一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置和方法，其裝置包括信號發(fā)生器(1)、聲發(fā)射換能器(2)、接收換能器(3)、加速度傳感器(4)、信號放大器(5)、信號采集處理系統(tǒng)(6)和擊振錘(7)；所述擊振錘(7)給橋面板(8)低頻振動信號；其方法利用非線性超聲調(diào)幅現(xiàn)象，計算并繪制旁頻能量與錘擊能量直線關(guān)系圖，通過對比該直線斜率的變化，判斷正交異性鋼橋面板U肋處是否出現(xiàn)焊縫缺陷。本發(fā)明能利用橋面板出現(xiàn)缺陷后的非線性超聲特征，有效識別正交異性鋼橋面板U肋與橋面板焊接位置是否出現(xiàn)焊縫缺陷，并能判斷缺陷的部位，為識別正交異性鋼橋面板U肋處焊縫缺陷提供理論及實用方法。
【專利說明】一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]正交異性橋面板在大跨徑和特大跨徑橋梁中越來越多地被采用。據(jù)統(tǒng)計表明，U形肋與橋面焊接裂縫是該類結(jié)構(gòu)主要的損傷形式。正交異性橋面板在焊接處出現(xiàn)的裂紋后，如果不能及時的被發(fā)現(xiàn)并采取相應的補救措施，在車輛荷載的直接作用下，裂縫會迅速發(fā)展，導致維修費用大大提高，嚴重的情況還嚴重影響橋梁使用性能，給行車安全帶來很大的危害。因此，為確保這類結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，就需要提出一定的方法對正交異性橋面板的焊縫缺陷進行在線識別，及時評價材料或結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)、預測結(jié)構(gòu)使用壽命并制定早期的維護計劃。
[0003]正交異性橋面板的焊縫位置隱蔽，檢測困難，而且裂紋分布面積廣，需要在結(jié)構(gòu)表面對結(jié)構(gòu)整體進行掃查，傳統(tǒng)無損檢測方法具有一定的局限性。這就要求尋找一種新的行之有效的方法對該類裂紋進行檢測，這種新的方法首先要對裂紋敏感，其次檢測范圍要大。在缺陷識別方法上，無損檢測技術(shù)中發(fā)展較為成熟的超聲波無損檢測技術(shù)可以提供可能的解決途徑。通過分布式的聲傳感元件，也能夠提供一定區(qū)域內(nèi)材料缺陷識別所需要的覆蓋范圍要求。
[0004]材料損傷后會表現(xiàn)出很強的非線性聲學效應，利用材料非線性聲學特性的改變來判斷材料是否出現(xiàn)損傷是一種有效的方法。但是關(guān)于非線性超聲特性的理論還不太成熟，有些非線性超聲現(xiàn)象仍無法解釋，而且關(guān)于這方面的試驗方法都存在一定的局限性，針對一些特殊的工程問題還需要進一步的研究。目前也并沒有一種簡單可行的方法用于正交異性橋面板焊接裂縫的識別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置和方法，其布置方便，操作簡單、測量結(jié)果能夠反映正交異性鋼橋面板焊接部位的狀態(tài)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置，包括信號發(fā)生器、聲發(fā)射換能器、接收換能器、加速度傳感器、信號放大器、信號采集處理系統(tǒng)和擊振錘，所述聲發(fā)射換能器、接收換能器和加速度傳感器通過耦合劑附著于橋面板表面，所述信號發(fā)生器發(fā)出的高頻超聲信號通過聲發(fā)射換能器進入信號放大器放大，放大后的信號為所述信號采集處理系統(tǒng)獲取；所述擊振錘給橋面板低頻振動信號，低頻振動信號通過加速度傳感器為所述信號采集處理系統(tǒng)獲取。
[0007]上述方案中，所述聲發(fā)射換能器通過耦合劑附著于輸入點，并與信號發(fā)生器相連，接收換能器通過耦合劑附著于輸出點，并與放大器相連，加速度傳感器通過耦合劑附著于振動輸出點，并與信號采集處理系統(tǒng)相連。[0008]上述方案中，所述鋼橋面板處于懸掛狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明還提供了一種使用上述試驗裝置識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗方法，包括以下步驟: [0010]S1、 以信號發(fā)生器發(fā)出的某一固定幅值和中心頻率fu超聲信號作為對正交異性鋼橋面板缺陷識別的載波信號，以擊振錘敲擊產(chǎn)生的低頻振動作為對缺陷的激勵信號；通過多次大小不等的多次敲擊，給橋面板多個幅度不同、模態(tài)相近的低頻擊振信號，即多個大小不等的擊振能量；
[0011]S2、通過信號采集系統(tǒng)獲得多個通道的信號；
[0012]S3、選取低頻振動頻譜[fvl, fv2]范圍，對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的低頻振動能量Ev;選取高頻中心頻率fu兩側(cè)[fu_fv2，fu_fvl]和[fu+fvl，fu+fv2]頻率范圍作為調(diào)幅旁頻范圍，并對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的旁頻能量Eb ；
[0013]S4、以旁頻能量Eb為縱坐標，以捶擊能量Ev為橫坐標，繪制多次試驗兩者的關(guān)系圖，進行直線擬合，繪制旁頻能量和捶擊能量相關(guān)直線圖，并得出該直線的斜率k，以此作為衡量正交異性鋼橋面板缺陷狀態(tài)的表征參數(shù)；
[0014]S5、將正交異性鋼橋面板檢測得到的k值與初始狀態(tài)下的1?值相比較，若發(fā)生變化，則表明有缺陷產(chǎn)生；并通過不同狀態(tài)下正交異性鋼橋面板檢測試驗，識別缺陷發(fā)展的變化情況。
[0015]上述方案中，所述信號發(fā)生器發(fā)出的超聲信號為連續(xù)正弦波,頻率為40~60kHz。
[0016]上述方案中，正交異性鋼橋面板處于懸掛狀態(tài)，擊振錘各次敲擊產(chǎn)生的振動模態(tài)相同。
[0017]實施本發(fā)明的識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置和方法，具有以下有益效果:
[0018]1、本發(fā)明試驗裝置，操作簡便，能為利用非線性超聲特征識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷提供依據(jù)和實用價值；
[0019]2、本發(fā)明試驗方法，通過對比前后測量出的旁頻能量與錘擊能量的擬合直線斜率，得出某一測區(qū)前后狀態(tài)的變化，并通過各測點位置得到出現(xiàn)缺陷的部位；簡單明了，測量結(jié)果滿足實際應用要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中:
[0021]圖1是本發(fā)明識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷試驗裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2是圖1的橋面板俯視圖；
[0023]圖3是圖1的橋面板立面圖；
[0024]圖4是旁頻能量和捶擊能量相關(guān)直線圖；
[0025]圖5是不同斷面上I號點的斜率匯總；
[0026]圖6為不同斷面上2號點的斜率匯總。
【具體實施方式】[0027]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0028]如圖1-圖3所示，本發(fā)明識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷試驗裝置，包括信號發(fā)生器1、聲發(fā)射換能器2、接收換能器3、加速度傳感器4、信號放大器5、信號米集處理系統(tǒng)6和擊振錘7。聲發(fā)射換能器2、接收換能器3和加速度傳感器4通過耦合劑附著于橋面板8表面。信號發(fā)生器I發(fā)出的高頻超聲信號通過聲發(fā)射換能器2進入信號放大器5放大，放大后的信號為信號采集處理系統(tǒng)6獲取。擊振錘7給橋面板8低頻振動信號，低頻振動信號通過加速度傳感器4為信號采集處理系統(tǒng)6獲取。
[0029]發(fā)射換能器2通過耦合劑附著于輸入點10，并與信號發(fā)生器I相連，接收換能器3通過耦合劑附著于輸出點9，并與放大器相連，加速度傳感器4通過耦合劑附著于振動輸出點11，并與信號米集處理系統(tǒng)6相連。聲發(fā)射傳感器2可布置在橋面板兩個U肋13中間，接收換能器3可布置在橋面板相鄰U肋或跨越多個U肋13進行布置，敲擊位置12可控制在發(fā)射換能器2的附近，加速度傳感器4可布置在敲擊位置12的旁邊。
[0030]進一步的，多個射傳感器布置于橋面板8前，須涂耦合材料。聲發(fā)射換能器2與信號發(fā)生器I相連，接收換能器3與放大器5相連，加速度傳感器4與信號采集處理系統(tǒng)6相連。
[0031]本發(fā)明還提供了一種使用上述試驗裝置識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗方法，包括以下步驟:
[0032]S1、以信號發(fā)生器發(fā)出的某一固定幅值和中心頻率fu超聲信號(連續(xù)正弦波,頻率40?60kHz)作為對正交異性鋼橋面板缺陷識別的載波信號，以敲擊產(chǎn)生的低頻振動作為對缺陷的激勵信號。通過多次大小不等的多次敲擊，給橋面板多個幅度不同、模態(tài)相近的低頻擊振信號，即多個大小不等的擊振能量。
[0033]S2、通過信號采集系統(tǒng)獲得多個通道的信號(包括高頻超聲信號和低頻振動信號)X” X2, X3 ；
[0034]S3、選取低頻振動頻譜[fvl, fv2]范圍，對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的低頻振動能量Ev;選取高頻中心頻率fu兩側(cè)[fu_fv2，fu_fvl]和[fu+fvl，fu+fv2]頻率范圍作為調(diào)幅旁頻范圍，并對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的旁頻能量Eb ；
[0035]S4、以旁頻能量Eb為縱坐標，以捶擊能量Ev為橫坐標，繪制多次試驗兩者的關(guān)系圖，進行直線擬合，繪制旁頻能量和捶擊能量相關(guān)直線圖，并得出該直線的斜率k，以此作為衡量正交異性鋼橋面板缺陷狀態(tài)的表征參數(shù)。
[0036]S5、將正交異性鋼橋面板檢測得到的k值與初始狀態(tài)(一般為無損狀態(tài)或早期狀態(tài))下的h值相比較，若發(fā)生變化，則表明有缺陷產(chǎn)生；并通過不同狀態(tài)下正交異性鋼橋面板檢測試驗，識別缺陷發(fā)展的變化情況。
[0037]本發(fā)明的一個具體檢測實例如下:識別一正交異性鋼橋面板焊縫缺陷，該正交異性鋼橋面板試件長1.5m,寬0.52m,材料為Q235鋼，面板厚度3.2mm, U形肋厚度2mm。
[0038]S1、保持高頻超聲信號(連續(xù)正弦波)輸入幅值IOOmVpp和頻率55KHz不變，用大小不等的三個力敲擊橋面板，給橋面板三個大小不同的擊振，其低頻信號最大振幅分別為100mV、200mV、300mV，代表三個大小不等的擊振水平；[0039]S2、通過信號采集系統(tǒng)獲得一個通道的高頻超聲信號，采樣頻率2MHz，采樣長度N=1000000，頻率分辨率IHz ；
[0040]S3、選取低頻80?400Hz范圍振動頻譜,進行積分求和，得到敲擊引起的振動能量代表值；選取高頻中心頻率兩側(cè)54.6?54.92kHz和55.08?55.4kHz范圍作為調(diào)幅旁頻范圍，對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的旁頻能量代表值；
[0041]S4、以旁頻能量為縱坐標，以捶擊能量為橫坐標，繪制兩者的關(guān)系圖，通過直線擬合，繪制旁頻能量和捶擊能量相關(guān)直線圖，并得出該直線的斜率k，如圖4所示，圖4中k =
0.3174 ；
[0042]S5、將試驗過程中測得的所有直線斜率k進行匯總，圖5為不同斷面上A側(cè)點的斜率匯總，圖6為不同斷面上C側(cè)點的斜率匯總。圖中DyDpD2和D3分別對應試件初始狀態(tài)、第一次引入裂縫狀態(tài)、第二次和第三次裂縫擴展狀態(tài)，5#、3#、1#、0#、2#、4#和6#等表示試件沿U肋縱向空間斷面位置；
[0043]S6、觀察斜率的變化可知，4#斷面和6#斷面的C側(cè)點均出現(xiàn)缺陷，且缺陷不斷增大，其他斷面上的點均未出現(xiàn)缺陷，與實際裂縫分布和發(fā)展情況呈現(xiàn)對應關(guān)系。
[0044]本發(fā)明試驗裝置操作簡便，能為利用非線性超聲特征識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷提供依據(jù)和實用價值。本發(fā)明試驗方法通過對比前后測量出的旁頻能量與錘擊能量的擬合直線斜率，得出某一測區(qū)前后狀態(tài)的變化，并通過各測點位置得到出現(xiàn)缺陷的部位；簡單明了，測量結(jié)果滿足實際應用要求。
[0045]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置，其特征在于，包括信號發(fā)生器(I)、聲發(fā)射換能器(2)、接收換能器(3)、加速度傳感器(4)、信號放大器(5)、信號采集處理系統(tǒng)(6)和擊振錘(7)，所述聲發(fā)射換能器(2)、接收換能器(3)和加速度傳感器⑷通過耦合劑附著于橋面板(8)表面，所述信號發(fā)生器(I)發(fā)出的高頻超聲信號通過聲發(fā)射換能器(2)進入信號放大器(5)放大，放大后的信號為所述信號采集處理系統(tǒng)(6)獲??；所述擊振錘(7)給橋面板(8)低頻振動信號，低頻振動信號通過加速度傳感器(4)為所述信號采集處理系統(tǒng)(6)獲取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置，其特征在于，所述聲發(fā)射換能器(2)通過耦合劑附著于輸入點(10)，并與信號發(fā)生器(I)相連，接收換能器(3)通過耦合劑附著于輸出點(9)，并與放大器相連，加速度傳感器(4)通過耦合劑附著于振動輸出點(11)，并與信號采集處理系統(tǒng)(6)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗裝置，其特征在于，所述鋼橋面板(8)處于懸掛狀態(tài)。
4.一種使用權(quán)利要求1中的試驗裝置識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、以信號發(fā)生器發(fā)出的某一固定幅值和中心頻率fu超聲信號作為對正交異性鋼橋面板缺陷識別的載波信號，以擊振錘敲擊產(chǎn)生的低頻振動作為對缺陷的激勵信號；通過多次大小不等的多次敲擊，給橋面板多個幅度不同、模態(tài)相近的低頻擊振信號，即多個大小不等的擊振能量； 52、通過信號采集系統(tǒng)獲得多個通道的信號； 53、選取低頻振動 頻譜[fvl，fv2]范圍，對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的低頻振動能量Ev;選取高頻中心頻率fu兩側(cè)[fu_fv2，fu_fvl]和[fu+fvl，fu+fv2]頻率范圍作為調(diào)幅旁頻范圍，并對該范圍內(nèi)功率譜進行積分獲得超聲信號所產(chǎn)生的旁頻能量Eb; 54、以旁頻能量Eb為縱坐標，以捶擊能量Ev為橫坐標，繪制多次試驗兩者的關(guān)系圖，進行直線擬合，繪制旁頻能量和捶擊能量相關(guān)直線圖，并得出該直線的斜率k，以此作為衡量正交異性鋼橋面板缺陷狀態(tài)的表征參數(shù)； 55、將正交異性鋼橋面板檢測得到的k值與初始狀態(tài)下的1?值相比較，若發(fā)生變化，則表明有缺陷產(chǎn)生；并通過不同狀態(tài)下正交異性鋼橋面板檢測試驗，識別缺陷發(fā)展的變化情況。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗方法，其特征在于，所述信號發(fā)生器發(fā)出的超聲信號為連續(xù)正弦波，頻率為40~60kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的識別正交異性鋼橋面板焊縫缺陷的試驗方法，其特征在于，正交異性鋼橋面板處于懸掛狀態(tài)，擊振錘各次敲擊產(chǎn)生的振動模態(tài)相同。
【文檔編號】G01N29/04GK103995051SQ201410243455
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】陳小佳, 鄭舒月, 楊科, 高飛, 周慶華, 童輝, 崔太雷 申請人:武漢理工大學