一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统

摘要

一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统，涉及无损检测与超声检测技术领域。本发明是为了解决现有正交异性钢桥面的检测时，难以在无损的情况下实现正交异性钢桥面板全面检测的问题。本发明所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统，在不损害待检测结构的情况下，通过支架在待测板面下自由行走，带动换能器检测任一位置，从而达到全面检测的目的。本发明可实现对目前目视难以检测的区域的疲劳裂纹无损、自动、准确、高效、定量的检出，为后续修复加固提供必要信息。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测与超声检测技术领域，尤其涉及对正交异性钢桥面板的顶板疲劳裂纹进行检测。

背景技术

正交异性钢桥面板因其优异的力学特性、使用性能和经济性等优势，在国内外各类型桥梁工程中的应用日益广泛。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，正交异性钢桥面板疲劳问题突出，疲劳开裂问题频发。正交异性钢桥面板的疲劳裂纹具有普遍性、隐蔽性和分散性等特点，疲劳裂纹出现后若不及时处理，则会迅速扩展，发展成为大尺寸裂缝，对桥梁服役安全造成严重威胁，严重情况下可能会引发不可预测的突发性桥面坍塌等事故。国内外桥梁检测统计表明，早至通车5年即在钢桥面板中发现疲劳裂纹，我国的多座钢桥在运营10年左右即出现较严重的正交异性桥面板疲劳病害。对正交异性钢桥面板疲劳裂纹及早进行高效准确检测并进一步加固维修，对于保证桥梁运营安全和服役寿命均具有极其重要的意义。

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1给出了正交异性钢桥面板的主要部位结构。疲劳裂纹主要出现在U型肋与顶板连接处、U型肋与横隔板连接处、U型肋对接焊缝处、U型肋过焊孔处U型肋裂纹、横隔板与顶板连接处等部位。上述绝大部分裂纹属于可见裂纹，目前现场检测常用外观目视检查法，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。但目视检查法对闭口U型肋内部裂纹无法发现，如图2中标记的疲劳裂纹。对该类型疲劳裂纹，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(即顶板)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肋与顶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，不属于无损检测，并耗费大量人力、物力和财力。另外，对该类型疲劳裂纹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、有扫描盲区、检测过程繁琐且效率极低等不足之处。除此之外，目前对正交异性钢桥面板顶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正交异性钢桥面的检测时，难以在无损的情况下实现正交异性钢桥面板全面检测的问题，现提供一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统。

一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统，包括检测部分和控制部分，所述检测部分包括：支架和换能器单元，所述控制部分包括：信号收发单元、控制单元和信号处理单元；

支架用于搭载换能器单元、并通过磁力轮组吸附在待测钢箱梁顶板9的底部，使得换能器单元能够靠近或紧贴于待测钢箱梁顶板9的底部、还能够带动换能器单元沿钢箱梁U型肋10的长度方向移动，换能器单元包括至少一个换能器51，换能器51用于在待测钢箱梁顶板9中激发超声导波信号、还用于在不同位置点处接收待测钢箱梁顶板9中传播的导波信号；

信号收发单元包括：

波形发生模块：用于产生窄带电压信号、并将该信号施加在换能器51上、使其在待测钢箱梁顶板9中激发形成超声导波信号，

数据采集模块：用于实时采集换能器51接收到的导波信号、并将导波信号发送至信号处理单元，

通道切换模块：用于当换能器51的数量为1时、在换能器51更新位置点之后将换能器51由接收导波信号状态切换至激发超声导波信号状态、并在换能器51激发完超声导波信号之后将换能器51由激发超声导波信号状态切换至接收导波信号状态；

控制单元包括：

驱动模块：用于驱动磁力轮组中驱动电机的正反转和停止；

信号处理单元：用于利用连续位置点处导波信号获得裂纹位置、裂纹长度和裂纹深度。

进一步的，所述支架包括框架1和至少一个换能器连接杆5，换能器连接杆5与换能器51的数量相同；

框架1上设有镜像对称的两组杆组，每组杆组包括k个相互平行、且沿一条直线排布的轮组连接杆，k为正整数，每个轮组连接杆的自由端均设有一个磁力轮组，换能器连接杆5固定在框架1上、且与轮组连接杆相互平行，每个轮组连接杆的自由端均套接一个刚性限位件4，刚性限位件4能够沿轮组连接杆长度方向移动、且能够通过锁定装置锁定在轮组连接杆上，分别位于两个杆组中相对两个轮组连接杆上的两个刚性限位件4镜像对称，该两个刚性限位件4用于夹持在钢箱梁U型肋10的两侧，每个换能器连接杆5的自由端均设有一个夹持件52，夹持件52用于夹持换能器51。

进一步的，k＝2，所述框架1包括至少一个连接梁12和两个U形架11，两个U形架11镜像对称设置、且所在平面相互平行，两个U形架11通过连接梁12相互固定连接，换能器连接杆5固定在连接梁12上，U形架11的自由端所在杆作为轮组连接杆。

进一步的，刚性限位件4包括两根刚性杆41、主梁42和限位套环44，两根刚性杆41镜像对称的固定在主梁42的两端，限位套环44固定在主梁42的中点处，两根刚性杆41与限位套环44分别位于主梁42的两侧、且共面，该面作为刚性限位件4所在平面，

两根刚性杆41的自由端分别设有一个滑轮43，滑轮43的主轴与刚性限位件4所在平面垂直，

限位套环44用于套接在轮组连接杆上、使得刚性限位件4所在平面与轮组连接杆垂直。

进一步的，锁定装置为紧固螺栓45，紧固螺栓45与限位套环44螺纹连接、且与刚性杆41同向设置，紧固螺栓45的长度大于限位套环44的环壁厚度。

进一步的，换能器连接杆5为可伸缩液压杆。

进一步的，所述检测部分还包括防坠单元，所述防坠单元包括：防坠磁力座6、安全绳7和安全绳挂钩8；

防坠磁力座6用于吸附在待测钢箱梁顶板9的底部，防坠磁力座6通过安全绳7与安全绳挂钩8相连，安全绳挂钩8能够与支架挂接。

进一步的，k＝1时，磁力轮组为主动磁力轮组2，

k>1时，磁力轮组具有两种类型，一种类型为主动磁力轮组2，另一种类型为从动磁力轮组3，

磁力轮组中驱动电机位于主动磁力轮组2中，用于驱动主动磁力轮组2中的滚轮旋转，进而带动支架运动。

进一步的，信号处理单元具体包括以下模块：

相关系数求解模块：用于求解连续位置点处导波信号的相关系数，

裂纹信息求解模块：用于在所有的相关系数中、提取相邻的两个突变的相关系数所对应的位置点、两个位置点之间部分即为裂纹位置、且两个位置点之间的距离即为裂纹长度、将两个位置点之间区域对应的所有导波信号输入至裂纹深度识别模型中预测裂纹深度。

进一步的，裂纹信息求解模块中，

首先，采集不同裂纹的导波信号以及对应的裂纹深度，构成裂纹深度数据库，

然后，利用裂纹深度数据库训练裂纹深度识别基础模型，获得训练后的裂纹深度识别模型。

进一步的，信号处理单元还包括模型更新模块，该模块用于将裂纹信息求解模块中获得的裂纹深度与其对应的导波信号存入裂纹深度数据库中。

进一步的，控制部分固定在位于支架上。

本发明与现有技术相比存在以下优势：

本发明所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统，在不损害待检测结构的情况下，通过支架在待测板面下自由行走，带动换能器检测任一位置，从而达到全面检测的目的。本发明在现有硬件基础上通过更新信号处理与裂纹识别算法，实现更准确地疲劳裂纹识别；本发明可实现对目前目视难以检测的区域的疲劳裂纹无损、自动、准确、高效、定量的检出，为后续修复加固提供必要信息。

附图说明

图1为背景技术中记载的正交异性钢桥面板的结构示意图，A纵桥方向、B横桥方向、9钢箱梁顶板、10钢箱梁U型肋、11横隔板、12疲劳裂纹；

图2为典型闭口U型肋内疲劳裂纹位置示意图；

图3为本发明所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统的原理示意图；

图4为支架的结构示意图；

图5为图4中刚性限位轮的结构示意图；

图6为图4中传感器连接杆的结构示意图；

图7为本发明所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统设置在钢箱梁底部时的立体结构示意图；

图8为图7本发明所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统设置在钢箱梁底部时的端面示意图；

图9为防坠单元的结构示意图；

图10为信号处理单元的工作原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统，包括检测部分和控制部分，所述检测部分包括：支架和换能器单元，所述控制部分包括：信号收发单元、控制单元和信号处理单元。

支架用于搭载换能器单元、并通过磁力轮组吸附在待测钢箱梁顶板9的底部，使得换能器单元能够靠近或紧贴于待测钢箱梁顶板9的底部、还能够带动换能器单元沿钢箱梁U型肋10的长度方向移动，换能器单元包括至少一个换能器51，换能器51用于在待测钢箱梁顶板9中激发超声导波信号、还用于在不同位置点处接收待测钢箱梁顶板9中传播的导波信号。

信号收发单元包括：

波形发生模块：用于产生窄带电压信号、并将该信号施加在换能器51上、使其在待测钢箱梁顶板9中激发形成超声导波信号，

数据采集模块：用于实时采集换能器51接收到的导波信号、并将导波信号发送至信号处理单元，

通道切换模块：用于当换能器51的数量为1时、在换能器51更新位置点之后将换能器51由接收导波信号状态切换至激发超声导波信号状态、并在换能器51激发完超声导波信号之后将换能器51由激发超声导波信号状态切换至接收导波信号状态。

控制单元包括：

驱动模块：用于驱动磁力轮组中驱动电机的正反转和停止，

信号处理单元：用于利用连续位置点处导波信号获得裂纹位置、裂纹长度和裂纹深度。

实际应用时，信号处理单元能够采用很多种现有技术来对裂纹的信息进行求解，本实施方式给出一种求解方式如下：

信号处理单元具体包括以下模块：

相关系数求解模块：用于求解连续位置点处导波信号的相关系数，

裂纹信息求解模块：用于在所有的相关系数中、提取相邻的两个突变的相关系数所对应的位置点、两个位置点之间部分即为裂纹位置、且两个位置点之间的距离即为裂纹长度、将两个位置点之间区域对应的所有导波信号输入至裂纹深度识别模型中预测裂纹深度。

具体的，本实施方式中，支架用于携带换能器单元完成超声导波快速扫描任务。通过磁性轮吸附于待测钢箱梁顶板9底部。控制单元有两种控制方式，一种是利用人工向驱动模块输入控制信号的方式来直接控制驱动模块进行工作，控制信号包括正反转信号(控制支架前进后退)、转速信号(控制支架运动速度)、停止信号(控制支架停止运动)；另一种是根据信号收发单元反馈信号的状态来控制驱动模块进行工作。具体的，控制单元还包括：

控制切换模块：用于对自动控制和人工控制进行切换，具体的、当采集到上位机发送的控制信号时、进行人工控制、直接将控制信号发送至驱动模块，当控制单元启动且没有采集到上位机发送的冬至信号时、进行自动控制触发控驱模块工作，

控驱模块：将设定好的方向、步长、停顿时间和运动速度发送至驱动模块。

在相关系数求解模块中，具体采用导波相关系数算法求解连续位置点处导波信号的相关系数。通过依次对接收到的相邻的导波信号进行相关系数求解，获得连续移动位置点上所有的相关系数，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裂缝的起止点，从而可以得到裂缝的位置及长度信息。

根据以上功能单元的工作，即可实现支架在待测钢箱梁顶板9底部沿纵桥方向行走工作。在支架运动的同时，利用换能器单元进行信号的收发，将采集的导波信号发送至信号处理单元进行处理，最终即可获得待测钢箱梁顶板9上裂缝的信息。

本实施方式中，换能器单元用于在待测钢箱梁顶板9中激发超声导波信号。换能器可根据需要采用常规压电超声换能器、空气耦合超声换能器或电磁超声换能器(EMAT)等，其工作频率根据钢板具体几何物理参数确定。

当换能器51只有一个时，该换能器51自己实现信号的激励与接收。

具体实施方式二：参照图4、6、7和8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，所述支架包括框架1和至少一个换能器连接杆5，换能器连接杆5与换能器51的数量相同；

框架1上设有镜像对称的两组杆组，每组杆组包括k个相互平行、且沿一条直线排布的轮组连接杆，k为正整数，每个轮组连接杆的自由端均设有一个磁力轮组，换能器连接杆5固定在框架1上、且与轮组连接杆相互平行，每个轮组连接杆的自由端均套接一个刚性限位件4，刚性限位件4能够沿轮组连接杆长度方向移动、且能够通过锁定装置锁定在轮组连接杆上，分别位于两个杆组中相对两个轮组连接杆上的两个刚性限位件4镜像对称，该两个刚性限位件4用于夹持在钢箱梁U型肋10的两侧，每个换能器连接杆5的自由端均设有一个夹持件52，夹持件52用于夹持换能器51。夹持件52可根据换能器形状尺寸更换。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，当k＝2时，所述框架1包括至少一个连接梁12和两个U形架11，两个U形架11镜像对称设置、且所在平面相互平行，两个U形架11通过连接梁12相互固定连接，换能器连接杆5固定在连接梁12上，U形架11的自由端所在杆作为轮组连接杆。

具体实施方式四：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二或三所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，刚性限位件4包括两根刚性杆41、主梁42和限位套环44，两根刚性杆41镜像对称的固定在主梁42的两端，限位套环44固定在主梁42的中点处，两根刚性杆41与限位套环44分别位于主梁42的两侧、且共面，该面作为刚性限位件4所在平面，两根刚性杆41的自由端分别设有一个滑轮43，滑轮43的主轴与刚性限位件4所在平面垂直，限位套环44用于套接在轮组连接杆上、使得刚性限位件4所在平面与轮组连接杆垂直。

具体的，锁定装置为紧固螺栓45，紧固螺栓45与限位套环44螺纹连接、且与刚性杆41同向设置，紧固螺栓45的长度大于限位套环44的环壁厚度。

实际应用时，调节刚性限位件4的高度使得位于钢箱梁U型肋10两侧的刚性限位件4夹持住钢箱梁U型肋10，滑轮43紧贴钢箱梁U型肋10两侧壁，然后旋转紧固螺栓45使其向限位套环44内部伸长直紧压在轮组连接杆上，使得刚性限位件4的位置被锁定，最终达到将钢箱梁U型肋10夹紧的目的。同时采用滑轮43接触，当支架运行时，能够降低滑轮43与钢箱梁U型肋10之间的摩擦力。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二、三或四所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，

k＝1时，磁力轮组为主动磁力轮组2；

k>1时，磁力轮组具有两种类型，一种类型为主动磁力轮组2，另一种类型为从动磁力轮组3；磁力轮组中驱动电机位于主动磁力轮组2中，用于驱动主动磁力轮组2中的滚轮旋转，进而带动支架运动。

本实施方式中，通过控制单元，可以实现主动磁力轮组2的定速运动或步进运动。对于定速运动方式，可根据需要设置不同的运行速度；对于步进运动，可通过档位调节每次运动距离。两种运动方式都可选择前进或后退两个运动方向。不同的运动模式为不同的导波“激励-接收”检测方式及不同信号后处理方法的实施提供了方便。为防止设备运行过程中碰撞到横隔板11或发生其他意外状况，控制单元还设置有紧急停止按钮。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式二、三、四或五所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，对于接触式超声换能器，为了避免检测系统运行过程中导致的探头磨损、耦合剂不均匀、压紧力不一致等问题，本实施方式采用换能器连接杆5为可伸缩液压杆。

在检测系统运动过程中，通过上位机控制可伸缩液压杆伸缩，使换能器前端并不接触钢箱梁顶板9的底部，当检测系统停止运动，进行检测时，通过指令向可伸缩液压杆施加压力，使可伸缩液压杆伸长，使换能器压紧钢箱梁顶板9进行相应检测。

具体实施方式七：参照图10具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二、三、四或五所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，

裂纹信息求解模块中，

首先，采集不同裂纹的导波信号以及对应的裂纹深度，构成裂纹深度数据库，

然后，利用裂纹深度数据库训练裂纹深度识别基础模型，获得训练后的裂纹深度识别模型。

在上述基础上，信号处理单元还包括模型更新模块，该模块用于将裂纹信息求解模块中获得的裂纹深度与其对应的导波信号存入裂纹深度数据库中。

具体实施方式八：参照图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二、三、四、五或七所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统作进一步说明，本实施方式中，所述检测部分还包括防坠单元，所述防坠单元包括：防坠磁力座6、安全绳7和安全绳挂钩8；

防坠磁力座6用于吸附在待测钢箱梁顶板9的底部，防坠磁力座6通过安全绳7与安全绳挂钩8相连，安全绳挂钩8能够与支架挂接。

在实际工作过程中，将防坠磁力座6吸附于待测钢箱梁顶板9的底部，并用安全绳7将支架与防坠磁力座6连接，防止意外坠落。

本发明所述的一种基于超声导波方法的正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测系统，在实际应用时，k＝2，即共有四根轮组连接杆。四根轮组连接杆两两一组，两组分别位于钢箱梁U型肋10的两侧，使支架整体横跨于钢箱梁U型肋10上。每组中的两个轮组连接杆上分别连接一个主动磁力轮组和一个从动磁力轮组，两组中的主动磁力轮组相互正对。

控制部分与检测部分有两种设置方式，一种是控制部分固定在支架上，另一种是二者分开，控制部分位于地面。当控制部分位于地面时，控制部分通过有线或无线的方式与检测部分进行数据交互。

本发明在实际应用时，换能器51具有以下四种实施例：

实施例1

本实施例中，换能器51仅为一个，利用此换能器51实现自发自收导波信号。通过控制单元驱动支架沿钢箱梁U型肋10纵桥方向直线运动，与此同时，信号收发单元控制换能器51进行相应的导波信号激励和接收，得到沿检测路径的各个位置点的导波信号。接收到的导波信号被输入到信号处理单元。首先，信号处理单元中的相关系数求解模块根据每个导波信号的时域特征曲线，获得相邻两个时域特征间的相关系数，然后裂纹信息求解模块根据相关系数曲线的突变的起止点，得到顶板裂纹的位置、裂纹长度和裂纹深度。在实际检修过程中对裂缝深度进行确认后，可以将该检测数据添加到裂纹大数据库中，对深度学习网络模块进行进一步的更新。

实施例2

本实施例中，换能器51为两个，一个作为激励换能器、另一个作为接受换能器。将两个换能器安装在钢箱梁U型肋10两侧相互正对的位置，使得激励换能器和接收换能器的连线与纵桥方向垂直。通过控制单元控制支架沿钢箱梁U型肋10纵桥方向直线运动，与此同时，信号收发单元控制两个换能器进行相应的导波信号激励和接收，得到沿检测路径的各个位置点的导波检测信号。接收到的导波信号被输入到信号处理单元。首先，信号处理单元中的相关系数求解模块根据每个导波信号的时域特征曲线，获得相邻两个时域特征间的相关系数，然后裂纹信息求解模块根据相关系数曲线的突变的起止点，得到顶板裂纹的位置、裂纹长度和裂纹深度。在实际检修过程中对裂缝深度进行确认后，可以将该检测数据添加到裂纹大数据库中，对深度学习网络模块进行进一步的更新。

实施例3

本实施例中，换能器51为两个，一个作为激励换能器、另一个作为接受换能器。将两个换能器安装在钢箱梁U型肋10两侧、且两个换能器51相互交错设置，使得激励换能器和接收换能器的连线与纵桥方向之前形成锐角夹角。通过控制单元控制支架沿钢箱梁U型肋10纵桥方向直线运动，与此同时，信号收发单元控制两个换能器进行相应的导波信号激励和接收，得到沿检测路径的各个位置点的导波检测信号。接收到的导波信号被输入到信号处理单元。首先，信号处理单元中的相关系数求解模块根据每个导波信号的时域特征曲线，获得相邻两个时域特征间的相关系数，然后裂纹信息求解模块根据相关系数曲线的突变的起止点，得到顶板裂纹的位置、裂纹长度和裂纹深度。在实际检修过程中对裂缝深度进行确认后，可以将该检测数据添加到裂纹大数据库中，对深度学习网络模块进行进一步的更新。

实施例4

本实施例中，换能器51为两个，一个作为激励换能器、另一个作为接受换能器。将两个换能器安装在钢箱梁U型肋10同一侧，使得激励换能器和接收换能器的连线与纵桥方向平行。通过控制单元控制支架沿钢箱梁U型肋10纵桥方向直线运动，与此同时，信号收发单元控制两个换能器进行相应的导波信号激励和接收，得到沿检测路径的各个位置点的导波检测信号。接收到的导波信号被输入到信号处理单元。首先，信号处理单元中的相关系数求解模块根据每个导波信号的时域特征曲线，获得相邻两个时域特征间的相关系数，然后裂纹信息求解模块根据相关系数曲线的突变的起止点，得到顶板裂纹的位置、裂纹长度和裂纹深度。在实际检修过程中对裂缝深度进行确认后，可以将该检测数据添加到裂纹大数据库中，对深度学习网络模块进行进一步的更新。

上述四种实施例相互配合，能够检出U型肋与顶板两侧焊缝附近热点区域存在的顶板裂纹。还可以利用多种不同的处理方法，相互印证，从而增加检测结果的准确性。