專利名稱：一種基于斜探頭的公路護欄立柱長度超聲導波檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于斜探頭的公路護欄立柱長度超聲導波檢測方法，屬于公路交 通安全設(shè)施無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為防止在高速公路上行駛的汽車沖出公路或駛?cè)牍返膶ο蜍嚨酪l(fā)交通事故， 現(xiàn)代高速公路的路側(cè)及中央隔離帶內(nèi)都架設(shè)有防撞護欄，護欄立柱是護欄的主要承載部 件。目前由于國內(nèi)存在施工單位誠信度低等問題，在施工過程中，出現(xiàn)人為使用不合格的短 立柱的情況，導致護欄的防撞性能達不到設(shè)計標準，在事故發(fā)生時起不到應(yīng)有的保護作用， 造成交通事故的擴大和惡化。由于公路護欄立柱的大部分長度在地面以下，屬于隱蔽工程， 無法直接測量。目前常用的方法是拔出后檢測，這不僅會破壞路基的完整性，而且按國標 JTJ074-94規(guī)定，需要對路基進行重新夯實后方可再次打入，給施工監(jiān)理帶來較大的困難。 對其進行有效的檢測特別是埋地部分存在很大的困難。目前為了進一步完善公路竣(交)工驗收和質(zhì)量鑒定工作，交通運輸部印發(fā)了《公 路工程竣(交)工驗收辦法實施細則》(交公路發(fā)[2010]65號)。該細則自2010年5月 1日起執(zhí)行，該細則對交通安全設(shè)施檢測中增添了“波形梁護欄立柱埋入深度檢測”，所以公 路護欄立柱已經(jīng)成為公路竣(交)工驗收的中的必檢項目?，F(xiàn)有的護欄立柱超聲導波檢測方法中必須采用傳感器陣列實現(xiàn)立柱的檢測，這樣 需要相應(yīng)的傳感器專用夾具，安裝復(fù)雜，成本較高。采用該檢測方法具有檢測方便、快捷和 精度高的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種方便而又能快速檢測的公路護欄立柱長度的檢測方 法，可以實現(xiàn)簡單，快速，準確，無損地檢測公路護欄的長度。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按照以下步驟實施檢測的1)確定超聲導波的傳播速度根據(jù)立柱實際的外徑與壁厚以及材料參數(shù)計算護 欄立柱中超聲導波的群速度頻散曲線，從而獲得檢測頻率下的超聲導波傳播速度；2)將傳感器安裝在露出路基上面的立柱上；3)在計算機的控制下超聲導波激勵/接收模塊產(chǎn)生功率為200W-500W的激勵信 號，通過傳感器激勵出超聲導波信號沿護欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲 導波信號，然后又經(jīng)過超聲導波激勵/接收模塊傳輸給計算機；通過計算機上的檢測軟件 即可獲得導波在立柱中傳播的時間，從步驟1)獲得檢測頻率下超聲導波的傳播速度，立柱 中的傳播時間乘以群速度除以2，即可獲得立柱的總長度，進而獲得立柱的埋置深度；所述的傳感器采用單個超聲斜探頭或者局部超聲斜探頭陣列；所述的超聲導波激 勵/接收模塊依次包括任意函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、轉(zhuǎn)換開關(guān)和示波器；所選擇的檢測頻 率為300kHz-500kHz之間，所選擇的導波模態(tài)為L(0，2)模態(tài)。
所述單個超聲斜探頭或者局部超聲斜探頭陣列的斜楔塊的角度為20° 50°之 間，斜楔塊的材料為有機玻璃。本檢測方法中所述的超聲導波的傳播速度主要根據(jù)護欄立柱的外徑、壁厚以及材 料來計算出護欄立柱中超聲導波的群速度頻散曲線，從而獲得立柱中超聲導波的傳播速 度。也可以在現(xiàn)場檢測條件下進行標定，具體方法為先找一根已知長度的標準立柱，通過計 算出首次端面回波的時間，從而確定護欄立柱的超聲導波的實際傳播速度，從而可以對檢 測結(jié)果進行修正。本檢測方法最大的優(yōu)點是可以采用單個斜探頭或者局部斜探頭陣列即可實現(xiàn)護 欄立柱長度的檢測。而現(xiàn)有的超聲導波檢測方法需要將多個傳感器陣列才能實現(xiàn)護欄立柱 的檢測，這樣不但需要專用的傳感器夾具，而且需要多個傳感器。基于沖擊彈性沖擊波法測 量護欄鋼立柱的檢測方法安裝更加復(fù)雜，需要安裝自動激勵捶，并且信號處理方法復(fù)雜，誤 判率較高，檢測一根立柱的時間為7分鐘左右，并且檢測相對誤差為5%，而本方法只需通 過超聲檢測耦合劑將斜探頭與立柱耦合在一起即可實現(xiàn)立柱的檢測，檢測時間在2分鐘以 內(nèi)，檢測相對誤差控制在3 %以內(nèi)。由于在不同工況條件下，相應(yīng)的最佳檢測頻率有所不同，在檢測頻率為 300kHz-500kHz之間選擇信噪比好的回波信號作為最佳檢測頻率，所選擇的導波模態(tài)為 L(0,2)模態(tài)。由圖2可知在該檢測頻率范圍內(nèi)，縱向?qū)ΨQ模態(tài)有L(0，1)模態(tài)、L(0，2)模態(tài) 和L(0，3)模態(tài)，還存在非對稱模態(tài)F模態(tài)。在立柱上局部激勵時既有對稱模態(tài)，又有非對 稱模態(tài)出現(xiàn)，可是經(jīng)過理論計算和大量的實驗表明在該檢測頻率范圍內(nèi)，只有L(0，2)模態(tài) 在路基中的衰減最小，并且容易激勵速度快，所以采用局部激勵后，由斜探頭接收到的模態(tài) 是L(0，2)模態(tài)。同樣經(jīng)過理論計算和實驗發(fā)現(xiàn)，當所選擇斜楔塊的角度為20° 50°之間時，可 以最有效的激勵和結(jié)收L(0，2)模態(tài)，并且可以實現(xiàn)激勵和接收的方向性。由于立柱材料主 要是以Q235鋼為主，為了實現(xiàn)阻抗匹配，斜楔塊的材料為有機玻璃。與現(xiàn)有的檢測方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)傳感器安裝方便；2)對公路路基沒有破壞，檢測速度快，檢測成本低；3)檢測精度高，重復(fù)性高。


圖1檢測裝置原理圖；圖2護欄立柱縱向模態(tài)群速度頻散曲線圖3激勵信號中心頻率為370kHz時的埋土 5護欄立柱的端面回波中1、計算機，2、超聲導波激勵/接收模塊，3、傳感器，4、護欄立柱，5、路基，6、 超聲導波激勵接收裝置，7、L (0，1)模態(tài)，8、L (0，2)模態(tài)，9、L (0，3)模態(tài)，10、埋土護欄立柱 首次端面回波。
具體實施例方式如圖1所示，本實施例中立柱的長度為2. 05m，外徑為140mm，璧厚為5mm，密度
4為7800kg/m3，縱波波速為5960m/s，橫波波速為3260m/s。立柱埋置于土中的部分d2 = 1.1m。所述的超聲導波激勵/接收模塊由任意函數(shù)發(fā)生器(Agilent33220A)、功率放大器 (Ultra2020)、轉(zhuǎn)換開關(guān)和示波器組成。1)根據(jù)立柱的外徑與壁厚以及立柱材料的密度、縱波波速和橫波波速，計算立柱 中的縱向軸對稱模態(tài)導波的群速度頻散曲線。圖2即為縱向軸對稱模態(tài)導波的群速度頻散 曲線，橫坐標范圍在0-0. 6MHz之間，其中7為L(0，1)模態(tài)，8為L(0，2)模態(tài)，9為L(0，3) 模態(tài)，選取檢測頻率為370kHz，在立柱中接收到的首次端面回波中的導波模態(tài)主要是L(0， 2)模態(tài)，因此，該頻率在頻散曲線上所對應(yīng)的群速度為4218. 39m/s ；2)將傳感器安裝在立柱的上端側(cè)壁，本實施例中所用的傳感器是一定中心頻率的 斜探頭。3)通過理論計算和實驗，本實施例中所選擇激勵頻率為370kHz ；4)在計算機的控制下超聲導波激勵/接收儀器模塊產(chǎn)生大功率的激勵信號，通 過傳感器激勵出超聲導波信號沿護欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲導波信 號，然后又經(jīng)過超聲導波激勵/接收儀器模塊傳輸給計算機，通過計算機上的檢測軟件獲 得檢測結(jié)果如圖3所示，其中8為立柱底端的端面回波，從檢測結(jié)果中即可獲得導波在立柱 中傳播的時間0. 935ms，從步驟1)獲得該檢測頻率下超聲導波的群速度4218. 39m/s，立柱 中的傳播時間乘以群速度除以2，即可獲得立柱的總長度為2. 01m，相對誤差為1.95%，完 全滿足實際工程檢測需要，本實施例中1 = 0，通過卷尺量出露出路基以上部分的立柱長度 d2進而獲得立柱的埋置深度d3。在實驗室條件下和實際工程檢測現(xiàn)場進行了大量的實驗研究，對埋于不同路基中 的護欄立柱分別進行檢測，通過改變護欄立柱的埋地深度和路基的介質(zhì)進行了大量的現(xiàn)場 檢測實驗，檢測結(jié)果表明相對誤差在3%以內(nèi)，完全可以實現(xiàn)工程檢測要求。該方法具有非 常重要的工程應(yīng)用價值！
權(quán)利要求
一種基于斜探頭的公路護欄立柱長度超聲導波檢測方法，其特征在于步驟如下1)確定超聲導波的傳播速度根據(jù)立柱實際的外徑與壁厚以及材料參數(shù)計算護欄立柱中超聲導波的群速度頻散曲線，從而獲得檢測頻率下的超聲導波傳播速度；2)將傳感器安裝在露出路基上面的立柱上；3)在計算機的控制下超聲導波激勵/接收模塊產(chǎn)生功率為200W 500W的激勵信號，通過傳感器激勵出超聲導波信號沿護欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲導波信號，然后又經(jīng)過超聲導波激勵/接收模塊傳輸給計算機；通過計算機上的檢測軟件即可獲得導波在立柱中傳播的時間，從步驟1)獲得檢測頻率下超聲導波的傳播速度，立柱中的傳播時間乘以群速度除以2，即可獲得立柱的總長度，進而獲得立柱的埋置深度；所述的傳感器采用單個超聲斜探頭或者局部超聲斜探頭陣列；所述的超聲導波激勵/接收模塊依次包括任意函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、轉(zhuǎn)換開關(guān)和示波器；所選擇的檢測頻率為300kHz 500kHz之間，所選擇的導波模態(tài)為L(0，2)模態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種公路護欄立柱長度檢測方法，其特征在于所述單個超聲 斜探頭或者局部超聲斜探頭陣列的斜楔塊的角度為20° 50°之間，斜楔塊的材料為有 機玻璃。
全文摘要
一種基于斜探頭的公路護欄立柱長度超聲導波檢測方法，屬于公路交通安全設(shè)施無損檢測領(lǐng)域。本發(fā)明由工業(yè)控制計算機1、產(chǎn)生和接收超聲導波信號的模塊2和傳感器3組成，其特征在于在位于路基上面的護欄立柱側(cè)壁上端面安裝傳感器；在計算機的控制下超聲導波激勵/接收模塊產(chǎn)生功率為200W-500W的激勵信號，通過傳感器激勵出超聲導波信號沿護欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲導波信號，然后又經(jīng)過超聲導波激勵/接收模塊傳輸給計算機；通過計算里機的檢測軟件即可獲得導波在立柱中傳播的時間，根據(jù)超聲導波的傳播特性，最終獲得立柱的總長度，進而獲得立柱的埋置深度。本發(fā)明對公路路基沒有破壞，檢測速度快、精度高且檢測成本低。
文檔編號G01B15/00GK101922922SQ20101021083
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者何存富, 劉增華, 吳斌, 周進節(jié), 胡富翔 申請人:北京工業(yè)大學