基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的装置及方法

摘要

一种基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的装置，包括待监测的拉索；其创新在于：所述装置由支架、刚性连接管、三维磁记忆探头和集中控制器组成；所述支架设置于拉索上；集中控制器设置于支架上；多个三维磁记忆探头设置于拉索上，三维磁记忆探头位于支架外部，三维磁记忆探头和支架之间通过刚性连接管连接，三维磁记忆探头和刚性连接管一一对应；多个三维磁记忆探头分别通过多根导线与集中控制器电气连接，所述导线置于刚性连接管内。本发明还提出了基于前述装置的捕捉桥梁拉索断丝的方法。本发明的有益技术效果是：可以对桥梁断丝情况进行监测，在发现断丝问题后，及时作出报警处理，保证桥梁运营安全。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种桥梁拉索断丝监测技术，尤其涉及一种基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的装置及方法。

背景技术

拉索由于具备强度高、自重小（相对）的特点,而被广泛应用于桥梁结构之中，是大跨桥梁的重要组成部分, 拉索的性能状态直接决定着桥梁的服役寿命。目前在役的许多桥梁，其拉索大多直接暴露在空气中，处于高应力状态的拉索长期受到恶劣自然环境侵蚀后，其表面保护层难免存在破损，保护层破坏后，拉索内部的钢丝也会随之受到各种病害侵蚀，导致拉索抗力发生退化，进而造成拉索耐久性大幅度降低,缩短了拉索的实际使用寿命；在多种病害中，尤为严重的是断丝病害，由于拉索结构的受力特点,当拉索局部断丝后，将造成索内钢丝应力全部重新分布，继而恶性循环地使断丝病害进一步恶化，当断丝程度达到一定程度时就会发生断裂，造成重大安全事故和巨大经济损失；因此,如何及时准确地发现拉索断丝病害并制定对应的处治措施，对于保证桥梁运营安全意义重大。

目前，针对拉索断丝的常规监测方法主要有声发射法、射线法和导波法；

声发射法（AE）是利用材料在受力条件下产生缺陷时以弹性波形式释放出应变能的现象实现构件缺陷监测，它可以实现对拉索断丝发生过程的动态监测；但该方法目前还无法投入实际应用，因为拉索是由多根钢丝扭结而成，在应力或拉索晃动作用下，多根钢丝之间存在摩擦，由摩擦引起的声信号会对声发射法造成干扰，如何对干扰信号和有效信号进行分离，是该技术中尚须解决的技术难题。

射线法是利用X、Y等射线在穿透物体过程中，因物体材质不同而衰减不同的现象来实现构件内部缺陷检测的。射线法应用于拉索监测时，能够监测拉索索体和锚固区的内部缺陷，但由于检测效率低，图像解析困难，造价高，尤其是存在辐射污染的问题，在未取得进一步研究进展时，并不适合大规模应用于现代桥梁拉索监测中。

导波法的原理是根据磁致伸缩效应或压电效应，在构件中激发沿拉索轴向传播的弹性波，该弹性波遇到缺陷时，会产生反射回波，反射回波被检测元件接收，即可获取缺陷信息，实现拉索断丝监测。但是，导波法存在精度相对较低，周向定位困难等问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的装置，包括待监测的拉索；其创新在于：所述装置由支架、多根刚性连接管、多个三维磁记忆探头和集中控制器组成；所述支架设置于拉索上；集中控制器设置于支架上；多个三维磁记忆探头设置于拉索上，三维磁记忆探头位于支架外部，三维磁记忆探头和支架之间通过刚性连接管连接，三维磁记忆探头和刚性连接管一一对应；多个三维磁记忆探头分别通过多根导线与集中控制器电气连接，所述导线置于刚性连接管内。

本发明的原理是：金属磁记忆技术是20世纪90年代后期在国际上迅速发展起来的无损检测技术，其基本原理是：铁磁性材料在地磁场激励下，应力集中和变形区域会发生磁致伸缩效应和磁畴组织定向，并产生不可逆的重新取向，检测到的磁信号会在损伤部位发生突变；金属磁记忆检测技术自1997年诞生至今，因其独有的“既能发现构件宏观缺陷，又能发现因应力集中引起的微观损伤”的优点而迅速发展、概括起来，金属磁记忆检测技术主要特点有以下几个方面：1、可检测出微观缺陷，并能预报缺陷的未来危险性，这是该技术的最大优点；2、磁记忆方法不需要外加磁场，只是利用累积损伤构件的自有磁场，通过自有磁场和地球磁场相互作用，在被检测对象表面的应力集中区生成漏磁场，通过分析漏磁场磁信号的变化以及梯度变化可以判断损伤区；3、不需对被检测工件的表面进行清理、打磨或其它预处理，可大大降低劳动强度和时间；4、检测数据重复性与可靠性好；鉴于金属磁记忆技术的前述优点，目前金属磁记忆技术已经成功应用于飞机起落架、涡轮叶片、油气管道等承力结构件的损伤检测，但就桥梁监测领域还未涉及。于是发明人考虑将金属磁记忆技术应用于桥梁监测领域，据此对拉索断丝问题进行监测；为了使金属磁记忆技术能够应用于拉索断丝监测，发明人进行了大量试验和探索，并最终提出了本发明的方案，具体来说，本发明方案是这样实现其目的的：支架是连接监测装置和拉索的支承结构，本发明通过支架将监测装置稳固地安装在拉索上；刚性连接管起连接支架和三维磁记忆探头的作用，除此之外，三维磁记忆探头还依赖刚性连接管的支承作用来紧贴在拉索上，而且刚性连接管还对穿在其中的导线起到了保护作用；三维磁记忆探头是整个装置的传感部，之所以采用多个三维磁记忆探头，其一是为了使监测区域能够对拉索周向进行全向覆盖，提高监测的全面性，其二是为了在后期数据处理时，能够有较多的监测数据来作为参考以保证监测的准确性，基于现有的磁探测技术，目前的三维磁记忆探头可通过与之配套的处理软件实现对三维磁场的数字化，这使得后续数据处理时的特征参数提取成为了可能；集中控制器用于对三维磁记忆探头进行现场管理以及对数据的处理，采用本发明方案后，集中控制器通过三维磁记忆探头的监测数据就能对拉索是否存在断丝问题进行监测，本发明的装置搭建十分方便，除了可以应用于新建桥梁上外，还适合对在役桥梁进行加装。

为了使监测装置能够适应不同直径的拉索，本发明还提出了如下优选实施方案：所述支架由两个支撑体组成，所述支撑体上设置有钳口，两个支撑体钳口相对，两个钳口之间的区域形成装夹区，拉索套接在装夹区中，两个支撑体之间通过螺栓连接。当支架应用于不同直径的拉索时，仅需要调整螺栓长度，就能使支架能够安装在不同尺寸的拉索上，十分方便。

为了进一步提高装置性能，本发明还作了如下改进：所述支架上设置有无线发送装置；所述无线发送装置和集中控制器均采用内嵌方式设置于支架上；所述支架外包裹有磁屏蔽壳。无线发送装置可以将监测数据和集中控制器的处理结果通过无线方式发送到后方管理平台，技术人员无需达到现场就能调阅现场数据和接收告警信号，十分方便；无线发送装置和集中控制器采用内嵌方式安装在支架上，可以对无线发送装置和集中控制器起到较好的保护作用，另外，配合磁屏蔽壳，可以避免无线发送装置和集中控制器的电磁辐射对三维磁记忆探头造成干扰，另外，磁屏蔽壳还可以避免支架自身周围磁场对三维磁记忆探头造成干扰；磁屏蔽壳可选用铝、铜或塑料等低磁导率的材料制作。

为了进一步提高监测效果，本发明还作了如下改进：所述多个三维磁记忆探头均位于支架的同侧，且多个三维磁记忆探头位于拉索上同一截面位置处；多根刚性连接管的外周设置有套箍，套箍将多根刚性连接管绑缚在拉索表面；所述套箍和刚性连接管均采用塑料材料制作。多个三维磁记忆探头设置于支架同侧的相同截面位置后，多个三维磁记忆探头所获得的监测数据之间的关联性更强，能更加准确地反应出拉索的真实状态，提高监测的准确性；刚性连接管通过套箍绑缚后，可以有效避免刚性连接管在风力作用下出现摆动，从而保证三维磁记忆探头和拉索的相对位置始终如一。

为了屏蔽高频电磁场对三维磁记忆探头的干扰，本发明还作了如下改进：所述三维磁记忆探头外包裹有铝壳或铜壳。

基于前述装置方案，本发明还提出了一种基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的方法，所涉及的硬件如前所述；具体的处理方法如下：1）将支架、刚性连接管、三维磁记忆探头和集中控制器按前述方式设置于拉索上；

2）集中控制器驱动三维磁记忆探头对周围磁场进行监测并实时提取三维磁记忆探头监测到的磁场信号；

3）获取到磁场信号后，集中控制器采用小波去噪法对磁场信号进行预处理，然后从预处理后的磁场信号中提取特征参数；所述特征参数包括：法向梯度、切向梯度、法向分量功率谱能量值、切向分量功率谱能量值、法向分量峰峰值、切向分量峰峰值、法向分量相位值、切向分量相位值、法向分量累加值、切向分量累加值、法向分量方差值和切向分量方差值；

4）将特征参数与对应的预警门限进行比较：若特征参数超越预警门限，说明拉索周围磁场波动较大，拉索上存在断丝情况，应立即发出告警信号；若特征参数未超越预警门限，说明拉索上不存在断丝情况，继续进行后续监测操作；所述预警门限为多个，多个预警门限与多个特征参数一一对应，预警门限由前期仿真试验获得。

前述多种特征参数的称谓中的法向和切向是以拉索结构为基准划分的；法向梯度和切向梯度即为从磁场信号中提取出的两个方向上的梯度值，法向分量功率谱能量值和切向分量功率谱能量值即为从磁场信号中提取出的两个方向上的功率谱能量值，法向分量峰峰值和切向分量峰峰值即为两个方向上一定时域区段内的最大信号值和最小信号值之间的差值，法向分量相位值和切向分量相位值即为两个方向上的相位；其中，法向/切向分量累加值和法向/切向分量方差值与前述的几种特征参数略有不同，法向/切向分量累加值是对多个三维磁记忆探头的磁场信号中的法向分量或切向分量作累加处理后的结果，法向/切向分量方差值是对多个三维磁记忆探头的磁场信号中的法向分量或切向分量作方差处理后的结果；在处理前8种特征参数，既可以对单个三维磁记忆探头对应的磁场信号进行单独考察，也可以对多个三维磁记忆探头的磁场信号取平均值后再作相应处理，在处理最后4种特征参数时，均是对多个三维磁记忆探头的数据作全面考察；

本发明还提出了如下的优选处理手段：步骤4）中，比较特征参数和预警门限时，从如下四种方法中择一进行：

法一：任取一种特征参数，将其与对应的预警门限进行比较，若特征参数超越对应的预警门限时，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；

法二：任取两种特征参数，将两种特征参数分别与对应的预警门限进行比较，当两种特征参数均超越各自的预警门限时，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；

法三：任取多种特征参数，将多种特征参数分别与对应的预警门限进行比较，当多种特征参数均超越各自的预警门限时，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；

法四：将所有特征参数均与各自对应的预警门限进行比较，若超越对应预警门限的特征参数数量达到A值后，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；A取2~11。

其中，法一的处理方式较为简单，集中控制器的处理开销较小，集中控制器可以以较高频次进行监测，具体选择哪种特征参数作为监测对象，可根据仿真试验中具体的拉索材料上哪种特征参数对断丝情况更为敏感来合理确定；法二和法三是在法一基础上演化出的加强版，法二和法三可以在一定程度上弥补法一在监测对象上的片面性，有效降低误报警的几率；法四在兼顾了监测对象全面性的基础上，还照顾了报警的准确性；具体应用时，技术人员可在综合考虑桥梁的实际状态、使用年限和报警需求等因素后，在前述四种方法中择一采用，也可将四种报警方法中的两种、三种或四种进行组合，形成多级报警机制。

    本发明的有益技术效果是：可以对桥梁断丝情况进行监测，在发现断丝问题后，及时作出报警处理，保证桥梁运营安全。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、拉索断丝前后磁场变化曲线图；

图中各个标记所对应的名称分别为：支架1、磁屏蔽壳2、刚性连接管3、套箍4、三维磁记忆探头5、集中控制器6、无线发送装置7、拉索8。

具体实施方式

参见图1，一种基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的装置，包括待监测的拉索；其创新在于：所述装置由支架1、多根刚性连接管3、多个三维磁记忆探头5和集中控制器6组成；所述支架1设置于拉索上；集中控制器6设置于支架1上；多个三维磁记忆探头5设置于拉索上，三维磁记忆探头5位于支架1外部，三维磁记忆探头5和支架1之间通过刚性连接管3连接，三维磁记忆探头5和刚性连接管3一一对应；多个三维磁记忆探头5分别通过多根导线与集中控制器6电气连接，所述导线置于刚性连接管3内。

进一步地，所述支架1由两个支撑体组成，所述支撑体上设置有钳口，两个支撑体钳口相对，两个钳口之间的区域形成装夹区，拉索套接在装夹区中，两个支撑体之间通过螺栓连接。

进一步地，所述支架1上设置有无线发送装置7；所述无线发送装置7和集中控制器6均采用内嵌方式设置于支架1上；所述支架1外包裹有磁屏蔽壳2。

进一步地，所述多个三维磁记忆探头5均位于支架1的同侧，且多个三维磁记忆探头5位于拉索上同一截面位置处；多根刚性连接管3的外周设置有套箍4，套箍4将多根刚性连接管3绑缚在拉索表面；所述套箍4和刚性连接管3均采用塑料材料制作。

进一步地，所述三维磁记忆探头5外包裹有铝壳或铜壳。

一种基于金属磁记忆技术的捕捉桥梁拉索断丝的方法，所涉及的硬件包括支架1、多根刚性连接管3、多个三维磁记忆探头5和集中控制器6，所述支架1设置于拉索上；集中控制器6设置于支架1上；多个三维磁记忆探头5设置于拉索上，三维磁记忆探头5位于支架1外部，三维磁记忆探头5和支架1之间通过刚性连接管3连接，三维磁记忆探头5和刚性连接管3一一对应；多个三维磁记忆探头5分别通过多根导线与集中控制器6电气连接，所述导线置于刚性连接管3内；

其创新在于：所述方法包括：1）将支架1、刚性连接管3、三维磁记忆探头5和集中控制器6按前述方式设置于拉索上；

2）集中控制器6驱动三维磁记忆探头5对周围磁场进行监测并实时提取三维磁记忆探头5监测到的磁场信号；

3）获取到磁场信号后，集中控制器6采用小波去噪法对磁场信号进行预处理，然后从预处理后的磁场信号中提取特征参数；所述特征参数包括：法向梯度、切向梯度、法向分量功率谱能量值、切向分量功率谱能量值、法向分量峰峰值、切向分量峰峰值、法向分量相位值、切向分量相位值、法向分量累加值、切向分量累加值、法向分量方差值和切向分量方差值；前述特征参数均为通过现有信号处理手段获取到的数据类型。

4）将特征参数与对应的预警门限进行比较：若特征参数超越预警门限，说明拉索周围磁场波动较大，拉索上存在断丝情况，应立即发出告警信号；若特征参数未超越预警门限，说明拉索上不存在断丝情况，继续进行后续监测操作；所述预警门限为多个，多个预警门限与多个特征参数一一对应，预警门限由前期仿真试验获得。

进一步地，步骤4）中，比较特征参数和预警门限时，从如下四种方法中择一进行：

法一：任取一种特征参数，将其与对应的预警门限进行比较，若特征参数超越对应的预警门限时，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；

法二：任取两种特征参数，将两种特征参数分别与对应的预警门限进行比较，当两种特征参数均超越各自的预警门限时，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；

法三：任取多种特征参数，将多种特征参数分别与对应的预警门限进行比较，当多种特征参数均超越各自的预警门限时，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；

法四：将所有特征参数均与各自对应的预警门限进行比较，若超越对应预警门限的特征参数数量达到A值后，则发出告警信号；否则继续进行后续监测处理；A取2~11。

参见图2，图中是所示两条曲线是实验中获得的分别对应拉索断丝前后的磁场变化曲线；从图中可见，出现断丝前，由于拉索内部钢丝连续完整，其磁场曲线变化较为平缓，且总体上存在一定的趋势性，而拉索断丝后，由于拉索内部其余未断的钢丝上的应力应变状态出现重新分配，导致拉索周围磁场出现变化，使得磁场变化曲线出现较大波动。