桥梁悬索损伤检测系统研究

孙永林

（广东交通职业技术学院，广东 广州 510800）

0 引言

随着我国社会经济建设的迅速发展，大跨度悬索桥越来越多。当悬索桥建成后，由于大桥长期暴露在空气中，悬索内部钢丝束也因空气中的水分和其他酸性物质而受到腐蚀，甚至出现断丝等现象，从而危及到桥梁的安全［1］。目前，大多数对悬索桥的检测和维护还不完善，检测的手段仍主要使用人工完成。为此，采用有效的方法和手段对悬索桥进行检测和评估是至关重要的。本文根据参与的横向合作项目“桥梁斜拉索检测机器人的开发与应用”的研究，利用检测机器人中的磁敏传感器检测并获取信号，采用特征信息采集和分析技术，实现完全自动化的检测工作。

本文设计的检测系统，除了必要的磁性传感器和A/D转换模块外，其它的工作模块，包括检测数据分析处理、实时地不间断检测、特征信息分析、检测视图化和检测结果报告等工作，都是由计算机软件完成，节省了成本，方便了操作过程。

1 检测系统设计方案

检测过程如图1所示。

检测系统包括三个模块和一个软件:传感器模块、A/D转换器模块、数据传输模块以及PC机中的检测数据处理软件。

检测原理如下:当磁性传感器在桥梁悬索上移动时，检测器中的高磁能磁铁快速把悬索内部的纲丝束深度磁化至饱和状态，钢丝束的损伤或断丝所引发的漏磁场，由磁敏传感器检测并获取信号。输出所获取的检测信号，经放大滤波、误差补偿等预处理后，得到计算机所能接受的信噪比，传到A/D转换器，并将模拟信号转换成数字信号，再通过RS232串口向PC传输数据;最后采用检测数据处理软件分析数据，进行视图化显示，获取检测结果报告。

图1 检测系统框图

2 信号采集与处理

2.1 传感器模块

本文采用目前世界上应用最为成功的无损检测方法的原理进行检测。首先通过永久磁铁把钢丝束磁化到饱和，如果钢丝束有损伤或断丝，会产生向外泄露的漏磁场。通过环状聚磁器将空间分布的强弱漏磁信号聚集，引导到多个检测霍尔元件组成的检测电路中［2］。在检测系统中选择了霍尔HMC1022磁阻传感器，在弱磁场下灵敏度最低0.1mT，高出实验灵敏度最低1mT，因此可以被用来测试电缆。霍尔HMC1022磁阻传感器能接受磁能量微小变化的信号，通过检测霍尔元件电压变化，可间接测得霍尔元件发出的信号，霍尔元件的输出电势可表示为［3］:

其中，KH为霍尔元件的灵敏度系数，取决于霍尔元件的材料及其厚度;I为霍尔元件的驱动电流;B为沿霍尔元件表面法向的漏磁感应强度。

霍尔HMC1022磁阻传感器检测到的磁电信号通过放大器AD623放大，预处理后传输到A/D转换器。

2.2 中值平滑滤波处理

中值平滑滤波处理几乎完成去掉了脉冲噪声，它克服了单一使用中值滤波处理的降噪效果一般和平滑滤波处理对边缘细节处理不佳的问题。中值平滑滤波处理算法简单，速度也很快。图2和图3分别是处理前后的波形图。

在经过磁敏传感器检测取得信号后，由于信号中有各种外界干扰和噪声，要进行预处理。在检测系统中，对信号进行了中值平滑处理，以此来剔除信号中可能出现的短促干扰信号和信号中无意义的野点信号。

假设Median为中值函数;x（m）为采样信号结果;u（m）平滑器的输出为:

图2 处理前的波形

图3 处理后的波形

3 特征信息的选取

经过预处理后的漏磁检测信号可以用来对是否有损伤进行评判［4］。由于钢丝束结构的复杂性，导致检测信号的强弱也极其多样和复杂。但其中具有特征性质的主要信息是信号的峰值、波宽以及波形面积等，如图4所示。

钢丝束如果出现损伤，在其局部都存在一个信号峰值，而断丝信息的峰值通常要高于一般损伤的信号峰值。信号的峰值为:

图4 特征信息

信号的峰值反映出了信号的幅度，如果要进一步描述信号的状态和纲丝束受损程度，除了考虑信号幅度方面的因素以外，还需要考虑空间分布的情况。最简单的空间公布参数是波宽，使用波宽指标来衡量钢丝束损伤程度是非常有效的。假设定义一个阈值电压Vy，波宽W的阈值波宽为:

式中，n为一个波动中的采样点数，Vy为阈值电压。

波形面积是指一个阈值波宽的信号峰值之和，它与波动信号的均值相关，如图4所示的阴影部分。它是一个既考虑幅度信号，又考虑宽度信号两方面的综合因素，是一个评判纲丝束损伤程度的重要特征信息。波形面积S为:

4 检测系统设计与实时显示

检测系统的设计选用了C++Builder 6，它是一款快速应用程序开发（RAD）工具，其编程语言是C++。它是一款面向对象的结构化语言，编程效率高，执行速度快，是目前最先进的组件技术和面向对象的高级语言之一。另外，C++Builder 6开发了一种成熟的数据库链接技术，即BDE数据库引擎，这使得C++Builder 6具有强大的数据库处理功能，使程序员可以非常容易地开发出功能强大的数据库应用程序。在检测系统中，有两个主要功能部件:特征数据库和实时显示。

4.1 特征数据库

由于斜拉桥是最近几十年才兴起的新型桥，对悬索要求还没有较完善的标准，对不同桥梁所使用的悬索纲丝束和外套都有所不同。为了提高系统的适用性，根据不同的纲丝束与外套材料分别建立特征库数据。选用Access作为特征数据库，其主要属性有峰值、阈值、波宽以及波形面积等。特征数据库如图5所示。

针对某一种特定的纲丝束和外套材料，可以通过实验获取一组特征数据值，编入数据库，指定一个特定编号。在检测时，选择针对性的特征数据作为计算参数，可以大大提高检测的准确性。

图5 特征数据库

4.2 实时显示与算法

采用C++Builder 6设计的系统实时显示界面如图6所示。

由于悬索钢丝束检测信号为局部区域的异常信号，并叠加出现于噪声背景上。为了能够对悬索纲丝束损伤进行检测，首先应从检测信号中将局部区域的异常信号分离出来。为了检测信号的方法简单实用，系统采用了峰值差超限法，此方法是利用局部异常信号的峰谷差值的特征来提取异常检测信号［5］。在检测信号中，波形是一个完整的局部峰值波形，这个峰值是由纲丝束损伤或断丝的漏磁场产生的，它比邻近的信号波形大很多，很容易用峰值差来提取。峰值差超限法的算法如下:

在指定的边界内，设起始位置为X0，阈值为threshold，经过阈值滤波处理后的离散信号序列为a［n］。

① 令i=0，low=a［0］，wlow=X0，high=a［0］，whigh=X0;

② 如果 low ＞a［i］，则令{low=a［i］;wlow=X0+i;}，在［0，n－ 1］区域继续搜索波峰最小值，最后波峰最小值记录为low，并记录该位置wlow;

③ 如果 high ＜a［i］，则令{high=a［i］;whigh=X0+i}，在［0，n－1］区域继续搜索波峰最大值，最后波峰最大值记录为high，并记录该位置whigh;

④ 计算:h=high－low，如果h＞threshold，则证明存在纲丝束有损伤，其位置中心在whigh。

根据选择的特征数据等参数计算出纲丝束损伤的程度。

使用Φ130 mm电缆进行了实验，实验机器人的传感器沿着测试的电缆以0.01 m/s的速度推进，在电缆中预设位置的损伤被检测出来，证明峰值差超限法的算法是可行的。

图6 实时显示界面

5 结束语

本文针对桥梁悬索检测问题，设计了一个检测系统。整个检测系统有三个模块和一个软件，软件可分为三个主要部分:纲丝束损伤的信号采集、信号处理以及实时显示。系统针对不同的桥梁悬索提取峰值、波宽以有波形面积等特征信息，建立特征数据库，使得计算纲丝束受损程度更准确。实验结果表明，检测系统的峰值差超限法对于正确检测到桥梁悬索纲丝束的损伤是有效的，并通过特征数据库中特征数据能准确计算出纲丝束的损伤程度。

［1］柳进，杨成，罗强，等.基于模糊控制的输油管道中检测机器人的避障研究［J］.石油工业计算机应用，2010，8（1）:43 －45.

［2］张小全，刘云翔，肖立中.钢丝绳在线不间断检测报警系统研究［J］.计算机测量与控制，2009，17（12）:2413 －2416.

［3］李辉景.大容量存储测试系统设计与研究［D］.太原:中北大学，2008.

［4］朱玉堂，田志勇，戴平.钢丝绳断丝损伤定量检测技术［J］.机电工程，2008，38（8）:44 －46.

［5］王长龙，陈鹏.漏磁信号特征提取及检测研究［J］.军械工程学院学报，2004，16（4）:1－4.