本發(fā)明涉及一種拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕病害檢測技術(shù)，尤其涉及一種基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
：內(nèi)部鋼絲腐蝕(或銹蝕)是拉索的主要病害之一；鋼絲腐蝕病害出現(xiàn)后，會導(dǎo)致拉索的承載力降低、安全系數(shù)變小，鋼絲腐蝕病害嚴(yán)重時，甚至?xí)霈F(xiàn)斷絲，如不及時處治，最終將導(dǎo)致拉索斷裂，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)安全；對于鋼絲腐蝕病害的處治，前提是對拉索內(nèi)部的鋼絲腐蝕病害進(jìn)行檢測。綜觀現(xiàn)有技術(shù)，在役拉索內(nèi)部腐蝕檢測的技術(shù)主要有：聲發(fā)射法、射線法、導(dǎo)波法、磁性檢測法等。其中，聲發(fā)射法僅可以捕捉拉索斷絲時的動態(tài)信號，但不能及時發(fā)現(xiàn)緩慢變化的銹蝕病害，且極易受外界干擾噪聲影響，存在眾多尚未解決的技術(shù)難題；射線法雖能夠?qū)鲀?nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，但由于檢測效率低、圖像解析困難、造價高、輻射大等問題，并不適合實橋應(yīng)用；導(dǎo)波法的原理是根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)或壓電效應(yīng)，在構(gòu)件中激發(fā)沿拉索軸向傳播的彈性波，該彈性波遇到缺陷時，會產(chǎn)生反射回波，反射回波被檢測元件接收，即可獲取缺陷信息，但導(dǎo)波法存在導(dǎo)波頻散嚴(yán)重、測量精度低、周向定位困難等問題，尚未大規(guī)模應(yīng)用于實橋檢測；磁性檢測法主要包括漏磁檢測法和磁通量檢測法，是目前實橋中對拉索內(nèi)部腐蝕斷絲檢測應(yīng)用最多的方法，但是目前磁性檢測需要加裝勵磁模塊，存在體積大、質(zhì)量大、安裝時間長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對
背景技術(shù)：
中的問題，本發(fā)明提出了一種基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置，其創(chuàng)新在于：所述基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置由拉索爬行機器人、多根連接架、三個支撐輪、三根彈性連接柱、環(huán)形連接架、多個連接塊、多個磁傳感器和處理裝置組成；所述拉索爬行機器人設(shè)置于拉索上，拉索爬行機器人能夠沿著拉索軸向運動；所述連接架的下端與拉索爬行機器人的上端面連接，多根連接架沿拉索周向分布，連接架與拉索外壁之間留有間隙，連接架的軸向與拉索軸向平行；多根連接架的上端均與環(huán)形連接架的下端面連接，環(huán)形連接架套在拉索外，環(huán)形連接架與拉索外壁之間留有間隙；彈性連接柱的外端與連接架中部連接，三根彈性連接柱分別對應(yīng)三根連接架，三根彈性連接柱沿拉索周向均勻分布；彈性連接柱的軸向與拉索徑向重合，彈性連接柱的內(nèi)端與支撐輪轉(zhuǎn)動連接，三個支撐輪與三根彈性連接柱一一對應(yīng)，彈性連接柱將支撐輪抵緊在拉索外壁上；連接塊設(shè)置于環(huán)形連接架的上端面上，多個連接塊沿拉索周向均勻分布，連接塊的軸向與拉索徑向重合；每個連接塊上均設(shè)置有2個磁傳感器，同一連接塊上的2個磁傳感器沿拉索徑向分布，且同一連接塊上的2個磁傳感器與拉索側(cè)壁的間距不同；所述處理裝置搭載在拉索爬行機器人上，多個磁傳感器均與拉索爬行機器人電氣連接。本發(fā)明的基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置中，拉索爬行機器人可直接采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)(如《機械設(shè)計與研究》于2012年6月第28卷第3期所報導(dǎo)的“一種抱纜力可調(diào)的斜拉索檢測機器人設(shè)計”，又如《機械設(shè)計》于2014年4月第31卷第4期所報導(dǎo)的“一種多滾輪框架式爬索機器人的設(shè)計與分析”)，連接架、支撐輪、彈性連接柱和環(huán)形連接架所組成的結(jié)構(gòu)體相當(dāng)于支撐結(jié)構(gòu)(支撐輪和彈性連接柱主要是為了避免連接架晃動)，其最終目的是為了使連接塊和磁傳感器能夠被安裝在拉索爬行機器人軸向的一端，避免拉索爬行機器人上的鐵磁材料對檢測結(jié)果造成干擾；本發(fā)明裝置的核心在于磁傳感器的設(shè)置方式，尤其是單個連接塊上的磁傳感器及其分布方式，當(dāng)拉索爬行機器人沿拉索軸向運動時，連接塊上的2個磁傳感器可以同時對拉索徑向上不同高度位置處的磁信號進(jìn)行檢測，通過檢測結(jié)果，我們可以繪制出拉索徑向上不同高度處的磁信號沿拉索軸向的變化曲線，結(jié)合本發(fā)明的檢測方法(后文將另行介紹)，我們就可以獲知拉索內(nèi)部出現(xiàn)鋼絲銹蝕病害的位置，從而為后續(xù)的結(jié)構(gòu)受力分析以及病害處治提供依據(jù)；為了盡量減小檢測裝置對金屬磁記憶信號的影響，所述連接架、彈性連接柱、環(huán)形連接架和連接塊均采用鋁材制作，支撐輪采用塑料材料制作，連接用的螺栓均用銅質(zhì)螺栓?；谇笆鲅b置，本發(fā)明還提出了一種基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測方法，所涉及的硬件如前所述；所述基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測方法包括：與拉索軸向平行的方向記為X方向，磁傳感器與拉索表面之間的間隔距離記為提離高度；設(shè)置于同一連接塊上的2個磁傳感器形成一個檢測單元；1)驅(qū)動拉索爬行機器人沿拉索軸向勻速運動；拉索爬行機器人運動過程中，處理裝置實時記錄下磁傳感器檢測到的磁場數(shù)據(jù)以及各個磁場數(shù)據(jù)在X方向上的位置坐標(biāo)；磁場數(shù)據(jù)在X方向上的位置坐標(biāo)記為X坐標(biāo)；2)獲取到磁場數(shù)據(jù)及相應(yīng)的位置坐標(biāo)后，處理裝置將單個磁傳感器所對應(yīng)的多個磁場數(shù)據(jù)按X坐標(biāo)的位置關(guān)系繪制成磁場變化-位置曲線；對于單個檢測單元，處理裝置將檢測單元所對應(yīng)的兩個磁場變化-位置曲線疊放在一起，判斷兩條磁場變化-位置曲線是否存在交點：情況一：若兩條磁場變化-位置曲線不存在交點，則判定相應(yīng)檢測單元所對應(yīng)的檢測區(qū)域不存在拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕病害；情況二：若兩條磁場變化-位置曲線存在兩處交點，則判定相應(yīng)檢測單元所對應(yīng)的檢測區(qū)域存在拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕病害，并且鋼絲銹蝕的區(qū)域為兩個交點所對應(yīng)的X坐標(biāo)之間的區(qū)域；情況三：若兩條磁場變化-位置曲線存在一個交點，則判定相應(yīng)檢測單元所對應(yīng)的檢測區(qū)域僅將銹蝕區(qū)域部分覆蓋。前述檢測方法的原理是：將金屬磁記憶檢測應(yīng)用于拉索內(nèi)部銹蝕病害檢測是近年來的研究熱點，為此，發(fā)明人進(jìn)行了大量的研究：當(dāng)磁傳感器以平行于拉索軸向的方向?qū)鬟M(jìn)行掃描檢測時，拉索周圍的磁場會在銹蝕區(qū)域和未銹蝕區(qū)域的交界處出現(xiàn)突變；在多次試驗過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁傳感器以不同的間隔距離沿拉索軸向進(jìn)行掃描時，所獲得的多個磁場變化曲線均交于相同的兩個交點，如圖1所示，圖中的四條磁場變化曲線是試驗過程中對同一拉索試件的相同區(qū)域進(jìn)行掃描后獲得的，拉索試件內(nèi)部預(yù)制有銹蝕區(qū)，四次掃描時，磁傳感器均沿平行于拉索軸向的方向進(jìn)行掃描，各次掃描的不同之處僅在于磁傳感器與拉索的間隔距離不同，四次掃描的間隔距離分別為5cm、6cm、7cm、8cm，從圖中可見，四條磁場變化曲線均交于相同的兩個交點，在復(fù)核了銹蝕區(qū)域范圍后，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，兩個交點的位置與銹蝕區(qū)域兩側(cè)的邊界基本對應(yīng)，為了進(jìn)一步驗證前述現(xiàn)象的正確性，發(fā)明人又進(jìn)行了理論推導(dǎo)，推導(dǎo)過程如下：參見圖2，取鋼絲的縱向剖面進(jìn)行分析，假設(shè)鋼絲上的銹蝕區(qū)域長度為2b、銹蝕深度為h，則可唯象地認(rèn)為在銹蝕區(qū)域表面出現(xiàn)了磁荷分布，以銹蝕區(qū)域長度方向的中點為0點，假設(shè)在x＝-b上的鋼絲表面磁荷密度為ρmax、在x＝b上的鋼絲表面磁荷密度為-ρmax，在x∈(-b，b)范圍內(nèi)的表面磁荷密度為線性分布，則根據(jù)現(xiàn)有理論，在銹蝕區(qū)域的表面磁荷密度可用下式表達(dá)：ρ(x′,y′)=ρmax,(x′=-b,-h<y′<0)-ρmax,(x′=b,-h<y′<0)-ρmaxx′b,(-b<x′<b,y′=-h)---(1)]]>同時，銹蝕區(qū)域左端面、銹蝕區(qū)域底面和銹蝕區(qū)域右端面三個區(qū)域中任意源點的磁場強度微元矢量可用如下三式表達(dá)(后文簡稱為式(2))：dH1(x,y)=ρ(x′,y′)dy′2πμ0r12r1]]>dH2(x,y)=-ρ(x′,y′)dy′2πμ0r22r2]]>dH3(x,y)=ρ(x′,y′)dx′2πμ0r32r3]]>其中，dH1(x,y)為銹蝕區(qū)域左端面上任意源點的磁場強度微元矢量，dH2(x,y)為銹蝕區(qū)域底面上任意源點的磁場強度微元矢量，dH3(x,y)為銹蝕區(qū)域右端面上任意源點的磁場強度微元矢量，μ0為真空磁導(dǎo)率，(x′,y′)為源點坐標(biāo)，(x,y)為場點坐標(biāo)，r1、r2、r3分別為三個區(qū)域中的源點(x′,y′)到場點(x,y)之間的位移；根據(jù)圖2，將r1、r2、r3用坐標(biāo)形式的向量來表示可得如下三式(后文簡稱為式(3))：r1＝(x+b)i+(y-lh)jr2＝(x-b)i+(y-lh)jr3＝(x-lx)i+(y+h)j根據(jù)現(xiàn)有理論可知，鋼絲外圍任意一點(x,y)處的漏磁場強度都是以上三個區(qū)域的矢量疊加，故(x,y)處的漏磁場強度H(x，y)可由下式表達(dá)：H(x,y)＝H1(x,y)+H2(x,y)+H3(x,y)其中，沿x軸方向的分量Hx(x,y)為：Hx(x,y)=H1x(x,y)+H2x(x,y)+H3x(x,y)=∫dH1x(x,y)+∫dH2x(x,y)+∫dH3x(x,y)=∫-h0ρmax(x+b)2πμ0((x+b)2+(y-lh)2)dlh+∫-h0-ρmax(x-b)2πμ0((x-b)2+(y-lh)2)dlh+∫-bb-ρmaxblx(x-lx)2πμ0((x-lx)2+(y+h)2)dlh]]>將式(1)、式(2)、式(3)以及圖2中所示的各個源點坐標(biāo)代入上式可得：Hx(x,y)=ρmax2πμ0(arctan(y+hx+b)-arctan(yx+b))-ρmax2πμ0(arctany+hx-b-arctanyx-b)+ρmax2πμ0b(2b-(y+h)(arctanb-xy+h-arctan-b-xy+h)+x2ln(b-x)2+(y+h)2(b+x)2+(y+h)2)]]>令ρmax＝-10、b＝0.05、h＝0.01、x＝(-0.2:0.01:0.2)、y＝(0.01:0.01:0.02)，則可得Hx(x,y)的圖像如圖3所示，從圖中可以看出，在提離高度分別為10mm、20mm時，切向方向的磁場曲線有兩個相交點，由此，即證明了前述試驗過程中所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象的正確性，即可以通過磁場變化曲線交點的位置來確定銹蝕區(qū)域的位置。前述方案中所列的三種情況，對于情況一，自不必說，檢測區(qū)域內(nèi)的拉索內(nèi)部不存在鋼筋銹蝕病害，不用繼續(xù)檢測，對于情況二，技術(shù)人員可根據(jù)銹蝕區(qū)域的具體位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析以制定相應(yīng)的處置措施，對于情況三，則應(yīng)進(jìn)一步擴展檢測區(qū)域。本發(fā)明裝置中設(shè)置了多個檢測單元，多個檢測單元可分別對應(yīng)拉索周向上的不同區(qū)域，由于拉索內(nèi)部存在多根周向分布的鋼絲，且鋼絲上因銹蝕所引起的漏磁場作用范圍有限，，因此用多個檢測單元來將拉索周向環(huán)繞，從而實現(xiàn)對拉索的整體檢測。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：提出了一種基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置及方法，本發(fā)明可以較為準(zhǔn)確地檢測出拉索內(nèi)部的鋼絲銹蝕區(qū)域范圍。附圖說明圖1、不同提離高度的四次平行掃描所獲得磁場變化曲線圖(圖中的縱坐標(biāo)By表示磁感應(yīng)強度)；圖2、鋼筋銹蝕區(qū)域漏磁場分布模型；圖3、鋼筋銹蝕區(qū)域切向磁場強度理論曲線；圖4、本發(fā)明所采用的拉索爬行機器人結(jié)構(gòu)示意圖。圖5、環(huán)形連接架外端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中各個標(biāo)記所對應(yīng)的名稱分別為：拉索爬行機器人1、連接架2、支撐輪3、彈性連接柱4、環(huán)形連接架5、連接塊6、磁傳感器7、拉索A。具體實施方式一種基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置，其創(chuàng)新在于：所述基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置由拉索爬行機器人1、多根連接架2、三個支撐輪3、三根彈性連接柱4、環(huán)形連接架5、多個連接塊6、多個磁傳感器7和處理裝置組成；所述拉索爬行機器人1設(shè)置于拉索上，拉索爬行機器人能夠沿著拉索軸向運動；所述連接架2的下端與拉索爬行機器人1的上端面連接，多根連接架2沿拉索周向分布，連接架2與拉索外壁之間留有間隙，連接架2的軸向與拉索軸向平行；多根連接架2的上端均與環(huán)形連接架5的下端面連接，環(huán)形連接架5套在拉索外，環(huán)形連接架5與拉索外壁之間留有間隙；彈性連接柱4的外端與連接架2中部連接，三根彈性連接柱4分別對應(yīng)三根連接架2，三根彈性連接柱4沿拉索周向均勻分布；彈性連接柱4的軸向與拉索徑向重合，彈性連接柱4的內(nèi)端與支撐輪3轉(zhuǎn)動連接，三個支撐輪3與三根彈性連接柱4一一對應(yīng)，彈性連接柱4將支撐輪3抵緊在拉索外壁上；連接塊6設(shè)置于環(huán)形連接架5的上端面上，多個連接塊6沿拉索周向均勻分布，連接塊6的軸向與拉索徑向重合；每個連接塊6上均設(shè)置有2個磁傳感器7，同一連接塊6上的2個磁傳感器7沿拉索徑向分布，且同一連接塊6上的2個磁傳感器7與拉索側(cè)壁的間距不同；所述處理裝置搭載在拉索爬行機器人1上，多個磁傳感器7均與拉索爬行機器人1電氣連接。一種基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測方法，所涉及的硬件為基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置，所述基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測裝置由拉索爬行機器人1、多根連接架2、三個支撐輪3、三根彈性連接柱4、環(huán)形連接架5、多個連接塊6、多個磁傳感器7和處理裝置組成；所述拉索爬行機器人1設(shè)置于拉索上，拉索爬行機器人能夠沿著拉索軸向運動；所述連接架2的下端與拉索爬行機器人1的上端面連接，多根連接架2沿拉索周向分布，連接架2與拉索外壁之間留有間隙，連接架2的軸向與拉索軸向平行；多根連接架2的上端均與環(huán)形連接架5的下端面連接，環(huán)形連接架5套在拉索外，環(huán)形連接架5與拉索外壁之間留有間隙；彈性連接柱4的外端與連接架2中部連接，三根彈性連接柱4分別對應(yīng)三根連接架2，三根彈性連接柱4沿拉索周向均勻分布；彈性連接柱4的軸向與拉索徑向重合，彈性連接柱4的內(nèi)端與支撐輪3轉(zhuǎn)動連接，三個支撐輪3與三根彈性連接柱4一一對應(yīng)，彈性連接柱4將支撐輪3抵緊在拉索外壁上；連接塊6設(shè)置于環(huán)形連接架5的上端面上，多個連接塊6沿拉索周向均勻分布，連接塊6的軸向與拉索徑向重合；每個連接塊6上均設(shè)置有2個磁傳感器7，同一連接塊6上的2個磁傳感器7沿拉索徑向分布，且同一連接塊6上的2個磁傳感器7與拉索側(cè)壁的間距不同；所述處理裝置搭載在拉索爬行機器人1上，多個磁傳感器7均與拉索爬行機器人1電氣連接；其特征在于：所述基于金屬磁記憶的拉索腐蝕位置檢測方法包括：與拉索軸向平行的方向記為X方向，磁傳感器7與拉索表面之間的間隔距離記為提離高度；設(shè)置于同一連接塊6上的2個磁傳感器7形成一個檢測單元；1)驅(qū)動拉索爬行機器人1沿拉索軸向勻速運動；拉索爬行機器人1運動過程中，處理裝置實時記錄下磁傳感器7檢測到的磁場數(shù)據(jù)以及各個磁場數(shù)據(jù)在X方向上的位置坐標(biāo)；磁場數(shù)據(jù)在X方向上的位置坐標(biāo)記為X坐標(biāo)；2)獲取到磁場數(shù)據(jù)及相應(yīng)的位置坐標(biāo)后，處理裝置將單個磁傳感器7所對應(yīng)的多個磁場數(shù)據(jù)按X坐標(biāo)的位置關(guān)系繪制成磁場變化-位置曲線；對于單個檢測單元，處理裝置將檢測單元所對應(yīng)的兩個磁場變化-位置曲線疊放在一起，判斷兩條磁場變化-位置曲線是否存在交點：情況一：若兩條磁場變化-位置曲線不存在交點，則判定相應(yīng)檢測單元所對應(yīng)的檢測區(qū)域不存在拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕病害；情況二：若兩條磁場變化-位置曲線存在兩處交點，則判定相應(yīng)檢測單元所對應(yīng)的檢測區(qū)域存在拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕病害，并且鋼絲銹蝕的區(qū)域為兩個交點所對應(yīng)的X坐標(biāo)之間的區(qū)域；情況三：若兩條磁場變化-位置曲線存在一個交點，則判定相應(yīng)檢測單元所對應(yīng)的檢測區(qū)域僅將銹蝕區(qū)域部分覆蓋。當(dāng)前第1頁1 2 3