基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于应力无损测量技术领域，涉及一种基于超声导波陷频的钢索应力测量方法。该方法利用拉力对钢索内导波传播特性影响的固有规律，采用钢索内传播的纵向模态超声导波频谱中的陷频参数来间接估算钢索拉力大小。方法采用申请者所在研宄团队公布的非接触式磁致伸缩传感器(见发明专利:基于一发一收法的用于钢绞线检测的单体磁致伸缩传感器，公开号CN101832974A)，基于超声导波的陷频特征对钢索拉力进行无损、定量测量，且测试过程和信号处理过程简便，拉力分辨力较高，具有很好的工程应用潜力。
【背景技术】
[0002]钢索作为索支撑桥梁、客运索道等设施中的关键承载部件，其结构状况直接关系到结构设施的运行安全。钢索的拉力水平测量是结构设施健康检测的重要内容。
[0003]目前，已见报道的索力测量方法主要分为两大类:直接测量法和间接测量法。直接测量法以锚固区承压环法和植入传感器法为代表，而间接测量法主要有振动频率法、声弹法和磁弹法。
[0004]直接测量法的最突出缺点是:由于传感器和缆索一起受力，存在受力疲劳，导致传感器寿命较短，且传感器一旦安装则难以更换，无法满足对缆索拉力的长期检测需要。振动频率法是通过锤击等方式激励钢索振动，测得基频后由钢索的自由振动方程解得索力。该方法较为成熟，动态响应好，但求解过程受边界条件影响较大。声弹法和磁弹法对实验设备和传感器均有较高要求，且后续数据处理过程较为复杂。
[0005]综上所述，有必要发展高效、便捷的钢索拉力测量方法。纵向模态超声导波信号频谱中的陷频现象是申请者所在团队发现的一种钢索中导波传播的固有规律，当钢索承受的拉力水平增加时，陷频参数(如下峰值频率、上峰值频率和中心频率)将向高频范围漂移，且陷频参数与拉力大小存在固定的关系。因此，通过测量和分析钢索中传播的纵向模态超声导波的陷频参数，可间接反映出钢索拉力大小。
【发明内容】
[0006]本发明是一种基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，可实现高效、便捷、准确的钢索拉力间接测量。为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下:
[0007]基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，其特征在于在确定的钢索I中，当其承受轴向拉力时，其中传播的纵向模态超声导波信号频谱中存在固有的陷频特性，即某些频率成分的超声导波能量严重衰减而导致频谱凹陷现象。当钢索I所承受的拉力水平增加时，陷频参数(如下峰值频率4、上峰值频率fu和中心频率f。= (f i+fu)/2)将向高频范围漂移，记录不同拉力水平下的陷频参数并拟合得到拉力与陷频参数的关系方程，实际测试时只需获取钢索I内纵向模态超声导波的陷频参数，代入预先标定得到的拉力与陷频参数的关系方程，即可计算出实际钢索的拉力大小。
[0008]测量过程的实现方式是:将激励用纵向模态磁致伸缩传感器2和接收用纵向模态磁致伸缩传感器3安装于待测钢索I上，两者间距控制为L (0.5m < L < 2.0m)，激励用纵向模态磁致伸缩传感器2中通入频率范围为O?fb(fb约为200kHz)的汉宁窗调制信号，在钢索I中激励产生纵向模态超声导波8，该导波信号沿钢索I传播直接到达接收用纵向模态磁致伸缩传感器3处，被接收和采集为直达波信号9，对直达波信号9进行快速傅里叶变换得到其频谱10，在频谱10中确定出下峰值频率、上峰值频率fu和中心频率f。等陷频参数。
[0009]基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法的具体实现过程包括关系方程获取和实际拉力测量两部分:
[0010]关系方程获取时，针对钢索1，需在不同拉力条件下测试和提取钢索中纵向模态超声导波的陷频参数(包括下峰值频率、上峰值频率fu和中心频率f。)。将激励用纵向模态磁致伸缩传感器2和接收用纵向模态磁致伸缩传感器3安装于待测钢索I后，利用拉伸装置对钢索进行轴向拉伸，在各拉力条件下均进行超声导波直达波检测，提取各拉力水平下的陷频参数(包括下峰值频率、上峰值频率fu和中心频率f。)并按照形如T(f)=aXebf+CXed‘f的方程式，对拉力水平和陷频参数数据进行方程拟合，其中a、c为比例系数，b、d为常数。
[0011]实际拉力测试时，采用纵向模态磁致伸缩传感器对待测钢索I进行超声导波直达波检测，并提取其频谱中的陷频参数，将陷频参数代入相对应的标定方程，对钢索实际拉力大小进行估算。
[0012]本发明采用以上技术方案，可实现钢索拉力的快速、间接测量。
【附图说明】
[0013]图1纵向模态超声导波直达波检测实验装置及典型信号
[0014]图2拉力不同时钢索中纵向模态超声导波信号频谱中的陷频现象
[0015]图3拉力与陷频参数的标定结果及拟合方程
【具体实施方式】
[0016]以下结合【附图说明】和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0017]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。
[0018]本发明提供了一种基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，所述测量方法包括以下几个步骤:
[0019]S1:对需测试的钢索I进行拉力标定测试，获取拉力的陷频参数表征方程。
[0020]S1.1:将激励用纵向模态磁致伸缩传感器2和接收用纵向模态磁致伸缩传感器3安装于待测钢索I上，两者间距控制为L(0.5m < L < 2.0m)。再将钢索I安装于拉伸装置上。
[0021]函数发生器4激励产生汉宁窗调制信号7，频谱8的频率范围为O?200kHz，汉宁窗调制信号7经功率放大器5放大后，通入激励用纵向模态磁致伸缩传感器2，由此在钢索I中激励产生纵向模态超声导波，接收用纵向模态磁致伸缩传感器3接收直达波信号9，对其进行快速傅里叶变换得到直达波信号频谱10。
[0022]S1.2:利用拉伸装置对钢索I进行轴向拉伸，不同拉力时，重复进行S1.1中的直达波信号检测过程，信号采集卡6采集并记录纵向模态磁致伸缩传感器3接收到的直达波信号9 ο
[0023]S1.3:对不同拉力水平下的直达波信号频谱10进行陷频参数提取，提取的参数包括下峰值频率、上峰值频率fu和中心频率f。，它们与拉力的拟合方程如下:
[0024]下峰值频率与拉力关系TJf) = (1.401e_10) X e°.3322x+0.7243 Xe°.1141x，决定系数R2= 0.9962 ；
[0025]上峰值频率与拉力关系T2 (f) = 0.02556 Xeam9x-(6.481e+10) Χ_α 376χ，决定系数R2= 0.9823 ；
[0026]中心频率与拉力关系T3(f) = (5.019e-17) Xe0.618x+0.162X e°_1Q99x，决定系数 R2 =
0.9962 ；
[0027]S2:对未知拉力大小的钢索进行拉力测量。
[0028]S2.1:将激励用纵向模态磁致伸缩传感器2和接收用纵向模态磁致伸缩传感器3按照图1所示安装于被测钢索I上，并按照S1.1所述步骤进行直达波信号9的检测。
[0029]S2.2:信号采集卡6采集并记录纵向模态磁致伸缩传感器3接收到的直达波信号9，对这一信号进行快速傅里叶变换得到直达波信号频谱10。提取出陷频参数(下峰值频率
、上峰值频率fu和中心频率)的频率值f。
[0030]S2.3:将f代入对应的关系方程T (f)，例如将提取得到的&带入方程T ! (f)，求出对应的拉力值T，从而实现对工作状态钢索的拉力测量。
【主权项】
1.基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，其特征在于利用了钢索中纵向模态超声导波的固有传播特性，即钢索承受拉力作用时其中的纵向模态超声导波信号频谱中存在陷频，且拉力水平增加会导致陷频参数，向高频范围漂移，陷频参数包括下峰值频率、上峰值频率和中心频率；记录不同拉力水平下的陷频参数并拟合得到拉力与陷频参数的关系方程，实际测试时只需提取出超声导波信号的陷频参数代入关系方程，即可估算出钢索的拉力大小。
2.根据权利要求1所述的基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，其特征在于:其超声导波信号检测及陷频参数提取方法为:将两个纵向模态磁致伸缩传感器安装于待测钢索上，两者间距控制为L为0.5m-2m，其中一个纵向模态磁致伸缩传感器中通入频率范围为O?200kHz的汉宁窗调制信号，在钢索中激励产生纵向模态超声导波，另一个纵向模态磁致伸缩传感器接收直达波信号，该直达波信号经过快速傅里叶变换后得到其频谱，在频谱中确定出陷频参数，陷频参数包括下峰值频率、上峰值频率和中心频率。
3.根据权利要求1或2所述的基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，其关系方程获取和实际拉力测量步骤如下: 51:关系方程的获取:将待测钢索安装于拉伸装置上，对钢索在不同拉力水平T下进行轴向拉伸，记录各拉力水平下的陷频参数f并拟合得到拉力水平T和陷频参数f形如T(f)= aXeb‘f+cXed‘f的方程式，其中a、c为比例系数，b、d为常数，都通过拟合得到; 52:钢索应力测量:实际测试时，将陷频参数代入SI所得的关系方程中，即可计算出钢索所受拉力的大小。
【专利摘要】本发明公开了一种基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，通过测试不同拉力水平下钢索内纵向模态超声导波的陷频参数，代入预先标定得到的拉力与陷频参数的关系方程，计算出实际钢索的拉力大小。测试过程中，采用两个安装于钢索上的纵向模态磁致伸缩传感器，其中一个磁致伸缩传感器激励产生特定频率范围的纵向模态超声导波，另一个磁致伸缩传感器接收直达波信号，利用快速傅里叶变换，从直达波信号频谱中提取中陷频参数(下峰值频率、上峰值频率和中心频率等)，分别代入拉力与陷频参数的数学关系式，实现钢索拉力的定量估算。相比声弹法和磁弹法，新方法对测试设备的要求较低，处理过程简便，拉力分辨力高，具有更好的工程应用潜力。
【IPC分类】G01L1-25
【公开号】CN104848973
【申请号】CN201510171312
【发明人】吴斌, 张瑞芳, 刘秀成, 韩强, 何存富
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月12日