本發(fā)明涉及無損檢測領(lǐng)域，尤其是一種利用超聲波檢測缺陷的系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

預(yù)應(yīng)力鋼絞線由六根彎曲鋼絲以固定的螺距圍繞一根中心鋼絲捻制而成，由于具有高效、經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)度高、松弛性能好等特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線已被廣泛應(yīng)用于高層建筑、斜拉索橋等預(yù)應(yīng)力工程中。由于長期受工作環(huán)境和承載力變化的影響，鋼絞線容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、壓痕、突發(fā)性斷裂等缺陷。一旦發(fā)生鋼絞線應(yīng)力結(jié)構(gòu)斷裂，輕則極大縮短預(yù)應(yīng)力工程壽命，埋下極大的安全隱患，重則導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力工程壞損坍塌，對社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大危害。為確保預(yù)應(yīng)力鋼絞線服役期間的安全，應(yīng)對預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行定期監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，以達(dá)到預(yù)防的目的。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線是高層建筑、斜拉索橋等預(yù)應(yīng)力工程的“骨架”，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的健康程度直接影響到預(yù)應(yīng)力工程的使用壽命和安全系數(shù)。為監(jiān)測預(yù)應(yīng)力鋼絞線的健康程度，檢測方法目前工程中常使用目測法和國外技術(shù)服務(wù)。其中，目測法檢驗(yàn)效率較低,檢驗(yàn)效果較差，且有很大的局限性——對被油污、泥沙等雜物污染的鋼絞線幾乎沒有什么檢測能力。其次，國外公司技術(shù)服務(wù)存在服務(wù)費(fèi)昂貴、技術(shù)封鎖嚴(yán)重等缺點(diǎn)。再者，鋼絞線檢測系統(tǒng)目前工程中常使用收發(fā)分置檢測系統(tǒng)，此系統(tǒng)將信號的激勵(lì)端和接收端分別置于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的兩端進(jìn)行檢測，而實(shí)際工程中大部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線后半段會被混凝土掩埋，只有一端可供夾裝換能器，此方法適用性存在局限性。此外，現(xiàn)有基于收發(fā)合置的錨桿探長無損檢測系統(tǒng)與本發(fā)明系統(tǒng)區(qū)別在于：1、錨桿探長無損檢測系統(tǒng)測量的是錨桿的長度，而本發(fā)明要檢測鋼絞線缺陷；2、錨桿探長無損檢測系統(tǒng)波形的產(chǎn)生與接收使用的任意波形發(fā)生器與示波器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對目前預(yù)應(yīng)力鋼絞線無損檢測面臨的問題，本發(fā)明提供了一種利用超聲導(dǎo)波無損檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字信號處理板卡在信號產(chǎn)生、信號處理、信號顯示方面相較下有更好的可編程性和靈活性，本發(fā)明還提供涉及利用超聲導(dǎo)波無損檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷的系統(tǒng)進(jìn)行檢測的方法，可提高檢測效率，降低檢測成本，擴(kuò)寬檢測系統(tǒng)的適用性。

本發(fā)明的超聲導(dǎo)波無損檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷的系統(tǒng)包括上位機(jī)、數(shù)字板卡、功率放大模塊、收發(fā)合置控制模塊、導(dǎo)波收發(fā)原件和增益放大模塊。

其中數(shù)字板卡包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片、FPGA、DSP、ADC、DAC和SRAM硬件芯片，以FPGA為核心，F(xiàn)PGA分別與DSP、ADC、DAC、SRAM和網(wǎng)絡(luò)接口芯片相連接，網(wǎng)絡(luò)接口芯片接受上位機(jī)的控制信號，并將控制信號傳給FPGA，F(xiàn)PGA收到控制指令啟動(dòng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器DAC發(fā)射模擬電信號給功率放大模塊，發(fā)射頻率為通過Pochhammer頻散方程求解得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線群速度頻散曲線，在群速度頻散曲線中選擇在50KHz頻率范圍內(nèi)群速度變化范圍不超過500m/s的頻率，模擬電信號經(jīng)過功率放大模塊將功率放大后傳至收發(fā)合置控制模塊，此時(shí)收發(fā)合置控制模塊開啟發(fā)射模式將模擬電信號通過導(dǎo)波收發(fā)原件由模擬電信號轉(zhuǎn)化為聲信號在預(yù)應(yīng)力鋼絞線中激勵(lì)出縱向軸對稱模態(tài)導(dǎo)波，該模態(tài)導(dǎo)波在遇到預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷處或鋼絞線的另一端時(shí)，均產(chǎn)生相應(yīng)回波，回波經(jīng)導(dǎo)波收發(fā)原件由聲信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號傳至給收發(fā)合置控制模塊，收發(fā)合置控制模塊開啟接收模式將此信號傳遞給增益放大模塊進(jìn)行增益放大，增益放大后的模擬電信號經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器ADC采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號在SRAM內(nèi)緩存后，經(jīng)FPGA傳至DSP進(jìn)行希爾伯特黃變換算法處理，處理結(jié)果經(jīng)FPGA、網(wǎng)絡(luò)接口芯片傳至給上位機(jī)顯示。

所述超聲導(dǎo)波無損檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷的系統(tǒng)的檢測方法如下：

步驟1：確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線的公徑和捻距將已知的公徑、捻距參數(shù)代入Pochhammer頻散方程，對Pochhammer頻散方程求解即得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線群速度頻散曲線；

步驟2：從群速度頻散曲線上選在50KHz頻率范圍內(nèi)群速度變化范圍不超過500m/s，且縱向模態(tài)單一的信號頻率作為檢測頻率輸入到上位機(jī)中，上位機(jī)向數(shù)字板卡傳輸控制指令生成單頻超聲信號，單頻超聲信號通過功率放大模塊、收發(fā)合置控制模塊、導(dǎo)波收發(fā)原件，在鋼絞線中激勵(lì)縱向軸對稱導(dǎo)波模態(tài)，該模態(tài)導(dǎo)波在遇到預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷處或另一端面處均產(chǎn)生相應(yīng)回波，回波經(jīng)導(dǎo)波收發(fā)原件、收發(fā)合置控制模塊、增益放大模塊傳至數(shù)字板卡使用希爾伯特黃變換算法進(jìn)行信號處理分析；

步驟3：將處理結(jié)果傳至上位機(jī)顯示，若只接收到端面回波，則預(yù)應(yīng)力鋼絞線無缺陷；若先后接收到缺陷回波和端面反射回波，則預(yù)應(yīng)力鋼絞線存在缺陷，確定缺陷回波對應(yīng)時(shí)間，將發(fā)射激勵(lì)導(dǎo)波瞬間作為零時(shí)刻，接收到導(dǎo)波信號最大值時(shí)刻為接收時(shí)刻，零時(shí)刻到接收時(shí)刻的時(shí)間長為回波對應(yīng)時(shí)間，從預(yù)應(yīng)力鋼絞線群速度頻散曲線中獲取群速度，群速度乘以缺陷回波時(shí)間，再除以2，即可得到缺陷在鋼絞線的具體位置。

本發(fā)明的有益效果是由于自主設(shè)計(jì)數(shù)字信號處理板卡，相較于現(xiàn)有的數(shù)字板卡成本更低，易于維護(hù)；由于采用收發(fā)合置檢測方式，超聲導(dǎo)波在鋼絞線中由發(fā)射到接收傳輸?shù)木嚯x更短，因此超聲導(dǎo)波的傳輸衰減更小，相較于傳統(tǒng)收發(fā)分置檢測方法，在相同的接收信噪比下，檢測距離更遠(yuǎn)，提高了檢測效率；在實(shí)際工程中大部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線后半段會被混凝土掩埋的情況下，只有一端可供夾裝換能器，本發(fā)明仍可進(jìn)行無損檢測，而傳統(tǒng)檢測方法不可行，總之，本系統(tǒng)和檢測方法適用性更廣，現(xiàn)有基于收發(fā)合置的錨桿探長無損檢測系統(tǒng)波形的產(chǎn)生與接收使用的任意波形發(fā)生器與示波器，而本發(fā)明系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字信號處理板卡在信號產(chǎn)生、信號處理、信號顯示方面相較下有更好的可編程性和靈活性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明預(yù)應(yīng)力鋼絞線超聲導(dǎo)波無損檢測系統(tǒng)原理示意圖。

圖2是本發(fā)明數(shù)字板卡電路原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的預(yù)應(yīng)力鋼絞線超聲導(dǎo)波無損檢測系統(tǒng)，包括上位機(jī)、數(shù)字板卡、功率放大模塊、收發(fā)合置控制器、導(dǎo)波收發(fā)原件和增益放大模塊，其中數(shù)字板卡包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片、FPGA、DSP、ADC、DAC和SRAM硬件芯片，如圖2所示，數(shù)字板卡以FPGA為核心，F(xiàn)PGA分別與DSP、ADC、DAC、SRAM和網(wǎng)絡(luò)接口芯片相連接，其中FPGA選型為Altera CycloneⅢ EP3C25F324C7，DSP選型為TMS320C6713，數(shù)字電路板卡在與NI公司數(shù)字采集板卡達(dá)到相同采樣率、通道數(shù)、數(shù)據(jù)處理能力的性能同時(shí)，其整體造價(jià)比后者有較大優(yōu)勢。

本發(fā)明超聲導(dǎo)波無損檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷的系統(tǒng)包括上位機(jī)、數(shù)字板卡、功率放大模塊、收發(fā)合置控制模塊、導(dǎo)波收發(fā)原件和增益放大模塊。

其中數(shù)字板卡包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片、FPGA、DSP、ADC、DAC和SRAM硬件芯片，以FPGA為核心，F(xiàn)PGA分別與DSP、ADC、DAC、SRAM和網(wǎng)絡(luò)接口芯片相連接，網(wǎng)絡(luò)接口芯片接受上位機(jī)的控制信號，并將控制信號傳給FPGA，F(xiàn)PGA收到控制指令啟動(dòng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器DAC發(fā)射模擬電信號給功率放大模塊，發(fā)射頻率為通過Pochhammer頻散方程求解得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線群速度頻散曲線，在群速度頻散曲線中選擇在50KHz頻率范圍內(nèi)群速度變化范圍不超過500m/s的頻率，模擬電信號經(jīng)過功率放大模塊將功率放大后傳至收發(fā)合置控制模塊，此時(shí)收發(fā)合置控制模塊開啟發(fā)射模式將模擬電信號通過導(dǎo)波收發(fā)原件由模擬電信號轉(zhuǎn)化為聲信號在預(yù)應(yīng)力鋼絞線中激勵(lì)出縱向軸對稱模態(tài)導(dǎo)波，該模態(tài)導(dǎo)波在遇到預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷處或鋼絞線的另一端時(shí)，均產(chǎn)生相應(yīng)回波，回波經(jīng)導(dǎo)波收發(fā)原件由聲信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號傳至給收發(fā)合置控制模塊，收發(fā)合置控制模塊開啟接收模式將此信號傳遞給增益放大模塊進(jìn)行增益放大，增益放大后的模擬電信號經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器ADC采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號在SRAM內(nèi)緩存后，經(jīng)FPGA傳至DSP進(jìn)行希爾伯特黃變換算法處理，處理結(jié)果經(jīng)FPGA、網(wǎng)絡(luò)接口芯片傳至給上位機(jī)顯示。

基于上述超聲導(dǎo)波無損檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷的系統(tǒng)，本發(fā)明使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢測的方法如下：

步驟1：確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線的公徑和捻距將已知的公徑、捻距參數(shù)代入Pochhammer頻散方程，對Pochhammer頻散方程求解即得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線群速度頻散曲線；

步驟2：從群速度頻散曲線上選在50KHz頻率范圍內(nèi)群速度變化范圍不超過500m/s，且縱向模態(tài)單一的信號頻率作為檢測頻率輸入到上位機(jī)中，上位機(jī)向數(shù)字板卡傳輸控制指令生成單頻超聲信號，單頻超聲信號通過功率放大模塊、收發(fā)合置控制模塊、導(dǎo)波收發(fā)原件，在鋼絞線中激勵(lì)縱向軸對稱導(dǎo)波模態(tài)，該模態(tài)導(dǎo)波在遇到預(yù)應(yīng)力鋼絞線缺陷處或另一端面處均產(chǎn)生相應(yīng)回波，回波經(jīng)導(dǎo)波收發(fā)原件、收發(fā)合置控制模塊、增益放大模塊傳至數(shù)字板卡使用希爾伯特黃變換算法進(jìn)行信號處理分析；

步驟3：將處理結(jié)果傳至上位機(jī)顯示，若只接收到端面回波，則預(yù)應(yīng)力鋼絞線無缺陷；若先后接收到缺陷回波和端面反射回波，則預(yù)應(yīng)力鋼絞線存在缺陷，確定缺陷回波對應(yīng)時(shí)間，將發(fā)射激勵(lì)導(dǎo)波瞬間作為零時(shí)刻，接收到導(dǎo)波信號最大值時(shí)刻為接收時(shí)刻，零時(shí)刻到接收時(shí)刻的時(shí)間長為回波對應(yīng)時(shí)間，從預(yù)應(yīng)力鋼絞線群速度頻散曲線中獲取群速度，群速度乘以缺陷回波時(shí)間，再除以2，即可得到缺陷在鋼絞線的具體位置。