护栏立柱埋深检测体系研究

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本文作者：吴斌、王泽林、周文桢、刘增华、何存富 单位：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院

超声导波护栏立柱检测原理

超声导波在管道中轴向传播时，按传播形式分3种模态，即纵向模态L(0，m)、扭转模态T(0，m)和弯曲模态F(n，m)。其中，n表示周向振动谐波数，m表示模数变量。当n=0时对应轴对称模态，即纵向和扭转模态。n=1，2，3，…时对应弯曲模态［9］。图1为护栏立柱中超声导波纵向模态频散曲线。其中，立柱外直径D=140mm，壁厚h=4．5mm。利用不同的传感器及在管道中的分布形式，可以激励单一或多种不同模态的超声导波对管道进行检测。模态个数随着模态阶次和激励频率的变化而变化［10］。王泽林等［6］、王学浦等［4］均采用压电传感器环形阵列对护栏立柱检测进行研究，从理论上将立柱简化为力学模型，并推导出超声导波轴对称模态在各种结构中的频散方程。采用低频L(0，2)模态用于护栏立柱检测，整体测量误差优于±4%或不大于±80mm，满足工程需要。为便于该压电传感器环形阵列的安装，设计了一种拆装方便的夹具［11］。然而该夹具重量较重，单人安装困难、耗时，且由于护栏立柱并非完全规则的柱状，因此，使得部分探头无法与立柱有效耦合，影响检测结果。

基于斜探头的护栏立柱埋深测量系统

为实现护栏立柱的有效检测，研制了用于超声导波激励和接收的斜探头。斜探头由纵波斜探头和斜楔形块组成。本实验中，楔形块为有机玻璃，压电晶片为PZT。斜探头斜楔块的作用是使晶片产生的超声纵波以一定的角度入射到护栏立柱，并通过波型转换使其在立柱中传播纵向超声导波。斜探头设计主要在于最佳激励频率和激励角度的选择。利用斜探头激发超声导波，可在一定范围内实现模态的选择，当选择不同的楔形块入射角时可以激发检测所需要的特定模态［12］。根据Snell定律，被激发模态所需要的入射角θ可以由该模态的相速度以及楔形块材料的纵波波速确定。θ=sin－1(c1/cp)(1)式中，c1为有机玻璃中纵波波速2730m/s;cp为超声导波纵向模态的相速度。图2给出了护栏立柱中纵向模态频率与入射角的关系曲线。由图2可知，当频率在0～400kHz、入射角在30°左右时，采用斜探头可有效激发L(0，2)模态，因此，确定斜探头的入射角为30°。考虑到斜探头与护栏立柱之间能有更加有效的耦合，斜楔块的曲率半径比护栏立柱半径大0．5mm。斜探头实物如图3所示。基于斜探头组建的超声导波护栏立柱埋深检测系统如图4所示。该系统主要由斜探头、超声导波信号激励/接收仪器模块和计算机组成。超声导波信号激励/接收仪器模块(依次包括任意函数发生器、功率放大器、转换开关和示波器)产生经汉宁窗调制的10个周期的单音频激励信号，并在放大后传至斜探头，在立柱中产生纵向模态的超声导波。超声导波在立柱中传播遇到下端面后反射，然后又由斜探头所接收，又经超声导波信号激励/接收仪器模块转换，将斜探头接收到的信号在便携式计算机上处理并且显示。

为实现超声导波的有效激励和信号采集，开发了超声导波护栏立柱检测和信号分析软件系统。该软件系统由3部分构成，分别为核心测量部分、菜单功能控制部分以及软件主界面显示部分。核心部分主要实现2个功能:数据采集和数据处理。数据采集部分实现基于USB接口的软件与硬件连接，实现测量数据的采集;数据处理部分实现对采集数据的处理，并通过算法设计，根据时域波形自动计算出相关被测量以及自动对检测结果进行判断是否符合工程要求。菜单功能控制部分主要实现对核心部分测量所必需的参数进行设置;对核心部分是否执行采集与数据处理操作进行控制，以及一些软件必备的辅助功能控制，包括数据保存、报表生成、数据查询和软件帮助文档等。该部分对各个模块功能进行了统一管理，简化了界面的复杂程度。软件主界面的设计，需要实现对采集到的数据以波形形式进行显示;对于被测立柱检测工况进行设置与显示，对波速确定方式进行选择，并显示当前测量所选择的波速值，并对检测的最终结果进行显示。超声导波护栏立柱检测和信号分析软件系统主界面如图5所示。

现场试验和结果分析

在测试过程中，首先将探头安装在立柱的侧壁上，通过耦合剂使得探头与护栏立柱耦合较好。通过计算机的软件界面，调整信号发生模块的输出频率、脉冲串长度、脉冲串时间间隔及脉冲串幅度等参数。然后激励/接收模块发射大功率的超声导波激励信号，该信号传输至探头，探头在护栏立柱中激励产生超声导波信号。护栏立柱下端面反射信号由探头接收到，转换成电信号，接着通过激励接收模块将接收到的信号传到计算机，通过专用分析软件提取出导波在立柱中的传播时间。利用超声导波在护栏立柱中传播时间和导波波速可以计算出立柱长度。导波波速按以下实验方法进行标定得到。用一根已知长度，与被测立柱相同直径、厚度和材料的立柱，按照前述的步骤读取端面回波的时间，求取波的速度。此波速可以用来计算不同长度的同种尺寸和材料的立柱长度。测量的立柱长度减去露出部分长度即可得到护栏立柱埋深。护栏立柱测量现场主要分为3种情况。第1种是土壤干燥条件下对护栏立柱进行测量。表1为随机抽取的5根护栏立柱测量结果。从表1中可以看出，所有测量结果均达到并优于国家标准GB/T24967—2010中测量精度要求。第2种是在对2m长的护栏立柱周围土壤湿润条件下(浇水后)进行的测量。得到土壤浇水前后的护栏立柱超声导波测量得到的信号如图6所示。通过分析，浇水前后测量得到的护栏立柱长度几乎没有变化，说明浇水对测量结果没有影响。确定路基水饱和对立柱长度检测结果基本没有影响。但路基水饱和后，超声导波检测回波信号的信噪比有所下降，影响信号的可识别能力。因此，在护栏立柱长度检测时，应尽量避开雨天环境下进行，避免环境湿度对立柱长度检测波形的影响，以保证检测结果更加准确、可靠。第3种是分析护栏附件对检测结果的影响。图7给出了2．15m的护栏立柱在有无安装挡板时超声导波测量得到的信号。可以看出，挡板对护栏立柱的端面回波位置和幅度几乎没有影响，可以实现不拆除护栏板状态下的立柱长度检测。与冲击弹性波法相比，超声导波技术检测时无需拆除护栏立柱附属部件是其突出的检测优点。

结论

1)超声导波护栏立柱埋深检测系统可实现现场快速准确测量，且测量结果符合工程要求和国家标准;2)研制的该专用设备检测性能稳定可靠，重复性好，波形直观;且智能便携，操作方便，探头安装便捷，对其在护栏立柱轴向安装位置无要求，检测时无需拆除护栏立柱附属部件，检测速度快，数分钟即可完成检测，提高了检测效率，降低了检测成本;3)埋置介质对检测精度影响较小，充分显示超声导波技术在高速公路护栏立柱检测应用中的巨大优势和应用潜力。