磁通量检测法对斜拉桥缆索进行无损检测试验的相关分析

摘要：斜拉索是斜拉桥的核心结构，其组成主要是钢绞线或者钢筋，属于金属材料，所以利用其导磁性就可以实现对其无损检验，本文就是从此入手分析了磁通量检测法在斜拉桥缆索检测中的应用，从试验过程到结果再到磁通量传感器的实际应用，说明磁通量检测法对于斜拉锁桥的建设与维护有着很好的效果。

关键词：斜拉索 磁通量检测检测过程磁通量传感器

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

斜拉缆索缺陷危害与检测技术概述

斜拉锁桥是一种近代出现的新型桥梁，从是世界范围内看应用较为广泛，尤其是在大跨径的桥梁上应用比例较大。因为桥梁的结构与受力特征，作为主要承载结构的斜拉索而言其长期处在张紧状态，并受到环境因素的影响，所以其工作状态就受到了普遍的关注。且斜拉索是该桥型成本的主要组成部分，如果提高其耐久性降低其日后的维护成本，延长其寿命，这就取决与缆索质量与日后检测工作。因为缆索是在工作中是一种露天形式，经受的是自然环境的侵袭，如降水、低温、日晒等，所以其采用的保护套会出现不同程度的硬化乃至开裂，而导致其内部的钢丝绞线产生不同程度的腐蚀；同时工作中桥梁与风载荷变化也会产生机械振动而磨损。这些因素都有导致斜拉索出现不同的程度的损坏，一旦损坏达到一定的程度就会出现逐根断裂的情况，就表示钢索的强度到达了极限。国内外都有因为钢索出现断裂而导致的事故，其中一些事故的出现仅在桥梁通车的几年内，而导致的结果是不得不对钢索进行更换，这就给钢索的维护敲响了警钟。所以在施工和使用中，采用检测技术对钢索进行检测与监控就成为了斜拉锁桥建设与使用中的重要保障措施。

而在大跨度的斜拉索桥上，缆索的直径较大，增加了对金属检测的难度。桥梁上应用的钢索主要有钢丝索、钢绞线索、钢筋索等，按照不同的桥梁形式进行选择，而钢丝或者钢索之间存在空隙，并要求在钢索间进行水泥浆的灌注以保证钢索的耐腐蚀性，或者在或在索体外缠绕聚醋卷带的方式，导致缆索内部材料属性差异大，电磁介质复杂，缺陷分辨难度增大。近期的缆索外部均有聚乙烯橡胶护套(PE)，护套厚度从几毫米到几十毫米不等，提离距离增加，降低了传感器的检测灵敏度。因此，从缆索结构方面讲，直径大、内部介质复杂以及PF护套等是缆索无损检测的难点。

通常利用超声波、主磁通检测、磁通量检测等方式就可对钢索实现无损检验，其中超声波的方法在应用中因为钢索的保护套对超声有衰减作用，所以没有得到普遍应用，而主磁通检测技术主要被应用在钢丝腐蚀性与截面积较小的钢丝检查上；磁通量检测法经过实践证明其适用斜拉桥钢索的断丝检测，其灵敏性高且成本相对低。但是检测环境中不能完全避免出现噪声干扰，所以需要借助小波转换的方式对噪音进行处理，由此获得准确的判断，试验表明磁通量信号转换技术可以满足实际检测的需求。

磁通量检测的基本原理分析和试验

1、磁通量检测原理

缆索在检测的过程中，在强磁的作用下就会被磁化，而如果缆索的内部是完整的则缆索中的磁力线将被束缚在缆索中，所呈现的是一种均匀分布的状态，并且与缆索表面呈现平行，几乎没有磁感应先从表面溢出；如果在缆索的内部存在一个缺陷，这就会导致磁导率改变，因为缺陷的磁导率变低，磁阻增加，使得磁路中呈现的磁通发生改变，出现畸变的磁力线就会被检测到。其中一部分磁通直接穿过缺陷，而另一部分则在缆索内部绕过缺陷位置，还有一部分磁通会泄露到钢索的表面，通过空气绕过缺陷在此进入到钢索中，泄露的磁通量在材料的表面就会形成一个漏磁场而显示出缺陷的位置。通过传感器就可检测到缺陷位置的漏磁量，通过转化信号就可完成对缆索的无损检测。这些信号输入到计算机就可利用软件处理确定缺陷的位置与大小。

2、检测设备

按照上述的基本原理，如利用霍尼韦尔HMC1022磁阻传感器来组成一个检测电路。HMC1022是一个双轴向的高灵敏度传感器用于磁阻检测，就是在一个硅片上生成一个镍铁涂层，并形成一个电阻带。存在施加磁场的情况下，电桥电阻就会发生改变从而影响输出的电压也随之改变，通常施加在薄膜侧的外部磁场可以使磁力线发生旋转，并改变其角度，使得电阻的值发生改变，并形成惠斯通电桥的电压输出改变。这种镍铁电阻的改变就是所说的磁阻效应，这个效应与电流和磁化矢量有直接关系。

这个设备敏感轴被设置成为沿着薄膜的方向，这样就可让施加在镍铁薄膜上的磁场可以引发电阻值的改变最大化；但是敏感轴大于IO高斯的磁场改变，这回干扰甚至翻转薄膜磁场的极性，从而影响传感器的基本特性，这就必须施加一个强的恢复磁场，这种做法就是位置脉冲或者复位脉冲。就是在HMC1022的端口施加一个强脉冲电流，对芯片进行复位处理。在系统中利用一个效应管来提供周期性复位脉冲信号。

3、检测过程

试验中检测到HMC1002磁阻传感器可以感应到最低0.1mT的微弱磁通信号，所以其可以被应用到缆索的无损检测中。检测中可以对称设置两个垂直的感应器，构成一个惠斯登电桥就可完成对横向磁通量信号、纵向磁通量信号的检测。为了避免出现遗漏的情况，在被检测的缆索周围设置了16个磁阻传感器，其中设置的覆盖角度为22.5°，以保证检测试验的准确。

试验中，对磁通量的检测需要对电信号进行转变，经过运算放大器进行发达后，经过微处理器计算改变模数转换，处理后数据将被保存在外部存储器中，随后输入到计算机进行后续处理，这需要一段时间。但是在检测中需要面对的是露天环境，其中电磁场的干扰是不容忽视的，检测电路如果仅仅依靠一个高频滤波器进行简单的滤波是不能达到对钢索的检测需求的，所以必须在计算机中对采集的数据进行后续处理，如利用离散小波变换的方式将噪声从信号中分离开来，同时对钢索的横向检测信号进行处理才能最终获得准确的数据来判断缺陷的大小，对沿着钢索方向进行纵向检测的信号进行奇异性分析这样才能确定缺陷的位置。

磁通量缆索检测试验中的信号处理

在检测试验中，检测桥梁的所产生的振动噪音是很小的，干扰源主要来自于空间磁场，如高斯白噪声，在试验检测中可以发现，混杂有噪声的信号如果进行离散小波变换和多尺度分析就可以在白噪声分离上获得较好的试验效果，即对磁通量信号分离出来进行独立分析。具体的操作原理就是：利用二进制小波变换将噪声从采集信号中分离出来，假设函数为基础小波或者母小波，然后利用傅里叶变换形成一个稳定的条件。母函数经过伸缩或者平移后即可获得一个小波序列，小波变换就是将信号分解为母小波而按照不同的尺度进行伸缩与平移附加到小波函数上，这些小波函数是紧支撑、时间有限的。

针对信号的消除可以采用一种Mallat算法的离散二进制小波变换来消除磁通量检测信号中的自然噪声，其中对于高斯分布的空间电磁噪声是有效的。此时设高斯白噪声消除的期望值是零，此时方差是无关联的相同分布，原始信号中的高斯白噪声就可以与之形成一个函数关系。经过分析计算，检测信号进行二进制小波域冗余理论的分析，检测中部分信号的缺陷是不会影响信号的真实度的，同时各级小波系数与周期之间有自动相关性。通过对信号的校正，分离出来的信号就是缆索检测中所呈现白噪声，然后经过小波变换就可确定缆索中的缺陷程度。这就是离散小波分析对磁通量检测法的意义。

另外，沿着缆索方向的检测可以准确的对桥梁钢索上的缺陷进行识别外，也可对桥梁的维护提供必要的检测信息。桥梁的缆索缺陷会出现磁通量信号的突然改变，所以可以利用小波变换的奇异性来定位检验确定奇异点的位置，从而确定维护的位置，利益攀爬机器人的速度来计算缆索缺陷的位置。小波奇异的敬爱内侧原理就是在检测中遇到一个奇异点信号会陡然改变，而小波变换系数的尺度信号遇到突变点就会增加，而出现最大值。从零开始按照一定的顺序搜索信号值陡然改变的点就可确定缺陷的位置。试验中利用数学模型分析，确定小波变换的尺度特征与李氏指数关联起来，得到高斯白噪声模量，同时指数大于零小波变换的极大值随着尺度增加而增加；反之则随着尺度的增加而减小。将这个思路应用到实践中就可实现对斜拉锁桥的日常监测。

斜拉锁桥钢索检测试验的结论

在试验中利用上述理论进行了检测的试验，对两根直径一致的钢索进行了检测分析，分别设定为一号和二号样本，其中分别有2.5mm、5.0mm的缺陷。磁通量检测传感器随着检测机器人按照0.01m/s速度进行移动，并对钢索进行检测。阀值函数中常数和李氏指数中常数设定为8，一号钢索和二号钢索的磁通量检测原始信号和经过小波变换的重建信号分别被记录。试验发现，经过小波重建的信号要平滑许多，这说明噪声抑制的效果很好，同时缆索的磁通量信号被提取出来。信号幅度明显随着缺陷的加深而增加，整个信号的波形没有特殊的改变。另外，也可发现，缺陷的位置被标记的十分明显。所以按照采样机器人的速度来推算就可准确的获得钢索缺陷的位置和大小。试验表明，钢索缺陷的大小与位置都可以利用磁通量检测法进行准确定位，利用小波和奇异点的分析方式就可帮助斜拉锁桥工程的施工与使用监测钢索的质量与腐蚀情况。

磁通量检测法的具体应用

1、磁通量传感器

利用磁通量的原理磁通量传感器的应用机理就是针对拉索是一种磁性材料，当受到外力载荷的时候，拉索材料本身的内力就会发生改变，导致构件本身的导磁率发生改变，因此可以利用这一点实现磁通量的检测，前面的章节就是分析其检测的过程。利用此原理的磁通量传感器正是利用这个原理而生产的，这样的就可以通过无损模式完成对斜拉锁桥的钢索进行缺陷检测，传感器直接穿心套在拉索外部，不能够将待测构件作为传感器的一部分，不需要了解构件的应力历史和资料，就可实现检测。磁通量传感器的内部是简单的初级和次级铜圈构成，特点是坚固耐用，水密性好不受侵蚀，可以长期使用并可靠性高。

工程应用

2.1施工检测

在施工中，对钢索的质量检查是十分重要的，同时在张拉阶段每一根钢索受到张拉会出现质量改变，所以在施工中必须对钢索进行实时监测，即单根钢索挂设后应在钢绞线上放置测量应力的传感器，并记录张拉的值，后面的钢绞线逐根张拉并控制与第一根钢绞线受到的拉力一致。完成张拉后再调整整个钢索的受力情况。采用这样的张拉方式在张拉过程中会应为人为或者结构因素导致钢索的钢绞线受力不一致，如果钢绞线受力差异过大就会导致其结构出现隐患，进而影响整个钢索的使用安全。为了保证钢索的张拉受力一致，此时可以采用磁通量传感器进行测量，并按照统计学方式来控制分析，进而满足设计标准。

在施工中桥梁的钢索数量众多，检测上会遇到成本问题，如果利用多个传感器进行实际测量则会导致设备数量过多，进而影响检测的成本。同时检测的周期也会被拉长，所以在检测中选择利用随机抽查的方式进行检测。假设钢绞线受力不均匀将服从正态分布，并进行统计分析。随机选择四根拉索进行检测，而每根拉索选择三根钢绞线作为检测对象。传感器安装在拉素锚具的内部，靠近锚固的位置。在工程施工中按照此方式对不同位置的钢绞线进行了传感器安装，并采集了其监控的数据，以此对张拉施工进行全程的监控。单根钢绞线完成张拉和整体张拉后，对这些设置的传感器进行了数据采集与比对。根据测量的结果整个张拉过程中，钢绞线受力是均匀的，利用极限值进行了验证，从而获得了相应的检测数据，指导了施工的顺利进行。

2.2桥梁使用中的监测

在桥梁运营阶段，桥梁的拉索始终处在拉紧状态，这时就需要对其完好程度进行长期监控，以便为桥梁的维护提供必要的决策依据。此时仍可借助于与磁通量检测技术，利用传感器完成对桥梁的长期监测。在拉索工程完成后，可以采用现场绕制的磁通量传感器来完成对拉索的监测。因为拉索数量较多，所以需要选择关键位置的钢索进行监控。从不利位置出发到美观角度，传感器可以设置在拉索预埋管的内部。为了确保传感器的稳定工作，利用机械装置对其进行固定，制作了主线圈和次要线圈，从而保证监测质量。

在制作总为了保证传感器的结构相一致，现场采用的是与其它传感器制作的工艺一致的方式，制作了4个磁通量传感器，并以此作为传感器的统一标准器，按照国家现行的计量标准进行规范与检验。在相关试验是进行了现场的测定，并对传感器进行标定试验。样本钢索采用的就是与施工现场一样的标准材料。进行多组试验并标定传感器的工作零点位置与传感器自身的影响，综合的看现场绕组制作的传感器综合性偏差在控制范围内。

斜拉索在运行中进行了在线监控，其中利用远程无线网络完成对数据的传输与汇总，并进行分析。监控中没8个传感器接线如开关箱，多个开关箱进行级联磁弹仪，磁弹仪将采集设数据利用GPRS的系统传送到网络中，设置固有的IP的监控中心将其采集数据进行下载并保存。监控中心接收到实时数据即按照事先设定的报警阀值进行评价，进而完成对钢索的监控。预警阀值包括了正常工作范围、轻度危险、中度危险、高度危险等，其上限分别取不同的系数，阀值下限则是利用历史数据进行限定，这就为维护工作提供了有效的依据。

结束语

斜拉索桥在施工和运营监控中都离不开对钢索应力与损伤的检测，众多方法中磁通量的检测方式是最为有效的一种，但是在空间中磁通量的检测会受到外部的干扰而出现误差，所以必须利用小波变换的方式来抑制噪声的干扰，从而获得较为准确的检测数据。同时借助这个原理，可以利用磁通量传感器在施工与运营监控中帮助检查钢索的受力与腐蚀情况，根据磁通量检测到的缺陷点来针对性的采用措施控制其扩大，可以有效的保障施工与运营的安全。

参考文献：

[1]覃新育.磁通量传感器在柳州文惠桥吊索监测中的应用[J].煤炭技术.2008(04)

[2]余启志,陈竹君. 斜拉桥索力测试方法综述[J].湖北农机化.2008(04)

[3]薛海斌.斜拉索测试分析[J].山西建筑.2010(02)

[4]张秋陵,肖光宏.重庆奉节长江大桥斜拉桥主梁安装施工阶段索力监控[J].公路交通技术. 2008(01)

[5]项庆明. 瑞安飞云江三桥斜拉桥索力测试及评价[J].山西建筑.2009(30)

[6]胡顺仁,陈伟民,章鹏.桥梁监测系统多传感器测点之间的关联分析[J].土木工程学报.2009(03)

[7]何利,邓年春.磁通量传感器在宜宾长江大桥斜拉索监测中的应用[J].公路交通技术.2010(01)

[8]谭冬莲,肖汝诚.桥梁监测系统中梁桥静力应变传感器的优化配置[J].长安大学学报(自然科学版). 2007(05) [9]龙跃,邓年春,陆何昆泽.磁通量传感器在预应力环锚监测中的应用[J].煤炭技术.2007(09)

[10]黄晔,吴琛.磁通量传感器在体外索力检测中的应用[J].建材技术与应用.2007(10) [11]覃新育.磁通量传感器在柳州文惠桥吊索监测中的应用[J].煤炭技术.2008(04)

[12]邓年春,龙跃,孙利民,夏丹丹.磁通量传感器及其在桥梁工程中的应用[J].预应力技术.2008(02)