護欄立柱埋深檢測體系研究
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本文作者：吳斌、王澤林、周文楨、劉增華、何存富 單位：北京工業大學機械工程與應用電子技術學院
超聲導波在管道中軸向傳播時，按傳播形式分3種模態，即縱向模態L(0，m)、扭轉模態T(0，m)和彎曲模態F(n，m)。其中，n表示周向振動諧波數，m表示模數變量。當n=0時對應軸對稱模態，即縱向和扭轉模態。n=1，2，3，…時對應彎曲模態［9］。圖1為護欄立柱中超聲導波縱向模態頻散曲線。其中，立柱外直徑D=140mm，壁厚h=4．5mm。利用不同的傳感器及在管道中的分布形式，可以激勵單一或多種不同模態的超聲導波對管道進行檢測。模態個數隨著模態階次和激勵頻率的變化而變化［10］。王澤林等［6］、王學浦等［4］均采用壓電傳感器環形陣列對護欄立柱檢測進行研究，從理論上將立柱簡化為力學模型，并推導出超聲導波軸對稱模態在各種結構中的頻散方程。采用低頻L(0，2)模態用于護欄立柱檢測，整體測量誤差優于±4%或不大于±80mm，滿足工程需要。為便于該壓電傳感器環形陣列的安裝，設計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，且由于護欄立柱并非完全規則的柱狀，因此，使得部分探頭無法與立柱有效耦合，影響檢測結果。
基于斜探頭的護欄立柱埋深測量系統
為實現護欄立柱的有效檢測，研制了用于超聲導波激勵和接收的斜探頭。斜探頭由縱波斜探頭和斜楔形塊組成。本實驗中，楔形塊為有機玻璃，壓電晶片為PZT。斜探頭斜楔塊的作用是使晶片產生的超聲縱波以一定的角度入射到護欄立柱，并通過波型轉換使其在立柱中傳播縱向超聲導波。斜探頭設計主要在于最佳激勵頻率和激勵角度的選擇。利用斜探頭激發超聲導波，可在一定范圍內實現模態的選擇，當選擇不同的楔形塊入射角時可以激發檢測所需要的特定模態［12］。根據Snell定律，被激發模態所需要的入射角θ可以由該模態的相速度以及楔形塊材料的縱波波速確定。θ=sin－1(c1/cp)(1)式中，c1為有機玻璃中縱波波速2730m/s;cp為超聲導波縱向模態的相速度。圖2給出了護欄立柱中縱向模態頻率與入射角的關系曲線。由圖2可知，當頻率在0～400kHz、入射角在30°左右時，采用斜探頭可有效激發L(0，2)模態，因此，確定斜探頭的入射角為30°?？紤]到斜探頭與護欄立柱之間能有更加有效的耦合，斜楔塊的曲率半徑比護欄立柱半徑大0．5mm。斜探頭實物如圖3所示?；谛碧筋^組建的超聲導波護欄立柱埋深檢測系統如圖4所示。該系統主要由斜探頭、超聲導波信號激勵/接收儀器模塊和計算機組成。超聲導波信號激勵/接收儀器模塊(依次包括任意函數發生器、功率放大器、轉換開關和示波器)產生經漢寧窗調制的10個周期的單音頻激勵信號，并在放大后傳至斜探頭，在立柱中產生縱向模態的超聲導波。超聲導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，又經超聲導波信號激勵/接收儀器模塊轉換，將斜探頭接收到的信號在便攜式計算機上處理并且顯示。
為實現超聲導波的有效激勵和信號采集，開發了超聲導波護欄立柱檢測和信號分析軟件系統。該軟件系統由3部分構成，分別為核心測量部分、菜單功能控制部分以及軟件主界面顯示部分。核心部分主要實現2個功能:數據采集和數據處理。數據采集部分實現基于USB接口的軟件與硬件連接，實現測量數據的采集;數據處理部分實現對采集數據的處理，并通過算法設計，根據時域波形自動計算出相關被測量以及自動對檢測結果進行判斷是否符合工程要求。菜單功能控制部分主要實現對核心部分測量所必需的參數進行設置;對核心部分是否執行采集與數據處理操作進行控制，以及一些軟件必備的輔助功能控制，包括數據保存、報表生成、數據查詢和軟件幫助文檔等。該部分對各個模塊功能進行了統一管理，簡化了界面的復雜程度。軟件主界面的設計，需要實現對采集到的數據以波形形式進行顯示;對于被測立柱檢測工況進行設置與顯示，對波速確定方式進行選擇，并顯示當前測量所選擇的波速值，并對檢測的最終結果進行顯示。超聲導波護欄立柱檢測和信號分析軟件系統主界面如圖5所示。
現場試驗和結果分析
在測試過程中，首先將探頭安裝在立柱的側壁上，通過耦合劑使得探頭與護欄立柱耦合較好。通過計算機的軟件界面，調整信號發生模塊的輸出頻率、脈沖串長度、脈沖串時間間隔及脈沖串幅度等參數。然后激勵/接收模塊發射大功率的超聲導波激勵信號，該信號傳輸至探頭，探頭在護欄立柱中激勵產生超聲導波信號。護欄立柱下端面反射信號由探頭接收到，轉換成電信號，接著通過激勵接收模塊將接收到的信號傳到計算機，通過專用分析軟件提取出導波在立柱中的傳播時間。利用超聲導波在護欄立柱中傳播時間和導波波速可以計算出立柱長度。導波波速按以下實驗方法進行標定得到。用一根已知長度，與被測立柱相同直徑、厚度和材料的立柱，按照前述的步驟讀取端面回波的時間，求取波的速度。此波速可以用來計算不同長度的同種尺寸和材料的立柱長度。測量的立柱長度減去露出部分長度即可得到護欄立柱埋深。護欄立柱測量現場主要分為3種情況。第1種是土壤干燥條件下對護欄立柱進行測量。表1為隨機抽取的5根護欄立柱測量結果。從表1中可以看出，所有測量結果均達到并優于國家標準GB/T24967—2010中測量精度要求。第2種是在對2m長的護欄立柱周圍土壤濕潤條件下(澆水后)進行的測量。得到土壤澆水前后的護欄立柱超聲導波測量得到的信號如圖6所示。通過分析，澆水前后測量得到的護欄立柱長度幾乎沒有變化，說明澆水對測量結果沒有影響。確定路基水飽和對立柱長度檢測結果基本沒有影響。但路基水飽和后，超聲導波檢測回波信號的信噪比有所下降，影響信號的可識別能力。因此，在護欄立柱長度檢測時，應盡量避開雨天環境下進行，避免環境濕度對立柱長度檢測波形的影響，以保證檢測結果更加準確、可靠。第3種是分析護欄附件對檢測結果的影響。圖7給出了2．15m的護欄立柱在有無安裝擋板時超聲導波測量得到的信號?？梢钥闯?，擋板對護欄立柱的端面回波位置和幅度幾乎沒有影響，可以實現不拆除護欄板狀態下的立柱長度檢測。與沖擊彈性波法相比，超聲導波技術檢測時無需拆除護欄立柱附屬部件是其突出的檢測優點。
結論
1)超聲導波護欄立柱埋深檢測系統可實現現場快速準確測量，且測量結果符合工程要求和國家標準;2)研制的該專用設備檢測性能穩定可靠，重復性好，波形直觀;且智能便攜，操作方便，探頭安裝便捷，對其在護欄立柱軸向安裝位置無要求，檢測時無需拆除護欄立柱附屬部件，檢測速度快，數分鐘即可完成檢測，提高了檢測效率，降低了檢測成本;3)埋置介質對檢測精度影響較小，充分顯示超聲導波技術在高速公路護欄立柱檢測應用中的巨大優勢和應用潛力。