孫永林

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，大跨度懸索橋越來(lái)越多。當(dāng)懸索橋建成后，由于大橋長(zhǎng)期暴露在空氣中，懸索內(nèi)部鋼絲束也因空氣中的水分和其他酸性物質(zhì)而受到腐蝕，甚至出現(xiàn)斷絲等現(xiàn)象，從而危及到橋梁的安全［1］。目前，大多數(shù)對(duì)懸索橋的檢測(cè)和維護(hù)還不完善，檢測(cè)的手段仍主要使用人工完成。為此，采用有效的方法和手段對(duì)懸索橋進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估是至關(guān)重要的。本文根據(jù)參與的橫向合作項(xiàng)目“橋梁斜拉索檢測(cè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”的研究，利用檢測(cè)機(jī)器人中的磁敏傳感器檢測(cè)并獲取信號(hào)，采用特征信息采集和分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的檢測(cè)工作。

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)，除了必要的磁性傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊外，其它的工作模塊，包括檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理、實(shí)時(shí)地不間斷檢測(cè)、特征信息分析、檢測(cè)視圖化和檢測(cè)結(jié)果報(bào)告等工作，都是由計(jì)算機(jī)軟件完成，節(jié)省了成本，方便了操作過(guò)程。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

檢測(cè)過(guò)程如圖1所示。

檢測(cè)系統(tǒng)包括三個(gè)模塊和一個(gè)軟件:傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及PC機(jī)中的檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件。

檢測(cè)原理如下:當(dāng)磁性傳感器在橋梁懸索上移動(dòng)時(shí)，檢測(cè)器中的高磁能磁鐵快速把懸索內(nèi)部的綱絲束深度磁化至飽和狀態(tài)，鋼絲束的損傷或斷絲所引發(fā)的漏磁場(chǎng)，由磁敏傳感器檢測(cè)并獲取信號(hào)。輸出所獲取的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)放大濾波、誤差補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理后，得到計(jì)算機(jī)所能接受的信噪比，傳到A/D轉(zhuǎn)換器，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)RS232串口向PC傳輸數(shù)據(jù);最后采用檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行視圖化顯示，獲取檢測(cè)結(jié)果報(bào)告。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2 信號(hào)采集與處理

2.1 傳感器模塊

本文采用目前世界上應(yīng)用最為成功的無(wú)損檢測(cè)方法的原理進(jìn)行檢測(cè)。首先通過(guò)永久磁鐵把鋼絲束磁化到飽和，如果鋼絲束有損傷或斷絲，會(huì)產(chǎn)生向外泄露的漏磁場(chǎng)。通過(guò)環(huán)狀聚磁器將空間分布的強(qiáng)弱漏磁信號(hào)聚集，引導(dǎo)到多個(gè)檢測(cè)霍爾元件組成的檢測(cè)電路中［2］。在檢測(cè)系統(tǒng)中選擇了霍爾HMC1022磁阻傳感器，在弱磁場(chǎng)下靈敏度最低0.1mT，高出實(shí)驗(yàn)靈敏度最低1mT，因此可以被用來(lái)測(cè)試電纜?；魻朒MC1022磁阻傳感器能接受磁能量微小變化的信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)霍爾元件電壓變化，可間接測(cè)得霍爾元件發(fā)出的信號(hào)，霍爾元件的輸出電勢(shì)可表示為［3］:

其中，KH為霍爾元件的靈敏度系數(shù)，取決于霍爾元件的材料及其厚度;I為霍爾元件的驅(qū)動(dòng)電流;B為沿霍爾元件表面法向的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度。

霍爾HMC1022磁阻傳感器檢測(cè)到的磁電信號(hào)通過(guò)放大器AD623放大，預(yù)處理后傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器。

2.2 中值平滑濾波處理

中值平滑濾波處理幾乎完成去掉了脈沖噪聲，它克服了單一使用中值濾波處理的降噪效果一般和平滑濾波處理對(duì)邊緣細(xì)節(jié)處理不佳的問(wèn)題。中值平滑濾波處理算法簡(jiǎn)單，速度也很快。圖2和圖3分別是處理前后的波形圖。

在經(jīng)過(guò)磁敏傳感器檢測(cè)取得信號(hào)后，由于信號(hào)中有各種外界干擾和噪聲，要進(jìn)行預(yù)處理。在檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了中值平滑處理，以此來(lái)剔除信號(hào)中可能出現(xiàn)的短促干擾信號(hào)和信號(hào)中無(wú)意義的野點(diǎn)信號(hào)。

假設(shè)Median為中值函數(shù);x（m）為采樣信號(hào)結(jié)果;u（m）平滑器的輸出為:

圖2 處理前的波形

圖3 處理后的波形

3 特征信息的選取

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的漏磁檢測(cè)信號(hào)可以用來(lái)對(duì)是否有損傷進(jìn)行評(píng)判［4］。由于鋼絲束結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱也極其多樣和復(fù)雜。但其中具有特征性質(zhì)的主要信息是信號(hào)的峰值、波寬以及波形面積等，如圖4所示。

鋼絲束如果出現(xiàn)損傷，在其局部都存在一個(gè)信號(hào)峰值，而斷絲信息的峰值通常要高于一般損傷的信號(hào)峰值。信號(hào)的峰值為:

圖4 特征信息

信號(hào)的峰值反映出了信號(hào)的幅度，如果要進(jìn)一步描述信號(hào)的狀態(tài)和綱絲束受損程度，除了考慮信號(hào)幅度方面的因素以外，還需要考慮空間分布的情況。最簡(jiǎn)單的空間公布參數(shù)是波寬，使用波寬指標(biāo)來(lái)衡量鋼絲束損傷程度是非常有效的。假設(shè)定義一個(gè)閾值電壓Vy，波寬W的閾值波寬為:

式中，n為一個(gè)波動(dòng)中的采樣點(diǎn)數(shù)，Vy為閾值電壓。

波形面積是指一個(gè)閾值波寬的信號(hào)峰值之和，它與波動(dòng)信號(hào)的均值相關(guān)，如圖4所示的陰影部分。它是一個(gè)既考慮幅度信號(hào)，又考慮寬度信號(hào)兩方面的綜合因素，是一個(gè)評(píng)判綱絲束損傷程度的重要特征信息。波形面積S為:

4 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)顯示

檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了C++Builder 6，它是一款快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)（RAD）工具，其編程語(yǔ)言是C++。它是一款面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，編程效率高，執(zhí)行速度快，是目前最先進(jìn)的組件技術(shù)和面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言之一。另外，C++Builder 6開(kāi)發(fā)了一種成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接技術(shù)，即BDE數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，這使得C++Builder 6具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)處理功能，使程序員可以非常容易地開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序。在檢測(cè)系統(tǒng)中，有兩個(gè)主要功能部件:特征數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)顯示。

4.1 特征數(shù)據(jù)庫(kù)

由于斜拉橋是最近幾十年才興起的新型橋，對(duì)懸索要求還沒(méi)有較完善的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同橋梁所使用的懸索綱絲束和外套都有所不同。為了提高系統(tǒng)的適用性，根據(jù)不同的綱絲束與外套材料分別建立特征庫(kù)數(shù)據(jù)。選用Access作為特征數(shù)據(jù)庫(kù)，其主要屬性有峰值、閾值、波寬以及波形面積等。特征數(shù)據(jù)庫(kù)如圖5所示。

針對(duì)某一種特定的綱絲束和外套材料，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取一組特征數(shù)據(jù)值，編入數(shù)據(jù)庫(kù)，指定一個(gè)特定編號(hào)。在檢測(cè)時(shí)，選擇針對(duì)性的特征數(shù)據(jù)作為計(jì)算參數(shù)，可以大大提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖5 特征數(shù)據(jù)庫(kù)

4.2 實(shí)時(shí)顯示與算法

采用C++Builder 6設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示界面如圖6所示。

由于懸索鋼絲束檢測(cè)信號(hào)為局部區(qū)域的異常信號(hào)，并疊加出現(xiàn)于噪聲背景上。為了能夠?qū)宜骶V絲束損傷進(jìn)行檢測(cè)，首先應(yīng)從檢測(cè)信號(hào)中將局部區(qū)域的異常信號(hào)分離出來(lái)。為了檢測(cè)信號(hào)的方法簡(jiǎn)單實(shí)用，系統(tǒng)采用了峰值差超限法，此方法是利用局部異常信號(hào)的峰谷差值的特征來(lái)提取異常檢測(cè)信號(hào)［5］。在檢測(cè)信號(hào)中，波形是一個(gè)完整的局部峰值波形，這個(gè)峰值是由綱絲束損傷或斷絲的漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的，它比鄰近的信號(hào)波形大很多，很容易用峰值差來(lái)提取。峰值差超限法的算法如下:

在指定的邊界內(nèi)，設(shè)起始位置為X0，閾值為threshold，經(jīng)過(guò)閾值濾波處理后的離散信號(hào)序列為a［n］。

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

② 如果 low ＞a［i］，則令{low=a［i］;wlow=X0+i;}，在［0，n－ 1］區(qū)域繼續(xù)搜索波峰最小值，最后波峰最小值記錄為low，并記錄該位置wlow;

③ 如果 high ＜a［i］，則令{high=a［i］;whigh=X0+i}，在［0，n－1］區(qū)域繼續(xù)搜索波峰最大值，最后波峰最大值記錄為high，并記錄該位置whigh;

④ 計(jì)算:h=high－low，如果h＞threshold，則證明存在綱絲束有損傷，其位置中心在whigh。

根據(jù)選擇的特征數(shù)據(jù)等參數(shù)計(jì)算出綱絲束損傷的程度。

使用Φ130 mm電纜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的傳感器沿著測(cè)試的電纜以0.01 m/s的速度推進(jìn)，在電纜中預(yù)設(shè)位置的損傷被檢測(cè)出來(lái)，證明峰值差超限法的算法是可行的。

圖6 實(shí)時(shí)顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)橋梁懸索檢測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)有三個(gè)模塊和一個(gè)軟件，軟件可分為三個(gè)主要部分:綱絲束損傷的信號(hào)采集、信號(hào)處理以及實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)針對(duì)不同的橋梁懸索提取峰值、波寬以有波形面積等特征信息，建立特征數(shù)據(jù)庫(kù)，使得計(jì)算綱絲束受損程度更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)的峰值差超限法對(duì)于正確檢測(cè)到橋梁懸索綱絲束的損傷是有效的，并通過(guò)特征數(shù)據(jù)庫(kù)中特征數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確計(jì)算出綱絲束的損傷程度。

［1］柳進(jìn)，楊成，羅強(qiáng)，等.基于模糊控制的輸油管道中檢測(cè)機(jī)器人的避障研究［J］.石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，8（1）:43 －45.

［2］張小全，劉云翔，肖立中.鋼絲繩在線不間斷檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（12）:2413 －2416.

［3］李輝景.大容量存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.太原:中北大學(xué)，2008.

［4］朱玉堂，田志勇，戴平.鋼絲繩斷絲損傷定量檢測(cè)技術(shù)［J］.機(jī)電工程，2008，38（8）:44 －46.

［5］王長(zhǎng)龍，陳鵬.漏磁信號(hào)特征提取及檢測(cè)研究［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（4）:1－4.