一种结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置及检测方法

1.本发明涉及一种结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置及检测方法，属于桥梁安全检测技术领域。


背景技术：

2.钢结构由于其强度高、自重轻、塑性好、可靠性高、安装机械化程度高、施工速度快、连接方式多样、绿色节能等优点被大量用于土木工程结构中，钢结构桥梁更是大跨度桥梁的主要形式。19世纪三十年代，中国第一座自行设计和建造的钢桥——钱塘江大桥的建成通车，拉开了中国钢结构桥梁自主建设的帷幕。目前，中国公路、铁路钢结构桥梁的建设已达到世界领先水平，一大批有世界影响力的钢结构桥梁在全国各地建成并投入使用。钢桁架桥梁具有刚度大、构件运输方便等优点，被广泛用于大跨铁路桥梁、公路桥梁和公铁两用桥梁。
3.钢桁架桥梁一般采用焊接或螺栓连接的方式对各构件进行连接。与焊接相比，螺栓连接具有承载力高、成本低、施工便捷、可拆卸等优点，在钢桁架桥梁中应用更为普遍。然而，在风致振动、汽车振动、火车振动、温度作用等各种因素的耦合影响下，螺栓极易出现松动失效，甚至发生脱落。一方面，螺栓松动失效会导致节点的承载能力下降，威胁到整座桥梁的安全使用；另一方面，螺栓脱落可能砸中高速行驶的火车或汽车，造成严重的交通事故。因此，对螺栓松动进行准确检测是确保钢桁架桥梁结构安全和行车安全的重要工作。
4.目前，螺栓松动的检测主要有经验判断法和传感器检测法两种。经验判断法依靠技术人员到达现场，通过目视检查或扭矩扳手对螺栓进行检测。传感器检测法依靠传感器和检测设备检测螺栓松动前后的阻抗、声波等参数，通过对比辨别螺栓松动情况。这两种方法都需要人员或传感器靠近螺栓，对螺栓进行逐个检测，由于大型钢桁架桥梁的螺栓数量庞大且大多在难以到达的高处，检测信号也容易受到噪声干扰。因此，其实用性和可靠性均难以满足钢桁架桥梁螺栓松动检测的便捷、可靠要求，亟待提出一种无需到达螺栓位置且效率高、可靠性好、成本低的钢桁架桥螺栓检测技术。


技术实现要素：

5.本发明提供一种结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置及检测方法，能够对钢桁架桥梁中的螺栓松动进行便捷、高效、低成本以及高准确率的检测。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，每个被检测螺栓的螺杆穿设在被连接的钢桁架桥构件上，被检测螺栓通过螺母进行紧固，在螺母与钢桁架桥构件之间的螺杆上安装松动指示装置；所述松动指示装置包括套设在螺杆上的第一导电片、压力环以及第二导电片，且第一导电片、压力环以及第二导电片由螺母至被连接钢桁架桥构件方向顺次无间隙叠设；第一导电片通过第一导电线、第二导电片通过第二导电线同时与二极管灯泡连接，即第一
导电片、压力环、第二导电片与二极管灯泡形成电流通路；当对被检测螺栓进行检测时，敲击钢桁架桥构件，若被检测螺栓松动，安装在被检测螺栓上的松动指示装置中第一导电片、第二导电片与压力环发生碰撞，压力环产生正压电效应而放电，电流通路通电，二极管灯泡发光；作为本发明的进一步优选，在第一导电片与螺母之间设置垫片；作为本发明的进一步优选，所述压力环采用压电陶瓷材料制作；作为本发明的进一步优选，所述第一导电片、第二导电片的制作材料与被检测螺栓制作材料相同；作为本发明的进一步优选，第一导电片、第二导电片以及压力环均为圆环形结构，且第一导电片、第二导电片以及压力环的内径以及外径均相同；第一导电片、第二导电片以及压力环的内径大于被检测螺栓的公称直径；作为本发明的进一步优选，在松动指示装置的整体结构表面包裹绝缘涂层；采用所述结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：步骤s1：敲击被检测螺栓连接的钢桁架桥构件，使钢桁架桥构件和被检测螺栓产生振动；步骤s2：启动无人机对被检测螺栓的区域进行图像采集；步骤s3：采用opencv软件对采集的图像进行预处理；步骤s4：利用快速区域卷积神经网络对预处理后的图像进行识别，判断被检测螺栓松动指示装置的二极管灯泡是否发光；步骤s5：若识别到二极管灯泡发光，则判定被检测螺栓发生松动，若识别到二极管灯泡未发光，则判定被检测螺栓未发生松动。
7.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，充分考虑到大型钢桁架桥梁的螺栓数量庞大且大多安装在难以到达的高处现状，采用基于压电效应的松动指示装置，结构简单，成本低廉，且长期可靠性佳；2、本发明提供的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，利用无人机拍摄松动指示装置中二极管灯泡是否发光的图像进行螺栓松动检测，无需检测人员到达被检测螺栓位置，操作简便、实用性强；3、本发明提供的采用结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置的检测方法，利用快速区域卷积神经网络对图像范围内所有螺栓的松动指示装置是否发光进行一次性判别，实现一次对螺栓群的松动情况进行全部检测，精度好、效率高；4、本发明提供的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，松动指示装置中第一导电片和第二导电片采用的制作材料与被检测螺栓材质一致，且松动指示装置安装在原螺栓结构的螺母与钢桁架桥构件之间，不会对钢桁架桥梁构件和螺栓的受力状态造成影响。
附图说明
8.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
9.图1是本发明提供的优选实施例中松动指示装置的整体结构示意图；
图2是本发明提供的优选实施例中松动指示装置的电流通路示意图；图3是本发明提供的优选实施例中松动指示装置的压力环结构示意图；图4是本发明提供的优选实施例中松动指示装置的第一导电片和第二导电片的结构示意图；图5是将本发明提供的优选实施例中松动指示装置安装在被检测螺栓上的安装示意图；图6是本发明提供的优选实施例中松动指示装置的正视图；图7是图1中松动指示装置的a-a剖视图；图8是图7中松动指示装置的b-b剖视图；图9是图7中松动指示装置的c-c剖视图。
10.图中：1为压力环，2为第一导电片，3为第二导电片，4为第一导电线，5为第二导电线，6为二极管灯泡，7为垫片，8为螺母，9为螺杆，10为钢桁架桥构件，11为绝缘涂层。
实施方式
11.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
12.如背景技术中阐述的，大型钢桁架桥梁的螺栓数量非常庞大，能够达到几万甚至几十万个，且这些螺栓大部分都设置在高处，那么检测人员无法轻易到达。在目前的技术中，也有通过将螺栓与相关检测部件形成电流通路，当螺栓出现松动，电流通路无法形成电流导致警示灯灭灯，然而这样的设计对于庞大的螺栓群存在两个弊端，首先是难以为成千上万个螺栓提供电源，其次是以灭灯方式确认螺栓松动，其灭灯状态识别也是难以实现的。
13.图1所示即为本技术提供的检测装置中的核心结构——松动指示装置，其采用一种性能优越的智能材料——压电陶瓷材料作为压力环1，在不断变化的机械压力作用下（螺栓处于松动状态时），压力环内部正负电荷中心出现相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷，产生正压电效应，即放电；此时松动指示装置中电流通路连通，警示灯发光，显示此处螺栓出现松动。
14.松动指示装置安装在钢桁架桥构件10上，整体结构如图5-图6所示，每个被检测螺栓的螺杆9穿设在被连接的钢桁架桥构件上，被检测螺栓通过螺母8进行紧固，在螺母与钢桁架桥构件之间的螺杆上安装松动指示装置。本技术试图利用被检测螺栓与钢桁架桥构件自身结构，对检测部分稍作改动，以实现对螺栓松动的检测。
15.这里继续介绍松动指示装置的具体结构，松动指示装置包括套设在螺杆上的第一导电片2、压力环以及第二导电片3，且第一导电片、压力环以及第二导电片由螺母至被连接钢桁架桥构件方向顺次无间隙叠设；在第一导电片与螺母之间设置垫片7。第一导电片通过第一导电线4、第二导电片通过第二导电线5同时与二极管灯泡6连接，即第一导电片、压力环、第二导电片与二极管灯泡形成图2所示的电流通路；当对被检测螺栓进行检测时，敲击
钢桁架桥构件，若被检测螺栓松动，安装在被检测螺栓上的松动指示装置中第一导电片、第二导电片与压力环发生碰撞，压力环产生正压电效应而放电，电流通路通电，二极管灯泡发光。
16.被检测螺栓松动由二极管灯泡发光来表示，利用的就是正压电效应；若被检测螺栓拧紧，则垫片、松动指示装置以及钢桁架桥构件之间是紧密接触的，即使钢桁架桥构件发生振动，垫片、松动指示装置以及钢桁架桥构件也是同步运动，不发生相互碰撞，压力环受到持续不变的压力，因此压力环不会出现正压电效应（压力环未产生电荷），必然的整个电流通路未连通通电，二极管灯泡一直处于灭灯状态；当被检测螺栓有所松动，垫片、松动指示装置以及钢桁架桥构件无法同步运动，发生了相互碰撞，即第一导电片、第二导电片与压力环发生多次相互碰撞，压力环受到不断变化的压力，使得压力环出现正压电效应（压力环产生电荷），通过第一导电片、第二导电片、第一导电线和第二导电线流向二极管灯泡，造成二极管灯泡发光。
17.上述阐述中，显然压力环是核心中的核心，那么要实现正压电效应，压力环需采用压电陶瓷材料制作，压电陶瓷材料是一种性能优越的智能材料，同时为了不影响钢桁架桥梁构件和螺栓的受力状态，第一导电片、第二导电片的制作材料与被检测螺栓制作材料相同。图3和图4所示，第一导电片、第二导电片以及压力环均为圆环形结构，且第一导电片、第二导电片以及压力环的内径以及外径均相同；第一导电片、第二导电片以及压力环的内径略大于被检测螺栓的公称直径。
18.图7-图9所示，在松动指示装置的整体结构表面包裹绝缘涂层11，这是为了确保压力环产生的电荷不会流向被检测螺栓的垫片、螺杆、螺母以及钢桁架桥构件。
19.本技术中，除了设计松动指示装置，最大程度利用结构本身的特性，实现对被检测螺栓的松动情况进行检测，在针对大型钢桁架桥梁实际螺栓的安装现状，查看二极管灯泡是否发光也是一个重大工程，因此本技术采用到了无人机，其通过无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵不载人飞机，能够完成远距离图像拍摄。采集到相关图像后，利用人工智能算法，能够对图像中的各种信息进行高精度和高效率识别。
20.因此本技术还提供了一种采用所述结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：步骤s1：敲击被检测螺栓连接的钢桁架桥构件，使钢桁架桥构件和被检测螺栓产生振动；步骤s2：启动无人机对被检测螺栓的区域进行图像采集；步骤s3：采用opencv软件对采集的图像进行预处理；步骤s4：利用快速区域卷积神经网络对预处理后的图像进行识别，判断被检测螺栓松动指示装置的二极管灯泡是否发光；步骤s5：若识别到二极管灯泡发光，则判定被检测螺栓发生松动，若识别到二极管灯泡未发光，则判定被检测螺栓未发生松动。
21.综合本技术将压电陶瓷材料、无人机技术和图像识别技术结合，是实现钢桁架桥梁螺栓松动检测的可行途径；同时实现了对钢桁架桥梁中螺栓松动便捷、高效、低成本以及准确的检测。
22.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术
语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
23.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
24.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
25.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，每个被检测螺栓的螺杆（9）穿设在被连接的钢桁架桥构件（10）上，被检测螺栓通过螺母（8）进行紧固，其特征在于：在螺母（8）与钢桁架桥构件（10）之间的螺杆（9）上安装松动指示装置；所述松动指示装置包括套设在螺杆（9）上的第一导电片（2）、压力环（1）以及第二导电片（3），且第一导电片（2）、压力环（1）以及第二导电片（3）由螺母（8）至被连接钢桁架桥构件（10）方向顺次无间隙叠设；第一导电片（2）通过第一导电线（4）、第二导电片（3）通过第二导电线（5）同时与二极管灯泡（6）连接，即第一导电片（2）、压力环（1）、第二导电片（3）与二极管灯泡（6）形成电流通路；当对被检测螺栓进行检测时，敲击钢桁架桥构件（10），若被检测螺栓松动，安装在被检测螺栓上的松动指示装置中第一导电片（2）、第二导电片（3）与压力环（1）发生碰撞，压力环（1）产生正压电效应而放电，电流通路通电，二极管灯泡（6）发光。2.根据权利要求1所述的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，其特征在于：在第一导电片（2）与螺母（8）之间设置垫片（7）。3.根据权利要求2所述的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，其特征在于：所述压力环（1）采用压电陶瓷材料制作。4.根据权利要求3所述的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，其特征在于：所述第一导电片（2）、第二导电片（3）的制作材料与被检测螺栓制作材料相同。5.根据权利要求4所述的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，其特征在于：第一导电片（2）、第二导电片（3）以及压力环（1）均为圆环形结构，且第一导电片（2）、第二导电片（3）以及压力环（1）的内径以及外径均相同；第一导电片（2）、第二导电片（3）以及压力环（1）的内径略大于被检测螺栓的公称直径。6.根据权利要求5所述的结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置，其特征在于：在松动指示装置的整体结构表面包裹绝缘涂层（11）。7.采用权利要求6所述结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置的检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤s1：敲击被检测螺栓连接的钢桁架桥构件（10），使钢桁架桥构件（10）和被检测螺栓产生振动；步骤s2：启动无人机对被检测螺栓的区域进行图像采集；步骤s3：采用opencv软件对采集的图像进行预处理；步骤s4：利用快速区域卷积神经网络对预处理后的图像进行识别，判断被检测螺栓松动指示装置的二极管灯泡（6）是否发光；步骤s5：若识别到二极管灯泡（6）发光，则判定被检测螺栓发生松动，若识别到二极管灯泡（6）未发光，则判定被检测螺栓未发生松动。

技术总结
本发明涉及一种结合无人机的桥梁螺栓松动便捷检测装置及检测方法，在被检测螺栓的螺母与钢桁架桥构件之间的螺杆上安装松动指示装置；松动指示装置包括套设在螺杆上由螺母至被连接钢桁架桥构件方向顺次无间隙叠设的第一导电片、压力环以及第二导电片；第一导电片、压力环、第二导电片与二极管灯泡形成电流通路；当对被检测螺栓进行检测时，敲击钢桁架桥构件，若被检测螺栓松动，安装在被检测螺栓上的松动指示装置中第一导电片、第二导电片与压力环发生碰撞，压力环产生正压电效应而放电，电流通路通电，二极管灯泡发光。本发明能够对钢桁架桥梁中的螺栓松动进行便捷、高效、低成本以及高准确率的检测。本以及高准确率的检测。本以及高准确率的检测。


技术研发人员：周广东 奚佳欢 张佳宁
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/12