專利名稱：一種基于斜探頭的公路護(hù)欄立柱長度超聲導(dǎo)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(hù)欄立柱長度超聲導(dǎo)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(hù)欄，護(hù)欄立柱是護(hù)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(dǎo)致護(hù)欄的防撞性能達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在事故發(fā)生時起不到應(yīng)有的保護(hù)作用， 造成交通事故的擴(kuò)大和惡化。由于公路護(hù)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(biāo) JTJ074-94規(guī)定，需要對路基進(jìn)行重新夯實(shí)后方可再次打入，給施工監(jiān)理帶來較大的困難。 對其進(jìn)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(jìn)一步完善公路竣(交)工驗(yàn)收和質(zhì)量鑒定工作，交通運(yùn)輸部印發(fā)了《公 路工程竣(交)工驗(yàn)收辦法實(shí)施細(xì)則》(交公路發(fā)[2010]65號)。該細(xì)則自2010年5月 1日起執(zhí)行，該細(xì)則對交通安全設(shè)施檢測中增添了“波形梁護(hù)欄立柱埋入深度檢測”，所以公 路護(hù)欄立柱已經(jīng)成為公路竣(交)工驗(yàn)收的中的必檢項(xiàng)目?，F(xiàn)有的護(hù)欄立柱超聲導(dǎo)波檢測方法中必須采用傳感器陣列實(shí)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(diǎn)。

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(hù)欄立柱長度的檢測方 法，可以實(shí)現(xiàn)簡單，快速，準(zhǔn)確，無損地檢測公路護(hù)欄的長度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按照以下步驟實(shí)施檢測的1)確定超聲導(dǎo)波的傳播速度根據(jù)立柱實(shí)際的外徑與壁厚以及材料參數(shù)計算護(hù) 欄立柱中超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線，從而獲得檢測頻率下的超聲導(dǎo)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(jī)的控制下超聲導(dǎo)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(dǎo)波信號沿護(hù)欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲 導(dǎo)波信號，然后又經(jīng)過超聲導(dǎo)波激勵/接收模塊傳輸給計算機(jī)；通過計算機(jī)上的檢測軟件 即可獲得導(dǎo)波在立柱中傳播的時間，從步驟1)獲得檢測頻率下超聲導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)玻璃。本檢測方法中所述的超聲導(dǎo)波的傳播速度主要根據(jù)護(hù)欄立柱的外徑、壁厚以及材 料來計算出護(hù)欄立柱中超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線，從而獲得立柱中超聲導(dǎo)波的傳播速 度。也可以在現(xiàn)場檢測條件下進(jìn)行標(biāo)定，具體方法為先找一根已知長度的標(biāo)準(zhǔn)立柱，通過計 算出首次端面回波的時間，從而確定護(hù)欄立柱的超聲導(dǎo)波的實(shí)際傳播速度，從而可以對檢 測結(jié)果進(jìn)行修正。本檢測方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以采用單個斜探頭或者局部斜探頭陣列即可實(shí)現(xiàn)護(hù) 欄立柱長度的檢測。而現(xiàn)有的超聲導(dǎo)波檢測方法需要將多個傳感器陣列才能實(shí)現(xiàn)護(hù)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?；跊_擊彈性沖擊波法測 量護(hù)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(shí)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配，斜楔塊的材料為有機(jī)玻璃。與現(xiàn)有的檢測方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)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(hù)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(hù)欄立柱的端面回波中1、計算機(jī)，2、超聲導(dǎo)波激勵/接收模塊，3、傳感器，4、護(hù)欄立柱，5、路基，6、 超聲導(dǎo)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(hù)欄立柱 首次端面回波。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本實(shí)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(dǎo)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(dǎo)波的群速度頻散曲線。圖2即為縱向軸對稱模態(tài)導(dǎo)波的群速度頻散 曲線，橫坐標(biāo)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(dǎo)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(shí)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(shí)驗(yàn)，本實(shí)施例中所選擇激勵頻率為370kHz ；4)在計算機(jī)的控制下超聲導(dǎo)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(dǎo)波信號沿護(hù)欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲導(dǎo)波信 號，然后又經(jīng)過超聲導(dǎo)波激勵/接收儀器模塊傳輸給計算機(jī)，通過計算機(jī)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)際工程檢測需要，本實(shí)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(jìn)而獲得立柱的埋置深度d3。在實(shí)驗(yàn)室條件下和實(shí)際工程檢測現(xiàn)場進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，對埋于不同路基中 的護(hù)欄立柱分別進(jìn)行檢測，通過改變護(hù)欄立柱的埋地深度和路基的介質(zhì)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場 檢測實(shí)驗(yàn)，檢測結(jié)果表明相對誤差在3%以內(nèi)，完全可以實(shí)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(hù)欄立柱長度超聲導(dǎo)波檢測方法，其特征在于步驟如下1)確定超聲導(dǎo)波的傳播速度根據(jù)立柱實(shí)際的外徑與壁厚以及材料參數(shù)計算護(hù)欄立柱中超聲導(dǎo)波的群速度頻散曲線，從而獲得檢測頻率下的超聲導(dǎo)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(jī)的控制下超聲導(dǎo)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(dǎo)波信號沿護(hù)欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲導(dǎo)波信號，然后又經(jīng)過超聲導(dǎo)波激勵/接收模塊傳輸給計算機(jī)；通過計算機(jī)上的檢測軟件即可獲得導(dǎo)波在立柱中傳播的時間，從步驟1)獲得檢測頻率下超聲導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(hù)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(jī)玻璃。
全文摘要
一種基于斜探頭的公路護(hù)欄立柱長度超聲導(dǎo)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(jī)1、產(chǎn)生和接收超聲導(dǎo)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(hù)欄立柱側(cè)壁上端面安裝傳感器；在計算機(jī)的控制下超聲導(dǎo)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(dǎo)波信號沿護(hù)欄立柱發(fā)射出去，并通過傳感器接收反射的超聲導(dǎo)波信號，然后又經(jīng)過超聲導(dǎo)波激勵/接收模塊傳輸給計算機(jī)；通過計算里機(jī)的檢測軟件即可獲得導(dǎo)波在立柱中傳播的時間，根據(jù)超聲導(dǎo)波的傳播特性，最終獲得立柱的總長度，進(jìn)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(jìn)節(jié), 胡富翔 申請人:北京工業(yè)大學(xué)