阅读说明：本技术 一种拉索缺陷主动导波阵列传感器及检测方法 (Active guided wave array sensor for inhaul cable defects and detection method ) 是由 秦石美 王兵见 程寿山 刘刚 张立业 黄建初 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种拉索缺陷主动导波阵列传感器及检测方法,涉及桥梁工程设计技术领域,包括套筒和传感器测控阵列,所述传感器测控阵列设置在所述套筒内侧；所述传感器测控阵列包括沿圆周方向均匀布置的压电传感器PZT晶片。本发明中传感器外形为圆筒样式,与拉索外形相适应,传感器端部以及四周的橡胶用来阻隔外界声音,提高监测准确度；传感器外套采用钢套筒,可以屏蔽外部环境电磁与噪声干扰。订制不同尺寸,进行单股、多股和整束安装,安装在拉索锚固端,用于长期监测拉索损伤状况。(The invention discloses an active guided wave array sensor for inhaul cable defects and a detection method, and relates to the technical field of bridge engineering design, wherein the active guided wave array sensor comprises a sleeve and a sensor measurement and control array, wherein the sensor measurement and control array is arranged on the inner side of the sleeve; the sensor measurement and control array comprises piezoelectric sensor PZT wafers which are uniformly arranged along the circumferential direction. The sensor is in a cylindrical shape and is adaptive to the shape of the inhaul cable, and rubber at the end part and around the sensor is used for blocking external sound, so that the monitoring accuracy is improved; the sensor outer sleeve adopts the steel sleeve, can shield external environment electromagnetism and noise interference. Different sizes are customized, single-strand, multi-strand and whole-bundle installation is carried out, and the installation is installed at the cable anchoring end and is used for monitoring the cable damage condition for a long time.)

一种拉索缺陷主动导波阵列传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及一种拉索缺陷主动导波阵列传感器及检测方法。

背景技术

拉索是缆索桥的关键受力构件，除了承重还要经受风致振动、温度变化和腐蚀作用。缆索构件失效起始于单根钢丝疲劳或者腐蚀开裂，演化为整束缆索失效。当前对于拉索缺陷状态检测的主要方法有：声发式传感器、光电式传感器、电容式传感器、人工检测等；通过这些手段能够对拉索状态进行检测，提前预警，但这些已有设备存在安装不方便、易受外部环境干扰，精度不够、维护成本高，不适宜现场长期监测等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉索缺陷主动导波阵列传感器及检测方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种拉索缺陷主动导波阵列传感器，包括套筒和传感器测控阵列，所述传感器测控阵列设置在所述套筒内侧；

所述传感器测控阵列包括沿圆周方向均匀布置的压电传感器PZT晶片。

优选地，所述套筒采用不锈钢材质或其他材质但内外侧壁涂装防锈漆。

优选地，所述套筒上设置有导线槽和插线孔，所述插线孔沿套筒径向设置，所述导线槽沿套筒内侧设置，所述插线孔与所述导线槽连通；

所述导线槽用于安装连接压电传感器PZT晶片的导线。

优选地，所述压电传感器PZT晶片通过合金连接臂与导线相连；所述插线孔采用铠装式插线孔。

优选地，所述压电传感器PZT晶片与所述合金连接臂之间设置铅片，所述铅片与所述合金连接臂之间采用焊接或粘结的方式，所述铅片与所述PZT晶片之间采用粘贴连接。

优选地，所述传感器套筒的外侧和两端设置隔离层，所述隔离层包括橡胶层和铁丝网，所述橡胶层设置在所述铁丝层的内侧。

本发明的另一目的是提供一种拉索缺陷测试的方法，包括如下步骤：

S1,安装传感器装置，并分别设置激励器激励端和传感器接收端，所述激励器形成信号矩阵中的阵元信号；

S2,步骤S1中产生的阵元信号沿着拉索索体传播，当所述阵元信号遇到缺陷时将产生波形突变信号；

S3,所述传感器接收端接收波形突变信号，并对该突变信号进行量化并确定缺陷位置。

优选地，步骤S1中包括以下内容：将拉索缺陷主动导波阵列传感器安装在拉索索体上，选取其中一个压电传感器PZT晶片作为激励器激励，其他压电传感器PZT晶片均作为传感器接收端。

优选地，步骤S1包括：将拉索缺陷主动导波阵列传感器和磁致伸缩导波传感器阵列结合使用，将拉索缺陷主动导波阵列传感器作为激励端，磁致伸缩导波传感器阵列作为接收端。

优选地，步骤S3具体包括：

对于拉索损伤或者扩展产生的波形突变信号，距离声源位置D处的位移，采用HF-RMS进行估计，即：

A——声源特征幅值；λ——声波波长；ξ——单位波长产生的衰减；D——传感器和声源位置的距离；u——传感器和声源位置的位移。

本发明的有益效果是：

本发明提供的PWASA外形为圆筒样式与拉索外形相适应，传感器端部以及四周的橡胶用来阻隔外界声音，提高监测准确度；传感器外套采用钢套筒，可以屏蔽外部环境电磁与噪声干扰。灵活适用于各种实际情况的安装，并且订制不同尺寸，进行单股、多股和整束安装，PWASA安装在拉索锚固端，用于长期监测拉索损伤状况。根据柱面导波理论，圆周方向布置的压电传感器个数大于该激励频率下的最高模态数时，由于各弯曲模态的相消干涉，将抑制弯曲模态，降低了导波多模态与频散特性的影响，提高了传感器的监测精确度。

附图说明

图1是拉索缺陷主动导波阵列传感器的立体等视图；

图2是拉索缺陷主动导波阵列传感器的正面剖视图；

图3是拉索缺陷主动导波阵列传感器的侧面剖视图；

图4是拉索缺陷主动导波阵列传感器的俯视图；

1、防锈涂层，2、设计橡胶密封层，3、铠装插线孔，4、橡胶层，5、传感器测控阵列模块，6、导线，7、导线槽，8、合金连接臂，9、PZT晶片；

图5是导波阵列数值求解过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种拉索缺陷主动导波阵列传感器，如图1所示，包括套筒和传感器测控阵列，所述传感器测控阵列设置在所述套筒内侧；

所述传感器测控阵列包括沿圆周方向均匀布置的压电传感器PZT晶片，本实施例中设置了六个晶片，也可根据拉索的直径设置成其他数量。

为了保证传感器用来隔绝电磁干扰，提高测量准确度，所述套筒采用不锈钢材质或其他材质但内外侧壁涂装防锈漆。所述传感器套筒的外侧和两端设置隔离层，所述隔离层包括橡胶层和铁丝网，所述橡胶层设置在所述铁丝层的内侧。外径3.5-10cm，内径2-8.5cm，长度12-20cm，适用于整束缆索的传感器钢护壳尺寸可以根据缆索外径加工定制。橡胶层采用丁基橡胶，厚度为0.5cm，防水防尘，并且进一步隔绝外界噪声干扰。

为了实现供电和信号连接，所述套筒上设置有导线槽和插线孔，所述插线孔沿套筒径向设置，所述导线槽沿套筒内侧设置，所述插线孔与所述导线槽连通；所述导线槽用于安装连接压电传感器PZT晶片的导线，所述压电传感器PZT晶片通过合金连接臂与导线相连；所述插线孔采用铠装式插线孔，可以更好地防锈防水，并且进一步隔绝外界电磁干扰。

所述压电传感器PZT晶片与所述合金连接臂之间设置铅片，所述铅片与所述合金连接臂之间采用焊接或粘结的方式，所述铅片与所述PZT晶片之间采用粘贴连接。

本实施例中PZT晶片的直径5mm、厚2mm，PZT晶片与合金连接臂之间采用同样直径5mm、厚2mm的铅片连接。合金连接臂采用铜片或Ni-Ti合金制作，柔性的铜片或者合金可以适应拉索外形，使得PZT晶片与拉索表面保持紧密贴合；Ni-Ti形状记忆合金刚度更柔，更适用于长期使用。

实施例2

本实施例采用实施例1中的拉索缺陷主动导波阵列传感器对拉索进行测试的方法，包括如下步骤：

S1,安装传感器装置，并分别设置激励器激励端和传感器接收端，所述激励器形成信号矩阵中的阵元信号；

S2,步骤S1中产生的阵元信号沿着拉索索体传播，当所述阵元信号遇到缺陷时将产生波形突变信号；

S3,所述传感器接收端接收波形突变信号，并对该突变信号进行量化并确定缺陷位置。

值得注意的是，此处的步骤S1可以采用两种方式设置激励器激励端和传感器接收端，第一种方式是：

将拉索缺陷主动导波阵列传感器安装在拉索索体上，选取其中一个压电传感器PZT晶片作为激励器激励，其他压电传感器PZT晶片均作为传感器接收端。

此步骤中采用循环方法获取PWAS阵元数据，一个阵元用作激励器激励端，其他均作为传感器接收端，从而形成信号矩阵中的一列阵元信号。

第二种方法则是将拉索缺陷主动导波阵列传感器和磁致伸缩导波传感器阵列结合使用，将整个拉索缺陷主动导波阵列传感器作为激励端，采用延时和加权，同时激励若干阵元实现波束成型的聚焦和性能优化；磁致伸缩导波传感器阵列作为接收端，接收信号，形成信号矩阵。

此方法中，采用尺寸小的PWAS作为阵元激励，EMATs接收导波，采用延时和加权实现波束成型的聚焦和性能优化，从而获得关注缺陷位置的灵敏度并提升阵列增益，消减噪声。

步骤S3对接收到的波形突变信号进行量化，计算接收到的波形突变信号的声波信号能，计算方法如下：

采用如下高频平方根方法(HF-RMS)量化在T时间段内接收到的声波信号能：

s代表单位时间电信号能

求解<s>时，对于2-4mm厚的碳/环氧树脂(C/epoxy)，截止频率取为400kHz。

对于拉索损伤或者扩展产生的波形突变信号，若要计算距离声源位置D处的位移，则采用HF-RMS进行估计，即：

A——声源特征幅值；λ——声波波长；ξ——单位波长产生的衰减；D——传感器和声源位置的距离；u——传感器和声源位置的位移。

由于每个PWAS距离声源的位置不同，通过上式，从而可以准确定位出声源的空间位置。激励产生轴对称的纵向模态导波，在经过离散分布局部缺陷的反射后，将产生非轴对称的弯曲模态。同时由于频散特性，导波信号在幅度与模态数量及形式上均变得非常复杂，其具体的导波阵列数值求解过程如图5所示，首先检测接收端接收到超声导波，然后采用离散小波变换处理，对离散小波变换处理结果进行精简化以及阈值化处理得到小波变换系数向量，提取获得特征值，借助获得的特征值对损伤指标进行计算，同时对计算的结果进行非一致性检验，若超过所设定的基准值，确定该损伤指标数值为离群值，说明待监测的拉索结构产生损伤；若没有超出基准值，那么说明该待检测的拉索结构完好。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供的拉索缺陷主动导波阵列传感器的外形为圆筒样式，与拉索外形相适应，传感器端部以及四周设置有橡胶用来阻隔外界声音，提高监测准确度；传感器外套采用钢套筒，可以屏蔽外部环境电磁与噪声干扰。该结构可以灵活适用于拉索安装的各种实际情况，并且可以订制不同尺寸，或者进行单股、多股和整束的安装。在使用时，传感器安装在拉索锚固端，用于长期监测拉索损伤状况。根据柱面导波理论，圆周方向布置的压电传感器个数大于该激励频率下的最高模态数时，由于各弯曲模态的相消干涉，将抑制弯曲模态，降低了导波多模态与频散特性的影响，提高了传感器的监测精确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。