超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统及其检测方法与流程

本发明涉及无损检测领域，尤其是一种利用超声波检测缺陷的系统及其方法。

背景技术：

预应力钢绞线由六根弯曲钢丝以固定的螺距围绕一根中心钢丝捻制而成，由于具有高效、经济、强度高、松弛性能好等特点，预应力钢绞线已被广泛应用于高层建筑、斜拉索桥等预应力工程中。由于长期受工作环境和承载力变化的影响，钢绞线容易产生应力腐蚀、压痕、突发性断裂等缺陷。一旦发生钢绞线应力结构断裂，轻则极大缩短预应力工程寿命，埋下极大的安全隐患，重则导致预应力工程坏损坍塌，对社会稳定、经济发展产生巨大危害。为确保预应力钢绞线服役期间的安全，应对预应力钢绞线进行定期监测，将监测数据进行实时处理，对数据处理的结果进行风险评估，以达到预防的目的。

预应力钢绞线是高层建筑、斜拉索桥等预应力工程的“骨架”，预应力钢绞线的健康程度直接影响到预应力工程的使用寿命和安全系数。为监测预应力钢绞线的健康程度，检测方法目前工程中常使用目测法和国外技术服务。其中，目测法检验效率较低,检验效果较差，且有很大的局限性——对被油污、泥沙等杂物污染的钢绞线几乎没有什么检测能力。其次，国外公司技术服务存在服务费昂贵、技术封锁严重等缺点。再者，钢绞线检测系统目前工程中常使用收发分置检测系统，此系统将信号的激励端和接收端分别置于预应力钢绞线的两端进行检测，而实际工程中大部分预应力钢绞线后半段会被混凝土掩埋，只有一端可供夹装换能器，此方法适用性存在局限性。此外，现有基于收发合置的锚杆探长无损检测系统与本发明系统区别在于：1、锚杆探长无损检测系统测量的是锚杆的长度，而本发明要检测钢绞线缺陷；2、锚杆探长无损检测系统波形的产生与接收使用的任意波形发生器与示波器。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，针对目前预应力钢绞线无损检测面临的问题，本发明提供了一种利用超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统，系统内的数字信号处理板卡在信号产生、信号处理、信号显示方面相较下有更好的可编程性和灵活性，本发明还提供涉及利用超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统进行检测的方法，可提高检测效率，降低检测成本，扩宽检测系统的适用性。

本发明的超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统包括上位机、数字板卡、功率放大模块、收发合置控制模块、导波收发原件和增益放大模块。

其中数字板卡包括网络接口芯片、FPGA、DSP、ADC、DAC和SRAM硬件芯片，以FPGA为核心，FPGA分别与DSP、ADC、DAC、SRAM和网络接口芯片相连接，网络接口芯片接受上位机的控制信号，并将控制信号传给FPGA，FPGA收到控制指令启动数字/模拟转化器DAC发射模拟电信号给功率放大模块，发射频率为通过Pochhammer频散方程求解得到预应力钢绞线群速度频散曲线，在群速度频散曲线中选择在50KHz频率范围内群速度变化范围不超过500m/s的频率，模拟电信号经过功率放大模块将功率放大后传至收发合置控制模块，此时收发合置控制模块开启发射模式将模拟电信号通过导波收发原件由模拟电信号转化为声信号在预应力钢绞线中激励出纵向轴对称模态导波，该模态导波在遇到预应力钢绞线缺陷处或钢绞线的另一端时，均产生相应回波，回波经导波收发原件由声信号转化为模拟电信号传至给收发合置控制模块，收发合置控制模块开启接收模式将此信号传递给增益放大模块进行增益放大，增益放大后的模拟电信号经模拟/数字转化器ADC采集转化为数字电信号在SRAM内缓存后，经FPGA传至DSP进行希尔伯特黄变换算法处理，处理结果经FPGA、网络接口芯片传至给上位机显示。

所述超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统的检测方法如下：

步骤1：确定预应力钢绞线的公径和捻距将已知的公径、捻距参数代入Pochhammer频散方程，对Pochhammer频散方程求解即得到预应力钢绞线群速度频散曲线；

步骤2：从群速度频散曲线上选在50KHz频率范围内群速度变化范围不超过500m/s，且纵向模态单一的信号频率作为检测频率输入到上位机中，上位机向数字板卡传输控制指令生成单频超声信号，单频超声信号通过功率放大模块、收发合置控制模块、导波收发原件，在钢绞线中激励纵向轴对称导波模态，该模态导波在遇到预应力钢绞线缺陷处或另一端面处均产生相应回波，回波经导波收发原件、收发合置控制模块、增益放大模块传至数字板卡使用希尔伯特黄变换算法进行信号处理分析；

步骤3：将处理结果传至上位机显示，若只接收到端面回波，则预应力钢绞线无缺陷；若先后接收到缺陷回波和端面反射回波，则预应力钢绞线存在缺陷，确定缺陷回波对应时间，将发射激励导波瞬间作为零时刻，接收到导波信号最大值时刻为接收时刻，零时刻到接收时刻的时间长为回波对应时间，从预应力钢绞线群速度频散曲线中获取群速度，群速度乘以缺陷回波时间，再除以2，即可得到缺陷在钢绞线的具体位置。

本发明的有益效果是由于自主设计数字信号处理板卡，相较于现有的数字板卡成本更低，易于维护；由于采用收发合置检测方式，超声导波在钢绞线中由发射到接收传输的距离更短，因此超声导波的传输衰减更小，相较于传统收发分置检测方法，在相同的接收信噪比下，检测距离更远，提高了检测效率；在实际工程中大部分预应力钢绞线后半段会被混凝土掩埋的情况下，只有一端可供夹装换能器，本发明仍可进行无损检测，而传统检测方法不可行，总之，本系统和检测方法适用性更广，现有基于收发合置的锚杆探长无损检测系统波形的产生与接收使用的任意波形发生器与示波器，而本发明系统内的数字信号处理板卡在信号产生、信号处理、信号显示方面相较下有更好的可编程性和灵活性。

附图说明

图1是本发明预应力钢绞线超声导波无损检测系统原理示意图。

图2是本发明数字板卡电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的预应力钢绞线超声导波无损检测系统，包括上位机、数字板卡、功率放大模块、收发合置控制器、导波收发原件和增益放大模块，其中数字板卡包括网络接口芯片、FPGA、DSP、ADC、DAC和SRAM硬件芯片，如图2所示，数字板卡以FPGA为核心，FPGA分别与DSP、ADC、DAC、SRAM和网络接口芯片相连接，其中FPGA选型为Altera CycloneⅢ EP3C25F324C7，DSP选型为TMS320C6713，数字电路板卡在与NI公司数字采集板卡达到相同采样率、通道数、数据处理能力的性能同时，其整体造价比后者有较大优势。

本发明超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统包括上位机、数字板卡、功率放大模块、收发合置控制模块、导波收发原件和增益放大模块。

其中数字板卡包括网络接口芯片、FPGA、DSP、ADC、DAC和SRAM硬件芯片，以FPGA为核心，FPGA分别与DSP、ADC、DAC、SRAM和网络接口芯片相连接，网络接口芯片接受上位机的控制信号，并将控制信号传给FPGA，FPGA收到控制指令启动数字/模拟转化器DAC发射模拟电信号给功率放大模块，发射频率为通过Pochhammer频散方程求解得到预应力钢绞线群速度频散曲线，在群速度频散曲线中选择在50KHz频率范围内群速度变化范围不超过500m/s的频率，模拟电信号经过功率放大模块将功率放大后传至收发合置控制模块，此时收发合置控制模块开启发射模式将模拟电信号通过导波收发原件由模拟电信号转化为声信号在预应力钢绞线中激励出纵向轴对称模态导波，该模态导波在遇到预应力钢绞线缺陷处或钢绞线的另一端时，均产生相应回波，回波经导波收发原件由声信号转化为模拟电信号传至给收发合置控制模块，收发合置控制模块开启接收模式将此信号传递给增益放大模块进行增益放大，增益放大后的模拟电信号经模拟/数字转化器ADC采集转化为数字电信号在SRAM内缓存后，经FPGA传至DSP进行希尔伯特黄变换算法处理，处理结果经FPGA、网络接口芯片传至给上位机显示。

基于上述超声导波无损检测预应力钢绞线缺陷的系统，本发明使用该系统进行检测的方法如下：

步骤1：确定预应力钢绞线的公径和捻距将已知的公径、捻距参数代入Pochhammer频散方程，对Pochhammer频散方程求解即得到预应力钢绞线群速度频散曲线；

步骤2：从群速度频散曲线上选在50KHz频率范围内群速度变化范围不超过500m/s，且纵向模态单一的信号频率作为检测频率输入到上位机中，上位机向数字板卡传输控制指令生成单频超声信号，单频超声信号通过功率放大模块、收发合置控制模块、导波收发原件，在钢绞线中激励纵向轴对称导波模态，该模态导波在遇到预应力钢绞线缺陷处或另一端面处均产生相应回波，回波经导波收发原件、收发合置控制模块、增益放大模块传至数字板卡使用希尔伯特黄变换算法进行信号处理分析；

步骤3：将处理结果传至上位机显示，若只接收到端面回波，则预应力钢绞线无缺陷；若先后接收到缺陷回波和端面反射回波，则预应力钢绞线存在缺陷，确定缺陷回波对应时间，将发射激励导波瞬间作为零时刻，接收到导波信号最大值时刻为接收时刻，零时刻到接收时刻的时间长为回波对应时间，从预应力钢绞线群速度频散曲线中获取群速度，群速度乘以缺陷回波时间，再除以2，即可得到缺陷在钢绞线的具体位置。