CN118425286B - 一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置及方法，包括控制连接在控制模块上的激励线圈发射恒定磁场，磁化地脚螺栓；利用紧贴在混凝土保护帽表面的9颗按3×3矩阵排列的霍尔传感器接收探测区域的磁化磁场强度信号参数，并将信号参数返回给控制模块；借助内嵌的地脚螺栓螺母缺失缺陷判别模型，现场计算分析输电铁塔地脚螺栓螺杆是否存在的螺母缺失缺陷。能够在面对输电铁塔地脚螺栓周边有塔脚板等密集钢性材料，且排列不规则的复杂钢筋混凝土环境下，能够进行螺母缺失缺陷检测的电磁无损检测装置与方法。

Description

一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置及方法

技术领域

本发明涉及输电结构安全检测技术领域，具体涉及一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置及方法。

背景技术

输电线路作为电能输送的关键环节，保障输电铁塔的安全运行是保证能源供给的重点。用于固定连接输电铁塔基础与塔腿的地脚螺栓在建设过程中受到来自施工人员等多种不确定因素影响，输电铁塔地脚螺栓存在螺母缺失缺陷的可能，这种缺陷使得铁塔与基础连接不牢，直接影响输电铁塔的承载性能，给输电铁塔的安全运行留下了潜在隐患，消除此类隐患对保证整条架空输电线路安全运行有重大意义。

目前国内外混凝土钢筋无损检测现状如下：中国专利文献CN114001636A，记载了张洪等人发明研制了钢筋混凝土保护层厚度检测方法、检测装置及使用方法，用于探测混凝土保护层内部钢筋所处深度，该装置的初级线圈和次级线圈传感器工作于磁耦合谐振状态下，通过对比次级线圈在实际探测混凝土表层时所得电压U1与探测不同距离下的钢筋所得电压U2，得出实际探测下的钢筋所处深度，该方案成本低检测精度高，但是在面对钢筋周边有其它钢材等复杂铁磁环境时，探测就很难达到预期效果。中国专利文献CN113566692A，记载了于金山等人发明的一种电缆水泥保护盖板质量的无损检测方法，用于电缆水泥保护盖板中的钢筋位置以及直径进行无损检测，该方法通过获取足够数量的标准构件扫描信号波形图，形成扫描信号包络图，根据扫描信号包络图计算得到波形信号的分布特征，然后得到钢筋位置对应的电磁信号特征值Lmax1、Lmax2波动误差a，钢筋直径对应电磁信号特征值Smax1，Smax2波动误差b，通过比对实际测量结果，得出盖板中的钢筋位置与直径是否合格，该方法在面对钢筋间距稀疏，铁磁环境干扰小的混凝土盖板检测时，能很好的提高盖板检测效率，但是面对钢筋密集铁磁环境干扰较多的情况时，将很到达想要的检测效果。此外还有中国专利文献CN114812477A，记载了吕丹萍等人发明的一种混凝土结构墙体钢筋间距的检测方法，用于针对现有技术中不便于测量钢筋与钢筋之间的间距，工作量大、效率低、检测精度极差的问题，该方案利用钢筋检测仪进行探测，首先选定一面混凝土结构墙体，墙体检测部位特意避开其它金属材料和较强的铁磁性材料，沿着垂直于混凝土结构墙体的方向，将钢筋检测仪缓慢匀速移动进行扫描，直至扫描出分布的钢筋，然后对其取均值进行间距判定，此方案主要针对钢筋排列规则时的钢筋混凝土钢筋间距检测，在面对混凝土保护层内部铁磁材料结构比较复杂且不规则的情况时，检测就很难达到预期的效果。

现有的检测技术难以检测出，隐蔽于铁塔基础混凝土保护帽中的地脚螺栓螺杆是否存在螺母缺失缺陷的问题。针对在役输电铁塔存在地脚螺栓螺杆螺母缺失缺陷时，因缺陷隐蔽于混凝土保护帽中且附近铁磁环境复杂难以检测的问题，提出一种免开挖可以直接在混凝土保护帽表面检测螺母缺失情况的一种装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置及方法，能够在面对输电铁塔地脚螺栓周边有塔脚板等密集钢性材料，且排列不规则的复杂钢筋混凝土环境下，能够进行螺母缺失缺陷检测的电磁无损检测装置与方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置，装置包括上下布置的顶板和底板，顶板和底板之间设有固定连接的四根升降导轨和上下升降的升降板，升降板上设有四个带卡扣锁定模块的伺服电机，伺服电机上设有伺服电机齿轮，伺服电机齿轮与升降导轨上的齿条啮合，升降板下方设有线圈驱动模块，线圈驱动模块内设有磁场发射模块，底板上设有霍尔传感器，伺服电机、线圈驱动模块、磁场发射模块和霍尔传感器都与顶板上的操作模块电连接。

上述的底板设有中空区，两根滚轮连接轴贯穿中空区分别与装置两侧滚轮连接，在其中一根滚轮连接轴上设置有编码器。

上述的霍尔传感器在底板上设有九个，按照3×3矩阵排列在底板上中心。

上述的顶板、升降板、底板、升降导轨、伺服电机齿轮、滚轮连接轴以及连接件均采用非磁性材料。

上述的操作模块内设有AD转换模块、微处理模块、执行模块、储存模块、显示模块和按键输入模块，AD转换模块输出端与微处理模块的输入端连接，AD转换模块输入端与霍尔传感器和编码器相连；微处理模块的输出端与执行模块的输入端连接，执行模块的输出端分别与显示模块、伺服电机、线圈驱动模块、卡扣锁定驱动模块以及储存模块连接，微处理模块的输入端与按键输入模块连接。

上述的九个霍尔传感器按3×3矩阵排列，按照竖向编号分别为1-1.1～1-1.9，其中1-1.1、1-1.2、1-1.3组成霍尔传感器模块的左部分析单元，1-1.4、1-1.5、1-1.6组成霍尔传感器模块的中部分析单元，1-1.7、1-1.8、1-1.9组成霍尔传感器模块的中部分析单元，右部分析单元，每个霍尔传感器与相邻的霍尔传感器之间距离为S，固定在装置底板中心。

上述的磁场发射模块中设有3组直径分别为R1、R2以及R3的激励线圈且每组直径参数的线圈由直径为A的铜制漆包线缠绕B匝而成，且R1>R2>R3，激励线圈固定在升降板中心位置。

上述的无损检测装置设有外壳，外壳由顶层、底层以及四个装置侧板（44）拼接而成。

使用上述的一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置的检测方法，检测的步骤为：

Step、清理铁塔地基处混凝土保护帽周围的落叶、杂草及不规则物体，使混凝土保护帽四个侧面平整无杂物，便于装置的移动检测；

Step、确定铁塔基础编号、地脚螺栓螺杆编号以及检测窗口编号；沿着顺线路方向将左下角铁塔基础定为a号基础，并沿着逆时针方向将其余基础依次标记为b号基础、c号基础以及d号基础，依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最近四根地脚螺栓，并将这四根地脚螺栓分别确定为各自所在基础的1号螺杆①，然后，依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最远的四根螺栓，并将这四根螺栓分别定为各自所在基础的4号螺杆④；每个基础剩余的两根螺杆分别确定为各自基础的2号螺杆②和3号螺杆③；然后根据螺杆编号确定该螺杆编号所对应的检测窗口，其中1号螺杆对应检测窗口Ⅰ，2号螺杆和3号螺杆对应检测窗口Ⅱ，4号螺杆对应检测窗口Ⅲ；

Step3、选择直径合适的激励线圈；根据Step2中确定的螺杆与检测窗口编号，检测窗口Ⅱ，对应用直径为R1的大直径线圈进行检测，检测窗口Ⅲ，对应用直径为R2的中等直径线圈进行检测；检测窗口Ⅰ，对应用直径为R3的小直径线圈进行检测；操作人员对装置进行开机，然后根据待检地脚螺栓螺杆的编号以及本步直径选择方法，通过功能选择按键在显示模块中选择该检测窗口所对应的激励线圈直径并确认；

Step4、扫描检测窗口；操作人员将装置贴敷在检测窗口的一端且装置滚轮与基础顶面重合，贴敷完毕后，根据显示模块显示“是否开始检测”内容，用功能键选择到“开始检测”命令后，按下“OK”键，当微处理模块接收到“开始检测”命令后，控制已选定的激励线圈电路闭合，在恒定电流的作用下，激励线圈发射恒定磁场，然后操作人员水平缓慢匀速移动装置到检测窗口的另一端，对整个检测窗口进行扫描检测，在装置扫描过程中，激励线圈发射的恒定磁场会磁化装置所经过的扫描区域，扫描完成后，操作人员将装置取下并平放于地面，等待显示模块发出下一步命令提示；

Step5、扫描波形合格性判断；微处理模块中内嵌的信号波形处理系统会对AD转换后的磁化磁场信号以及对应的位置信号进行波形处理，得到该扫描区域内的磁化磁场强度随距离的变化波形，并分析该扫描波形的最低点到最高点的变化幅度是否小于限值B0；如果变化幅度小于限值B0表明恒定磁场的磁化能力不足，需要进行步骤（6）扫描波形强化，显示模块提示操作人员“是否确认扫描波形强化”；如果变化幅度大于B0表明恒定磁场的磁化能力足够，操作人员进行Step7波形对比分析并显示判定结果；

Step6、扫描波形强化；操作人员通过按键输入模块按下“OK”键确认进行扫描波形强化后，微处理模块控制伺服电机转动，带动升降板向底层方向下降一个标准距离d；在伺服电机停止并且卡扣锁定后，显示模块显示“磁场强化完成”，操作人员重复Step4和Step5，直至恒定磁场的磁化能力足够；

Step7、波形对比分析并显示判定结果；霍尔传感器各部分析单元在经过螺杆时，会感应磁场强度，存储模块记录特征波形，微处理模块通过内嵌的波形对比分析系统，将实际扫描的磁化磁场强度随距离变化波形与预设地脚螺栓螺杆有螺母存在时的磁化磁场强度随距离变化波形进行比对，如果实际波形特征与预设波形特征一致即可判定该地脚螺栓螺杆上有螺母存在，显示模块通过微处理模块控制显示“该螺杆无螺母缺失缺陷”，反之如果实际波形特征与预设波形特征不一致即可判定该地脚螺栓螺杆上螺母不存在，显示模块通过微处理模块控制显示“该螺杆有螺母缺失缺陷”；

Step8、操作人员通过按键输入模块打开装置日志文件夹，创建检测文件并进行打字输入：“xxx线路xxx号输电铁塔xxx号塔基xxx号螺杆有/无螺母缺失缺陷”；信息输入完毕后，按下“复位”键复位升降板到达靠近装置顶层的初始位置，最后按下“ON/OFF”键对装置进行关机，完成该根螺杆的检测任务。

本发明提供的一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置及方法，包括一、控制连接在控制模块上的激励线圈发射恒定磁场，磁化地脚螺栓；二、利用紧贴在混凝土保护帽表面的9颗按3×3矩阵排列的霍尔传感器接收探测区域的磁化磁场强度信号参数，并将信号参数返回给控制模块；三、借助内嵌的地脚螺栓螺母缺失缺陷判别模型，现场计算分析输电铁塔地脚螺栓螺杆是否存在的螺母缺失缺陷。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明装置及方法实现了在不破坏混凝土保护帽的情况下对处于复杂铁磁环境下的输电塔地脚螺栓螺杆是否存在螺母缺失缺陷的电磁无损检测。

2、本发明装置可以根据目标检测螺杆实际的铁磁环境复杂程度，通过改变激励线圈直径以及与地脚螺栓间的距离，从而改变恒定磁场分布，以减小复杂铁磁环境对地脚螺栓螺杆的磁化磁场强度的影响，达到现场检测评估的目的。

3、本发明提供了一种通过分析磁化磁场强度随距离连续变化的波形，判断地脚螺栓螺杆是否存在螺母缺失问题的方法。相比只分析固定几个位置的磁场强度，该波形分析法使得地脚螺栓螺杆有无螺母缺陷的检测评估更加准确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为输电铁塔地脚螺栓基础示意图；

图2为装置顶层操作面板图；

图3为信息传递逻辑流程图；

图4为装置整体结构图；

图5为装置底层俯视图；

图6为螺杆与检测窗口编号参考图；

图7为预设地脚螺栓螺杆有螺母存在时的磁化磁场强度随距离变化波形图；

图8为实施例中试验检测平台图；

图9为实施例中试验的有无螺母缺失时检测窗口数据对比图。

其中：霍尔传感器1、 AD转换模块2、微处理模块3、执行模块4、显示模块5、伺服电机6、线圈驱动模块7、卡扣锁定驱动模块8、存储模块9、磁场发射模块10、卡扣锁定模块11、混凝土保护帽12、检测装置13、螺母14、螺杆15、铁塔主材16、铁塔斜材17、塔脚板18、靴板19、加劲板20、垫圈21、铁塔基础22、地面23、装置下边框24、操作模块25、显示模块26、 排线插口接口27、28、29、30、31、32、33、滚轮34、编码器35、顶板36、升降板37、底板38、按键输入模块39、升降导轨40、滚轮连接轴41、第一轴41-1、第二轴41-2、伺服电机齿轮42、基础顶面43、装置侧板44、升降层45、a号基础a、b号基础b、c号基础c、d号基础d、1号螺杆①、2号螺杆②、3号螺杆③、4号螺杆④。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1中所示，一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置，装置包括上下布置的顶板36和底板38，顶板36和底板38之间设有固定连接的四根升降导轨40和上下升降的升降板37，升降板37上设有四个带卡扣锁定模块11的伺服电机6，伺服电机6上设有伺服电机齿轮42，伺服电机齿轮42与升降导轨40上的齿条啮合，升降板37下方设有线圈驱动模块7，线圈驱动模块7内设有磁场发射模块10，底板38上设有霍尔传感器1，伺服电机6、线圈驱动模块7、磁场发射模块10和霍尔传感器1都与顶板36上的操作模块25电连接。

通过伺服电机6带动升降板37在升降导轨40上进行升降运动从而调节磁场发射模块10中的激励线圈与检测面之间的距离，改变激励线圈发射的恒定磁场分布，霍尔传感器1用于接收磁化磁场强度，借助操作模块25内嵌的地脚螺栓螺母缺失缺陷判别模型，现场计算分析输电铁塔地脚螺栓螺杆是否存在的螺母缺失缺陷。

如图4中所示，上述的底板38设有中空区，两根滚轮连接轴贯穿中空区分别与装置两侧滚轮34连接，在其中一根滚轮连接轴上设置有编码器35。

编码器用于计算滚轮34所走里程。

如图5中所示，上述的霍尔传感器1在底板38上设有九个，按照3×3矩阵排列在底板38上中心。

利用紧贴在混凝土保护帽表面的9颗按3×3矩阵排列的霍尔传感器接收探测区域的磁化磁场强度信号参数，并将信号参数返回给控制模块。

上述的顶板36、升降板37、底板38、升降导轨40、伺服电机齿轮42、滚轮连接轴以及连接件均采用非磁性材料。

通过采用非磁性材料使得磁场发射模块10在产生磁场时，装置结构件不会被磁化，从而不会影响霍尔传感器1检测到的地脚螺栓螺杆反馈的磁场强度信号。

如图3中所示，上述的操作模块25内设有AD转换模块2、微处理模块3、执行模块4、储存模块9、显示模块5和按键输入模块39，AD转换模块2输出端与微处理模块3的输入端连接，AD转换模块2输入端与霍尔传感器1和编码器35相连；微处理模块3的输出端与执行模块4的输入端连接，执行模块4的输出端分别与显示模块5、伺服电机6、线圈驱动模块7、卡扣锁定驱动模块8以及储存模块9连接，微处理模块3的输入端与按键输入模块39连接。

如图5中所示，上述的九个霍尔传感器1按3×3矩阵排列，按照竖向编号分别为1-1.1～1-1.9，其中1-1.1、1-1.2、1-1.3组成霍尔传感器模块1的左部分析单元，1-1.4、1-1.5、1-1.6组成霍尔传感器模块1的中部分析单元，1-1.7、1-1.8、1-1.9组成霍尔传感器模块1的中部分析单元，右部分析单元，每个霍尔传感器与相邻的霍尔传感器之间距离为S，固定在装置底板38中心。

上述的磁场发射模块10中设有3组直径分别为R1、R2以及R3的激励线圈且每组直径参数的线圈由直径为A的铜制漆包线缠绕B匝而成，且R1>R2>R3，激励线圈固定在升降板37中心位置。

恒定磁场的探测深度以及探测范围受激励线圈直径控制，检测地脚螺栓螺杆缺陷时，需要根据实际的检测窗口选择激励线圈直径。

上述的无损检测装置设有外壳，外壳由顶层、底层以及四个装置侧板44拼接而成。

使用上述的一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置的检测方法，检测的步骤为：

Step1、清理铁塔地基处混凝土保护帽12周围的落叶、杂草及不规则物体，使混凝土保护帽12四个侧面平整无杂物，便于装置的移动检测；

Step2、确定铁塔基础编号、地脚螺栓螺杆编号以及检测窗口编号；沿着顺线路方向将左下角铁塔基础定为a号基础a，并沿着逆时针方向将其余基础依次标记为b号基础b、c号基础c以及d号基础d，依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最近四根地脚螺栓，并将这四根地脚螺栓分别确定为各自所在基础的1号螺杆①，然后，依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最远的四根螺栓，并将这四根螺栓分别定为各自所在基础的4号螺杆④；每个基础剩余的两根螺杆分别确定为各自基础的2号螺杆②和3号螺杆③；然后根据螺杆编号确定该螺杆编号所对应的检测窗口，其中1号螺杆对应检测窗口Ⅰ，2号螺杆和3号螺杆对应检测窗口Ⅱ，4号螺杆对应检测窗口Ⅲ；

Step3、选择直径合适的激励线圈；根据Step2中确定的螺杆与检测窗口编号，检测窗口Ⅱ，对应用直径为R1的大直径线圈进行检测，检测窗口Ⅲ，对应用直径为R2的中等直径线圈进行检测；检测窗口Ⅰ，对应用直径为R3的小直径线圈进行检测；操作人员对装置进行开机，然后根据待检地脚螺栓螺杆的编号以及本步直径选择方法，通过功能选择按键在显示模块5中选择该检测窗口所对应的激励线圈直径并确认；

Step4、扫描检测窗口；操作人员将装置贴敷在检测窗口的一端且装置滚轮34与基础顶面43重合，贴敷完毕后，根据显示模块5显示“是否开始检测”内容，用功能键选择到“开始检测”命令后，按下“OK”键，当微处理模块3接收到“开始检测”命令后，控制已选定的激励线圈电路闭合，在恒定电流的作用下，激励线圈发射恒定磁场，然后操作人员水平缓慢匀速移动装置到检测窗口的另一端，对整个检测窗口进行扫描检测，在装置扫描过程中，激励线圈发射的恒定磁场会磁化装置所经过的扫描区域，扫描完成后，操作人员将装置取下并平放于地面，等待显示模块5发出下一步命令提示；

Step5、扫描波形合格性判断；微处理模块3中内嵌的信号波形处理系统会对AD转换后的磁化磁场信号以及对应的位置信号进行波形处理，得到该扫描区域内的磁化磁场强度随距离的变化波形，并分析该扫描波形的最低点到最高点的变化幅度是否小于限值B0；如果变化幅度小于限值B0表明恒定磁场的磁化能力不足，需要进行步骤6扫描波形强化，显示模块5提示操作人员“是否确认扫描波形强化”；如果变化幅度大于B0表明恒定磁场的磁化能力足够，操作人员进行Step7波形对比分析并显示判定结果；

Step6、扫描波形强化；操作人员通过按键输入模块39按下“OK”键确认进行扫描波形强化后，微处理模块3控制伺服电机6转动，带动升降板37向底层方向下降一个标准距离d；在伺服电机6停止并且卡扣锁定后，显示模块5显示“磁场强化完成”，操作人员重复Step4和Step5，直至恒定磁场的磁化能力足够；

Step7、波形对比分析并显示判定结果；霍尔传感器各部分析单元在经过螺杆时，会感应磁场强度，存储模块9记录特征波形，微处理模块3通过内嵌的波形对比分析系统，将实际扫描的磁化磁场强度随距离变化波形与预设地脚螺栓螺杆有螺母存在时的磁化磁场强度随距离变化波形进行比对，如果实际波形特征与预设波形特征一致即可判定该地脚螺栓螺杆上有螺母存在，显示模块5通过微处理模块3控制显示“该螺杆无螺母缺失缺陷”，反之如果实际波形特征与预设波形特征不一致即可判定该地脚螺栓螺杆上螺母不存在，显示模块5通过微处理模块3控制显示“该螺杆有螺母缺失缺陷”；

Step8、操作人员通过按键输入模块39打开装置日志文件夹，创建检测文件并进行打字输入：“xxx线路xxx号输电铁塔xxx号塔基xxx号螺杆有/无螺母缺失缺陷”；信息输入完毕后，按下“复位”键复位升降板37到达靠近装置顶层的初始位置，最后按下“ON/OFF”键对装置进行关机，完成该根螺杆的检测任务。

实施例：

一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置，装置包括操作板25、霍尔传感器模块 1、伺服电机6以及磁场发射模块10、卡扣锁定模块11、编码器35、滚轮34。

操作板25如图2所示，操作板25上设有排线插口接口27、28、29、30、31、32、33，操作板25内置AD转换模块2、微处理模块3、执行模块4、储存模块9、显示模块5、按键输入模块39；信息传递逻辑流程图如图3所示，AD转换模块2输出端与微处理模块3的输入端连接，AD转换模块2输入端与霍尔传感器1和编码器35相连；微处理模块3的输出端与执行模块4的输入端连接，执行模块4的输出端分别与显示模块5、储存模块9、按键输入模块39、卡扣锁定驱动模块8、以及线圈驱动模块7连接；

霍尔传感器模块1由9颗霍尔传感器1-1.1、1-1.2、1-1.3、1-1.4、1-1.5、1-1.6、1-1.7、1-1.8、1-1.9构成，按3×3矩阵排列，其中霍尔传感器1-1.1、1-1.2、1-1.3组成霍尔传感器模块1的左部分析单元，霍尔传感器1-1.4、1-1.5、1-1.6组成霍尔传感器模块1的中部分析单元，霍尔传感器1-1.7、1-1.8、1-1.9组成霍尔传感器模块1的右部分析单元，每个霍尔传感器与相邻的霍尔传感器之间距离为S，固定在装置底层中心位置。

磁场发射模块10中有3组直径分别为R1、R2以及R3的激励线圈且每组直径参数的线圈由直径为A的铜制漆包线缠绕B匝而成，，R1>R2>R3，激励线圈固定在升降板37中心位置，同时恒定磁场的探测深度以及探测范围受激励线圈直径控制，检测地脚螺栓螺杆缺陷时，需要根据实际的检测窗口选择激励线圈直径。

线圈驱动模块7有三组驱动电路，分别与每组激励线圈相接，用于驱动相应直径的激励线圈；

排线插口27、28、29、30、31、32、33一共7个，其中排线插口27、28连接伺服电机6，排线插口29、30连接卡口锁定模块11，排线插口31连接霍尔传感器模块1，排线插口32连接编码器35，排线插口33连接线圈驱动模块7；

编码器35与滚轮连接轴43的1号轴41-1相连如图5所示，将滚轮34运动距离信息通过排线插口32传递给AD转换模块2；

卡扣锁定驱动模块8与卡扣锁定模块11相连，用于驱动卡扣锁定模块11中的卡扣锁定升降板37，防止升降板37在检测过程中出现滑移；

按键输入模块39如图2所示，设有数字和字母，可通过“shift” 键进行数字输入、字母输入与汉字输入模式的互相转换，便于操作人员输入检测线路名称、检测塔位编号、检测塔基编号以及检测螺杆编号等信息，同时按键模块还设有“▶”、“◀”、“▼”、“▲”四种功能选择按键、“OK”确认键、“del”删除键、“ON/OFF”开关键以及“复位”键，其中 “复位”键只用于复位升降板37到初始位置。

储存模块9用于存储扫描位置的磁化磁场强度信息、预设磁化磁场强度波形信息、检测结果等数据信息和操作人员输入的检测日期、检测线路名称、检测塔位编号、检测塔基编号以及检测螺杆编号等信息；

显示模块5显示按键输入信息、舵机运行状态、升降板37与底层距离以及本次电磁无损检测结果等；

操作人员根据待检地脚螺栓螺杆的编号，通过按键输入所选的检测窗口以及激励线圈直径，并将装置贴敷在检测窗口的一端且装置底面与基础顶面43贴合，贴敷完毕后，根据显示模块显示“是否开始检测”内容，用功能键选择到“开始检测”命令后，按下“OK”键；当微处理模块3接收到“开始检测”命令后，控制指定直径的激励线圈电路闭合，在恒定电流的作用下，激励线圈发射恒定磁场；然后操作人员水平缓慢匀速移动装置到检测窗口的另一端，完成整个检测窗口的扫描检测；在装置扫描过程中，激励线圈发射的恒定磁场会磁化装置所经过的扫描区域；在磁化的过程中，霍尔传感器1会以频率f不断接收混凝土保护帽上的磁化磁场强度信号，同时编码器35也会以频率f不断记录滚轮34的运动距离信号；两种信号通过排线插口31、32传输给操作板25内置的AD转换模块2；AD转换模块2在接收到模拟信号后，会将其转换为数字信号，并将转换后的数字信号传送给微处理模块3；接着微处理模块3中内嵌的信号波形处理系统会对转换后的数字信号进行波形处理，得到该扫描区域内的磁化磁场强度随距离变化的波形；如果该磁化磁场强度随距离变化的波形从最低点B1到最高点B3的变化幅度小于限值B0,表明恒定磁场的磁化能力不足，并将“恒定磁场磁化能力不足”结果显示，这时需要操作人员通过功能选择按键选择“加强恒定磁场磁化能力”命令；微处理模块3接收到命令后，控制伺服电机6转动，带动处于初始位置的升降板37下降一个标准距离d；在伺服电机6停止并且卡扣锁定后，操作人员将再次进行上述的检测窗口扫描操作；如果变化幅度依旧小于限值B0,操作人员需要继续控制升降板37下降一个标准距离d，并继续重复上述检测窗口扫描操作，直至波形变化幅度大于限值B0后，微处理模块3将该磁化磁场强度随距离变化波形与预设地脚螺栓螺杆有螺母存在时的磁化磁场强度随距离变化波形进行比对；如果两者变化趋势一致即可判定该地脚螺栓螺杆上有螺母存在，显示模块5通过微处理模块3控制显示“该螺杆无螺母缺失缺陷”；反之如果两者变化趋势不一致即可判定该地脚螺栓螺杆上螺母不存在，显示模块5通过微处理模块3控制显示“该螺杆有螺母缺失缺陷”；结果显示完成后，操作人员通过按键输入模块39完成该地脚螺栓螺杆对应检测信息的记录以及存储工作，并复位升降板37到达靠近装置顶层初始位置，最后进行关机，完成该根螺杆的检测任务。

微处理模块3采用STM32F407单片机微处理器；其具有高性能、低功耗等优点，通过STM32F407良好的快速处理能力用来提高数据处理速度，能够很好保证现场快速计算，快速得出结果；

显示模块(5)采用LCD1602液晶显示屏；

执行模块4为上述微处理模块3的I/O接口，在操作板25上通过排线插口进行信号组合输出控制；

伺服电机6选用四个DS33235型号舵机，带动装置中的升降板37进行升降移动；

升降板37结构如图4所示，可移动距离为D，同时设定舵机每次可移动标准间距为d，装置开机后，实施检查工作前，该层停留在靠近顶层的初始位置；

升降板37初始位置，如图4所示，此位置靠近装置顶层，与底层距离为Y，Y>D；

检测窗口，是由于加劲板对螺杆的阻挡以及靴板对螺杆之间的隔离，导致混凝土保护帽四个侧面中只有部分区域可用于检测，本方法将这些检测区域称为检测窗口。

所述波形变化趋势如图7所示，当螺杆上有螺母存在时，在装置靠近螺杆位置即图中X2点，霍尔传感器各部分析单元探测到的波形会先由B1增长到B3然后下降到B2即X2点所对应的磁场强度；在装置远离螺杆位置时，磁化磁场强度又会由B2增长到B3然后下降到B1。

输电铁塔地脚螺栓基础示意图如图1所示，针对地脚螺栓螺杆所处的复杂铁磁环境产生的电磁干扰，本装置通过改变激励线圈直径以及与地脚螺栓间的距离，从而改变恒定磁场分布，以减小复杂铁磁环境对地脚螺栓螺杆的磁化磁场强度的影响，达到现场检测评估的目的，是一种不需要对基础进行开凿破损，不影响基础的安全运行便能对输电铁塔地脚螺栓是否存在螺母缺失缺陷进行检测的方法。

一种利用输电铁塔地脚螺栓无损检测装置的检测方法，其具体检测步骤如下：

1、检测需在天气晴朗环境干燥的条件下进行，注意清理混凝土保护帽12周围落叶杂草等不规则物体，保证混凝土保护帽12四个侧面平整无杂物，便于装置的移动检测；

2、确定铁塔基础编号、地脚螺栓螺杆编号以及检测窗口编号；螺杆与检测窗口编号参考图如图6所示，沿着顺线路方向将左下角铁塔基础定为a基础，并沿着逆时针方向将其余基础依次标记为b基础、c基础以及d基础；依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最近四根地脚螺栓，并将这四根地脚螺栓分别确定为各自所在基础的1号螺杆；然后，依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最远的四根螺栓，并将这四根螺栓分别定为各自所在基础的4号螺杆；每个基础剩余的两根螺杆分别确定为各自基础的2号螺杆和3号螺杆；然后根据螺杆编号确定该螺杆编号所对应的检测窗口，其中1号螺杆对应检测窗口Ⅰ，2号螺杆和3号螺杆对应检测窗口Ⅱ，4号螺杆对应检测窗口Ⅲ；

3、选择直径合适的激励线圈；根据如图6所示的螺杆与检测窗口编号，大型检测窗口Ⅱ，铁磁环境干扰较其它窗口小，适合用直径为R1的大直径线圈进行检测；中型检测窗口Ⅲ，铁磁环境干扰较其它窗口适中，适合用直径为R2的中等直径线圈进行检测；小型检测窗口Ⅰ，铁磁环境干扰较其它窗口大，适合用直径为R3的小直径线圈进行检测；操作人员按下设备“ON/OFF”键对设备进行开机，然后根据待检地脚螺栓螺杆的编号以及上述直径选择方法，通过功能选择按键在显示模块中选择该检测窗口所对应的激励线圈直径并确认；

4、扫描检测窗口；操作人员将装置贴敷在检测窗口的一端且装置滚轮34与基础顶面43重合；贴敷完毕后，根据显示模块5显示“是否开始检测”内容，用功能键选择到“开始检测”命令后，按下“OK”键；当微处理模块3接收到“开始检测”命令后，便会控制已选定的激励线圈电路闭合；在恒定电流的作用下，激励线圈发射恒定磁场；然后操作人员水平缓慢匀速移动装置到检测窗口的另一端，对整个检测窗口进行扫描检测；在装置扫描过程中，激励线圈发射的恒定磁场会磁化装置所经过的扫描区域，扫描完成后，操作人员将装置取下并平放于地面，等待显示模块5发出下一步命令提示；

5、扫描波形合格性判断；微处理模块3中内嵌的信号波形处理系统会对AD转换后的磁化磁场信号以及对应的位置信号进行波形处理，得到该扫描区域内的磁化磁场强度随距离的变化波形，并分析该扫描波形的最低点到最高点的变化幅度是否小于限值B0；如果变化幅度小于限值B0表明恒定磁场的磁化能力不足，需要进行步骤6扫描波形强化，显示模块5会提示操作人员“是否确认扫描波形强化”；如果变化幅度大于B0表明恒定磁场的磁化能力足够，操作人员进行步骤7波形对比分析并显示判定结果；

6、扫描波形强化；操作人员通过按键输入模块39按下“OK”键确认进行扫描波形强化后，微处理模块3控制伺服电机6转动，带动升降板37向底层方向下降一个标准距离d；在伺服电机6停止并且卡扣锁定后，显示模块5显示“磁场强化完成”，操作人员重复步骤4和步骤5，直至恒定磁场的磁化能力足够；

7、波形对比分析并显示判定结果；当地脚螺栓螺杆上有螺母存在，霍尔传感器各部分析单元在经过螺杆时，会出现图7所示的特征波形；微处理模块3通过内嵌的波形对比分析系统，将实际扫描的磁化磁场强度随距离变化波形与预设地脚螺栓螺杆有螺母存在时的磁化磁场强度随距离变化波形进行比对，如图7所示，如果实际波形特征与预设波形特征一致即可判定该地脚螺栓螺杆上有螺母存在，显示模块5通过微处理模块3控制显示“该螺杆无螺母缺失缺陷”，反之如果实际波形特征与预设波形特征不一致即可判定该地脚螺栓螺杆上螺母不存在，显示模块5通过微处理模块3控制显示“该螺杆有螺母缺失缺陷”；

8、操作人员通过按键输入模块39打开装置日志文件夹，创建检测文件并进行打字输入：“xxx线路xxx号输电铁塔xxx号塔基xxx号螺杆有/无螺母缺失缺陷”；信息输入完毕后，按下“复位”键复位升降板37到达靠近装置顶层的初始位置，最后按下“ON/OFF”键对装置进行关机，完成该根螺杆的检测任务。

实施例：

建立输电铁塔地脚螺栓模型，以输电铁塔地脚螺栓模型为检测对象，建立如图8中所示实验平台，保证线圈水平高度不变，缓慢平移线圈对窗口进行扫描，收集线圈中心处的磁场数据数据并绘图。

根据本发明的方法，选择使用通入1A电流，匝数1000，内径80mm，外径130mm的线圈作为磁场发射源对放入M30螺杆的地脚螺栓基础进行扫描，并采用分度值为0.01mT的高斯计对线圈中心处的磁场进行磁场强度探测，有无螺母时的探测数据如下表：

表1：有无螺母缺失时线圈中心处磁场检测数据

如表1和图9中所示，对比有无螺母缺失缺陷时检测窗口的磁场强度对比图可以发现，当螺杆上存在螺母时，在螺母位置会发生最大4.6mT的特征变化，该特征变化约为无螺母缺失缺陷时的两倍，且变化率更大，当螺杆上不存在螺母时，螺杆位置的磁场强度变化平缓，且磁场波形相较于有螺母存在时的波形会整体偏小。该实验验证了本发明方法及装置的可行性与准确性。

Claims (2)

1.一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置的检测方法，其特征是，检测装置包括上下布置的顶板（36）和底板（38），顶板（36）和底板（38）之间设有固定连接的四根升降导轨（40）和上下升降的升降板（37），升降板（37）上设有四个带卡扣锁定模块（11）的伺服电机（6），伺服电机（6）上设有伺服电机齿轮（42），伺服电机齿轮（42）与升降导轨（40）上的齿条啮合，升降板（37）下方设有线圈驱动模块（7），线圈驱动模块（7）内设有磁场发射模块（10），底板（38）上设有霍尔传感器（1），伺服电机（6）、线圈驱动模块（7）、磁场发射模块（10）和霍尔传感器（1）都与顶板（36）上的操作模块（25）电连接；

所述的底板（38）设有中空区，两根滚轮连接轴贯穿中空区分别与装置两侧滚轮（34）连接，在其中一根滚轮连接轴上设置有编码器（35）；

所述的霍尔传感器（1）在底板（38）上设有九个，按照3×3矩阵排列在底板（38）上中心；

所述的顶板（36）、升降板（37）、底板（38）、升降导轨（40）、伺服电机齿轮（42）、滚轮连接轴以及连接件均采用非磁性材料；

所述的操作模块（25）内设有AD转换模块（2）、微处理模块（3）、执行模块（4）、存储模块（9）、显示模块（5）和按键输入模块（39），AD转换模块（2）输出端与微处理模块（3）的输入端连接，AD转换模块（2）输入端与霍尔传感器（1）和编码器（35）相连；微处理模块（3）的输出端与执行模块（4）的输入端连接，执行模块（4）的输出端分别与显示模块（5）、伺服电机（6）、线圈驱动模块（7）、卡扣锁定驱动模块（8）以及存储模块（9）连接，微处理模块（3）的输入端与按键输入模块（39）连接；

所述的九个霍尔传感器（1）按3×3矩阵排列，按照竖向编号分别为1-1.1～1-1.9，其中1-1.1、1-1.2、1-1.3组成霍尔传感器（1）的左部分析单元，1-1.4、1-1.5、1-1.6组成霍尔传感器（1）的中部分析单元，1-1.7、1-1.8、1-1.9组成霍尔传感器（1）的右部分析单元，每个霍尔传感器与相邻的霍尔传感器之间距离为S，固定在装置底板（38）中心；

所述的磁场发射模块（10）中设有3组直径分别为R1、R2以及R3的激励线圈且每组直径参数的线圈由直径为A的铜制漆包线缠绕B匝而成，且R1>R2>R3，激励线圈固定在升降板（37）中心位置；

检测的步骤为：

Step1、清理铁塔地基处混凝土保护帽（12）周围的落叶、杂草及不规则物体，使混凝土保护帽（12）四个侧面平整无杂物，便于装置的移动检测；

Step2、确定铁塔基础编号、地脚螺栓螺杆编号以及检测窗口编号；沿着顺线路方向将左下角铁塔基础定为a号基础（a），并沿着逆时针方向将其余基础依次标记为b号基础（b）、c号基础（c）以及d号基础（d），依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最近四根地脚螺栓，并将这四根地脚螺栓分别确定为各自所在基础的1号螺杆（①），然后，依据铁塔中心位置标记四个塔基中距离铁塔中心最远的四根螺栓，并将这四根螺栓分别定为各自所在基础的4号螺杆（④）；每个基础剩余的两根螺杆分别确定为各自基础的2号螺杆（②）和3号螺杆（③）；然后根据螺杆编号确定该螺杆编号所对应的检测窗口，其中1号螺杆对应检测窗口Ⅰ，2号螺杆和3号螺杆对应检测窗口Ⅱ，4号螺杆对应检测窗口Ⅲ；

Step3、选择直径合适的激励线圈；根据Step2中确定的螺杆与检测窗口编号，检测窗口Ⅱ，对应用直径为R1的大直径线圈进行检测，检测窗口Ⅲ，对应用直径为R2的中等直径线圈进行检测；检测窗口Ⅰ，对应用直径为R3的小直径线圈进行检测；操作人员对装置进行开机，然后根据待检地脚螺栓螺杆的编号以及本步直径选择方法，通过功能选择按键在显示模块（5）中选择该检测窗口所对应的激励线圈直径并确认；

Step4、扫描检测窗口；操作人员将装置贴敷在检测窗口的一端且装置滚轮（34）与基础顶面（43）重合，贴敷完毕后，根据显示模块（5）显示“是否开始检测”内容，用功能键选择到“开始检测”命令后，按下“OK”键，当微处理模块（3）接收到“开始检测”命令后，控制已选定的激励线圈电路闭合，在恒定电流的作用下，激励线圈发射恒定磁场，然后操作人员水平缓慢匀速移动装置到检测窗口的另一端，对整个检测窗口进行扫描检测，在装置扫描过程中，激励线圈发射的恒定磁场会磁化装置所经过的扫描区域，扫描完成后，操作人员将装置取下并平放于地面，等待显示模块（5）发出下一步命令提示；

Step5、扫描波形合格性判断；微处理模块（3）中内嵌的信号波形处理系统会对AD转换后的磁化磁场信号以及对应的位置信号进行波形处理，得到该扫描区域内的磁化磁场强度随距离的变化波形，并分析该扫描波形的最低点到最高点的变化幅度是否小于限值B0；如果变化幅度小于限值B0表明恒定磁场的磁化能力不足，需要进行Step6扫描波形强化，显示模块（5）提示操作人员“是否确认扫描波形强化”；如果变化幅度大于B0表明恒定磁场的磁化能力足够，操作人员进行Step7波形对比分析并显示判定结果；

Step6、扫描波形强化；操作人员通过按键输入模块（39）按下“OK”键确认进行扫描波形强化后，微处理模块（3）控制伺服电机（6）转动，带动升降板（37）向底层方向下降一个标准距离d；在伺服电机（6）停止并且卡扣锁定后，显示模块（5）显示“磁场强化完成”，操作人员重复Step4和Step5，直至恒定磁场的磁化能力足够；

Step7、波形对比分析并显示判定结果；霍尔传感器各部分析单元在经过螺杆时，会感应磁场强度，存储模块（9）记录特征波形，微处理模块（3）通过内嵌的波形对比分析系统，将实际扫描的磁化磁场强度随距离变化波形与预设地脚螺栓螺杆有螺母存在时的磁化磁场强度随距离变化波形进行比对，如果实际波形特征与预设波形特征一致即可判定该地脚螺栓螺杆上有螺母存在，显示模块（5）通过微处理模块（3）控制显示“该螺杆无螺母缺失缺陷”，反之如果实际波形特征与预设波形特征不一致即可判定该地脚螺栓螺杆上螺母不存在，显示模块（5）通过微处理模块（3）控制显示“该螺杆有螺母缺失缺陷”；

Step8、操作人员通过按键输入模块（39）打开装置日志文件夹，创建检测文件并进行打字输入：“xxx线路xxx号输电铁塔xxx号塔基xxx号螺杆有/无螺母缺失缺陷”；信息输入完毕后，按下“复位”键复位升降板（37）到达靠近装置顶层的初始位置，最后按下“ON/OFF”键对装置进行关机，完成该根螺杆的检测任务。

2.根据权利要求1所述的一种输电铁塔地脚螺栓无损检测装置的检测方法，其特征在于，所述的无损检测装置设有外壳，外壳由顶层、底层以及四个装置侧板（44）拼接而成。