一种海尔贝克式磁化器及桥梁缆索缺陷检测装置

1.本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种海尔贝克式磁化器及桥梁缆索缺陷检测装置。


背景技术：

2.缆索作为索承式桥梁的主要承力部件，其完整性直接关系到桥梁的安全。对于长期工作在高应力状态的缆索，防护措施的失效可能产生腐蚀和断丝等损伤，尽早发现这些损伤可以有效避免重大事故的发生。
3.基于磁致伸缩效应的导波检测法不仅具有单点激励即可实现长距离检测，并且可以同时对靠近锚固区域的缆索进行检测，具有高效快速等优点；漏磁检测法具有检测精度高、定位准确等优点。因此这两种无损检测方法被广泛应用于桥梁缆索的缺陷检测。但是这两种无损检测方法在缆索的实际检测过程中，对于直径较大的缆索会存在检测信号较弱的问题，以至于无法有效判断缆索的损伤情况。其主要原因是由于传统磁轭式磁化器对缆索内部钢丝磁化不足，从而导致磁致伸缩导波和漏磁检测的换能效率的降低。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种海尔贝克式磁化器及桥梁缆索缺陷检测装置，可有效增强磁化器的磁化能力，从而提高磁致伸缩导波和漏磁检测的换能效率。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种海尔贝克式磁化器，用于实现对待测缆索的磁化，包括上端面开口设置的壳体，所述壳体的上端面上固定设有衔铁，所述壳体内正对所述衔铁的下方设有倒凹字形腔体，所述倒凹字形腔体包括一中间腔体和两个侧腔体，两个所述侧腔体内分别设有第一方形永磁铁，两个所述第一方形永磁铁的极性相反设置，各所述第一方形永磁铁产生的磁场方向沿所述待测缆索的径向方向；
6.所述中间腔体内设有并排贴合设置的多个第二方形永磁铁，并排贴合设置的多个第二方形永磁铁的两侧端面对应与两个所述第一方形永磁铁的一端面相接触，并排贴合设置的多个第二方形永磁铁中两端部的第二方形永磁铁的极性对应与相接触的第一方形永磁铁的极性相反设置，且各所述第二方形永磁铁产生的磁场方向沿所述待测缆索的轴向方向。
7.本发明提供海尔贝克式磁化器将多个方形永磁铁排列成类似于海尔贝克阵列结构，可实现增加单边磁场、削弱另外一边磁场的作用，有效增强其对待测缆索的磁化能力，从而提高磁致伸缩导波和漏磁检测的换能效率。
8.在其中一个实施例中，所述第二方形永磁铁的高度为所述第一方形永磁铁高度的一半。
9.在其中一个实施例中，两个所述第一方形永磁铁的间距设置为90mm～110mm。
10.在其中一个实施例中，所述衔铁的底面正对所述倒凹字形腔体处设有长方形凹
槽，两个所述第一方形永磁铁的上端部及并排贴合设置的多个所述第二方形永磁铁的上端部均卡设固定在所述长方形凹槽内。
11.在其中一个实施例中，所述长方形凹槽的深度设置为0.9mm～1.1mm。
12.在其中一个实施例中，所述衔铁通过螺母固定在所述壳体的上端面上。
13.在其中一个实施例中，所述衔铁采用工业纯铁材料制成。
14.第二方面，本发明提供了一种桥梁缆索缺陷检测装置，包括漏磁探头和多个如上所述的海尔贝克式磁化器，多个所述海尔贝克式磁化器沿待测缆索的周向表面均匀布置；
15.其中，多个所述海尔贝克式磁化器用于对所述待测缆索内部的钢丝进行磁化；所述漏磁探头用于获取所述待测缆索的漏磁场信号。
16.第三方面，本发明提供了一种桥梁缆索缺陷检测装置，包括间隔设置在待测缆索表面上的激励传感器和接收传感器，所述激励传感器和所述接收传感器均包括导波检测线圈和多个如上所述的海尔贝克式磁化器，所述激励传感器和所述接收传感器中的各海尔贝克式磁化器沿待测缆索的周向表面均匀布置；
17.其中，所述海尔贝克式磁化器用于对所述待测缆索内部的钢丝进行磁化；所述激励传感器中的导波检测线圈用于在磁化后的待测缆索内部的钢丝表面施加交变磁场，使所述待测缆索内部的钢丝中产生导波信号；接收传感器中的导波检测线圈接收所述导波信号。
18.本发明提供的桥梁缆索缺陷检测装置，包括多个海尔贝克式磁化器，各海尔贝克式磁化器将多个方形永磁铁排列成类似于海尔贝克阵列结构，可实现增加单边磁场、削弱另外一边磁场的作用，有效增强其对待测缆索的磁化能力，从而提高磁致伸缩导波和漏磁检测的换能效率。
附图说明
19.图1是本发明一实施例提供的海尔贝克式磁化器的结构示意图；
20.图2是本发明提供的外壳的结构示意图；
21.图3是本发明提供的两个第一方形永磁铁之间形成的磁场分布示意图；
22.图4是本发明提供的并排贴合设置的多个第二方形永磁铁之间形成的磁场分布示意图；
23.图5是本发明提供的两个第一方形永磁铁和个第二方形永磁铁的叠加磁场分布示意图；
24.图6是本发明提供的衔铁的结构示意图；
25.图7是本发明一实施例提供的桥梁缆索缺陷检测装置的结构示意图；
26.图8是本发明另一实施例提供的桥梁缆索缺陷检测装置的结构框图；
27.图9是图7提供的桥梁缆索缺陷检测装置和传统采用磁轭式磁化器的桥梁缆索缺陷检测装置获得的漏磁场信号波形对比图；
28.图10是图8提供的桥梁缆索缺陷检测装置和传统采用磁轭式磁化器的桥梁缆索缺陷检测装置获得的缆索端部回波信号波形对比图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.为解决传统磁轭式磁化器磁化能力差导致无法有效判断缆索缺陷情况的问题，本发明提供了一种海尔贝克式磁化器，沿待测缆索的周向表面布置，用于增强对待测缆索的磁化能力。
31.图1是本发明一实施例提供的海尔贝克式磁化器的整体结构示意图，如图1所示，该海尔贝克式磁化器包括壳体10、衔铁20和磁化组件。
32.其中，磁化组件由多个组合排列成类似于海尔贝克式阵列结构的方形永磁铁组成，磁化组件用于产生磁场。壳体10设有与该磁化组件相适配的腔体，磁化组件固定在该壳体10的腔体内，且壳体10的上端面为开口设置。衔铁20固定设置在壳体10的上端面上，例如可通过螺母固定在壳体10的上端面上，衔铁20用于引导磁化组件产生磁场的磁力线，使该磁场在待测缆索中构成磁回路，实现对待测缆索的磁化。
33.具体地，本实施例提供的磁化组件包括两个第一方形永磁铁和多个并排贴合设置的第二方形永磁铁。对应地，为满足磁化组件结构(海尔贝克式阵列结构)与壳体10内的腔体结构相匹配，本实施例提供的壳体10内正对衔铁20的下方设有与磁化组件结构相适配的倒凹字形腔体，倒凹字形腔体包括一中间腔体和两个侧腔体，具体可参见图2。
34.其中，倒凹字形腔体中的两个侧腔体内对应设置上述两个第一方形永磁铁31，两个第一方形永磁铁31的极性相反设置，且两个第一方形永磁铁31产生的磁场方向沿着待测缆索的径向方向。位于两个第一方形永磁铁上方的衔铁20则用于引导其产生磁场的磁力线，使两个第一方形永磁铁31之间形成的磁力线通过衔铁20和待测缆索构成闭合磁路，实现对待测缆索内部钢丝的磁化。图3是本实施例提供的两个第一方形永磁铁之间形成的磁场分布示意图，如图3可知，该磁场沿着待测缆索的轴向方向从右向左，沿着衔铁20的轴向方向从左向右。
35.另外，倒凹字形腔体中的中间腔体内设有上述并排贴合设置的多个第二方形永磁铁32，并排贴合设置的多个第二方形永磁铁32的两侧端面对应与两个第一方形永磁铁31的一端面相接触，并排贴合设置的多个第二方形永磁铁中两端部的第二方形永磁铁的极性对应与相接触的第一方形永磁铁的极性相反设置，且各第二方形永磁铁32产生的磁场方向沿待测缆索的轴向方向。图4是本实施例提供的多个第二方形永磁铁之间形成的磁场分布示意图，如图4可知，该磁场均沿着待测缆索50和衔铁20的轴向方向从右向左。
36.图5是本实施例提供的两个第一方形永磁铁和多个第二方形永磁的叠加磁场分布示意图，根据图5结合图3和图4可知，叠加磁场在待测缆索50轴向方向上被叠加增强，可有效提高其对待测缆索的偏置磁场，从而有效增强对待测缆索的磁化能力。同时，叠加磁场在衔铁20轴向方向上被削弱，则本实施例提供的衔铁20的厚度相比于传统磁轭式磁化器可以做的更薄一些，可有效节约成本。
37.本实施例提供海尔贝克式磁化器将多个方形永磁铁排列成类似于海尔贝克阵列结构，可实现增加单边磁场、削弱另外一边磁场的作用，有效增强其对待测缆索的磁化能力，从而提高磁致伸缩导波和漏磁检测的换能效率。
38.在一个实施例中，第二方形永磁铁32的高度可设置为第一方形永磁铁31高度的一半，使其在装配过程中避免较大的排斥力，同时为后续对待测缆索缺陷检测(磁致伸缩导波和漏磁检测)留出安装线圈和霍尔元件的空间，在实际检测过程中便于应用。
39.在一个实施例中，如图6所示，衔铁20的底面正对倒凹字形腔体处设有长方形凹槽22，两个第一方形永磁铁31的上端部及并排贴合设置的多个第二方形永磁铁32的上端部均卡设固定在该长方形凹槽22内。
40.在本实施例中，在衔铁20底面正对倒凹字形腔体处设有长方形凹槽22，可防止并排贴合设置的多个第二方形永磁铁32和两个第一方形永磁铁31装配后产生错位，降低磁化器的磁化能力。具体地，该长方形凹槽22的深度可设置为0.9mm～1.1mm。
41.在一个实施例中，衔铁20可采用工业纯铁材料制成，采用工业纯铁材料制成的衔铁20可获得有效的磁通路径，增强被测缆索50的内部磁场。
42.在一个实施例中，两个第一方形永磁铁31的间距以避免过小，可防止两第一方形永磁铁31的背景磁场过大导致第二方形永磁铁32难以装配，同时两第一方形永磁铁31过小也会导致海尔贝克式磁化器的磁化能力降低。具体地，两个第一方形永磁铁31的间距可设置为90mm～110mm。
43.基于同样的发明构思，本发明还提供了一种桥梁缆索缺陷检测装置，包括漏磁探头和多个上述海尔贝克式磁化器，多个海尔贝克式磁化器沿待测缆索的周向表面均匀布置，可参见图7。具体地，海尔贝克式磁化器的数量可根据待测缆索的直径进行相应选择，本实施例不作限制。
44.本实施例提供的桥梁缆索缺陷检测装置为漏磁检测，其工作流程为：先利用海尔贝克式磁化器用于将待测缆索内部的钢丝磁化，若钢丝中存在断丝或腐蚀等体积性缺陷时，钢丝缺陷上方会产生漏磁场；然后利用漏磁探头沿着待测缆索轴向方向扫查，便可以获取缺陷处的漏磁场信号，从而实现对缆索内部钢丝的缺陷检测。
45.基于同样的发明构思，参见图8，本发明还提供了一种桥梁缆索缺陷检测装置，包括间隔设置在待测缆索表面上的激励传感器和接收传感器，激励传感器和接收传感器均包括导波检测线圈与多个上述海尔贝克式磁化器，激励传感器和接收传感器中的各海尔贝克式磁化器沿待测缆索的周向表面均匀布置。
46.本实施例提供的桥梁缆索缺陷检测装置为磁致伸缩导波检测，其工作流程为：先利用海尔贝克式磁化器用于将待测缆索内部的钢丝磁化；之后利用激励传感器中的导波检测线圈在磁化后的待测缆索内部的钢丝表面施加交变磁场，使缆索内部的钢丝中产生导波，激励出的导波在待测缆索内部的钢丝中遇到缺陷时其声阻抗会发生反射；接收传感器中的导波检测线圈则获取反射回来的导波信号，然后再通过磁致伸缩导波仪器通过对该导波信号进行分析，从而实现对缆索内部钢丝缺陷检测。
47.本实施例提供的桥梁缆索缺陷检测装置，包括多个海尔贝克式磁化器，各海尔贝克式磁化器将多个方形永磁铁排列成类似于海尔贝克阵列结构，可实现增加单边磁场、削弱另外一边磁场的作用，有效增强其对待测缆索的磁化能力，从而提高磁致伸缩导波和漏磁检测的换能效率。
48.为更清楚地说明本发明，以下结合具体实施例进行相应说明：
49.实施例1
50.待测缆索为pes(c)7-127缆索，该缆索外径为109mm，长度为3000mm。利用仿真软件对pes(c)7-127缆索进行三维建模，并在缆索最外围钢丝设置宽度为4mm的单根断丝缺陷。首先在缆索周向方向均匀布置6个磁轭式磁化器，之后替换为6个海尔贝克式磁化器进行求解。提取仿真求解后缆索钢丝缺陷上方距护套表面2mm处的漏磁场进行对比，如图9所示。从图9中可以看出，相比较磁轭式磁化器，海尔贝克式磁化器提供偏置磁场时所获得的漏磁场的轴向峰值更大，提升了40.3％，说明本发明提供的海尔贝克式磁化器在实际检测中可以提供更强的偏置磁场，可有效提高漏磁检测的换能效率。
51.实施例2
52.待测缆索为pes(c)7-127缆索，该缆索外径为109mm，长度为3000mm。激励传感器和接收传感器均包括导波检测线圈和6个海尔贝克式磁化器，各海尔贝克式磁化器的衔铁由工业纯铁制成，厚度为15mm，长度为236mm，宽度为40mm，衔铁下方设有1mm深的长方形凹槽。各海尔贝克式磁化器的外壳的材料为不锈钢304，厚度为1mm。外壳的螺母规格为m6
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10，螺母为国标下的m6通用螺母。各海尔贝克式磁化器的磁化组件所用的方形永磁铁均采用牌号为n52的方形永磁铁，其中，两个第一方形永磁铁31的尺寸为40*30*40mm，其间距为100mm；多个第二方形永磁铁32可采用10块尺寸为10*30*20mm的方形永磁铁组成，所有方形永磁铁的排列方式以及磁场方向如图1、3、4和5所示。
53.将12个海尔贝克式磁化器按照激励传感器和接收传感器各6个均匀布置在pes(c)7-127缆索表面，其布置方式如图8所示，激励传感器中的6个海尔贝克式磁化器布置在待测缆索的端部，接收传感器中的6个海尔贝克式磁化器布置在待测缆索的中心处，且激励传感器和接收传感器间距为1400mm。工作时，激励传感器中的导波检测线圈施加电压约为280v，激励信号为2个周期的8khz正弦波信号。图10中实线部分为布置海尔贝克式磁化器时接收到的缆索端部反射回来的导波信号(回波信号)，从图中可以看到波包与波之间区分明显。
54.以同样的实验步骤，将12个磁轭式磁化器按照激励传感器和接收传感器各6个均匀布置在pes(c)7-127缆索表面，接收到的缆索端部反射回来的信号如图10中虚线部分所示。从图10中可以看出，相比较磁轭式磁化器，海尔贝克式磁化器提供偏置磁场时所获得的缆索端部回波信号幅值更大，信号峰峰值提升35.6％，说明本发明提供的海尔贝克式磁化器在实际检测中可以提供更强的偏置磁场，可有效提高磁致伸缩导波检测的换能效率，具有结构简单，装配方便，检测效率高等优点。
55.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。