圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)，包括圓柱型橋墩模型、工控機(jī)、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、脈沖接收發(fā)射器、直流穩(wěn)壓電源和圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置，圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置包括旋轉(zhuǎn)反射面裝置、超聲波換能器和上下移動(dòng)裝置；旋轉(zhuǎn)反射面裝置包括微型馬達(dá)和45°反射面，工控機(jī)運(yùn)行采集程序，使超聲波換能器產(chǎn)生高頻超聲波脈沖信號(hào)；同時(shí)超波聲換能器能夠接收從被測(cè)的波浪上下表面反射回來的兩次超聲波回波信號(hào)，工控機(jī)將回波信號(hào)以數(shù)字形式進(jìn)行存儲(chǔ)。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)地得到圓柱型橋墩表面波浪的厚度以及形狀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、便于實(shí)際應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及橋梁建筑技術(shù)，具體說就是一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近幾十年以來，跨海橋梁成為推動(dòng)區(qū)域合作，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要交通樞紐。在復(fù) 雜的海洋環(huán)境條件下，跨海橋梁下部結(jié)構(gòu)對(duì)于海上的災(zāi)害，如海嘯、颶風(fēng)等，不能像船舶那 樣預(yù)先躲避，因此它的設(shè)計(jì)必須考慮到海上可能發(fā)生的最惡劣情況，否則將會(huì)造成嚴(yán)重的 災(zāi)難性事故。對(duì)于在橋墩上搭建有檢修平臺(tái)的橋墩，平臺(tái)搭建的位置最好選在破浪爬高以 上，以確保平臺(tái)在波浪作用下不被破壞。因此研宄波浪在跨海橋墩上的爬高具有重要意義。
[0003]目前波浪在圓柱形結(jié)構(gòu)上的爬高的研宄，主要有浪高儀法和攝像法。浪高儀法在 圓柱結(jié)構(gòu)周圍捆綁浪高儀，通過浪高儀的測(cè)量值反映出波浪在結(jié)構(gòu)上爬高所到達(dá)的高度。 Mase等（2001)在模型前段3mm處設(shè)置一個(gè)浪高儀，用浪高儀測(cè)到的數(shù)據(jù)作為波浪在結(jié)構(gòu)上 的爬高值。DeVos等（2007)在圓柱型結(jié)構(gòu)周圍2mm范圍內(nèi)捆綁10個(gè)浪高儀，以測(cè)量圓柱 結(jié)構(gòu)不同位置的波浪爬高值。Li等（2012)同樣采樣浪高儀法測(cè)量波浪在圓柱結(jié)構(gòu)上的爬 高。浪高儀法具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)易于處理等優(yōu)勢(shì)。但是浪高儀法不能得到一個(gè)二維圓周 面上波浪爬高的實(shí)時(shí)測(cè)量。Martin等（2001)采用攝像的方法得到波浪在圓柱型結(jié)構(gòu)上的 爬高。由于該方法依賴高速相機(jī)成相技術(shù)，很難用于大型結(jié)構(gòu)爬高實(shí)驗(yàn)的測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于以上不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波 測(cè)試系統(tǒng)。能實(shí)時(shí)測(cè)量圓柱型橋墩表面波浪爬高的真實(shí)形狀和厚度、又不會(huì)干擾波浪在其 表面的形成。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)，包 括圓柱型橋墩模型、工控機(jī)（12)、容量5006以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（13)、A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡 (14)、脈沖接收發(fā)射器（15)、直流穩(wěn)壓電源（11)和圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置，圓柱 型橋墩模型包括頂部固定蓋（2)、有機(jī)玻璃管（6)和底部固定座（7)，頂部固定蓋（2)與有 機(jī)玻璃管（6)上端連接，底部固定座（7)與有機(jī)玻璃管（6)下端連接，直流穩(wěn)壓電源（11) 為本系統(tǒng)供電，工控機(jī)（12)內(nèi)安裝A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)和容量500G以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (13)，A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)連接脈沖接收發(fā)射器（15)，圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝 置包括旋轉(zhuǎn)反射面裝置、超聲波換能器（9)和上下移動(dòng)裝置；上下移動(dòng)裝置包括電動(dòng)馬達(dá) (1)、絲杠（5)、上支撐與傳動(dòng)蓋板（3)和下支撐與傳動(dòng)板（10)，絲杠（5)貫穿于整個(gè)圓柱型 橋墩模型內(nèi)部，電動(dòng)馬達(dá)（1)與頂部固定蓋（2)固定連接，絲杠（5)與電動(dòng)馬達(dá)（1)輸出軸 連接，上支撐與傳動(dòng)蓋板（3)與絲杠（5)上段螺紋連接，下支撐與傳動(dòng)蓋板（10)與絲杠（5) 下段螺紋連接，電動(dòng)馬達(dá)（1)帶動(dòng)絲杠（5)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使上、下支撐與傳動(dòng)蓋板（3、10)能夠 沿絲杠（5)做上下同步移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)反射面裝置位于超聲波換能器（9)上方；旋轉(zhuǎn)反射面裝 置包括微型馬達(dá)（8)和45°反射面（4) ;45°反射面（4)與微型馬達(dá)（8)輸出軸連接，微型 馬達(dá)（8)與上支撐與傳動(dòng)蓋板（3)底面連接；超聲波換能器（9)與下支撐與傳動(dòng)板（10)連 接；45°反射面（4)和超聲波換能器（9)軸線重合，脈沖接收發(fā)射器（15)與超聲波換能器 (9)電信號(hào)連接；工控機(jī)（12)運(yùn)行采集程序，通過A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)發(fā)出指令給脈 沖發(fā)射接收器（15)，脈沖接收發(fā)射器（15)給超聲波換能器（9)發(fā)射一個(gè)高電壓脈沖，使超 聲波換能器（9)上的晶片發(fā)生高頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生高頻超聲波脈沖信號(hào)；同時(shí)超波聲換 能器（9)能夠接收從被測(cè)的波浪上下表面反射回來的兩次超聲波回波信號(hào)，其回波信號(hào)通 過超聲波換能器（9)和脈沖發(fā)射接收器（15)轉(zhuǎn)換成低電壓信號(hào)傳遞給A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 卡（14)，最后工控機(jī)（12)通過A/D轉(zhuǎn)換，將回波信號(hào)以數(shù)字形式進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0006] 本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：當(dāng)旋轉(zhuǎn)反射面旋轉(zhuǎn)，同時(shí)上、下支撐與傳動(dòng)蓋板上下 同步移動(dòng)時(shí)，本系統(tǒng)能夠在波浪爬高的過程中實(shí)時(shí)不間斷地采集波浪的高度和厚度，得到 橋墩模型環(huán)向一周的波浪分布數(shù)據(jù)、三維橋墩模型表面波浪的幾何特征數(shù)據(jù)和三維橋墩模 型表面波浪的豎向分布數(shù)據(jù)。
[0007] 本發(fā)明應(yīng)用超聲波測(cè)厚原理，組建一套適用于測(cè)量圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲 波測(cè)試。采用超聲波測(cè)厚系統(tǒng)不僅可以得到波浪爬高的厚度、寬度和形狀，而且可以得到波 浪爬高在豎向的分布特性。本發(fā)明屬于無損監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量到破浪爬高過程中整個(gè)模 型外表面上波浪分布情況，而又不會(huì)干擾波浪在其表面的形成。具有精度高，操作簡(jiǎn)便，系 統(tǒng)集成度高和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)示意圖；
[0009] 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明專利做進(jìn)一步說明：
[0011] 實(shí)施例1
[0012] 如圖1-2所示，一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)，包括圓柱型橋墩 模型、工控機(jī)12、容量500G以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器13、A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡14、脈沖接收發(fā)射器 15、直流穩(wěn)壓電源11和圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置，圓柱型橋墩模型包括頂部固定蓋 2、有機(jī)玻璃管6和底部固定座7,頂部固定蓋2與有機(jī)玻璃管6上端連接，底部固定座7與 有機(jī)玻璃管6下端連接，直流穩(wěn)壓電源11為本系統(tǒng)供電，工控機(jī)12內(nèi)安裝A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換卡14和容量500G以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器13,A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡14連接脈沖接收發(fā)射器15， 圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置包括旋轉(zhuǎn)反射面裝置、超聲波換能器9和上下移動(dòng)裝置； 上下移動(dòng)裝置包括電動(dòng)馬達(dá)1、絲杠5、上支撐與傳動(dòng)蓋板3和下支撐與傳動(dòng)板10,絲杠5貫 穿于整個(gè)圓柱型橋墩模型內(nèi)部，電動(dòng)馬達(dá)1與頂部固定蓋2固定連接，絲杠5與電動(dòng)馬達(dá)1 輸出軸連接，上支撐與傳動(dòng)蓋板3與絲杠5上段螺紋連接，下支撐與傳動(dòng)蓋板10與絲杠5 下段螺紋連接，電動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使上、下支撐與傳動(dòng)蓋板3、10能夠沿絲杠 5做上下同步移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)反射面裝置位于超聲波換能器9上方；旋轉(zhuǎn)反射面裝置包括微型馬 達(dá)8和45°反射面4 ;45°反射面4與微型馬達(dá)8輸出軸連接，微型馬達(dá)8與上支撐與傳動(dòng) 蓋板3底面連接；超聲波換能器9與下支撐與傳動(dòng)板10連接；45°反射面4和超聲波換能 器9軸線重合，脈沖接收發(fā)射器15與超聲波換能器9電信號(hào)連接；工控機(jī)12運(yùn)行采集程 序，通過A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡14發(fā)出指令給脈沖發(fā)射接收器15,脈沖接收發(fā)射器15給超聲 波換能器9發(fā)射一個(gè)高電壓脈沖，使超聲波換能器9上的晶片發(fā)生高頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生高 頻超聲波脈沖信號(hào)；同時(shí)超波聲換能器9能夠接收從被測(cè)的波浪上下表面反射回來的兩次 超聲波回波信號(hào)，其回波信號(hào)通過超聲波換能器9和脈沖發(fā)射接收器15轉(zhuǎn)換成低電壓信號(hào) 傳遞給A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡14,最后工控機(jī)12通過A/D轉(zhuǎn)換，將回波信號(hào)以數(shù)字形式進(jìn)行 存儲(chǔ)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)反射面旋轉(zhuǎn)，同時(shí)上、下支撐與傳動(dòng)蓋板上下同步移動(dòng)時(shí)，本系統(tǒng)能夠在波浪 爬高的過程中實(shí)時(shí)不間斷地采集波浪的高度和厚度，得到橋墩模型環(huán)向一周的波浪分布數(shù) 據(jù)、三維橋墩模型表面波浪的幾何特征數(shù)據(jù)和三維橋墩模型表面波浪的豎向分布數(shù)據(jù)。
[0013] 本發(fā)明的工控機(jī)主要是運(yùn)行采集程序，保存由A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換過來的海 量數(shù)據(jù)，要求硬盤為大容量（500G以上），高速（10000轉(zhuǎn)以上）。A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡功能 是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)超聲波換能器的晶振頻率來選配轉(zhuǎn)換卡的采集速度。 脈沖接收發(fā)射器的功能是給超聲波換能器發(fā)射一個(gè)高電壓脈沖，使換能器上的晶片發(fā)生高 頻率振動(dòng)（例如IOMHz)從而產(chǎn)生高頻超聲波脈沖信號(hào)。同時(shí)超波聲換能器能夠接收從被 測(cè)的波浪上下表面反射回來的超聲波回波信號(hào)，將回波信號(hào)傳遞給脈沖接收發(fā)射器。本系 統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)處理程序，采集程序采用BlandC++語(yǔ)言編寫，在波浪爬 高的過程中實(shí)時(shí)不間斷地采集波浪厚度，其數(shù)據(jù)量巨大；數(shù)據(jù)處理程序采用Matlab編寫， 對(duì)水波浪厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行海量處理。
[0014] 實(shí)施例2
[0015] 超聲波測(cè)厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)超聲波換能器發(fā)射 的超聲波脈沖通過被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回超聲波換能器，通過精確測(cè) 量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測(cè)材料的厚度。水是一種連續(xù)介質(zhì)，超聲波在水中 傳播能量損失極小，被測(cè)物體厚度（假設(shè)為水）可用下式表示：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)，包括圓柱型橋墩模型、工控機(jī) (12)、容量500G以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（13)、A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)、脈沖接收發(fā)射器（15)、 直流穩(wěn)壓電源（11)和圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置，圓柱型橋墩模型包括頂部固定蓋 (2)、有機(jī)玻璃管（6)和底部固定座（7)，頂部固定蓋（2)與有機(jī)玻璃管（6)上端連接，底部 固定座（7)與有機(jī)玻璃管（6)下端連接，直流穩(wěn)壓電源（11)為本系統(tǒng)供電，工控機(jī)（12)內(nèi) 安裝A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)和容量500G以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（13)，A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14) 連接脈沖接收發(fā)射器（15)，其特征在于：圓柱型橋墩模型超聲波測(cè)試裝置包括旋轉(zhuǎn)反射面 裝置、超聲波換能器（9)和上下移動(dòng)裝置；上下移動(dòng)裝置包括電動(dòng)馬達(dá)（1)、絲杠（5)、上支 撐與傳動(dòng)蓋板（3)和下支撐與傳動(dòng)板（10)，絲杠（5)貫穿于整個(gè)圓柱型橋墩模型內(nèi)部，電 動(dòng)馬達(dá)（1)與頂部固定蓋（2)固定連接，絲杠（5)與電動(dòng)馬達(dá)（1)輸出軸連接，上支撐與傳 動(dòng)蓋板（3)與絲杠（5)上段螺紋連接，下支撐與傳動(dòng)蓋板（10)與絲杠（5)下段螺紋連接， 電動(dòng)馬達(dá)（1)帶動(dòng)絲杠（5)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使上、下支撐與傳動(dòng)蓋板（3、10)能夠沿絲杠（5)做 上下同步移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)反射面裝置位于超聲波換能器（9)上方；旋轉(zhuǎn)反射面裝置包括微型馬 達(dá)⑶和45°反射面⑷；45°反射面⑷與微型馬達(dá)⑶輸出軸連接，微型馬達(dá)⑶與上 支撐與傳動(dòng)蓋板（3)底面連接；超聲波換能器（9)與下支撐與傳動(dòng)板（10)連接；45°反射 面（4)和超聲波換能器（9)軸線重合，脈沖接收發(fā)射器（15)與超聲波換能器（9)電信號(hào)連 接；工控機(jī)（12)運(yùn)行采集程序，通過A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)發(fā)出指令給脈沖發(fā)射接收 器（15)，脈沖接收發(fā)射器（15)給超聲波換能器（9)發(fā)射一個(gè)高電壓脈沖，使超聲波換能器 (9)上的晶片發(fā)生高頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生高頻超聲波脈沖信號(hào)；同時(shí)超波聲換能器（9)能夠 接收從被測(cè)的波浪上下表面反射回來的兩次超聲波回波信號(hào)，其回波信號(hào)通過超聲波換能 器（9)和脈沖發(fā)射接收器（15)轉(zhuǎn)換成低電壓信號(hào)傳遞給A/D高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡（14)，最后工 控機(jī)（12)通過A/D轉(zhuǎn)換，將回波信號(hào)以數(shù)字形式進(jìn)行存儲(chǔ)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓柱型橋墩表面波浪爬高超聲波測(cè)試系統(tǒng)，其特征在 于：當(dāng)旋轉(zhuǎn)反射面旋轉(zhuǎn)，同時(shí)上、下支撐與傳動(dòng)蓋板上下同步移動(dòng)時(shí)，本系統(tǒng)能夠在波浪爬 高的過程中實(shí)時(shí)不間斷地采集波浪的高度和厚度，得到橋墩模型環(huán)向一周的波浪分布數(shù) 據(jù)、三維橋墩模型表面波浪的幾何特征數(shù)據(jù)和三維橋墩模型表面波浪的豎向分布數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01B17/02GK104482891SQ201410804980
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】郭安薪, 肖圣超, 陳文禮, 高東來, 李惠 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)