[发明专利]基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法

说明书

技术领域

本发明属于应力无损测量技术领域，涉及一种基于超声导波陷频的钢索应力测量方法。该方法利用拉力对钢索内导波传播特性影响的固有规律，采用钢索内传播的纵向模态超声导波频谱中的陷频参数来间接估算钢索拉力大小。方法采用申请者所在研究团队公布的非接触式磁致伸缩传感器(见发明专利：基于一发一收法的用于钢绞线检测的单体磁致伸缩传感器，公开号CN101832974A)，基于超声导波的陷频特征对钢索拉力进行无损、定量测量，且测试过程和信号处理过程简便，拉力分辨力较高，具有很好的工程应用潜力。

背景技术

钢索作为索支撑桥梁、客运索道等设施中的关键承载部件，其结构状况直接关系到结构设施的运行安全。钢索的拉力水平测量是结构设施健康检测的重要内容。

目前，已见报道的索力测量方法主要分为两大类：直接测量法和间接测量法。直接测量法以锚固区承压环法和植入传感器法为代表，而间接测量法主要有振动频率法、声弹法和磁弹法。

直接测量法的最突出缺点是:由于传感器和缆索一起受力，存在受力疲劳，导致传感器寿命较短，且传感器一旦安装则难以更换，无法满足对缆索拉力的长期检测需要。振动频率法是通过锤击等方式激励钢索振动，测得基频后由钢索的自由振动方程解得索力。该方法较为成熟，动态响应好，但求解过程受边界条件影响较大。声弹法和磁弹法对实验设备和传感器均有较高要求，且后续数据处理过程较为复杂。

综上所述，有必要发展高效、便捷的钢索拉力测量方法。纵向模态超声导波信号频谱中的陷频现象是申请者所在团队发现的一种钢索中导波传播的固有规律，当钢索承受的拉力水平增加时，陷频参数(如下峰值频率、上峰值频率和中心频率)将向高频范围漂移，且陷频参数与拉力大小存在固定的关系。因此，通过测量和分析钢索中传播的纵向模态超声导波的陷频参数，可间接反映出钢索拉力大小。

发明内容

本发明是一种基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，可实现高效、便捷、准确的钢索拉力间接测量。为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法，其特征在于在确定的钢索1中，当其承受轴向拉力时，其中传播的纵向模态超声导波信号频谱中存在固有的陷频特性，即某些频率成分的超声导波能量严重衰减而导致频谱凹陷现象。当钢索1所承受的拉力水平增加时，陷频参数(如下峰值频率f_l、上峰值频率f_u和中心频率f_c＝(f_l+f_u)/2)将向高频范围漂移，记录不同拉力水平下的陷频参数并拟合得到拉力与陷频参数的关系方程，实际测试时只需获取钢索1内纵向模态超声导波的陷频参数，代入预先标定得到的拉力与陷频参数的关系方程，即可计算出实际钢索的拉力大小。

测量过程的实现方式是：将激励用纵向模态磁致伸缩传感器2和接收用纵向模态磁致伸缩传感器3安装于待测钢索1上，两者间距控制为L(0.5m≤L≤2.0m)，激励用纵向模态磁致伸缩传感器2中通入频率范围为0～f_b(f_b约为200kHz)的汉宁窗调制信号，在钢索1中激励产生纵向模态超声导波8，该导波信号沿钢索1传播直接到达接收用纵向模态磁致伸缩传感器3处，被接收和采集为直达波信号9，对直达波信号9进行快速傅里叶变换得到其频谱10，在频谱10中确定出下峰值频率f_l、上峰值频率f_u和中心频率f_c等陷频参数。

基于超声导波陷频的钢索拉力测量方法的具体实现过程包括关系方程获取和实际拉力测量两部分：

关系方程获取时，针对钢索1，需在不同拉力条件下测试和提取钢索中纵向模态超声导波的陷频参数(包括下峰值频率f_l、上峰值频率f_u和中心频率f_c)。将激励用纵向模态磁致伸缩传感器2和接收用纵向模态磁致伸缩传感器3安装于待测钢索1后，利用拉伸装置对钢索进行轴向拉伸，在各拉力条件下均进行超声导波直达波检测，提取各拉力水平下的陷频参数(包括下峰值频率f_l、上峰值频率f_u和中心频率f_c)并按照形如T(f)＝a×e^bf+c×e^d·f的方程式，对拉力水平和陷频参数数据进行方程拟合，其中a、c为比例系数，b、d为常数。