超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

吳 斌，王澤林，周文楨，劉增華，何存富

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

0 引言

高速公路交通事故時(shí)有發(fā)生，由車(chē)輛越出路基或翻越逆行車(chē)道引發(fā)的特、重大惡性交通事超過(guò)該類(lèi)事故總數(shù)的一半以上［1］。護(hù)欄立柱直接決定了護(hù)欄的吸能效果和抗沖擊能力，因此不同防撞級(jí)別要求的路況對(duì)立柱埋深及長(zhǎng)度有嚴(yán)格的要求標(biāo)準(zhǔn)［2］。采用有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量護(hù)欄立柱埋深，可有效防范因不良施工單位偷工減料而造成的安全隱患，同時(shí)還能避免全過(guò)程施工監(jiān)理、節(jié)約大量的人力物力。

高速公路防撞護(hù)欄立柱的無(wú)損測(cè)量方法已有一定研究。例如，賈志絢等［3］采用沖擊錘在高速公路護(hù)欄立柱端部激勵(lì)彈性波，測(cè)量護(hù)欄立柱埋置深度，取得了一定的檢測(cè)效果。何存富等［4］首次將超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用于護(hù)欄立柱的埋深檢測(cè)，初步結(jié)果顯示超聲導(dǎo)波技術(shù)在護(hù)欄立柱檢測(cè)中具有較為突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。趙星等［5］對(duì)基于彈性波和超聲導(dǎo)波技術(shù)這2種高速公路護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)方法進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)超聲導(dǎo)波測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)干擾較小，精度較高，只是需要特定檢測(cè)設(shè)備的支持。王澤林等［6］采用自主研制的壓電傳感器環(huán)形陣列激勵(lì)低頻超聲導(dǎo)波用于護(hù)欄立柱檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全能夠達(dá)到工程檢測(cè)的精度要求。同時(shí)，在檢測(cè)時(shí)不需要拆除固定在立柱上的其他構(gòu)件，大大提高了檢測(cè)效率。

本研究在選取適合護(hù)欄立柱工程檢測(cè)的頻率及模態(tài)基礎(chǔ)上，主要是設(shè)計(jì)一種便攜式、操作簡(jiǎn)便的護(hù)欄立柱檢測(cè)專(zhuān)用傳感器，研制一種基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)的硬件系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)超聲導(dǎo)波檢測(cè)與分析軟件;將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程的檢測(cè)中，分析工程現(xiàn)場(chǎng)因素對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的影響，以確定此系統(tǒng)是否滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工程檢測(cè)要求。

1 超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱檢測(cè)原理

當(dāng)超聲波在諸如板、桿和管道等波導(dǎo)介質(zhì)中傳播時(shí)，將會(huì)在界面來(lái)回反射和折射，產(chǎn)生復(fù)雜的波型轉(zhuǎn)換以及相互干涉，這種經(jīng)波導(dǎo)介質(zhì)邊界制導(dǎo)傳播的超聲波稱(chēng)為超聲導(dǎo)波［7-8］。超聲導(dǎo)波在管道中軸向傳播時(shí)，按傳播形式分3種模態(tài)，即縱向模態(tài)L(0，m)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0，m)和彎曲模態(tài)F(n，m)。其中，n表示周向振動(dòng)諧波數(shù)，m表示模數(shù)變量。當(dāng)n=0時(shí)對(duì)應(yīng)軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)，即縱向和扭轉(zhuǎn)模態(tài)。n=1，2，3，…時(shí)對(duì)應(yīng)彎曲模態(tài)［9］。圖 1為護(hù)欄立柱中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)頻散曲線。其中，立柱外直徑D=140 mm，壁厚h=4.5 mm。

圖1 護(hù)欄立柱中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)群速度頻散曲線Fig.1 Group velocity dispersion curves of longitudinal ultrasonic guided wave modes in a guardrail post

利用不同的傳感器及在管道中的分布形式，可以激勵(lì)單一或多種不同模態(tài)的超聲導(dǎo)波對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。模態(tài)個(gè)數(shù)隨著模態(tài)階次和激勵(lì)頻率的變化而變化［10］。王澤林等［6］、王學(xué)浦等［4］均采用壓電傳感器環(huán)形陣列對(duì)護(hù)欄立柱檢測(cè)進(jìn)行研究，從理論上將立柱簡(jiǎn)化為力學(xué)模型，并推導(dǎo)出超聲導(dǎo)波軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)在各種結(jié)構(gòu)中的頻散方程。采用低頻L(0，2)模態(tài)用于護(hù)欄立柱檢測(cè)，整體測(cè)量誤差優(yōu)于±4%或不大于±80 mm，滿(mǎn)足工程需要。為便于該壓電傳感器環(huán)形陣列的安裝，設(shè)計(jì)了一種拆裝方便的夾具［11］。然而該夾具重量較重，單人安裝困難、耗時(shí)，且由于護(hù)欄立柱并非完全規(guī)則的柱狀，因此，使得部分探頭無(wú)法與立柱有效耦合，影響檢測(cè)結(jié)果。

2 基于斜探頭的護(hù)欄立柱埋深測(cè)量系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)護(hù)欄立柱的有效檢測(cè)，研制了用于超聲導(dǎo)波激勵(lì)和接收的斜探頭。斜探頭由縱波斜探頭和斜楔形塊組成。本實(shí)驗(yàn)中，楔形塊為有機(jī)玻璃，壓電晶片為PZT。斜探頭斜楔塊的作用是使晶片產(chǎn)生的超聲縱波以一定的角度入射到護(hù)欄立柱，并通過(guò)波型轉(zhuǎn)換使其在立柱中傳播縱向超聲導(dǎo)波。斜探頭設(shè)計(jì)主要在于最佳激勵(lì)頻率和激勵(lì)角度的選擇。利用斜探頭激發(fā)超聲導(dǎo)波，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)模態(tài)的選擇，當(dāng)選擇不同的楔形塊入射角時(shí)可以激發(fā)檢測(cè)所需要的特定模態(tài)［12］。根據(jù)Snell定律，被激發(fā)模態(tài)所需要的入射角θ可以由該模態(tài)的相速度以及楔形塊材料的縱波波速確定。

式中，c1為有機(jī)玻璃中縱波波速2 730 m/s;cp為超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的相速度。

圖2給出了護(hù)欄立柱中縱向模態(tài)頻率與入射角的關(guān)系曲線。由圖2可知，當(dāng)頻率在0～400 kHz、入射角在30°左右時(shí)，采用斜探頭可有效激發(fā)L(0，2)模態(tài)，因此，確定斜探頭的入射角為30°?？紤]到斜探頭與護(hù)欄立柱之間能有更加有效的耦合，斜楔塊的曲率半徑比護(hù)欄立柱半徑大0.5 mm。斜探頭實(shí)物如圖3所示。

基于斜探頭組建的超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)主要由斜探頭、超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)/接收儀器模塊和計(jì)算機(jī)組成。

超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)/接收儀器模塊(依次包括任意函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和示波器)產(chǎn)生經(jīng)漢寧窗調(diào)制的10個(gè)周期的單音頻激勵(lì)信號(hào)，并在放大后傳至斜探頭，在立柱中產(chǎn)生縱向模態(tài)的超聲導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波在立柱中傳播遇到下端面后反射，然后又由斜探頭所接收，又經(jīng)超聲導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)/接收儀器模塊轉(zhuǎn)換，將斜探頭接收到的信號(hào)在便攜式計(jì)算機(jī)上處理并且顯示。

圖2 護(hù)欄立柱中縱向模態(tài)頻率與入射角的關(guān)系曲線Fig.2 Longitudinal mode dispersion curves plotted as a function of incidence angle in a guardrail post

圖3 斜探頭實(shí)物圖Fig.3 Photograph of angle beam probe

圖4 超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of embedment depth measurement system of guardrail post based on ultrasonic guided wave technique

為實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的有效激勵(lì)和信號(hào)采集，開(kāi)發(fā)了超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱檢測(cè)和信號(hào)分析軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，分別為核心測(cè)量部分、菜單功能控制部分以及軟件主界面顯示部分。核心部分主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能:數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)基于USB接口的軟件與硬件連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)處理部分實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理，并通過(guò)算法設(shè)計(jì)，根據(jù)時(shí)域波形自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)被測(cè)量以及自動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷是否符合工程要求。

菜單功能控制部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)核心部分測(cè)量所必需的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;對(duì)核心部分是否執(zhí)行采集與數(shù)據(jù)處理操作進(jìn)行控制，以及一些軟件必備的輔助功能控制，包括數(shù)據(jù)保存、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)查詢(xún)和軟件幫助文檔等。該部分對(duì)各個(gè)模塊功能進(jìn)行了統(tǒng)一管理，簡(jiǎn)化了界面的復(fù)雜程度。

軟件主界面的設(shè)計(jì)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)以波形形式進(jìn)行顯示;對(duì)于被測(cè)立柱檢測(cè)工況進(jìn)行設(shè)置與顯示，對(duì)波速確定方式進(jìn)行選擇，并顯示當(dāng)前測(cè)量所選擇的波速值，并對(duì)檢測(cè)的最終結(jié)果進(jìn)行顯示。超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱檢測(cè)和信號(hào)分析軟件系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱檢測(cè)和信號(hào)分析軟件系統(tǒng)主界面Fig.5 Main interface of software system for ultrasonic guided waves inspection of guardrail posts and signal processing

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和結(jié)果分析

在測(cè)試過(guò)程中，首先將探頭安裝在立柱的側(cè)壁上，通過(guò)耦合劑使得探頭與護(hù)欄立柱耦合較好。通過(guò)計(jì)算機(jī)的軟件界面，調(diào)整信號(hào)發(fā)生模塊的輸出頻率、脈沖串長(zhǎng)度、脈沖串時(shí)間間隔及脈沖串幅度等參數(shù)。然后激勵(lì)/接收模塊發(fā)射大功率的超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)傳輸至探頭，探頭在護(hù)欄立柱中激勵(lì)產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號(hào)。

護(hù)欄立柱下端面反射信號(hào)由探頭接收到，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接著通過(guò)激勵(lì)接收模塊將接收到的信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)，通過(guò)專(zhuān)用分析軟件提取出導(dǎo)波在立柱中的傳播時(shí)間。

利用超聲導(dǎo)波在護(hù)欄立柱中傳播時(shí)間和導(dǎo)波波速可以計(jì)算出立柱長(zhǎng)度。導(dǎo)波波速按以下實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行標(biāo)定得到。用一根已知長(zhǎng)度，與被測(cè)立柱相同直徑、厚度和材料的立柱，按照前述的步驟讀取端面回波的時(shí)間，求取波的速度。此波速可以用來(lái)計(jì)算不同長(zhǎng)度的同種尺寸和材料的立柱長(zhǎng)度。測(cè)量的立柱長(zhǎng)度減去露出部分長(zhǎng)度即可得到護(hù)欄立柱埋深。

護(hù)欄立柱測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)主要分為3種情況。第1種是土壤干燥條件下對(duì)護(hù)欄立柱進(jìn)行測(cè)量。表1為隨機(jī)抽取的5根護(hù)欄立柱測(cè)量結(jié)果。從表1中可以看出，所有測(cè)量結(jié)果均達(dá)到并優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24967—2010中測(cè)量精度要求。

第2種是在對(duì)2 m長(zhǎng)的護(hù)欄立柱周?chē)寥罎駶?rùn)條件下(澆水后)進(jìn)行的測(cè)量。得到土壤澆水前后的護(hù)欄立柱超聲導(dǎo)波測(cè)量得到的信號(hào)如圖6所示。通過(guò)分析，澆水前后測(cè)量得到的護(hù)欄立柱長(zhǎng)度幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明澆水對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。確定路基水飽和對(duì)立柱長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果基本沒(méi)有影響。但路基水飽和后，超聲導(dǎo)波檢測(cè)回波信號(hào)的信噪比有所下降，影響信號(hào)的可識(shí)別能力。因此，在護(hù)欄立柱長(zhǎng)度檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)雨天環(huán)境下進(jìn)行，避免環(huán)境濕度對(duì)立柱長(zhǎng)度檢測(cè)波形的影響，以保證檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

圖6 土壤澆水前后的護(hù)欄立柱超聲導(dǎo)波測(cè)量得到的信號(hào)Fig.6 Ultrasonic guided waves signals received in the guardrail post before and after watering

表1 埋土護(hù)欄立柱長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果Table 1 Length measurement results of guardrail posts embedded in soil

第3種是分析護(hù)欄附件對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。圖7給出了2.15 m的護(hù)欄立柱在有無(wú)安裝擋板時(shí)超聲導(dǎo)波測(cè)量得到的信號(hào)。可以看出，擋板對(duì)護(hù)欄立柱的端面回波位置和幅度幾乎沒(méi)有影響，可以實(shí)現(xiàn)不拆除護(hù)欄板狀態(tài)下的立柱長(zhǎng)度檢測(cè)。與沖擊彈性波法相比，超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)時(shí)無(wú)需拆除護(hù)欄立柱附屬部件是其突出的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)。

圖7 有無(wú)安裝擋板的護(hù)欄立柱超聲導(dǎo)波測(cè)量得到的信號(hào)Fig.7 Ultrasonic guided waves signals received in the guardrail post without and with baffles

4 結(jié)論

1)超聲導(dǎo)波護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果符合工程要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);

2)研制的該專(zhuān)用設(shè)備檢測(cè)性能穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好，波形直觀;且智能便攜，操作方便，探頭安裝便捷，對(duì)其在護(hù)欄立柱軸向安裝位置無(wú)要求，檢測(cè)時(shí)無(wú)需拆除護(hù)欄立柱附屬部件，檢測(cè)速度快，數(shù)分鐘即可完成檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)成本;

3)埋置介質(zhì)對(duì)檢測(cè)精度影響較小，充分顯示超聲導(dǎo)波技術(shù)在高速公路護(hù)欄立柱檢測(cè)應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

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