板中某些类型的裂纹，并且检测范围有限的问题。采用一个超声换能器既作为发射端又作为接收端在待检测钢板长度方向上进行移动检测，或者采用两个超声换能器分别作为发射端和接收端移动式检测U型肋和待检测钢板连接缝隙的缝隙长度上是否有裂纹，接收端能够采集到移动到不同位置时的超声导波信号，根据每个超声导波信号的时域特征，获得相邻两个时域特征间的相关系数；根据步骤三获得的相关系数曲线，获得U型肋内部裂纹长度，完成对裂纹的检测。它用于U型肋和待检测钢板连接处的不可见裂纹。

Description

一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法。属于结构无损检测技术、超声检测技术领域。
背景技术
正交异性钢桥面板因其力学特性、使用性能和经济性等方面的突出优点，在国内外各类型桥梁工程中得到广泛应用。但由于正交异性钢桥面板构造复杂，构件之间连接和焊接部位较多，近年来，在不断增加的交通流量和超载车辆作用下、以及结构本身缺陷、焊接残余应力等因素作用下，钢桥面板极易出现疲劳裂纹。正交异性钢桥面板的疲劳裂纹具有隐蔽性和分散性的特点，但其一旦出现则发展很快，对桥梁服役安全造成严重威胁，并极大地降低桥梁的服役寿命。
正交异性钢桥面板中的疲劳裂纹主要根据其位置分类，以当前最常用的闭口U型加劲肋为例。图2给出了主要部位位置，1为U型肋，2为待检测钢板，3为横隔板，4为U型肋和待检测钢板间焊缝中的疲劳裂纹。疲劳裂纹主要出现在U肋与钢板连接处、U肋与横隔板连接处、U肋对接焊缝处、U肋过焊孔处U肋裂纹、横隔板与钢板连接处等部位。目前对上述绝大部***纹属于可见裂纹，其现场检测方法为外观目视检查法，即在钢箱梁内部通过人工查看、标注、编号、拍照等方式记录裂纹位置和特征。另外，也有部分学者根据研究需要使用疲劳应变传感器监测少数裂纹的动态发展情况，只是针对目视发现的裂纹采集数据用于研究用途，无法用于检测目视未发现的裂纹。
在上述裂纹中，还有一类裂纹位置特殊，处于U肋与钢板连接处且位于闭口U肋内部，其沿U肋方向扩展，外观目视法无法检测到，属于不可见裂纹。如图2中4所示。目前实际工程中常用的检测方法是在钢箱梁外部，即桥面上，将桥面铺装层打开，露出钢板(即钢板)的平坦顶面，然后使用超声波衍射时差法设备(即TOFD超声波探伤仪)对钢板沿U肋与钢板的焊缝走向进行长距离扫查。该方法需要封锁交通、破坏整个车道的铺装层进行检测，严格地说不属于无损检测，并耗费大量人力、物力和财力。另外，也可采用超声相控阵检测，但超声相控阵存在扫描范围太小，存在扫描盲区等不足之处。除此之外，目前对正交异性钢桥面板钢板部位的不可见裂缝尚无有效检测手段。
发明内容
本发明是为了解决现有的检测方式不能做到对桥面无损的情况下检测桥面板中某些类型的裂纹，并且检测范围有限的问题。现提供一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法。
一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将一号超声换能器6放置在待检测钢板2底部且位于U型肋1一侧，对一号超声换能器6施加电压信号，该电压信号在待检测钢板2中激发超声导波信号，采用该一号超声换能器6或者采用二号超声换能器7采集超声导波信号，且二号超声换能器7放置在待检测钢板2底部且位于U型肋1另一侧或者放置在U型肋1侧壁上或者与一号超声换能器6同侧；
步骤二、在待检测钢板2底部且沿待检测钢板2长度方向设置多个采集点，一号超声换能器6沿着所述的长度方向依次到达各个采集点或者同时使一号超声换能器6和二号超声换能器7沿着U型肋1长度方向保持等间距移动，按照步骤一的方式再次施加电压并采集超声导波信号，从而得到一号超声换能器6作为采集端或者二号超声换能器7作为采集端移动到不同位置时采集到超声导波信号；
步骤三、根据每个超声导波信号的时域特征，获得相邻两个时域特征间的相关系数；
步骤四、根据步骤三获得的相关系数曲线，获得钢板2与U型肋1间焊缝根部不可见疲劳裂纹长度，完成对裂纹的检测。
优选地，采用信号发生装置对超声换能器9施加电压信号。
优选地，超声换能器9和另一个超声换能器10均采用窄带谐振式换能器实现。
优选地，电压信号的波形为：
Figure GDA0003306384320000021
式中，t为时间，V(t)为随时间变化的电压波形，A为电压脉冲最大幅值，H(t)为单位阶跃函数，n为波形所包含周期数，fc为窄带波形的中心频率。
优选地，获得相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数为：
Figure GDA0003306384320000022
式中，
Figure GDA0003306384320000023
与
Figure GDA0003306384320000024
分别表示第i条路径和第i+1条路径的超声导波信号的时域特征曲线，
Figure GDA0003306384320000025
表示信号曲线
Figure GDA0003306384320000026
与
Figure GDA0003306384320000027
间的相关系数，
Figure GDA0003306384320000028
表示信号特征曲线
Figure GDA0003306384320000029
与
Figure GDA00033063843200000210
间的协方差，
Figure GDA00033063843200000211
和
Figure GDA00033063843200000212
分别表示信号特征曲线
Figure GDA00033063843200000213
与
Figure GDA00033063843200000214
各自的方差。
优选地，步骤四中，根据步骤三获得的相关系数，获得钢板2与U型肋1间焊缝根部不可见疲劳裂纹长度的具体内容为：
根据一号超声换能器6的依次移动或者一号超声换能器6和二号超声换能器7的同时移动，测量到了多个超声导波信号，根据相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数获得连续移动位置上所有的相关系数，如果某个相关系数出现突然下降点，则这些下降点分别对应疲劳裂纹的起止点，从而测量出裂纹长度，实现对钢板2与U型肋1间焊缝根部不可见疲劳裂纹的检测与定位。
本发明的有益效果为：
本申请提出的基于超声导波原理的钢板疲劳裂纹检测方法与目前已存在的超声检测方法相比，充分利用了超声导波可在钢板中大范围传播的特性，在钢箱梁内部，离焊缝一定距离布设超声导波换能器，可实现与传统超声方法相比具有更大的检测范围，避免检测盲区(如图2中沿U肋的焊缝与横隔板相交的位置)。通过超声导波换能器进行移动式检测，根据每两个相邻位置所提取的两条超声导波信号的时域特征获得相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数，根据连续位置得到的多个相关系数，获得U型肋内部裂纹长度，完成长距离大范围的钢板疲劳裂纹检测。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的流程图；
图2为现有的闭口U型加劲肋正交异性钢桥面板结构图；
图3为两个超声换能器设置在钢桥面板底部的结构示意图；
图4为一个超声换能器设置在钢桥面板底部，另一个设置在U肋上的结构示意图；
图5为实施例1的结构示意图；
图6为实施例1的相关系数分析曲线图；
图7为实施例2的结构示意图；
图8为实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图3为一个典型的带有U型肋的钢板，7为钢板上的沥青混凝土铺装层，即路面，此位置无法使用超声法进行裂纹检测，4为钢板上可能存在的裂纹，如果在U肋内部，则无法通过可视方法检测。因此，现有的检测方式不能做到对桥面无损的情况下检测裂缝，并且检测范围有限。针对上述技术缺陷，本发明提出一种基于超声导波原理的带U肋钢板中疲劳裂纹的识别方法，尤其适用于正交异性钢桥面板中与U肋相连接的钢板上不可见裂纹的检测。
实施例1：
图4和图5显示了实施例1中一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的原理示意图。该基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法用于在不损坏钢板铺装层的情况下，准确地检测钢板内部裂纹及裂纹长度。
参照图4和图5，本实施例一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法包括以下步骤：
步骤一、将一号超声换能器6和二号超声换能器7分别置于待检测钢板2下且分别位于U型肋的两侧或者将一号超声换能器6放置U型肋一侧的待检测钢板下，将二号超声换能器7放置在U型肋上，当一号超声换能器6和二号超声换能器7分别置于待检测钢板2下且分别位于U型肋的两侧时，二号超声换能器7距离U型肋的距离根据实际U型肋的间距确定，一号超声换能器6为移动式超声换能器，通过耦合剂与钢板直接接触并在钢板中激发超声导波，使用两芯屏蔽信号线将一号超声换能器6与信号发生装置8相连接；信号发生装置可以是信号发生器，也可以是具有模拟输出功能的数据板卡或模块；
步骤二、信号发生装置将公式1所表示的窄带电压信号施加于一号超声换能器6上，与此同时，一号超声换能器6激发超声导波在钢板全截面中传播，携带传播路径中损伤信息的超声导波经钢板传播至二号超声换能器7，与其连接的数据采集装置9将接收到的超声导波信号保存并实时分析或用于后续离线分析；
步骤三、测量待检测钢板2的长度为80厘米，所以，每隔2厘米移动一次一号超声换能器6和二号超声换能器7，且一号超声换能器6沿着待检测钢板2移动，二号超声换能器7沿着U型肋长度方向移动或者在待检测钢板2另一侧长度方向移动，移动后按照步骤二进行施加电压和采集导波信号，一号超声换能器6和二号超声换能器7各移动了40个位置点，所以，二号超声换能器7共测量40个位置点的导波信号且采集40个测点，
步骤四、通过二号超声换能器7采集得到超声导波信号后，计算导波信号的包络线，然后用于相关系数分析；
步骤五、图6为实施例1的相关系数分析结果，从图中可以看出，在测点13的位置，相关系数变小，此后，相关系数变大；在测点32的位置，相关系数再次变小；该结果说明测点13至测点32之间存在疲劳裂纹，长度大约为38厘米。该结果与实际疲劳裂纹位置一致，验证了本方法的有效性。
下面来说明本实施例一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的工作原理。
为了准确测量出是否有裂纹及裂纹的长度，本实施例先通过测量待检测钢板的长度为80厘米，在该长度上每间隔2厘米设置一个采集点，使一号超声换能器沿着待检测钢板的长度每到达一个采集点激发一次超声波信号，而一号超声换能器每移动到一个采集点，二号超声换能器也移动到另一个位置，一号超声换能器和二号超声换能器保持等间距同时移动，所以，一号超声换能器激发一次超声波信号，二号超声换能器采集一次超声导波信号，二号超声换能器根据每两个相邻位置所采集到的两条超声导波信号的时域特征获得相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数；根据连续移动位置得到多个连续的相关系数，获得U型肋内部裂纹长度，完成对裂纹的检测。本实施例与传统超声方法相比具有更大的检测范围，避免检测盲区。
在本发明一优选的实施例中，信号发生装置可以选用窄带谐振式换能器、非窄带谐振式换能器或者其他能够输出窄带波形的设备，其谐振频率与上述窄带波形中心频率相匹配，发出的窄带电压信号为窄频带脉冲信号，该信号有助于减少导波频散效应所导致的导波信号波形畸变。
在本发明一优选的实施例中，电压信号的波形为：
Figure GDA0003306384320000051
式中，t为时间，V(t)为随时间变化的电压波形，A为电压脉冲最大幅值，H(t)为单位阶跃函数，n为波形所包含周期数，fc为窄带波形的中心频率。该频率主要以相应的导波波长与裂缝尺寸相匹配为原则选取。对于实际工程中的钢板，该频率大约在30kHz至200kHz之间。
在此优选实施例中，公式1表示的电压波形是其中一种频域上的窄带波形，也可以采用其他公式表示其他频域上的窄带波形。在本发明一优选的实施例中，提取不同位置采集到的超声导波信号的某时域特征，如包络线等，然后依次求得相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数，相关系数的计算方法为：
Figure GDA0003306384320000052
式中，
Figure GDA0003306384320000053
与
Figure GDA0003306384320000054
分别表示第i条路径和第i+1条路径的超声导波信号的时域特征曲线，
Figure GDA0003306384320000055
表示信号曲线
Figure GDA0003306384320000056
与
Figure GDA0003306384320000057
间的相关系数，
Figure GDA0003306384320000058
表示信号特征曲线
Figure GDA0003306384320000059
与
Figure GDA00033063843200000510
间的协方差，
Figure GDA00033063843200000511
和
Figure GDA00033063843200000512
分别表示信号特征曲线
Figure GDA00033063843200000513
与
Figure GDA00033063843200000514
各自的方差。
在某两次测试时，由于两条相邻路径的距离较近，在无疲劳裂纹情况下或两条路径均经过疲劳裂纹时，两条路径的差异性较小，因此，此时
Figure GDA00033063843200000515
与
Figure GDA00033063843200000516
间的相关系数
Figure GDA00033063843200000517
较大。而当其中一条路径经过疲劳裂纹而另一条路径未经过疲劳裂纹时，此时
Figure GDA0003306384320000061
与
Figure GDA0003306384320000062
间的相关系数
Figure GDA0003306384320000063
会较前一种情况有明显的减小。根据上述原理，将所计算的相关系数依次排列，如果相关系数均较高，说明该检测段钢板与U型肋间焊缝无疲劳裂纹，如果相关系数出现突然下降点，则这些突变点分别对应疲劳裂纹的起止点，从而实现对检测段钢板与U型肋间焊缝根部不可见疲劳裂纹的检测与定位。
实施例2：
图7显示了实施例2中一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的原理示意图。该基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法用于在不损坏钢板铺装层的情况下，准确地检测钢板内部裂纹及裂纹长度。
参照图7，本实施例一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法包括以下内容：
将一号超声换能器6置于待检测钢板下U型肋的一侧，一号超声换能器6距离U型肋的距离根据实际U型肋的间距确定，一号超声换能器6为移动式超声换能器，通过耦合剂与钢板直接接触，与一号超声换能器6相连接的是超声信号激励-接收模块10，该模块可实现Pulse-Echo，即脉冲-回波的超声检测模式。该模块首先将电压信号施加于一号超声换能器6，此时一号超声换能器6作为驱动器工作。随后短时间内切换为数据采集模式。此时，一号超声换能器6作为传感器工作，接收来自钢板内疲劳裂纹、焊缝等处的超声导波反射波；接收到的超声导波信号保存并实时分析或用于后续离线分析。本实施例中，亦可使用扫查器携带一号超声换能器6和激励-接收模块10进行连续多点检测(在图7中为垂直于屏幕方向移动)，提高工作效率。
下面来说明本实施例一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的工作原理。
本申请采用一号超声换能器6作为发送及接收信号的装置，使用扫查器携带一号超声换能器6进行连续多点检测，将各点检测的信号进行处理，最终检测出裂纹及裂纹长度。本实施例与传统超声方法相比具有更大的检测范围，避免检测盲区。
在本发明一优选的实施例中，信号发生装置可以选用窄带谐振式换能器、非窄带谐振式换能器或者其他能够输出窄带波形的设备，其谐振频率与上述窄带波形中心频率相匹配，发出的窄带电压信号为窄频带脉冲信号，该信号有助于减少导波频散效应所导致的导波信号波形畸变。
在本发明一优选的实施例中，电压信号的波形为：
Figure GDA0003306384320000064
式中，t为时间，V(t)为随时间变化的电压波形，A为电压脉冲最大幅值，H(t)为单位阶跃函数，n为波形所包含周期数，fc为窄带波形的中心频率。该频率主要以相应的导波波长与裂缝尺寸相匹配为原则选取。对于实际工程中的钢板，该频率大约在30kHz至200kHz之间。
在此优选实施例中，公式1表示的电压波形是其中一种频域上的窄带波形，也可以采用其他公式表示其他频域上的窄带波形。在本发明一优选的实施例中，提取不同位置采集到的超声导波信号的某时域特征，如包络线等，然后依次求得相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数，相关系数的计算方法为：
Figure GDA0003306384320000071
式中，
Figure GDA0003306384320000072
与
Figure GDA0003306384320000073
分别表示第i条路径和第i+1条路径的超声导波信号的时域特征曲线，
Figure GDA0003306384320000074
表示信号曲线
Figure GDA0003306384320000075
与
Figure GDA0003306384320000076
间的相关系数，
Figure GDA0003306384320000077
表示信号特征曲线
Figure GDA0003306384320000078
与
Figure GDA0003306384320000079
间的协方差，
Figure GDA00033063843200000710
和
Figure GDA00033063843200000711
分别表示信号特征曲线
Figure GDA00033063843200000712
与
Figure GDA00033063843200000713
各自的方差。
在某两次测试时，由于两条相邻路径的距离较近，在无疲劳裂纹情况下或两条路径均经过疲劳裂纹时，两条路径的差异性较小，因此，此时
Figure GDA00033063843200000714
与
Figure GDA00033063843200000715
间的相关系数
Figure GDA00033063843200000716
较大。而当其中一条路径经过疲劳裂纹而另一条路径未经过疲劳裂纹时，此时
Figure GDA00033063843200000717
与
Figure GDA00033063843200000718
间的相关系数
Figure GDA00033063843200000719
会较前一种情况有明显的减小。根据上述原理，将所计算的相关系数依次排列，如果相关系数均较高，说明该检测段钢板与U型肋间焊缝无疲劳裂纹，如果相关系数出现突然下降点，则这些突变点分别对应疲劳裂纹的起止点，从而实现对检测段钢板与U型肋间焊缝根部不可见疲劳裂纹的检测与定位。
实施例3：
图8显示了实施例3中一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的原理示意图。该基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法用于在不损坏钢板铺装层的情况下，准确地检测钢板内部裂纹及裂纹长度。
参照图8，本实施例一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法包括以下内容：
将一号超声换能器6和超声换能器7放置在待检测钢板2底部且一号超声换能器6和超声换能器7均位于在U型肋的同一侧，一号超声换能器6和超声换能器7均为移动式超声换能器，一号超声换能器6和超声换能器7始终保持相同距离一同沿着待检测钢板2的长度方向移动，一号超声换能器6和超声换能器7每移动到一个位置，由一号超声换能器6激发超声导波信号，由二号超声换能器7接收超声导波信号，如果在一号超声换能器6和超声换能器7之间的U型肋与待检测钢板的连接缝隙中存在裂纹，则一号超声换能器6发出的超声导波会传播至该裂纹处，在由裂纹反射给二号超声换能器7，此时，二号超声换能器7接收到的信号与没有裂纹的信号不同；采用一号超声换能器6和超声换能器7移动采集完整个待检测钢板(2)的长度，根据采集到的信号分析出U型肋与待检测钢板的连接缝隙处是否有裂缝及该裂缝的长度。
下面来说明本实施例一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法的工作原理。
本申请采用一号超声换能器6和二号超声换能器7从待检测钢板2的一端，沿着U型肋长度方向移动到待检测钢板2的另一端，对整个U型肋与待检测钢板连接缝的长度进行检测，根据检测到的信号判断该缝隙处是否有裂纹以及得出裂纹长度。本实施例与传统超声方法相比具有更大的检测范围，避免检测盲区。

Claims (5)

1.一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将一号超声换能器(6)放置在待检测钢板(2)底部且位于U型肋(1)一侧，对一号超声换能器(6)施加电压信号，该电压信号在待检测钢板(2)中激发超声导波信号，采用该一号超声换能器(6)或者采用二号超声换能器(7)采集超声导波信号，且二号超声换能器(7)放置在待检测钢板(2)底部且位于U型肋(1)另一侧或者放置在U型肋(1)侧壁上或者与一号超声换能器(6)同侧；
步骤二、在待检测钢板(2)底部且沿U型肋(1)长度方向设置多个采集点，一号超声换能器(6)沿着所述的长度方向依次到达各个采集点或者同时使一号超声换能器(6)和二号超声换能器(7)沿着U型肋(1)长度方向保持等间距移动，按照步骤一的方式再次施加电压并采集超声导波信号，从而得到一号超声换能器(6)作为采集端或者二号超声换能器(7)作为采集端移动到不同位置时采集到超声导波信号；
步骤三、根据每个超声导波信号的时域特征，获得相邻两个时域特征间的相关系数；
步骤四、根据步骤三获得的相关系数曲线，获得钢板(2)与U型肋(1)间焊缝根部不可见疲劳裂纹长度，完成对裂纹的检测；
获得相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数为：
Figure FDA0003306384310000011
式中，
Figure FDA0003306384310000012
与
Figure FDA0003306384310000013
分别表示第i条路径和第i+1条路径的超声导波信号的时域特征曲线，
Figure FDA0003306384310000014
表示信号曲线
Figure FDA0003306384310000015
与
Figure FDA0003306384310000016
间的相关系数，
Figure FDA0003306384310000017
表示信号特征曲线
Figure FDA0003306384310000018
与
Figure FDA0003306384310000019
间的协方差，
Figure FDA00033063843100000110
和
Figure FDA00033063843100000111
分别表示信号特征曲线
Figure FDA00033063843100000112
与
Figure FDA00033063843100000113
各自的方差；
步骤四中，根据步骤三获得的相关系数，获得钢板(2)与U型肋(1)间焊缝根部不可见疲劳裂纹长度的具体内容为：
根据一号超声换能器(6)的依次移动或者一号超声换能器(6)和二号超声换能器(7)的同时移动，测量到了多个超声导波信号，根据相邻两条超声导波信号时域特征间的相关系数获得连续移动位置上所有的相关系数，如果某个相关系数出现突然下降点，则这些下降点分别对应疲劳裂纹的起止点，从而测量出裂纹长度，实现对钢板(2)与U型肋(1)间焊缝根部不可见疲劳裂纹的检测与定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，其特征在于，采用信号发生装置对超声换能器(6)施加电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，其特征在于，一号超声换能器(6)和二号超声换能器(7)均采用窄带谐振式换能器实现。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，其特征在于，电压信号的波形为：
Figure FDA0003306384310000021
式中，t为时间，V(t)为随时间变化的电压波形，A为电压脉冲最大幅值，H(t)为单位阶跃函数，n为波形所包含周期数，fc为窄带波形的中心频率。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声导波原理的钢板裂纹检测方法，其特征在于，多个采集点的间隔距离均相等。
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