专利名称：一种基于斜探头的公路护栏立柱长度超声导波检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于斜探头的公路护栏立柱长度超声导波检测方法，属于公路交 通安全设施无损检测领域。
背景技术：
为防止在高速公路上行驶的汽车冲出公路或驶入公路的对向车道引发交通事故， 现代高速公路的路侧及中央隔离带内都架设有防撞护栏，护栏立柱是护栏的主要承载部 件。目前由于国内存在施工单位诚信度低等问题，在施工过程中，出现人为使用不合格的短 立柱的情况，导致护栏的防撞性能达不到设计标准，在事故发生时起不到应有的保护作用， 造成交通事故的扩大和恶化。由于公路护栏立柱的大部分长度在地面以下，属于隐蔽工程， 无法直接测量。目前常用的方法是拔出后检测，这不仅会破坏路基的完整性，而且按国标 JTJ074-94规定，需要对路基进行重新夯实后方可再次打入，给施工监理带来较大的困难。 对其进行有效的检测特别是埋地部分存在很大的困难。目前为了进一步完善公路竣(交)工验收和质量鉴定工作，交通运输部印发了《公 路工程竣(交)工验收办法实施细则》(交公路发[2010]65号)。该细则自2010年5月 1日起执行，该细则对交通安全设施检测中增添了“波形梁护栏立柱埋入深度检测”，所以公 路护栏立柱已经成为公路竣(交)工验收的中的必检项目。现有的护栏立柱超声导波检测方法中必须采用传感器阵列实现立柱的检测，这样 需要相应的传感器专用夹具，安装复杂，成本较高。采用该检测方法具有检测方便、快捷和 精度高的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便而又能快速检测的公路护栏立柱长度的检测方 法，可以实现简单，快速，准确，无损地检测公路护栏的长度。为了实现上述目的，本发明按照以下步骤实施检测的1)确定超声导波的传播速度根据立柱实际的外径与壁厚以及材料参数计算护 栏立柱中超声导波的群速度频散曲线，从而获得检测频率下的超声导波传播速度；2)将传感器安装在露出路基上面的立柱上；3)在计算机的控制下超声导波激励/接收模块产生功率为200W-500W的激励信 号，通过传感器激励出超声导波信号沿护栏立柱发射出去，并通过传感器接收反射的超声 导波信号，然后又经过超声导波激励/接收模块传输给计算机；通过计算机上的检测软件 即可获得导波在立柱中传播的时间，从步骤1)获得检测频率下超声导波的传播速度，立柱 中的传播时间乘以群速度除以2，即可获得立柱的总长度，进而获得立柱的埋置深度；所述的传感器采用单个超声斜探头或者局部超声斜探头阵列；所述的超声导波激 励/接收模块依次包括任意函数发生器、功率放大器、转换开关和示波器；所选择的检测频 率为300kHz-500kHz之间，所选择的导波模态为L(0，2)模态。
所述单个超声斜探头或者局部超声斜探头阵列的斜楔块的角度为20° 50°之 间，斜楔块的材料为有机玻璃。本检测方法中所述的超声导波的传播速度主要根据护栏立柱的外径、壁厚以及材 料来计算出护栏立柱中超声导波的群速度频散曲线，从而获得立柱中超声导波的传播速 度。也可以在现场检测条件下进行标定，具体方法为先找一根已知长度的标准立柱，通过计 算出首次端面回波的时间，从而确定护栏立柱的超声导波的实际传播速度，从而可以对检 测结果进行修正。本检测方法最大的优点是可以采用单个斜探头或者局部斜探头阵列即可实现护 栏立柱长度的检测。而现有的超声导波检测方法需要将多个传感器阵列才能实现护栏立柱 的检测，这样不但需要专用的传感器夹具，而且需要多个传感器。基于冲击弹性冲击波法测 量护栏钢立柱的检测方法安装更加复杂，需要安装自动激励捶，并且信号处理方法复杂，误 判率较高，检测一根立柱的时间为7分钟左右，并且检测相对误差为5%，而本方法只需通 过超声检测耦合剂将斜探头与立柱耦合在一起即可实现立柱的检测，检测时间在2分钟以 内，检测相对误差控制在3 %以内。由于在不同工况条件下，相应的最佳检测频率有所不同，在检测频率为 300kHz-500kHz之间选择信噪比好的回波信号作为最佳检测频率，所选择的导波模态为 L(0,2)模态。由图2可知在该检测频率范围内，纵向对称模态有L(0，1)模态、L(0，2)模态 和L(0，3)模态，还存在非对称模态F模态。在立柱上局部激励时既有对称模态，又有非对 称模态出现，可是经过理论计算和大量的实验表明在该检测频率范围内，只有L(0，2)模态 在路基中的衰减最小，并且容易激励速度快，所以采用局部激励后，由斜探头接收到的模态 是L(0，2)模态。同样经过理论计算和实验发现，当所选择斜楔块的角度为20° 50°之间时，可 以最有效的激励和结收L(0，2)模态，并且可以实现激励和接收的方向性。由于立柱材料主 要是以Q235钢为主，为了实现阻抗匹配，斜楔块的材料为有机玻璃。与现有的检测方法相比，本发明具有以下优点1)传感器安装方便；2)对公路路基没有破坏，检测速度快，检测成本低；3)检测精度高，重复性高。
图1检测装置原理图；图2护栏立柱纵向模态群速度频散曲线图3激励信号中心频率为370kHz时的埋土 5护栏立柱的端面回波中1、计算机，2、超声导波激励/接收模块，3、传感器，4、护栏立柱，5、路基，6、 超声导波激励接收装置，7、L (0，1)模态，8、L (0，2)模态，9、L (0，3)模态，10、埋土护栏立柱 首次端面回波。
具体实施例方式如图1所示，本实施例中立柱的长度为2. 05m，外径为140mm，璧厚为5mm，密度
4为7800kg/m3，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s。立柱埋置于土中的部分d2 = 1.1m。所述的超声导波激励/接收模块由任意函数发生器(Agilent33220A)、功率放大器 (Ultra2020)、转换开关和示波器组成。1)根据立柱的外径与壁厚以及立柱材料的密度、纵波波速和横波波速，计算立柱 中的纵向轴对称模态导波的群速度频散曲线。图2即为纵向轴对称模态导波的群速度频散 曲线，横坐标范围在0-0. 6MHz之间，其中7为L(0，1)模态，8为L(0，2)模态，9为L(0，3) 模态，选取检测频率为370kHz，在立柱中接收到的首次端面回波中的导波模态主要是L(0， 2)模态，因此，该频率在频散曲线上所对应的群速度为4218. 39m/s ；2)将传感器安装在立柱的上端侧壁，本实施例中所用的传感器是一定中心频率的 斜探头。3)通过理论计算和实验，本实施例中所选择激励频率为370kHz ；4)在计算机的控制下超声导波激励/接收仪器模块产生大功率的激励信号，通 过传感器激励出超声导波信号沿护栏立柱发射出去，并通过传感器接收反射的超声导波信 号，然后又经过超声导波激励/接收仪器模块传输给计算机，通过计算机上的检测软件获 得检测结果如图3所示，其中8为立柱底端的端面回波，从检测结果中即可获得导波在立柱 中传播的时间0. 935ms，从步骤1)获得该检测频率下超声导波的群速度4218. 39m/s，立柱 中的传播时间乘以群速度除以2，即可获得立柱的总长度为2. 01m，相对误差为1.95%，完 全满足实际工程检测需要，本实施例中1 = 0，通过卷尺量出露出路基以上部分的立柱长度 d2进而获得立柱的埋置深度d3。在实验室条件下和实际工程检测现场进行了大量的实验研究，对埋于不同路基中 的护栏立柱分别进行检测，通过改变护栏立柱的埋地深度和路基的介质进行了大量的现场 检测实验，检测结果表明相对误差在3%以内，完全可以实现工程检测要求。该方法具有非 常重要的工程应用价值！
权利要求
一种基于斜探头的公路护栏立柱长度超声导波检测方法，其特征在于步骤如下1)确定超声导波的传播速度根据立柱实际的外径与壁厚以及材料参数计算护栏立柱中超声导波的群速度频散曲线，从而获得检测频率下的超声导波传播速度；2)将传感器安装在露出路基上面的立柱上；3)在计算机的控制下超声导波激励/接收模块产生功率为200W 500W的激励信号，通过传感器激励出超声导波信号沿护栏立柱发射出去，并通过传感器接收反射的超声导波信号，然后又经过超声导波激励/接收模块传输给计算机；通过计算机上的检测软件即可获得导波在立柱中传播的时间，从步骤1)获得检测频率下超声导波的传播速度，立柱中的传播时间乘以群速度除以2，即可获得立柱的总长度，进而获得立柱的埋置深度；所述的传感器采用单个超声斜探头或者局部超声斜探头阵列；所述的超声导波激励/接收模块依次包括任意函数发生器、功率放大器、转换开关和示波器；所选择的检测频率为300kHz 500kHz之间，所选择的导波模态为L(0，2)模态。
2.如权利要求1所述的一种公路护栏立柱长度检测方法，其特征在于所述单个超声 斜探头或者局部超声斜探头阵列的斜楔块的角度为20° 50°之间，斜楔块的材料为有 机玻璃。
全文摘要
一种基于斜探头的公路护栏立柱长度超声导波检测方法，属于公路交通安全设施无损检测领域。本发明由工业控制计算机1、产生和接收超声导波信号的模块2和传感器3组成，其特征在于在位于路基上面的护栏立柱侧壁上端面安装传感器；在计算机的控制下超声导波激励/接收模块产生功率为200W-500W的激励信号，通过传感器激励出超声导波信号沿护栏立柱发射出去，并通过传感器接收反射的超声导波信号，然后又经过超声导波激励/接收模块传输给计算机；通过计算里机的检测软件即可获得导波在立柱中传播的时间，根据超声导波的传播特性，最终获得立柱的总长度，进而获得立柱的埋置深度。本发明对公路路基没有破坏，检测速度快、精度高且检测成本低。
文档编号G01B15/00GK101922922SQ20101021083
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者何存富, 刘增华, 吴斌, 周进节, 胡富翔 申请人:北京工业大学